Căldura corpului uman ca sursă pentru generarea de energie termoelectrică

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.

corpului

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.