Достижения в области энергосберегающих носимых устройств для устойчивых энергетических решений

Рынок носимых технологий пережил взрывной рост за последнее десятилетие, когда устройства, начиная от фитнес-трекеров и умных часов до медицинских мониторов и очков дополненной реальности, стали повсеместными. Поскольку эти устройства упаковывают больше датчиков, вычислительной мощности и беспроводной связи в все более мелкие форм-факторы, спрос на надежные, долговечные источники питания стал критическим узким местом. Традиционные литий-ионные батареи, в то же время улучшаясь, все еще требуют частой подзарядки и в конечном итоге ухудшаются, что способствует электронным отходам. Уборка энергии носимыми устройствами представляет собой сдвиг парадигмы в решении этих проблем питания. Захват энергии из движений пользователя, тепла тела, света или других источников окружающей среды, эти технологии обещают освободить носимые устройства от шнура и зарядного устройства, позволяя по-настоящему автономное и устойчивое функционирование. В этой статье рассматриваются основные технологии, обеспечивающие эти достижения, недавние прорывы в материалах и дизайне системы, текущие приложения, оставшиеся препятствия и будущая траектория носимых устройств, собирающих энергию.

Понимание носимых устройств, генерирующих энергию

Энергосберегающие носимые устройства - это устройства, которые включают преобразователи и схемы управления мощностью для преобразования окружающей энергии в полезную электрическую энергию. Цель состоит в том, чтобы либо дополнить, либо полностью заменить батареи, продлевая время работы устройства на неопределенный срок при нормальных условиях использования. Концепция не нова - ранние наручные часы использовали механическое движение к ветровым пружинам - но современные достижения в микроэлектронике, маломощном дизайне и новых материалах резко расширили то, что возможно. Ключевые показатели производительности для этих систем включают плотность мощности (ватты на кубический сантиметр), эффективность преобразования и способность выполнять в реальных условиях, таких как переменное движение, температура или уровни света. Наиболее перспективные технологии сбора энергии для носимых устройств - пьезоэлектрические, термоэлектрические, фотоэлектрические и трибоэлектрические системы. Каждый использует другой физический принцип и подходит для конкретных типов окружающей энергии.

Основные технологии для сбора энергии

Пьезоэлектрическая энергия сбор урожая

Пьезоэлектрические материалы генерируют электрический заряд при воздействии механического напряжения — сжатие, изгиб или растяжение. В носимых устройствах этот стресс возникает из-за движения тела: ходьба, бег, качание рук, дыхание или даже биение сердца. Классическим примером является вставка для обуви, которая собирает энергию от ударов каблука, но современные исследования производят гибкие, тонкопленочные пьезоэлектрики, которые могут быть вплетены в ткани или прикреплены к коже. Недавние достижения включают в себя пьезоэлектрические керамики без свинца, такие как ниобат натрия калия (KNN), которые соответствуют производительности традиционных материалов на основе свинца, будучи экологически безопасными. Еще одним прорывом является разработка пьезоэлектрических полимеров, таких как поливинилиден фторид (PVDF) и его сополимеры, которые могут быть интегрированы в гибкие волокна или пленки. Исследователи из Калифорнийского университета Дэвис продемонстрировали гибкий пьезоэлектрический комбайн, который генерирует до 200 микроватт на квадратный сантиметр во время обычной ходьбы — достаточно для питания небольшого

Термоэлектрическая энергия сбор урожая

Термоэлектрические генераторы (TEG) используют эффект Seebeck: разница температур в полупроводниковом материале производит напряжение. Человеческое тело является постоянным источником тепла при ~37 ° C, в то время как окружающая среда обычно более холодная, создавая устойчивый тепловой градиент. Носимые TEG обычно помещаются на запястье, грудь или другие области, где контакт кожи хорош и рассеивание тепла в воздух возможно. Традиционные TEG используют жесткие термоэлектрические блоки висмута, но гибкие термоэлектрические модули были разработаны с использованием печатных термоэлектрических чернил, тонкопленочного осаждения и полимерных композитов. Недавние инновации включают самоходные умные часы, такие как PowerWatch (теперь прекращено, но коммерчески доступно в одной точке), которые работают на тепловой энергии тела. Совсем недавно исследователи из Вашингтонского университета создали тонкий, растягиваемый термоэлектрический пластырь, который генерирует энергию даже во время сна. Плотности энергии для сбора тепла тела достигли около 20-30 мкВт / см2 в типичных условиях, достаточно для датчиков и связи с низкой

