Схемы новой конструкции повышающей износостойкость нательных термоэлектрических генераторов.

dalipakov
8659 Views

Схемы новой конструкции повышающей износостойкость нательных термоэлектрических генераторов.

Используя гибкие проводящие полимеры и новые схемы, напечатанные на бумаге, исследователи продемонстрировали концептуальные переносные термоэлектрические генераторы, которые могут собирать энергию из тепла тела для питания простых биодатчиков для измерения частоты сердечных сокращений, дыхания или других факторов.

 

Устройства, по причине их симметричных структур фрактальной проводки, могут быть подогнаны до размеров, необходимых для обеспечения требований к напряжению и мощности для конкретных приложений. Модульные генераторы могут быть напечатаны на струйной печати на гибких поверхностях, в том числе на ткани, и изготовлены с использованием недорогих рулонных технологий.
«Привлекательность термоэлектрических генераторов заключается в том, что вокруг нас есть тепло» — говорит Аканша Менон, доктор философии, студент в Школе машиностроения Вудраффа в Технологическом институте Джорджии. «Если мы сможем использовать немного тепла и превратить его в недорогое электричество- это будет большая ценность. Мы работаем над тем, как производить электричество используя тепло тела».
Исследование, поддержанное PepsiCo, Inc. и Управлением Научных Исследований ВВС, было опубликовано в Интернете в Журнале прикладной физики 28 сентября.
Термоэлектрические генераторы, которые преобразуют тепловую энергию непосредственно в электричество, доступны уже несколько десятилетий; но в стандартных конструкциях используются негибкие неорганические материалы, которые слишком токсичны для использования в пригодных для ношения устройствах. Выходная мощность зависит от разности температур, которая может создаваться между двумя сторонами генераторов, в зависимости от теплоты корпуса. Получение достаточной тепловой энергии из небольшой области контакта на коже увеличивает проблему, а внутреннее сопротивление в устройстве, в конечном итоге, ограничивает выходную мощность.
Для преодоления этой трудности, Менон и сотрудники лаборатории профессора Шеннон Йи разработали устройство с тысячами точек, состоящее из чередующихся полимеров типа p и n-типа, в плотно упакованной компоновке. Их структура преобразует больше тепла на единицу площади из-за большой плотности упаковки, обеспечиваемой струйными принтерами. При помещении полимерных точек ближе друг к другу, длина соединительной линии уменьшается, что, в свою очередь, снижает общее сопротивление и приводит к более высокой мощности устройства на выходе.
«Вместо того, чтобы соединять полимерные точки с традиционным набором проводов серпентина, мы используем схемы прокладки такие как рисунок Гильберта — непрерывная кривая заполнения пространства», — сказал соавтор Кьяраш Гордиз, работавший по проекту в то время, когда он был кандидатом наук в Университете Джорджии. «Преимущество в том, что шаблоны Гильберта допускают поверхностную конформацию и самолокализацию, что обеспечивает более равномерную температуру на устройстве»
Новая схема также имеет еще одно преимущество: ее фрактально-симметричная конструкция позволяет разрезать модули вдоль границ между симметричными областями, чтобы обеспечить точное напряжение и мощность, необходимые для конкретного приложения. Это устраняет необходимость в силовых преобразователях, которые добавляют сложности и отводят энергию от системы.
«Это ценно в контексте переноски, где вам нужно как можно меньше компонентов» — сказал Менон. «Мы считаем, что это может быть действительно интересным способом расширения использования термоэлектриков для переносных устройств».
До сих пор устройства были напечатаны на обычной бумаге, но исследователи начали изучать использование тканей. Как бумага, так и ткань является гибким компонентом, но ткань может быть легко применена в одежде.
«Мы хотим интегрировать наше устройство в коммерческий текстиль, который люди носят каждый день» — сказал Менон. «Люди чувствовали бы себя комфортно в этих тканях, так же они могли бы что-то выработать теплом от своих тел».
С новым дизайном исследователи ожидают получить достаточно электроэнергии для питания небольших датчиков в диапазоне от микроватт до милливатт. Этого было бы достаточно для простых датчиков сердечного ритма, но не для более сложных устройств, таких как фитнес-трекеры или смартфоны. Генераторы также могут быть полезны для дополнения батарей, позволяя устройствам работать в течение более длительных периодов времени.
Среди предстоящих задач — защита генераторов от влаги и определение того, насколько близко они должны быть к коже, для передачи тепловой энергии, оставаясь при этом удобными для ношения.
Исследователи используют коммерчески доступные материалы p-типа и работают с химиками в Университете Джорджии для разработки лучших полимеров n-типа для будущих поколений устройств, которые могут работать с небольшими перепадами температур при комнатной температуре. Тепло тела производит дифференциалы всего в пять градусов по сравнению со ста градусами для генераторов, используемых в составе трубопроводов и паропроводов.
«Одним из будущих преимуществ этого класса полимерных материалов является потенциал для недорогого термоэлектрического материала, который будет иметь низкую теплопроводность» — говорит Йи, руководитель лабораторией в рамках Школы механизации Woodruff. «Сообщество Органической Электроники добилось огромных успехов в применении электронных и оптических свойств материалов на основе полимеров. Мы копим эти знания, чтобы понять термический и термоэлектрический процесс в этих полимерах для обеспечения новых функциональных возможностей устройства».
Среди других перспектив для разрабатываемых материалов — локализованные устройства охлаждения, которые обращают процесс вспять, используя электричество для перемещения тепловой энергии с одной стороны устройства на другую. «Охлаждение лишь части тела может обеспечить восприятие комфорта без стоимости крупномасштабного кондиционирования воздуха» — сказал Йи.

Leave a comment

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

ChipFind - поисковая система по электронным компонентам