Використання людської енергії: Глобальний огляд систем живлення від тепла тіла

У світі, що все більше зосереджується на сталих та відновлюваних джерелах енергії, з'являються інноваційні технології для використання нетрадиційних ресурсів. Однією з таких сфер, що набирає обертів, є енергія тепла тіла, також відома як збір енергії людини. Ця галузь досліджує потенціал перетворення теплової енергії, яку постійно випромінює людське тіло, у корисну електричну енергію. Ця стаття надає комплексний огляд систем живлення від тепла тіла, розглядаючи базову технологію, поточні застосування, виклики та майбутні перспективи з глобальної точки зору.

Що таке енергія тепла тіла?

Енергія тепла тіла — це процес захоплення та перетворення теплової енергії, що виробляється людським тілом, в електрику. Середньостатистичне людське тіло генерує значну кількість тепла, приблизно 100 ват у стані спокою, переважно через метаболічні процеси. Це тепло постійно розсіюється в навколишнє середовище, представляючи собою легкодоступне, хоча й низькоякісне, джерело енергії.

Найпоширенішою технологією, що використовується для генерації енергії від тепла тіла, є термоелектричний генератор (ТЕГ). ТЕГ — це твердотільні пристрої, які перетворюють тепло безпосередньо в електрику на основі ефекту Зеєбека. Цей ефект полягає в тому, що коли існує різниця температур між двома різнорідними електричними провідниками або напівпровідниками, між ними виникає різниця напруг. Розміщуючи ТЕГ у контакті з людським тілом і піддаючи іншу сторону впливу прохолоднішого середовища, створюється температурний градієнт, що генерує електрику.

Як працюють термоелектричні генератори

ТЕГ складаються з численних малих термопар, з'єднаних електрично послідовно та термічно паралельно. Кожна термопара складається з двох різнорідних напівпровідникових матеріалів, зазвичай сплавів телуриду вісмуту (Bi₂Te₃). Ці матеріали обирають через їх високий коефіцієнт Зеєбека та електричну провідність, а також низьку теплопровідність, щоб максимізувати ефективність пристрою.

Коли одна сторона ТЕГ нагрівається (наприклад, від контакту з людським тілом), а інша охолоджується (наприклад, під впливом навколишнього повітря), електрони та дірки (носії заряду в напівпровідниках) мігрують з гарячої сторони на холодну. Цей рух носіїв заряду створює різницю напруг на кожній термопарі. Послідовне з'єднання кількох термопар підсилює цю напругу, що призводить до отримання корисного електричного виходу.

Ефективність ТЕГ визначається різницею температур на пристрої та властивостями матеріалів напівпровідників. Коефіцієнт добротності (ZT) — це безрозмірний параметр, що характеризує продуктивність термоелектричного матеріалу. Вище значення ZT вказує на кращу термоелектричну продуктивність. Хоча було досягнуто значного прогресу в дослідженні термоелектричних матеріалів, ефективність ТЕГ залишається відносно низькою, зазвичай у діапазоні 5-10%.

Застосування систем живлення від тепла тіла

Системи живлення від тепла тіла мають широкий спектр потенційних застосувань, особливо в носимій електроніці, медичних пристроях та дистанційному зондуванні. Ось деякі ключові сфери, де ця технологія досліджується:

Носима електроніка

Одним з найбільш перспективних застосувань енергії тепла тіла є живлення носимої електроніки. Такі пристрої, як смарт-годинники, фітнес-трекери та сенсори, потребують безперервного живлення, часто покладаючись на батареї, які необхідно регулярно заряджати або замінювати. ТЕГ, що живляться від тепла тіла, можуть забезпечити безперервне та стале джерело живлення для цих пристроїв, усуваючи потребу в батареях або частому заряджанні.

Приклади:

• Смарт-годинники: Дослідники розробляють смарт-годинники з інтегрованими ТЕГ, які можуть збирати енергію з тепла тіла для живлення пристрою, подовжуючи термін служби батареї або навіть усуваючи потребу в ній.
• Фітнес-трекери: Фітнес-трекери, що живляться від тепла тіла, можуть безперервно відстежувати життєві показники, такі як серцевий ритм, температура тіла та рівень активності, не вимагаючи частого заряджання.
• Розумний одяг: ТЕГ можна інтегрувати в одяг для живлення сенсорів та інших електронних компонентів, що дозволяє безперервно моніторити здоров'я та надавати персоналізований зворотний зв'язок. Компанії, такі як Q-Symphony, досліджують ці інтеграції.

