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体温也能发电,或可成为新能源

2021-05-05 09:58
陈述根本
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文/陈根

煤炭和石油的发现与利用使人类告别了农耕文明,进入了工业文明。200多年化石能源的使用,在给人类社会带来巨大进步的同时,也给人类社会造成了日益严峻的环境问题和气候问题。

不可再生能源的全球危机下,可持续新能源,如太阳能、地热/海洋热、自然机械能(风能、潮汐以及其他自然机械能)等,不得不逐渐取代化石能源成为支撑社会运转和人们生活的主力,下一场能源革命也将由此展开。当然,除了这些被人们熟知的新能源外,人体体温也在成为新能源的道路上不断发展。

陈根:用体温为能源,无需电池即可发电

4 月 29 日,《细胞报告物理科学》杂志上,来自哈尔滨工业大学的科研小组称,他们成功开发出一种小型、灵活的装置,该装置可以将人体皮肤散发的热量转化为电能,且能实时为 LED 灯供电,而且测试表明,该装置至少可经受 10000 次反复弯曲,性能没有明显变化。

其研究的开展从可穿戴电子产品入手。通常,可穿戴电子设备的功耗为 100纳瓦(nW)到 10 毫瓦(mW)不等,由一个微小的电池包模块来供电,电量耗尽了可以循环充电,而想要提升续航时间,除了去改进电池和低功耗系统的性能,就是发明一种全新的供电方式。

作为传统电池的一种极具吸引力的替代品,热电发电机(TEGs)拥有无工作流体、无运动部件、运行安静、可靠性高、便于携带等独特性能,有望打造出一种创新解决方案。但传统的 TEGs 材料是刚性的,与可穿戴电子设备不好兼容,因此,设计和制造柔性热电发电机(flexible TEGs)成了很多科研团队的目标。

这项最新发表的研究成果包含了四大亮点:一是用 Mg3Bi2 基热电材料制作了柔性热电发电机(FTEG);二是具有超低导热系数的多孔聚氨酯(PU)基体提高了输出电压;三是设计了具有高效传热表面的柔性印刷电路板(FPCB)电极;四是该 FTEG 器件具有高功率密度和高可靠性。

经过多种材料组合测试和方案改进,研究人员最终获得一种接近预期的FTEG 设计,当环境温度为 289k(空气速度为 1.1m/s)时,在人的手臂上显示出每平方厘米 20.6 微瓦(W)的峰值功率密度,在温差为 50k 时显示出每平方厘米 13.8 毫瓦(mw)的峰值功率密度。

在弯曲半径为 13.4 毫米的情况下,10000 次弯曲循环后没有显著变化(小于 1.4%)。最后,将尺寸为 28.8mm×115.2mm×2.5mm 的 FTEG 连接到人的手臂上,成功点亮了一盏 LED 灯,这表明所制备的 FTEG 有可能成为日常生活中某些可穿戴电子设备的实时电源

不论从新能源角度,还是新材料角度,此次“体温发电机”的研发都是一次突破,这意味着,在未来或可以取代传统电池,为可穿戴电子产品提供电力,并且,是以一种节能的方式。

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