Аспекты проектирования сбора фотоэлектрической энергии в портативных устройствах

Том 12 научных докладов, номер статьи: 18143 (2022) Цитировать эту статью

1233 Доступа

1 Цитаты

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Носимые технологии становятся решением для различных биомеханических и медицинских приложений. Солнечная фотоэлектрическая энергия является жизнеспособным дополнительным источником энергии, который может снизить требования к размеру батарей в носимых устройствах. В этом исследовании излагаются соображения по поводу носимого нарукавного устройства и связанной с ним системы преобразователя энергии с использованием имеющихся в продаже гибких фотоэлектрических панелей, расположенных на предплечье. Исследование влияния кривизны показывает, что, хотя кривизна панели вокруг предплечья действительно снижает выходную мощность, угол относительно источника света оказывает более выраженное влияние как на выходную мощность, так и на характеристики напряжения. Среди различных компоновок панелей на цевье именно пять отдельных панелей меньшей ширины обеспечивали наибольшую выходную мощность после силового каскада повышающего преобразователя. В ходе испытаний в различных статических положениях фотоэлектрический рукав обеспечивал мощность до 94 мВт на открытом воздухе, что позволяет эффективно уменьшить размер батареи, сохраняя при этом безопасность пользователя.

Инновации в области датчиков, вычислений и производства вывели возможности носимых устройств за рамки биометрического мониторинга (например, частоты сердечных сокращений1, количества шагов2,3) и позволили исследовать более сложные биомеханические показатели и показатели здоровья (например, классификацию активности4, эргономический мониторинг, распознавание жестов5). ). По мере того, как мониторинг и анализ физиологических сигналов и движений тела становятся все более сложными, растут и требования к вычислениям и мощности. Обеспечение достаточной мощности таких устройств без необходимости использования больших батарей или частых циклов перезарядки — это задача, важность которой, вероятно, будет возрастать по мере того, как носимые устройства становятся все более повсеместными. Одним из многообещающих подходов к увеличению доступной мощности является дополнение емкости аккумулятора энергией, получаемой от пользователя, его движений или окружающей среды.

Многие потенциальные источники энергии доступны для использования в носимых устройствах6,7,8,9,10, включая солнечную энергию, движения тела, радиоволны и температурные градиенты между кожей и окружающим воздухом. Каждый из этих источников энергии имеет свои сильные и слабые стороны в зависимости от контекста(ов) использования. Движения тела можно регистрировать с помощью пьезоэлектрических11, электромагнитных12 или трибоэлектрических13 генераторов, но для этого требуется механическое движение (например, вибрации при ходьбе) и, следовательно, физически активный пользователь. Плотность мощности энергии, получаемой от движения человека, оценивается примерно в 4 \(\mu\)Втсм\(^{-2}\)14. Температурные градиенты между кожей и окружающим воздухом можно улавливать с помощью термоэлектрических генераторов с типичной выходной мощностью порядка 10 \(\mu\)Втсм\(^{-2}\)15. Однако мощность снижается при меньших температурных градиентах между температурой кожи и окружающей среды, например, в теплом помещении или если у пользователя низкая температура кожи или плохое кровообращение. Окружающие электромагнитные комбайны могут извлекать радиочастотную энергию, но убираемая мощность зависит от расстояния от радиочастотных источников16, с плотностью мощности6 порядка 1 \(\мю\)Втсм\(^{-2}\) . Напротив, мощность, которую могут поставлять фотоэлектрические (PV) элементы, не зависит от активности пользователя: заявленная плотность мощности составляет 10-100 \(\mu\)Втсм\(^{-2}\) при внешнем освещении в помещении и 100 мВт/см. \(^{-2}\) под прямыми солнечными лучами на открытом воздухе6. Из-за их относительно большого производства электроэнергии в этой работе мы сосредоточимся на выходной мощности фотоэлектрических элементов.

Несколько исследований пользователей17,18 показали, что при выборе носимых устройств пользователи отдают приоритет форм-фактору, функциональности и времени автономной работы. Таким образом, успешная интеграция сбора солнечной энергии в одежду требует сочетания гибкости, высокой производительности и эффективности. Кроме того, поскольку эти предметы одежды могут производиться в больших масштабах, процессы производства коммерчески доступных панелей будут иметь наибольшее значение для носимых устройств в течение следующих пяти лет. Типы фотоэлектрических элементов, которые перспективны для портативных устройств, включают фотоэлементы на текстильной основе19,20,21 и фотоэлементы с плоской поверхностью. Как правило, в фотоэлектрических элементах на основе волокон22,23,24,25 используются волокнистые материалы (например, металлические, оптические или проводящие нити), которые вплетены в более крупные структуры22. Фотоэлектрические элементы на основе волокон имеют два преимущества: 1) текстурированная форма волокнистых ячеек может привести к повышенному поглощению рассеянного света; а фотоэлектрические панели на основе волокон имеют более близкие (но не точные26) свойства к текстилю, чем панели, изготовленные из непрерывной плоской подложки. Недавняя работа над другой платформой на основе волокон27, «солнечной электронной нитью», сохраняет механические свойства текстиля, сохраняя при этом эффективность, которой известны фотоэлектрические элементы из кристаллического кремния (c-Si), путем инкапсуляции миниатюрных солнечных элементов в пряжу. Третий подход к фотоэлектрическим элементам на текстильной основе использует ткани с напылением21 для формирования слоя сбора энергии.