Inson energiyasidan foydalanish: Tana harorati energiyasi tizimlarining global sharhi

Barqaror va qayta tiklanadigan energiya manbalariga e'tibor kuchayib borayotgan dunyoda, noan'anaviy resurslardan foydalanish uchun innovatsion texnologiyalar paydo bo'lmoqda. Shu kabi yo'nalishlardan biri tana harorati energiyasi bo'lib, u inson energiyasini yig'ish deb ham ataladi. Bu soha inson tanasidan doimiy ravishda chiqib turadigan issiqlik energiyasini foydali elektr energiyasiga aylantirish imkoniyatlarini o'rganadi. Ushbu maqolada tana harorati energiyasi tizimlari, ularning asosiy texnologiyasi, hozirgi qo'llanilishi, muammolari va global istiqbollari keng qamrovli tarzda ko'rib chiqiladi.

Tana harorati energiyasi nima?

Tana harorati energiyasi - bu inson tanasi tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik energiyasini ushlab olish va elektr energiyasiga aylantirish jarayonidir. O'rtacha inson tanasi tinch holatda metabolik jarayonlar orqali taxminan 100 vatt issiqlik hosil qiladi. Bu issiqlik doimiy ravishda atrof-muhitga tarqaladi va past sifatli bo'lsa-da, tayyor energiya manbai hisoblanadi.

Tana harorati energiyasini ishlab chiqarish uchun eng keng tarqalgan texnologiya bu termoelektrik generator (TEG) hisoblanadi. TEGlar — bu Zebek effektiga asoslangan holda issiqlikni to'g'ridan-to'g'ri elektr energiyasiga aylantiradigan qattiq holatdagi qurilmalardir. Bu effektga ko'ra, ikkita har xil elektr o'tkazgich yoki yarimo'tkazgich o'rtasida harorat farqi mavjud bo'lganda, ular o'rtasida kuchlanish farqi hosil bo'ladi. TEGni inson tanasiga tekkizib, uning ikkinchi tomonini salqinroq muhitga qo'yish orqali harorat gradienti hosil qilinadi va natijada elektr energiyasi ishlab chiqariladi.

Termoelektrik generatorlar qanday ishlaydi

TEGlar elektr jihatdan ketma-ket va issiqlik jihatdan parallel ulangan ko'plab kichik termoparalardan iborat. Har bir termopara odatda vismut tellurid (Bi₂Te₃) qotishmalaridan iborat ikkita har xil yarimo'tkazgich materialdan tashkil topgan. Ushbu materiallar qurilma samaradorligini maksimal darajaga ko'tarish uchun yuqori Zebek koeffitsienti va elektr o'tkazuvchanligi, shuningdek, past issiqlik o'tkazuvchanligi bilan tanlanadi.

TEGning bir tomoni qizdirilganda (masalan, inson tanasi bilan aloqa qilish orqali) va ikkinchi tomoni sovutilganda (masalan, atrof-muhit havosi ta'sirida), elektronlar va teshiklar (yarimo'tkazgichlardagi zaryad tashuvchilar) issiq tomondan sovuq tomonga ko'chib o'tadi. Zaryad tashuvchilarning bu harakati har bir termoparada kuchlanish farqini yaratadi. Bir nechta termoparalarning ketma-ket ulanishi bu kuchlanishni oshirib, foydali elektr chiqishini hosil qiladi.

TEG samaradorligi qurilma bo'ylab harorat farqi va yarimo'tkazgichlarning material xususiyatlari bilan belgilanadi. Sifat ko'rsatkichi (ZT) — bu termoelektrik materialning ish faoliyatini tavsiflovchi o'lchovsiz parametrdir. Yuqori ZT qiymati yaxshiroq termoelektrik ko'rsatkichni anglatadi. Termoelektrik materiallarni tadqiq qilishda sezilarli yutuqlarga erishilgan bo'lsa-da, TEGlar samaradorligi nisbatan past bo'lib, odatda 5-10% oralig'ida qolmoqda.

Tana harorati energiyasi tizimlarining qo'llanilishi

Tana harorati energiyasi tizimlari, ayniqsa taqiladigan elektronika, tibbiy qurilmalar va masofadan zondlashda keng potentsial qo'llanilish sohalariga ega. Quyida ushbu texnologiya o'rganilayotgan ba'zi asosiy sohalar keltirilgan:

Taqiladigan elektronika

Tana harorati energiyasining eng istiqbolli qo'llanilishlaridan biri bu taqiladigan elektronika qurilmalarini quvvatlantirishdir. Aqlli soatlar, fitnes trekerlari va sensorlar kabi qurilmalar doimiy quvvat talab qiladi va ular ko'pincha muntazam ravishda zaryadlanishi yoki almashtirilishi kerak bo'lgan batareyalarga tayanadi. Tana harorati bilan ishlaydigan TEGlar ushbu qurilmalar uchun doimiy va barqaror quvvat manbaini ta'minlashi, batareyalarga yoki tez-tez zaryadlashga bo'lgan ehtiyojni yo'q qilishi mumkin.

