探索人体热能发电系统在可持续能源发电方面的潜力。了解该技术、应用、挑战以及全球未来前景。
利用人体能量：人体热能发电系统全球概览
在一个日益关注可持续和可再生能源的世界中，创新技术正在涌现，以利用非常规资源。其中一个越来越受欢迎的领域是人体热能发电，也称为人体能量收集。该领域探索将人体不断散发的热能转化为可用电能的潜力。本文全面概述了人体热能发电系统，从全球角度考察了其基础技术、当前应用、挑战和未来前景。
什么是人体热能发电？
人体热能发电是指捕获并转换人体产生的热能为电能的过程。人体平均产生大量的热量，休息时约为 100 瓦，主要通过代谢过程。这种热量不断地散发到周围环境中，代表着一种现成的，尽管是低等级的能源。
用于人体热能发电的最常见技术是热电发电机 (TEG)。TEG 是一种固态设备，它基于塞贝克效应将热量直接转换为电能。该效应指出，当两种不同的电导体或半导体之间存在温差时，它们之间会产生电压差。通过将 TEG 与人体接触，并将另一侧暴露于较冷的环境中，建立温度梯度，从而产生电力。
热电发电机的工作原理
TEG 由许多小的热电偶组成，这些热电偶以串联方式在电气上连接，并以并联方式在热学上连接。每个热电偶由两种不同的半导体材料组成，通常是碲化铋 (Bi2Te3) 合金。选择这些材料是因为它们具有高塞贝克系数和导电性，以及低导热性，以最大限度地提高设备的效率。
当 TEG 的一侧被加热（例如，通过与人体接触）并且另一侧被冷却（例如，通过暴露于环境空气）时，电子和空穴（半导体中的载流子）从热侧迁移到冷侧。电荷载流子的这种运动在每个热电偶上产生电压差。多个热电偶的串联连接放大了该电压，从而产生可用的电输出。
TEG 的效率由设备两端的温差和半导体的材料特性决定。品质因数 (ZT) 是一个无量纲参数，用于表征热电材料的性能。较高的 ZT 值表示更好的热电性能。虽然在热电材料研究方面取得了重大进展，但 TEG 的效率仍然相对较低，通常在 5-10% 的范围内。
人体热能发电系统的应用
人体热能发电系统具有广泛的潜在应用，尤其是在可穿戴电子设备、医疗设备和远程传感领域。以下是正在探索该技术的一些关键领域：
可穿戴电子设备
人体热能发电最有希望的应用之一是为可穿戴电子设备供电。智能手表、健身追踪器和传感器等设备需要持续供电，通常依赖于需要定期充电或更换的电池。人体热能 TEG 可以为这些设备提供持续且可持续的电源，从而无需电池或频繁充电。
示例：
- 智能手表： 研究人员正在开发集成 TEG 的智能手表，该手表可以从人体热量中收集能量为设备供电，从而延长其电池寿命，甚至完全无需电池。
- 健身追踪器： 人体热能健身追踪器可以持续监测心率、体温和活动水平等生命体征，而无需频繁充电。
- 智能服装： TEG 可以集成到服装中，为传感器和其他电子元件供电，从而实现持续的健康监测和个性化反馈。像 Q-Symphony 这样的公司正在探索这些集成。
医疗设备
人体热能发电也可用于为医疗设备供电，特别是植入式设备，如心脏起搏器和血糖监测仪。更换植入式设备中的电池需要手术，这对患者构成风险。人体热能 TEG 可以为这些设备提供持久且可靠的电源，从而减少更换电池的需要并改善患者的治疗效果。
示例：
- 心脏起搏器： 研究人员正在开发自供电心脏起搏器，该起搏器从人体热量中收集能量来调节心律。
- 血糖监测仪： 人体热能血糖监测仪可以持续跟踪血糖水平，而无需外部电源。
- 药物输送系统： TEG 可以为植入式药物输送系统的微型泵和其他组件供电，从而实现精确和可控的药物释放。
远程传感
人体热能发电可用于为各种应用中的远程传感器供电，例如环境监测、工业监测和安全系统。这些传感器通常在难以到达或难以接近的远程位置运行，更换电池是不切实际的。人体热能 TEG 可以为这些传感器提供可靠且可持续的电源，从而实现连续的数据收集和监测。
示例：
- 环境监测： 人体热能传感器可以部署在偏远地区，以监测温度、湿度和其他环境参数。
- 工业监测： TEG 可以为传感器供电，以监测工业环境中机械和设备的状况，从而实现预测性维护并防止设备故障。
