Для чего нужны носимые термоэлектрические генераторы

Смысл ТЭГ не в том, чтобы приводить в действие различную технику, энергия может быть предназначена для устройств мониторинга ее работоспособности

Что такое носимые термоэлектрические генераторы?

Носимые термоэлектрические генераторы (ТЭГ) используют разницу температур между телом и окружающим воздухом для выработки электроэнергии. [1]

Сегодня исследователи разрабатывают носимые ТЭГ, которые питают устройства долговременного мониторинга здоровья, такие как регистраторы физиологических параметров сердца. [2]

В дополнение к этому, ТЭГ также используются в транспортных средствах для утилизации отработанного тепла, повышая эффективность использования топлива и сокращая выбросы парниковых газов. [3]

Многие исследователи демонстрируют различные варианты носимых ТЭГ. В качестве примера можно рассмотреть перспективную конструкцию, включающую термоэлектрическую (ТЭ) пластину, две полидиметилсилоксановые (ПДМС) пластины, два полупроводника из оксида алюминия с керамическими наконечниками. [4]

Для формирования термоэлектрической пары полупроводники делятся на n-тип (отрицательный) и p-тип (положительный). [1] Между полупроводниками расположена ТЭ пластина.

ТЭГ имеет распределитель тепла, прикрепленный к нижней части. Он улучшает рассеивание тепловой энергии и охлаждает устройство. Распределитель тепла также позволяет использовать эту технологию на различных частях тела. [4]

Термоэлектрическая пластина зажата между двумя пластинами ПДМС. Пластины ПДМС действуют как изоляторы, уменьшая потерю тепла при его передаче от распределителя к ТЭГ. [4]

Как работают носимые ТЭГ?

ТЭГ используют эффект Зеебека, как показано на рис. 1, создавая разности напряжений между полупроводниками и, таким образом, позволяя току течь. [1]

В частности, для создания разности напряжений между полупроводниками эффект Зеебека использует разность температур. Разница напряжений приводит к возникновению тока между полупроводниками, вследствие чего происходит выработка и подача электроэнергии.

Тестирование ТЭГ

С более высокой разницей температур между телом и окружающим воздухом носимые ТЭГ будут генерировать больше электричества. Учитывая этот факт, исследователи испытывали носимые ТЭГ на разных участках тела и в периоды времени, когда тело выполняло различные действия. [4]

Были измерены показатели выработки электричества, производимого носимым ТЭГ на различных частях тела, включая запястье, плечо и грудь. Измерения проводились, когда человек сидел и шел. Результаты показали, что наибольшее количество вырабатываемой электроэнергии составило 20 мкВт/см² в то время, когда ТЭГ был прикреплен к плечу человека, находившегося в состоянии ходьбы. [4]

Для контекста, 20 мкВт/см² это небольшое количество энергии, которое может быть записано как 0,000020 Вт/см². Учитывая то,  что средняя окружность плеча мужчины составляет 28 см, поэтому ТЭГ можно расположить вокруг плеча так, чтобы охватить область длиной 28 см и высотой 5 см, при этом площадь контакта составит 140 см ². [5] Учитывая, что ТЭГ вырабатывают 0,000020 Вт/см², с  140 см ² можно получить 0,0028 Вт:

0,000020 Вт/см² × 140 см² = 0,0028 Вт

Это небольшое количество энергии. Для сравнения, средний холодильник потребляет 3000 Вт в день. [6] Это говорит о том, что количество энергии, получаемой с помощью ТЭГ, будет недостаточным для питания любых повседневных приборов, которые мы обычно используем.

Смысл ТЭГ, однако, не в том, чтобы приводить в действие различную технику, энергия может быть предназначена для устройств мониторинга ее работоспособности.

Оценки мощности, получаемой посредством размещения ТЭГ на разных частях тела, приводят к выводу, что выходной мощности будет достаточно только для запуска небольших устройств мониторинга окружающей среды и здоровья живых организмов, включая датчик концентрации озона или фиксирование сигналов электрокардиограммы. [4]

Значение носимых ТЭГ

Успешное использование носимых ТЭГ может свести на нет потребность в батареях для питания носимых устройств. Сокращение использования батарей уменьшает потребность в использовании опасных материалов, необходимых при их производстве.

Тем не менее, важно отметить, что количество энергии, получаемой в настоящее время с помощью ТЭГ, довольно мало. Несмотря на то, что он может питать небольшие устройства мониторинга окружающей среды или здоровья, общая выходная мощность остается довольно низкой.

 

Источник:

Elle Billman. «Носимые термоэлектрические генераторы».

Ссылки:

[1] M. Stevens, «Тепло человеческого тела как источник для генерации термоэлектрической энергии», Физика 240, Стэнфордский университет, осень 2016.

[2] В. Леонов, «Сбор термоэлектрической энергии тепла человеческого тела для носимых датчиков», IEEE Sens. J. 13, (2013)

[3] Y. Shi и соавторы, «Проектирование и изготовление переносного термоэлектрического генераторного устройства для сбора тепла», IEEE Robot. Automat. Lett. 3, 373 (2018).

[4] M. Hyland и соавторы, «Носимые термоэлектрические генераторы для сбора тепла человеческим телом», Appl. Энергия 182, 518 (2016).

[5] N. Brito и соавторы, «Соотношение между окружностью средней части плеча и индексом массы тела у стационарных больных», PLOS One 11, e0160480 (2016).

[6] S. Mudie и соавторы, «Использование электричества на коммерческой кухне», Int. J. Low Carbon Tech. 11, 66 (2013).