Медичні пристрої

Енергія тепла тіла також може використовуватися для живлення медичних пристроїв, зокрема імплантованих пристроїв, таких як кардіостимулятори та глюкометри. Заміна батарей в імплантованих пристроях вимагає хірургічного втручання, що створює ризики для пацієнта. ТЕГ, що живляться від тепла тіла, можуть забезпечити довготривале та надійне джерело живлення для цих пристроїв, зменшуючи потребу в заміні батарей та покращуючи результати лікування пацієнтів.

Приклади:

• Кардіостимулятори: Дослідники працюють над розробкою самозарядних кардіостимуляторів, які збирають енергію з тепла тіла для регулювання серцевого ритму.
• Глюкометри: Глюкометри, що живляться від тепла тіла, можуть безперервно відстежувати рівень цукру в крові, не вимагаючи зовнішніх джерел живлення.
• Системи доставки ліків: ТЕГ можуть живити мікронасоси та інші компоненти імплантованих систем доставки ліків, забезпечуючи точне та контрольоване вивільнення препаратів.

Дистанційне зондування

Енергія тепла тіла може використовуватися для живлення дистанційних сенсорів у різних сферах, таких як моніторинг навколишнього середовища, промисловий моніторинг та системи безпеки. Ці сенсори часто працюють у віддалених або важкодоступних місцях, де заміна батарей є непрактичною. ТЕГ, що живляться від тепла тіла, можуть забезпечити надійне та стале джерело живлення для цих сенсорів, уможливлюючи безперервний збір даних та моніторинг.

Приклади:

• Моніторинг навколишнього середовища: Сенсори, що живляться від тепла тіла, можна розгортати у віддалених районах для моніторингу температури, вологості та інших параметрів навколишнього середовища.
• Промисловий моніторинг: ТЕГ можуть живити сенсори, які відстежують стан машин та обладнання в промислових умовах, уможливлюючи прогнозне технічне обслуговування та запобігаючи збоям обладнання.
• Системи безпеки: Сенсори, що живляться від тепла тіла, можуть використовуватися в системах безпеки для виявлення зловмисників та моніторингу активності в зонах з обмеженим доступом.

Інші застосування

Окрім вищезазначених застосувань, системи живлення від тепла тіла також досліджуються для:

• Пристрої Інтернету речей (IoT): Живлення невеликих, малопотужних пристроїв IoT, які стають все більш поширеними в різних галузях та застосуваннях.
• Аварійне живлення: Забезпечення резервного живлення в надзвичайних ситуаціях, таких як стихійні лиха або відключення електроенергії.
• Військові застосування: Живлення електроніки та сенсорів, які носять солдати, для зв'язку, навігації та ситуаційної обізнаності.

Виклики та обмеження

Незважаючи на потенційні переваги енергії тепла тіла, існує кілька викликів та обмежень, які необхідно подолати, перш ніж ця технологія зможе отримати широке поширення:

Низька ефективність

Ефективність ТЕГ є відносно низькою, зазвичай у діапазоні 5-10%. Це означає, що лише мала частина теплової енергії перетворюється в електрику. Покращення ефективності ТЕГ є вирішальним для збільшення вихідної потужності та робить системи живлення від тепла тіла більш практичними.

Різниця температур

Кількість енергії, що генерується ТЕГ, пропорційна різниці температур між гарячою та холодною сторонами. Підтримання значної різниці температур може бути складним, особливо в середовищах з високою температурою навколишнього середовища або коли пристрій покритий одягом. Ефективне управління теплом та ізоляція є важливими для максимізації різниці температур та вихідної потужності.

Вартість матеріалів

Матеріали, що використовуються в ТЕГ, такі як сплави телуриду вісмуту, можуть бути дорогими. Зниження вартості цих матеріалів є важливим для того, щоб зробити системи живлення від тепла тіла більш доступними. Дослідження зосереджені на розробці нових термоелектричних матеріалів, які є більш поширеними та менш дорогими.

Розмір та вага пристрою

ТЕГ можуть бути відносно громіздкими та важкими, що може бути обмеженням для носимих застосувань. Мініатюризація ТЕГ та зменшення їх ваги є важливими для того, щоб зробити їх більш комфортними та практичними для щоденного використання. Розробляються нові методи мікрофабрикації для створення менших та легших ТЕГ.

Контактний опір

Контактний опір між ТЕГ та людським тілом може зменшити ефективність теплопередачі. Забезпечення хорошого теплового контакту між пристроєм та шкірою є вирішальним для максимізації вихідної потужності. Цього можна досягти за допомогою термоінтерфейсних матеріалів та оптимізованої конструкції пристрою.