- 安全系统： 人体热能传感器可用于安全系统中，以检测入侵者和监测限制区域内的活动。
其他应用
除了上述应用之外，人体热能发电系统还在以下方面进行探索：
- 物联网 (IoT) 设备： 为各种行业和应用中日益普及的小型、低功耗物联网设备供电。
- 紧急电源： 在紧急情况下提供备用电源，例如自然灾害或停电。
- 军事应用： 为士兵佩戴的电子设备和传感器供电，用于通信、导航和态势感知。
挑战和局限性
尽管人体热能发电具有潜在的益处，但在该技术得到广泛采用之前，还需要解决一些挑战和局限性：
效率低
TEG 的效率相对较低，通常在 5-10% 的范围内。这意味着只有一小部分热能转化为电能。提高 TEG 的效率对于增加功率输出并使人体热能发电系统更实用至关重要。
温差
TEG 产生的功率量与冷热两侧的温差成正比。维持显着的温差可能具有挑战性，尤其是在环境温度较高或设备被衣服覆盖的情况下。有效的热管理和隔热对于最大限度地提高温差和功率输出至关重要。
材料成本
TEG 中使用的材料（例如碲化铋合金）可能很昂贵。降低这些材料的成本对于使人体热能发电系统更经济实惠和更容易获得非常重要。研究的重点是开发更多、更便宜的新型热电材料。
设备尺寸和重量
TEG 可能相对笨重，这对于可穿戴应用来说可能是一个限制。小型化 TEG 并减轻其重量对于使其更舒适和更实用至关重要。正在开发新型微细加工技术来制造更小更轻的 TEG。
接触电阻
TEG 与人体之间的接触电阻会降低传热效率。确保设备与皮肤之间的良好热接触对于最大限度地提高功率输出至关重要。这可以通过使用导热界面材料和优化的设备设计来实现。
耐用性和可靠性
TEG 需要耐用且可靠，才能承受日常使用的严酷考验。它们应能承受机械应力、温度波动以及暴露于潮湿和汗水。适当的封装对于保护 TEG 并确保其长期性能至关重要。
全球研发工作
世界各地正在开展重要的研发工作，以克服人体热能发电系统的挑战和局限性，并释放其全部潜力。这些努力的重点是：
改进热电材料
研究人员正在探索具有更高 ZT 值的新型热电材料。这包括开发新型合金、纳米结构和复合材料。例如，美国西北大学的科学家开发了一种可以集成到服装中的柔性热电材料。在欧洲，欧洲热电协会 (ETS) 协调多个国家/地区的研究工作。
优化设备设计
研究人员正在优化 TEG 的设计，以最大限度地提高传热并最大限度地减少热损失。这包括使用先进的散热器、微流体冷却系统和新型设备架构。日本东京大学的研究人员开发了一种可以集成到可穿戴传感器中的微型 TEG。此外，韩国的各个研究团队正在研究用于可穿戴应用的柔性 TEG 设计。
开发新应用
研究人员正在探索人体热能发电系统在医疗保健、环境监测和工业自动化等各个领域的新应用。这包括开发自供电医疗设备、无线传感器和物联网设备。例如，欧盟委员会在 Horizon 2020 计划下资助的项目，重点是为医疗保健领域的可穿戴设备收集能量。
降低成本
研究人员正在努力通过使用更多、更便宜的材料和开发更高效的制造工艺来降低 TEG 的成本。这包括使用增材制造技术（例如 3D 打印）来创建具有复杂几何形状和优化性能的 TEG。在中国，政府正在大力投资于热电材料研究，以减少对进口材料的依赖。
未来展望
人体热能发电系统的未来看起来充满希望，具有巨大的增长和创新潜力。随着热电材料和设备技术的不断改进，人体热能发电有望在为可穿戴电子设备、医疗设备和其他应用供电方面发挥越来越重要的作用。电子设备尺寸和成本的降低，以及对自供电设备需求的增加，将进一步推动人体热能发电系统的采用。
需要关注的关键趋势：
结论
人体热能发电系统代表了一种很有前景的技术，可以利用人体产生的热能并将其转化为可用的电能。虽然仍然存在重大挑战，但正在进行的研究和开发工作正在为该技术在各种应用中的更广泛采用铺平道路。随着热电材料和设备技术的不断改进，人体热能发电有潜力在可持续能源和可穿戴电子设备的未来中发挥重要作用，对我们如何为设备供电和监测我们的健康产生全球影响。