Misollar:

Aqlli soatlar: Tadqiqotchilar qurilmani tana haroratidan olingan energiya bilan quvvatlantiradigan, batareya muddatini uzaytiradigan yoki hatto batareyaga bo'lgan ehtiyojni butunlay yo'q qiladigan TEG o'rnatilgan aqlli soatlarni ishlab chiqmoqdalar.
Fitnes trekerlari: Tana harorati bilan ishlaydigan fitnes trekerlari tez-tez zaryadlashni talab qilmasdan yurak urish tezligi, tana harorati va faollik darajasi kabi hayotiy belgilarni doimiy ravishda kuzatib borishi mumkin.
Aqlli kiyimlar: TEGlar sensorlar va boshqa elektron komponentlarni quvvatlantirish uchun kiyimga integratsiya qilinishi mumkin, bu esa doimiy sog'liqni saqlash monitoringi va shaxsiylashtirilgan fikr-mulohazalarni ta'minlaydi. Q-Symphony kabi kompaniyalar bu integratsiyalarni o'rganmoqda.

Tibbiy qurilmalar

Tana harorati energiyasi tibbiy qurilmalarni, xususan, kardiostimulyatorlar va glyukoza monitorlari kabi implantatsiya qilinadigan qurilmalarni quvvatlantirish uchun ham ishlatilishi mumkin. Implantatsiya qilinadigan qurilmalarda batareyalarni almashtirish jarrohlik amaliyotini talab qiladi, bu esa bemor uchun xavf tug'diradi. Tana harorati bilan ishlaydigan TEGlar ushbu qurilmalar uchun uzoq muddatli va ishonchli quvvat manbaini ta'minlashi, batareyalarni almashtirishga bo'lgan ehtiyojni kamaytirishi va bemorning ahvolini yaxshilashi mumkin.

Misollar:

Kardiostimulyatorlar: Tadqiqotchilar yurak ritmini tartibga solish uchun tana haroratidan energiya yig'adigan o'z-o'zini quvvatlantiruvchi kardiostimulyatorlar ustida ishlamoqda.
Glyukoza monitorlari: Tana harorati bilan ishlaydigan glyukoza monitorlari tashqi quvvat manbalarini talab qilmasdan qondagi shakar miqdorini doimiy ravishda kuzatib borishi mumkin.
Dori yetkazib berish tizimlari: TEGlar implantatsiya qilinadigan dori yetkazib berish tizimlarining mikronasoslarini va boshqa komponentlarini quvvatlantirishi mumkin, bu esa dori vositalarini aniq va nazoratli chiqarilishini ta'minlaydi.

Masofadan zondlash

Tana harorati energiyasi turli xil dasturlarda, masalan, atrof-muhit monitoringi, sanoat monitoringi va xavfsizlik tizimlarida masofaviy sensorlarni quvvatlantirish uchun ishlatilishi mumkin. Bu sensorlar ko'pincha batareya almashtirish amalda imkonsiz bo'lgan uzoq yoki borish qiyin bo'lgan joylarda ishlaydi. Tana harorati bilan ishlaydigan TEGlar ushbu sensorlar uchun ishonchli va barqaror quvvat manbaini ta'minlashi, doimiy ma'lumotlar to'plash va monitoring qilish imkonini beradi.

Misollar:

Atrof-muhit monitoringi: Tana harorati bilan ishlaydigan sensorlar harorat, namlik va boshqa atrof-muhit parametrlarini kuzatish uchun chekka hududlarga joylashtirilishi mumkin.
Sanoat monitoringi: TEGlar sanoat sharoitida mashina va uskunalarning holatini kuzatadigan sensorlarni quvvatlantirishi, bashoratli texnik xizmat ko'rsatishni ta'minlashi va uskunalarning ishdan chiqishini oldini olishi mumkin.
Xavfsizlik tizimlari: Tana harorati bilan ishlaydigan sensorlar xavfsizlik tizimlarida bosqinchilarni aniqlash va cheklangan hududlardagi faoliyatni kuzatish uchun ishlatilishi mumkin.