Фотоэлектрическая энергия сбор урожая

Фотоэлектрические (PV) элементы преобразуют свет в электричество. Для носимых устройств ключ заключается в использовании тонких, гибких и эффективных солнечных элементов, которые могут быть интегрированы в одежду, рюкзаки или наручные часы. Достижения в органических фотоэлектрических элементах (OPV), перовскитных солнечных элементах и красящих солнечных элементах позволили легковесные, изгибаемые панели, которые поддерживают разумную эффективность при внутреннем и наружном освещении. Перовскитные элементы достигли эффективности более 25% в лабораторных условиях, а гибкие версии приближаются к 20% - конкурентоспособны с жесткими кремниевыми панелями. Носимые солнечные зарядные устройства были на рынке в течение многих лет (например, носимые солнечные зарядные устройства были на рынке), но теперь основное внимание уделяется встраиванию клеток в форме рубашки в ткани. Эти волокна могут быть соединены последовательно для получения полезных напряжений при сохранении драпировки ткани. Проблемы остаются с затенением, ориентацией и низким уровнем освещения в помещении, но гибридные системы, которые сочетают солнечную энергию с другими методами сбора урожая, разрабатываются для смягчения этих проблем.

Трибоэлектрические наногенераторы (TENG)

Трибоэлектрические наногенераторы работают по принципу контактной электрификации и электростатической индукции: когда два разных материала вступают в контакт, а затем разделяются, заряд передается между ними. Повторные циклы разделения контактов генерируют переменный ток. TENG особенно привлекательны для носимых устройств, потому что они могут собирать энергию от низкочастотных, нерегулярных движений, таких как ходьба, постукивание или даже легкое движение одежды, трение по телу. Технология была впервые разработана группой Чжун Лин Ван в Georgia Tech в 2012 году, и она быстро развивалась. Современные TENG могут быть сделаны из гибких полимеров (например, PTFE, PDMS, Kapton), текстиля и даже бумаги. Они могут быть разработаны как пластыри, ткани и даже бумага. Плотность энергии достигает сотен микроватт на квадратный сантиметр при умеренном движении. Заметным недавним прогрессом является разработка самоочищающихся, стираемых тканей TENG, которые поддерживают производительность после десятков циклов стирки. Исследователи также продемонстрировали «умные носки», которые собирают энергию от ходьбы

Последние инновации и прорывы в области материалов

В области сбора энергии для носимых устройств за последние несколько лет произошло несколько трансформационных событий. Одним из наиболее впечатляющих является рост гибридных энергоуборщиков - устройств, которые объединяют два или более механизмов преобразования в одной системе. Например, браслет может интегрировать пьезоэлектрические полосы, которые собирают движение с термоэлектрическим модулем, который захватывает тепло тела, плюс гибкий солнечный элемент сверху. Слиянием нескольких источников гибридные системы могут обеспечить более стабильную мощность в различных условиях. Исследовательские группы в Массачусетском технологическом институте и Калифорнийском университете в Беркли продемонстрировали гибридные прототипы, которые генерируют более 1 мВт непрерывной мощности при типичном ежедневном использовании - достаточно для работы беспроводного монитора сердечного ритма с периодической передачей данных.

Другим важным достижением является использование передовых материалов, таких как 2D-материалы (графен, MXenes), для повышения эффективности преобразования энергии. Пьезоэлектрические композиты на основе графена показывают повышенную выходную мощность заряда, в то время как электроды MXene в TENGs снижают внутреннее сопротивление. Растягиваемые и самовосстанавливающиеся материалы также используются для повышения долговечности, поскольку носимые материалы должны выдерживать изгиб, скручивание и отмывание. Исследователи из Кембриджского университета разработали самовосстанавливающийся термоэлектрический материал, который автоматически восстанавливает небольшие трещины, продлевая срок службы устройства. Кроме того, аддитивное производство (3D-печать) позволяет использовать комбайны индивидуальной формы, которые идеально соответствуют телу, максимизируя захват энергии. Интегральные схемы управления мощностью (PMIC), оптимизированные для сверхнизких входных напряжений, также продвинулись, обеспечивая эффективное исправление и хранение собранной энергии в небольшие тонкопленочные батареи или суперконденсаторы.

