Matthew Stevens
27 noiembrie 2016
Trimis ca curs pentru PH240, Universitatea Stanford, toamna 2016
Introducere
Ideea de a transforma căldura corpului uman într-o formă de energie utilizabilă a fost vizată de oameni de știință de ani de zile. Un bărbat uman în odihnă emite aproximativ 100-120 de wați de energie. O fracțiune foarte mică din aceasta poate fi utilizată de un dispozitiv termoelectric pentru a alimenta dispozitivele purtabile. De exemplu, Ceasul termic Seiko a reușit să capteze o încărcare continuă la un singur microwatt, deci există cu siguranță o piață viabilă care nu a înflorit încă. Se știe că 80% din puterea tipică a corpului unui om se degajă sub formă de căldură, tehnologiile actuale pot produce doar câțiva miliviți de energie. Acest lucru nu este suficient pentru a vă încărca iPhone-ul la o putere de aproximativ 5 wați și, din păcate, acest tip de eficiență nu poate fi niciodată posibil.
Căldura corpului uman
Deoarece trebuie să avem în vedere că energia nu poate fi conservată în mod absolut, trebuie să ne uităm la originea acestei energii în mijloacele alimentare și, în special, în calorii, pe care corpul uman le consumă ca sursă a acestei energii termice prin metabolism. O singură „calorie” de alimente conține 4.184 × 10 3 jouli. Dacă omul mediu consumă 1500 de calorii în fiecare zi, asta înseamnă 6,27 × 10 6 jouli pe zi. Relativ vorbind, este vorba despre cantitatea de energie necesară pentru a conduce o mașină timp de 15 minute. La scară globală, acest lucru se traduce la aproximativ 3,14 × 10 19 J pe an. [1] Având în vedere această cantitate de energie, trebuie, de asemenea, să înțelegem entropia implicată. A doua lege a termodinamicii afirmă că niciun sistem nu este complet eficient, iar o parte din această energie trebuie cedată ca căldură reziduală sau căldură corporală ca noi stim asta.
Tehnologie
Generatoarele termoelectrice mai robuste (TEG) care sunt utilizate în aplicații industriale mai mari, cum ar fi conducte de gaz, turnătorii de oțel și centrale termice combinate, au capacitatea de a genera o diferență de căldură mult mai mare și, astfel, o tensiune mult mai mare. [3] Pe baza dimensiunilor mai mari și a spațiului disponibil, multe unități pot fi conectate în serie, conducând la o putere mai mare. Cu toate acestea, dispozitivele termoelectrice care recoltează căldura corporală trebuie să fie mult mai mici, mult mai flexibile și nu pot conduce la o diferență de temperatură la fel de mare. Acești factori au ca rezultat o putere de ieșire mult mai mică în intervalul de la micro la milliwați. Aceste limitări deoparte, creând o valoare mai mare a meritului sau valoarea Z, care este raportul dintre eficiența dintre proprietățile termice și proprietățile electrice ale materialelor utilizate, determină o putere mai mare. [4] S-au făcut progrese în nanotehnologie pentru a manipula structura materialelor pentru a crea o valoare Z mai mare, deși aceste procese sunt extrem de complexe și există limitări ale creșterii valorii Z pe care acestea o pot crea.
Nanotehnologia în aplicație
Principala noastră considerație în dezvoltarea materialelor cu o valoare Z cât mai mare este să aflăm cum să reducem conductivitatea termică. [5] Aici intervine nanotehnologia. Prin utilizarea nanotuburilor de carbon și a grafenului, cercetătorii pot dezvolta nanostructuri mai mici decât lungimea de undă a luminii. Aceasta înseamnă că există o îmbunătățire a împrăștierii fotonilor, ceea ce duce la o scădere a conductivității termice. [5] Cu conductivitatea electrică încă în poziție, valoarea Z devine mai mare, făcând materialul mai eficient într-un generator termoelectric. Acest lucru este deosebit de valoros în recoltarea căldurii corpului, deoarece o valoare Z mai mare pentru nanomateriale flexibile permite o conversie mult mai mare a căldurii corpului în energie electrică. Astfel, aceste dispozitive pot compensa, într-un mod minor, diferența de temperatură mai mică în producerea unei tensiuni mai mari. În acest moment, aceste nanostructuri nu au fost suficient de eficiente pentru a fi produse comercial. Cu cercetări suplimentare, ne putem aștepta ca acest lucru să se schimbe într-o anumită măsură.
Implicații viitoare
La o scară mai largă, dispozitivele termoelectrice ne permit să captăm energia irosită prin căldură, care este adesea un produs secundar al altor metode de producere a energiei. Pe piața purtabilă, acest lucru înseamnă că am putea folosi energia termică a corpului nostru pentru a furniza energie nelimitată anumitor dispozitive mici, atâta timp cât mediul este suficient de rece. Cu toate acestea, există o valoare extrem de marginală a puterii de ieșire care poate fi de fapt realizată și aceasta este determinată de trei factori. În primul rând, cantitatea de căldură pierdută efectiv prin corpul uman. În al doilea rând, capacitatea de a conduce un dT/T. suficient de mare. În cele din urmă, capacitatea de a valorifica efectiv acest dT/T, deoarece putem captura în siguranță și practic doar un procent mic de căldură a corpului uman. Astfel, puterea totală pe care am putea-o proiecta să fie valorificată de întreaga rasă umană (în cazul în care toată lumea ar avea un dispozitiv), nici măcar nu ar pune în pericol cerințele globale globale de energie. Astfel, ca soluție energetică la scară largă, nu este fezabilă, dar ca aplicație de nișă, este interesantă.
& copiați Matthew Stevens. Autorul acordă permisiunea de a copia, distribui și afișa această lucrare într-o formă nealterată, cu atribuire autorului, numai în scopuri necomerciale. Toate celelalte drepturi, inclusiv drepturile comerciale, sunt rezervate autorului.
Referințe
[1] D. Bechstein, „World Food Budget”, Physics 240, Universitatea Stanford, toamna anului 2013.
[2] M. Highland eet al., „Generatoare termoelectrice purtabile pentru recoltarea căldurii corpului uman”, aplic. Energie 182, 518 (2016).
[3] F. DiSalvo, "Răcire termoelectrică și generare de energie" Ştiinţă, 285, 5428 (1999).