Boshqa qo'llanilishlar

Yuqorida aytib o'tilgan qo'llanilishlardan tashqari, tana harorati energiyasi tizimlari quyidagilar uchun ham o'rganilmoqda:

Narsalar interneti (IoT) qurilmalari: Turli sanoat va dasturlarda tobora keng tarqalgan kichik, kam quvvatli IoT qurilmalarini quvvatlantirish.
Favqulodda vaziyat quvvati: Tabiiy ofatlar yoki elektr uzilishlari kabi favqulodda vaziyatlarda zaxira quvvatni ta'minlash.
Harbiy qo'llanilishlar: Aloqa, navigatsiya va vaziyatni anglash uchun askarlar tomonidan taqiladigan elektronika va sensorlarni quvvatlantirish.

Muammolar va cheklovlar

Tana harorati energiyasining potentsial afzalliklariga qaramay, ushbu texnologiyani keng qo'llashdan oldin bir nechta muammolar va cheklovlarni hal qilish kerak:

Past samaradorlik

TEGlarning samaradorligi nisbatan past, odatda 5-10% oralig'ida. Bu shuni anglatadiki, issiqlik energiyasining faqat kichik bir qismi elektr energiyasiga aylanadi. TEGlar samaradorligini oshirish quvvat chiqishini oshirish va tana harorati energiyasi tizimlarini amaliyroq qilish uchun juda muhimdir.

Harorat farqi

TEG tomonidan ishlab chiqariladigan quvvat miqdori issiq va sovuq tomonlar orasidagi harorat farqiga proportsionaldir. Sezilarli harorat farqini saqlab qolish, ayniqsa yuqori atrof-muhit harorati bo'lgan muhitda yoki qurilma kiyim bilan qoplanganida qiyin bo'lishi mumkin. Samarali issiqlik boshqaruvi va izolyatsiyasi harorat farqini va quvvat chiqishini maksimal darajada oshirish uchun zarurdir.

Material xarajatlari

TEGlarda ishlatiladigan vismut tellurid qotishmalari kabi materiallar qimmat bo'lishi mumkin. Ushbu materiallarning narxini pasaytirish tana harorati energiyasi tizimlarini yanada arzonroq va qulayroq qilish uchun muhimdir. Tadqiqotlar ko'proq tarqalgan va arzonroq bo'lgan yangi termoelektrik materiallarni ishlab chiqishga qaratilgan.

Qurilma o'lchami va vazni

TEGlar nisbatan katta va og'ir bo'lishi mumkin, bu esa taqiladigan ilovalar uchun cheklov bo'lishi mumkin. TEGlarni miniatyuralashtirish va ularning vaznini kamaytirish ularni kundalik foydalanish uchun yanada qulay va amaliy qilish uchun muhimdir. Kichikroq va yengilroq TEGlar yaratish uchun yangi mikrofabrikatsiya usullari ishlab chiqilmoqda.

Kontakt qarshiligi

TEG va inson tanasi orasidagi kontakt qarshiligi issiqlik uzatish samaradorligini pasaytirishi mumkin. Qurilma va teri o'rtasida yaxshi issiqlik kontaktini ta'minlash quvvat chiqishini maksimal darajada oshirish uchun juda muhimdir. Bunga termal interfeys materiallari va optimallashtirilgan qurilma dizayni yordamida erishish mumkin.

Chidamlilik va ishonchlilik

TEGlar kundalik foydalanish qiyinchiliklariga bardosh berish uchun bardoshli va ishonchli bo'lishi kerak. Ular mexanik stress, harorat o'zgarishlari va namlik va terga ta'sir qilishga bardosh berishi kerak. To'g'ri kapsulalash va qadoqlash TEGni himoya qilish va uning uzoq muddatli ish faoliyatini ta'minlash uchun zarurdir.

Global tadqiqot va ishlanmalar

Tana harorati energiyasi tizimlarining muammolari va cheklovlarini yengish va ularning to'liq salohiyatini ochish uchun butun dunyo bo'ylab muhim tadqiqot va ishlanmalar olib borilmoqda. Ushbu sa'y-harakatlar quyidagilarga qaratilgan:

Termoelektrik materiallarni takomillashtirish

Tadqiqotchilar yuqori ZT qiymatlariga ega yangi termoelektrik materiallarni o'rganmoqdalar. Bunga yangi qotishmalar, nanostrukturalar va kompozit materiallarni ishlab chiqish kiradi. Masalan, Amerika Qo'shma Shtatlaridagi Northwestern University olimlari kiyimga integratsiya qilinishi mumkin bo'lgan egiluvchan termoelektrik materialni ishlab chiqdilar. Yevropada, Yevropa Termoelektrik Jamiyati (ETS) bir nechta mamlakatlardagi tadqiqot ishlarini muvofiqlashtiradi.

