מכשירים לבישים - החל מעוקבים כושר וצופים חכמים לצנטרים בריאותיים מתמשכים ותיקונים רפואיים - הפכו לכלים חיוניים לבריאות אישית, אבחון קליני, ואפילו בטיחות מקום העבודה שלהם, אך אימוץ נרחב שלהם כבר מופרש על ידי אתגר מתמשך: עריצות של הסוללה המסורתית מופעלת או סוללות מטבע קבועות, ללא מגבלות קשות על זמן הפעלה, דרישה תכופה, ותורמים לתוספת אנרגיה מתקדמת יותר מבעיה חשמלית אחת.

מה זה אנרגיה קצירת?

קצירת אנרגיה (נקראת גם אנרגיה מתפתל) היא תהליך של לכידת כמויות קטנות, דיפוזה של אנרגיה ממקורות חיצוניים - כגון תנועה אנושית, חום גוף, אור מתפתל, קרינה אלקטרומגנטית שוטה - וממיר את האנרגיה הזאת לתוך זרם חשמלי.הכוח המתקבל בדרך כלל במיקרו-וואט לטווח ניהול נמוך, אשר מספיק כדי להפעיל חיישנים נמוכים, מיקרו-בקר, וניתן לעקוב אחר עצמו באופן קבוע, כי הוא מסוגל להשתמש באנרגיה קלה יותר, באופן קבוע, באופן קבוע, כי הוא מסוגל להשתמש באנרגיה.

טכנולוגיות אנרגיה

עשרות מנגנוני משיכת חומרים נחקרו על קצירת אנרגיה עוטה, אך הטכנולוגיות הבוגרות והרלוונטיות ביותר נופלות לארבע קטגוריות עיקריות: ⁇ אלקטריות, תרמואלקטריות, פוטו-וולטאיות וטריבואלקטריות. קטגוריה חמישית – רדיו- ⁇ (RF) קצירת – גם צוברת מתח, במיוחד בסביבות IoT צפופות.

▪ אנרגיה חשמלית קצירת

חומרים Piezoelectric לייצר פוטנציאל חשמלי כאשר הם מפורשים מכנית.למצום חומרים כאלה בערימה של משקפי שמש - לדוגמה, בנעל אינסול, פס כף יד, או תיקון בגד - מאפשר לקצירת כדי להמיר תנועות גוף (הליכה, ריצה, צפיפות הזרועות, אפילו נשימה) לתוך חומר נוגד אנרגיה חשמלית.

אנרגיה מתחדשת

גנרטורים חשמליים (TEGs) מנצלים את אפקט ה-Seebeck: כאשר שני מתכות שונות או מעבדים למחצה מצטרפים לצומת שלהם בטמפרטורות שונות, מתח נוצר באופן טבעי, הגוף האנושי שומר על טמפרטורת ליבה של -37 מעלות צלזיוס, בעוד שטמפרטורות אוויריות מקוטבות הן בדרך כלל נמוכות יותר (15-25 מעלות צלזיוס בתוך השטח).

ההרחבה Photovoltaic Energy Harvesting

תאים פוטו-וולטאיים (PV) להמיר אור מזווית לחשמל.אינטגרציה עוטה בדרך כלל משתמשת בלוחות סולאריים קטנים, קלים וגמישים - אשר לעתים קרובות עשויים ללבוש סיליקון אור, אלומיניום נחושת גלייד (CIGS), או חומרים שרוול perovskite - אשר יכול להיות מחובר אל פנים אורגניות, פרק כף יד, או אפילו ארוג לתוך בד כמו תקן השמש (200-אוויר), בתנאי נפח נמוך של תאים של תאים.

אנרגיה טריבואלקטרית אנרגיה קציר

ננוגניות טריבואלקטריות (TENG) הן אזור חדש, פעיל מאוד של מחקר.הם עובדים באמצעות עדשות מגע וחדירה אלקטרוסטטית: כאשר שני חומרים עם אקרוביות אלקטרוניות שונות באים במגע ולאחר מכן בנפרד, מטען מועבר, יצירת מתח.זוגות חומר משותף כוללים התאמה פוליטרה-חומרית (PT) ו ניילון, או גומי ואלומיניום.

רדיו-פלינציה (RF) אנרגיה קצירת אנרגיה

אנרגיה קליטת לכידת קרינה אלקטרומגנטית - מ נתבי Wi-Fi, מגדלי תאים, רדיו שידור - ותיקון אותו באופן חד-משמעי לכוח DC. בעוד שרגישויות כוח בסביבה עירונית טיפוסית הן נמוכות מאוד (לעתים קרובות פחות מ-1 מיקרו-W / סנטימטר) ניתן לחקור גם אנטנה מיוחדת של חשמל (rectennas) יכול להיות מתוכנן לקצור את משואות RF ייעודיות עבור יישומים בעלי יכולת לב נמוכה, אך ורקמת חשמל כפולה.

