Тепло людського тіла як джерело для виробництва термоелектричної енергії
Метью Стівенс
27 листопада 2016 року
Представлено в якості курсової роботи для PH240, Стенфордський університет, осінь 2016
Вступ
Ідея перетворення тепла людського тіла у форму корисної енергії роками орієнтована на науковців. Чоловік, що відпочиває, віддає приблизно 100-120 Вт енергії. Дуже мала частка цього може бути використана термоелектричним пристроєм для живлення пристроїв, що носяться. Як приклад, Thermi Watch від Seiko зумів зафіксувати безперервний заряд лише в одному мікроватті, тому, безумовно, існує життєздатний ринок, який ще не розквітнув. Відомо, що 80% сили типового людського тіла віддається у вигляді тепла, сучасні технології можуть виробляти лише кілька міліват енергії. Цього недостатньо для заряджання iPhone при введеній потужності приблизно 5 Вт, і, на жаль, такого рівня ефективності може бути ніколи неможливо.
Тепло людського тіла
Оскільки ми повинні пам’ятати, що енергія не може бути збережена абсолютно, ми повинні розглядати походження цієї енергії в їжі та, зокрема, в калоріях, які людський організм споживає як джерело цієї теплової енергії через метаболізм. Одна "калорія" їжі містить 4,184 × 10 3 джоулів. Якщо в середньому людина споживає 1500 калорій щодня, це означає 6,27 × 10 6 джоулів на день. Порівняльно кажучи, це приблизно кількість енергії, необхідної для роботи автомобіля протягом 15 хвилин. У глобальному масштабі це означає приблизно 3,14 × 10 19 Дж на рік. [1] Маючи на увазі таку кількість введеної енергії, нам також потрібно розуміти ентропію. Другий закон термодинаміки стверджує, що жодна система не є цілком ефективною, і частина цієї енергії повинна віддаватися як відпрацьоване тепло, або тепло тіла як ми це знаємо.
Технологія
Більш надійні термоелектричні генератори (ТЕГ), які використовуються у великих промислових галузях, таких як газопроводи, ливарні заводи та комбіновані теплоелектроцентралі, мають здатність генерувати набагато більшу різницю тепла і, отже, набагато більшу напругу. [3] Виходячи з їх більшого розміру та доступного простору, багато блоків можна з'єднати послідовно, забезпечуючи більшу вихідну потужність. Однак термоелектричні пристрої, що збирають тепло тіла, повинні бути набагато меншими, набагато гнучкішими і не можуть керувати такою великою різницею температур. Ці фактори призводять до значно нижчої вихідної потужності в діапазоні від мікро до міліват. Окрім цих обмежень, створюючи більший показник достоїнства або значення Z, яке є відношенням ефективності між тепловими властивостями та електричними властивостями використовуваних матеріалів, забезпечується більша вихідна потужність. [4] Досягнення нанотехнологій були зроблені для маніпулювання структурою матеріалів, щоб створити більш високе значення Z, хоча ці процеси надзвичайно складні, і існують обмеження щодо того, наскільки збільшення значення Z це може створити.