Qurilma dizaynini optimallashtirish

Tadqiqotchilar issiqlik uzatishni maksimal darajada oshirish va issiqlik yo'qotishlarini minimallashtirish uchun TEG dizaynini optimallashtirmoqdalar. Bunga ilg'or issiqlik qabul qiluvchilar, mikrofluidik sovutish tizimlari va yangi qurilma arxitekturalaridan foydalanish kiradi. Yaponiyadagi Tokio Universiteti tadqiqotchilari taqiladigan sensorlarga integratsiya qilinishi mumkin bo'lgan mikro-TEGni ishlab chiqdilar. Bundan tashqari, Janubiy Koreyadagi turli tadqiqot guruhlari taqiladigan ilovalar uchun egiluvchan TEG dizaynlari ustida ishlamoqda.

Yangi qo'llanilishlarni ishlab chiqish

Tadqiqotchilar sog'liqni saqlash, atrof-muhit monitoringi va sanoat avtomatizatsiyasi kabi turli sohalarda tana harorati energiyasi tizimlari uchun yangi qo'llanilishlarni o'rganmoqdalar. Bunga o'z-o'zini quvvatlantiruvchi tibbiy qurilmalar, simsiz sensorlar va IoT qurilmalarini ishlab chiqish kiradi. Misollar orasida sog'liqni saqlash sohasida taqiladigan qurilmalar uchun energiya yig'ishga qaratilgan Horizon 2020 dasturi doirasida Yevropa Komissiyasi tomonidan moliyalashtirilgan loyihalar mavjud.

Xarajatlarni kamaytirish

Tadqiqotchilar ko'proq tarqalgan va arzonroq materiallardan foydalanish va yanada samaraliroq ishlab chiqarish jarayonlarini ishlab chiqish orqali TEGlar narxini pasaytirish ustida ishlamoqda. Bunga murakkab geometriyali va optimallashtirilgan ishlashga ega TEGlar yaratish uchun 3D bosib chiqarish kabi qo'shimcha ishlab chiqarish texnikalaridan foydalanish kiradi. Xitoyda hukumat import qilinadigan materiallarga qaramlikni kamaytirish uchun termoelektrik materiallar tadqiqotiga katta sarmoya kiritmoqda.

Kelajak istiqbollari

Tana harorati energiyasi tizimlarining kelajagi o'sish va innovatsiyalar uchun katta salohiyatga ega bo'lib, istiqbolli ko'rinadi. Termoelektrik materiallar va qurilma texnologiyalari takomillashib borar ekan, tana harorati energiyasi taqiladigan elektronika, tibbiy qurilmalar va boshqa ilovalarni quvvatlantirishda tobora muhim rol o'ynashi kutilmoqda. Elektronikaning hajmi va narxining pasayishi hamda o'z-o'zini quvvatlantiruvchi qurilmalarga bo'lgan talabning ortishi tana harorati energiyasi tizimlarining qabul qilinishini yanada kuchaytiradi.

Kuzatish kerak bo'lgan asosiy tendensiyalar:

Ilg'or termoelektrik materiallar: Yaxshilangan ZT qiymatlari va kamaytirilgan xarajatlarga ega yuqori samarali termoelektrik materiallarni doimiy ravishda ishlab chiqish.
Egiluvchan va cho'ziluvchan TEGlar: Inson tanasining shakliga moslasha oladigan va mexanik stressga bardosh bera oladigan TEGlar ishlab chiqish.
Taqiladigan qurilmalar bilan integratsiya: TEGlarni kiyim, aksessuarlar va boshqa taqiladigan qurilmalarga uzluksiz integratsiya qilish.
O'z-o'zini quvvatlantiruvchi tibbiy qurilmalar: Tana harorati bilan quvvatlanadigan, batareyalarni almashtirishga bo'lgan ehtiyojni kamaytiradigan implantatsiya qilinadigan va taqiladigan tibbiy qurilmalarni ishlab chiqish.
IoT qo'llanilishlari: IoT ilovalarida tana harorati bilan ishlaydigan sensorlar va qurilmalarni keng miqyosda joylashtirish.

Xulosa

Tana harorati energiyasi tizimlari inson tanasi tomonidan ishlab chiqarilgan issiqlik energiyasini ushlab olish va uni foydali elektr energiyasiga aylantirish uchun istiqbolli texnologiyani ifodalaydi. Hali jiddiy muammolar mavjud bo'lsa-da, davom etayotgan tadqiqot va ishlanmalar ushbu texnologiyani turli xil ilovalarda kengroq qo'llashga yo'l ochmoqda. Termoelektrik materiallar va qurilma texnologiyalari takomillashib borar ekan, tana harorati energiyasi barqaror energiya va taqiladigan elektronika kelajagida muhim rol o'ynash salohiyatiga ega bo'lib, bu qurilmalarimizni qanday quvvatlantirishimiz va sog'lig'imizni qanday kuzatishimizga global ta'sir ko'rsatadi.