היתרונות של אנרגיה קציר עבור ללבוש

המעבר לעבר עונדים בעלי עוצמה עצמית מציע מגוון רחב של יתרונות שנוגעים בעיצוב המכשיר, השפעה סביבתית, ניסיון משתמש ויכולת קלינית:

  • (FLT:0)Extended Battery Life:FLT:1 אפילו יבול אנרגיה צנוע (10-100 מיקרו- מיקרו-W) יכול להכפיל או משולש את זמן ההפעלה של לביש לפני צורך בתשלום חוזר.
  • (FLT:0) לחנך את E-Waste: מיליארדים של סוללות ליון קטנות בסופו של דבר במזומנים בכל שנה; להחליף אותם עם קצירים או תאים נטענים שימשכו את חיי המכשיר באופן דרמטי קיצוץ פסולת רעילה.
  • (FLT:0user Convenience: FLT:1 לא יותר מדי יום לטעון: אדם בעל כוח עצמי המטען מפני תנועה ואור משחרר את המשתמש מלהתקע בו - ולעולם לא יוצא ברגע לא נוח.
  • (FLT:0)Sleeker, Lighter Designs: ההרחבה של Lighter: ההרחבה של Lighter: The Harvesters יכולה להיות מבוזרת על פני המכשיר או להשתלב בלהקות ורצועות, מה שמאפשר לסוללה העיקרית להיות קטנה יותר או לחסל לחלוטין.
  • (FLT:0) תחליפים ו-Bio-תואמים:FLT:1 עבור שתלים רפואיים, סוללות דורשות תחליף כירורגי. יבולי אנרגיה המשתמשים חום גוף או תנועה יכולים לספק כוח בלתי מוגבל, המאפשר ניטור בריאות לטווח ארוך ללא ניתוחים חוזרים.
  • (FLT:0) עצמאות סביבתית: FLT:1 קצירים היברידיים (למשל, אדזואלקטרי + השמש) יכולים לספק כוח בתנאים מגוונים - דלתות, בחוץ, פעיל, מנוחה - להפוך את המכשיר חזק להתנהגות משתמשים.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה הבלתי ניתנת להכחשה, קצירת האנרגיה של עונדים עדיין מתמודדת עם מכשולים טכניים ומעשיים משמעותיים:

  • (FLT:0)Low ו- I לסירוגין Power Output: ההרחבה מספר 1: רוב הקצירים מספקים רק עשרות עד מאות מיקרו-וואט - רחוק מתחת לסף כוח שיא של תצוגה חכמה טיפוסית של שעון חכם או מודול GPS.זה דורש הפעלה ממוחזרת חובה, ניהול חשמל יעיל, ופרץ-de שידור.
  • (FLT:0)Conversion Efficiency:FLT:1 תאים Piezoelectric בדרך כלל יש - 10-20% יעילות; מודולים תרמואלקטריים להמיר FLT:2 1 עבור thermoelectrics, חסכוני יותר הפיכה עבור ⁇ electrics) מפותחים באופן פעיל.
  • (FLT:0) אינטגרציה אחסון ליתרג'יה:FLT:1 Wearables יש נפח פנימי מוגבל. סוללות דק-סרט (למשל, ליתיום-פוימר או מצב מוצק) ו supercapacitors חייב להיות מוזג עם הקציר, הוספת מורכבות ועלות. Balancing מטען מהיר / Discharge עם מאפיינים ארוכים של מחזור חיים קטן הוא לא רצוי.
  • (FLT:0) וכדאיות ודרדרביליות: קצירים 1:1 חייבים להיות גמישים, קלים ונוחים עבור כל היום ללבוש.הם חייבים גם לעמוד זיעה, כביסה, מתיחה, וחזרה על קצירים המבוססים על טקסטיל הם מבטיחים אך עדיין lag מאחורי מכשירים נוקשים באמינות ובתפוקה.
  • (FLT:0) ההגבלות על הרגולציה והבטיחות: FLT:1 Thermoelectric ו- triboelectric קצירים הם בדרך כלל בטוח, אבל חומרים אדזואלקטריים כמו PZT מכילים נושאים מובילים, העלאת חששות סביבתיים.
  • (FLT:0System-Level Complexity:FLT:1 integrating multi Harvesting Modalities, יחידת ניהול חשמל עם זרם נמוך, אחסון אנרגיה, ועומס דורש אופטימיזציה מתוחכמת של PCB וקושחה. Off-the-shelf ICs (למשל, LTC3108, BQ25570) עזרה, אך פתרונות שלמים נשארים ספוגים.

כיוונים עתידיים וטכנולוגיות מתפתחות

הנוף של קציר האנרגיה מתפתח במהירות, מונע על ידי פריצות דרך מדע חומרים, אלקטרוניקה בעוצמה נמוכה התקדמות, ואת הביקוש הגובר לרגישות ubiquitous. מגמות מפתח לצפות כוללים:

מערכות היברידיות ורב-ממדיות

אף יבול יחיד אינו יכול לכסות את כל התיקים השימושיים.הישולים החזקים ביותר ישלבו שני או יותר שיטות - לדוגמה, פס כף יד המקצר אנרגיה סולארית במהלך היום, חום גוף במהלך תקופות ארוכות, ואנרגיה קינטית במהלך פעילות גופנית. דוגמאות מסחריות מוקדמות (למשל, מטריקס PowerWatch) כבר משלבת חום חום חום חום חום חום חום חום חום חום גוף בתוך השמש; הדור הבא ישלב שלושה מקורות חכמים או עם מקורות בחירה גבוהה ביותר בכל רגע נתון.