Довговічність та надійність

ТЕГ повинні бути довговічними та надійними, щоб витримувати труднощі щоденного використання. Вони повинні бути стійкими до механічних навантажень, коливань температури та впливу вологи та поту. Правильна герметизація та упаковка є важливими для захисту ТЕГ та забезпечення його довготривалої роботи.

Глобальні дослідження та розробки

Значні дослідження та розробки проводяться по всьому світу для подолання викликів та обмежень систем живлення від тепла тіла та розкриття їх повного потенціалу. Ці зусилля зосереджені на:

Покращенні термоелектричних матеріалів

Дослідники вивчають нові термоелектричні матеріали з вищими значеннями ZT. Це включає розробку нових сплавів, наноструктур та композитних матеріалів. Наприклад, вчені з Північно-Західного університету в США розробили гнучкий термоелектричний матеріал, який можна інтегрувати в одяг. У Європі Європейське термоелектричне товариство (ETS) координує дослідницькі зусилля в кількох країнах.

Оптимізації конструкції пристроїв

Дослідники оптимізують конструкцію ТЕГ для максимізації теплопередачі та мінімізації теплових втрат. Це включає використання передових радіаторів, мікрофлюїдних систем охолодження та нових архітектур пристроїв. Дослідники з Токійського університету в Японії розробили мікро-ТЕГ, який можна інтегрувати в носимі сенсори. Крім того, різні дослідницькі групи в Південній Кореї працюють над гнучкими конструкціями ТЕГ для носимих застосувань.

Розробці нових застосувань

Дослідники вивчають нові застосування для систем живлення від тепла тіла в різних галузях, таких як охорона здоров'я, моніторинг навколишнього середовища та промислова автоматизація. Це включає розробку самозарядних медичних пристроїв, бездротових сенсорів та пристроїв IoT. Прикладами є проєкти, що фінансуються Європейською комісією в рамках програми «Горизонт 2020», які зосереджені на зборі енергії для носимих пристроїв у сфері охорони здоров'я.

Зниженні витрат

Дослідники працюють над зниженням вартості ТЕГ, використовуючи більш поширені та менш дорогі матеріали та розробляючи більш ефективні виробничі процеси. Це включає використання методів адитивного виробництва, таких як 3D-друк, для створення ТЕГ зі складною геометрією та оптимізованою продуктивністю. У Китаї уряд активно інвестує в дослідження термоелектричних матеріалів для зменшення залежності від імпортних матеріалів.

Майбутні перспективи

Майбутнє систем живлення від тепла тіла виглядає багатообіцяючим, зі значним потенціалом для зростання та інновацій. Оскільки термоелектричні матеріали та технології пристроїв продовжують вдосконалюватися, очікується, що енергія тепла тіла відіграватиме все більш важливу роль у живленні носимої електроніки, медичних пристроїв та інших застосувань. Зменшення розміру та вартості електроніки в поєднанні зі зростаючим попитом на самозарядні пристрої буде далі стимулювати впровадження систем живлення від тепла тіла.

Ключові тенденції, на які варто звернути увагу:

• Передові термоелектричні матеріали: Подальший розвиток високопродуктивних термоелектричних матеріалів з покращеними значеннями ZT та зниженою вартістю.
• Гнучкі та розтяжні ТЕГ: Розробка ТЕГ, які можуть пристосовуватися до форми людського тіла та витримувати механічні навантаження.
• Інтеграція з носимими пристроями: Безшовна інтеграція ТЕГ в одяг, аксесуари та інші носимі пристрої.
• Самозарядні медичні пристрої: Розробка імплантованих та носимих медичних пристроїв, що живляться від тепла тіла, зменшуючи потребу в заміні батарей.
• Застосування в IoT: Широкомасштабне розгортання сенсорів та пристроїв, що живляться від тепла тіла, в застосунках IoT.

Висновок

Системи живлення від тепла тіла представляють собою перспективну технологію для використання теплової енергії, що виробляється людським тілом, та перетворення її в корисну електрику. Хоча залишаються значні виклики, поточні дослідження та розробки прокладають шлях до ширшого впровадження цієї технології в різних застосуваннях. Оскільки термоелектричні матеріали та технології пристроїв продовжують вдосконалюватися, енергія тепла тіла має потенціал відіграти значну роль у майбутньому сталої енергетики та носимої електроніки, з глобальними наслідками для того, як ми живимо наші пристрої та контролюємо наше здоров'я.