Реальные приложения

Уборка энергии носимые находят практическое применение в нескольких областях, переходя от лабораторных прототипов к коммерческим продуктам и полевых испытаний.

Здравоохранение и медицинский мониторинг

Непрерывный мониторинг состояния здоровья — частота сердечных сокращений, уровень глюкозы в крови, температура, дыхание — требует датчиков, которые всегда включены. Уборочные пластыри и умные повязки могут питать себя от тепла тела или движения, устраняя необходимость для пациентов менять батареи. Например, проект NIH «самоуправляемый биосенсор» использует TENG для питания потового глюкометра. В клинических условиях носимые устройства для сбора энергии могут снизить нагрузку на обслуживание персонала больницы и обеспечить долгосрочный мониторинг хронических состояний. Примечательным продуктом является «SmartBand» из Токийского университета, который собирает энергию от артериального импульсного движения до питания монитора артериального давления.

Фитнес и спорт

От кроссовок со встроенными пьезоэлектрическими вставками до часов GPS на солнечных батареях, спортивный рынок охватывает сбор энергии. Такие компании, как Sole Power и LuminAID, коммерциализировали сбор энергии в стельках и солнечных аксессуарах. Спортсмены, которые проводят часы на открытом воздухе, больше всего выигрывают от солнечной энергии, в то время как те, кто находится в переменном движении, получают выгоду от пьезоэлектрических или трибоэлектрических решений. Некоторые передовые велосипедные майки теперь включают гибкие солнечные панели на спине для зарядки смартфонов во время длительных поездок.

Военное и тактическое использование

Солдаты несут все большее количество электронного оборудования: радио, ночного видения, GPS, мониторов здоровья и т. Д. Исследовательская лаборатория армии вложила значительные средства в сбор энергии в форме, которая включает пьезоэлектрические волокна, термоэлектрические пластыри и гибкие солнечные элементы. Они могут уменьшить вес батарей, которые солдаты должны носить, значительно повышая мобильность и выносливость миссии. Программа армии США «Конформная носимая батарея» также исследует интеграцию сбора урожая с хранением энергии.

Потребительская электроника и IoT

Смарт-часы, такие как Seiko Kinetic (механическая зарядка) и Citizen Eco-Drive (солнечный) уже давно используют сбор энергии. Следующее поколение потребительских носимых устройств стремится быть полностью автономным. Например, концепция «E-Patch» от Samsung сочетает в себе термоэлектрическую и фотоэлектрическую сборку, чтобы умные часы работали бесконечно при нормальном износе. Кроме того, носимые устройства с сбором энергии могут служить источниками питания для близлежащих устройств IoT - браслет с собранной энергией может передавать энергию по беспроводной сети на интеллектуальное кольцо или наушник, создавая персональную сеть питания области.

Основные преимущества усыновления за рулем

Переход на энергосберегающие носимые устройства предлагает множество преимуществ. Во-первых, устойчивость : снижение зависимости от одноразовых батарей сокращает токсичные отходы и углеродный след, связанный с производством и зарядкой аккумуляторов.удобство : пользователям больше не нужно помнить, чтобы заряжать свои устройства или носить зарядные устройства; это особенно ценно для медицинских устройств, которые должны работать непрерывно. экономия затрат : в течение срока службы устройства, устранение замены батареи может снизить общую стоимость владения, даже если первоначальное оборудование дороже.надежность : энергосберегающие системы с резервными суперконденсаторами могут обеспечить мощность, даже если батарея выходит из строя или ухудшается. свобода проектирования : меньшие или никакие батареи позволяют использовать более тонкие, легкие и более удобные носимые форм-факторы, позволяя новые приложения