חומרים גמישים ומתחים

הדפסה, ייצור רול-to-roll, וטכניקות לעיבוד פתרון מאפשרות לקצירים שניתן להדפיס ישירות על הבד, פלסטיק, או אפילו עור.לדוגמה, תרכובות אלקטרוניות תלת-סגולות ותרמואלקטריות אורגניות המבוססות על צינורות פחמן או פולימרים מוליכים (למשל, PEDPSS) מתקרבות לרמות ביצועים פרקטיות.

ננוגנים וחיישנים חזקים

ההתכנסות של קצירת אנרגיה וחישה – לפעמים נקראה ההרחבה:0 (החזקה עצמית חיישן FLT:1) – היא נושא מחקר חם. A TENG שמגיב ללחץ או מגע יכול ליצור בו זמנית אות (חישה) וכוח משדר אלחוטי, זה מבטל את הצורך בכל סוללה חיצונית או אספקת חשמל, המאפשר תחזוקה באמת ללא אבחנה, בדומה למערך ננואלקטרי, כמו ננומטר מכני, כמו גם לקצב לקצב לחות.

שילוב עם אנרגיה-Dense Storage

סוללות מוצקות עם יכולות קרקעיות > 1 mAh / ס"מ ו supercapacitors עם מטען מהיר / טעינה הם להגיע למסחר.שלב אלה עם קציר יכול להניב מספיק אנרגיה ליום מלא של שימוש בסוללה ולאחר מכן טעינה טריקו-טעינה ברציפות מתנועת הגוף. חברות כמו Silatechnologies ואנרגיה Imprint הם לפתח יכולת גבוהה, גמישה עבור סוללות לביש במיוחד.

יישום בלבוש קליני ותעשייתי

לבישת עצמים הם בעלי ערך רב ביותר בהגדרות שבהן שינויים בסוללה הם לא מעשיים: כתמים ניטור גלוקוז מתמשך, ECG כתמים לחולים לב, ניטור כוח צבאי, ועובדים תעשייתיים בסביבה מסוכנת. מקורות אנרגיה-הארוטינג כבר נבדקים שדה במספר עונדים רפואיים שאושרו על ידי ה- FDA.

AI וניהול כוח הסתגלות

אלגוריתמי למידת מכונות יכולים לחזות את דפוסי הפעילות של הטלטור (למשל הליכה לעומת ישיבה) ולהתאים את מחזור החובה של המכשיר או מצב של אנרגיה-הארוט בהתאם. גישה הסתגלות זו ממקסימה אנרגיה ומפחיתה את הכוח מבוזבז.על מעבדי רשת עצביים עם צריכת חשמל תת-מיקרו-וואט הם מתעוררים, מה שהופך את ניהול האנרגיה האינטיבית חכם להשגה בתקציבי אנרגיה נמוכים מאוד.

(ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]] [[1924]]

מסקנה

איסוף אנרגיה עומד על סף של הפיכת הטכנולוגיה התלתבשת מנוחות סוללה תלויה לתוך מערכת אקולוגית של שימור עצמי אמיתי, בעוד שאף שיטת קציר יחיד עדיין לא השיגה את צפיפות הכוח של סוללה כימית, הסינרגיה של מנגנונים מרובים - גרפיים, תרמואלקטריים, photovoltaic, 3boelectric, ו-RF - אשר מופעלת עם אחסון אולטרה-עוצמה ויעיל אנרגיה, הופכת את הראייה נקייה יותר, ללא יכולת יעילה, לא יעילה, היא יעילה, אך יעילה יותר, שמירה על חומרים ניהול עצמיים, אך יעילה יותר, אך יעילה, אך יעילה, אך יעילה, יעילה, יעילה, יעילה יותר, יעילה, יעילה, היא יעילה יותר, יעילה, היא יעילה, ללא הגבלת זמן, יעילה יותר, אך יעילה יותר, יעילה, יעילה, היא יעילה, לחץ, יעילה, יעילה, אך יעילה, יעילה, יעילה, יעילה, יעילה, יעילה, יעילה, לחץ על ידי שמירה על ידי ייצור יעיל יותר, יעילה, יעילה, אך יעילה, יעילה, יעילה, אך יעילה, ללא הגבלת זמן, ללא הגבלת זמן, יעילה, חומרים גמישה, ללא הגבלת זמן, אך ורק חומרים ניהול עצמי, ללא הגבלת זמן, אך היא יעילה, ללא הגבלת זמן, אך יעילה, אך יעילה, ללא הגבלת זמן, אך יעילה, אך יעילה,