Nyt kredsløbsdesign øger bærbare termoelektriske generatorer

Ved hjælp af fleksible ledende polymerer og nye kredsløbsmønstre trykt på papir, forskere har demonstreret proof-of-concept bærbare termoelektriske generatorer, der kan høste energi fra kropsvarme til at drive simple biosensorer til måling af puls, åndedræt eller andre faktorer.

På grund af deres symmetriske fraktale ledningsmønstre, enhederne kan skæres til den størrelse, der er nødvendig for at levere spænding og strømkrav til specifikke applikationer. De modulære generatorer kan være inkjetprintet på fleksible underlag, herunder stof, og fremstillet ved hjælp af billige roll-to-roll-teknikker.

"Thermoelektriske generatorers tiltrækning er, at der er varme rundt omkring os, "sagde Akanksha Menon, en ph.d. studerende på Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Institute of Technology. "Hvis vi kan udnytte en lille smule af den varme og omdanne den til elektricitet billigt, der er stor værdi. Vi arbejder på, hvordan man producerer elektricitet med varme fra kroppen. "

Forskningen, understøttet af PepsiCo, Inc. og Air Force Office of Scientific Research, blev rapporteret online i Journal of Applied Physics den 28. september.

Termoelektriske generatorer, som omdanner termisk energi direkte til elektricitet, har været tilgængelige i årtier, men standarddesign bruger ufleksible uorganiske materialer, der er for giftige til brug i bærbare enheder. Udgangseffekten afhænger af temperaturforskellen, der kan skabes mellem to sider af generatorerne, hvilket gør afhængig af kropsvarme udfordrende. At få nok termisk energi fra et lille kontaktområde på huden øger udfordringen, og intern modstand i enheden begrænser i sidste ende effektudgangen.

For at overvinde det, Menon og medarbejdere i laboratoriet hos adjunkt Shannon Yee designet en enhed med tusindvis af prikker sammensat af skiftevis p-type og n-type polymerer i et tætpakket layout. Deres mønster konverterer mere varme pr. Arealenhed på grund af store pakningstætheder aktiveret af inkjetprintere. Ved at placere polymerprikkerne tættere på hinanden, forbindelseslængden falder, hvilket igen sænker den samlede modstand og resulterer i en højere effekt fra enheden.

"I stedet for at forbinde polymerprikkerne med et traditionelt serpentinledningsmønster, vi bruger ledningsmønstre baseret på rumfyldningskurver, såsom Hilbert-mønsteret-en kontinuerlig rumfyldningskurve, "sagde Kiarash Gordiz, en medforfatter, der arbejdede på projektet, mens han var ph.d. studerende på Georgia Tech. "Fordelen her er, at Hilbert-mønstre muliggør overfladekonformation og selvlokalisering, hvilket giver en mere ensartet temperatur på tværs af enheden. "

Det nye kredsløbsdesign har også en anden fordel:dets fraktalt symmetriske design gør det muligt at skære modulerne langs grænserne mellem symmetriske områder for at levere præcis den spænding og effekt, der er nødvendig til en bestemt applikation. Det eliminerer behovet for effektomformere, der tilføjer kompleksitet og tager strøm fra systemet.

"Dette er værdifuldt i forbindelse med wearables, hvor du vil have så få komponenter som muligt, "sagde Menon." Vi tror, ​​at dette kunne være en virkelig interessant måde at udvide brugen af ​​termoelektrisk til bærbare enheder. "

Indtil nu, enhederne er blevet udskrevet på almindeligt papir, men forskerne er begyndt at undersøge brugen af ​​stoffer. Både papir og stof er fleksible, men stoffet kan let integreres i tøj.

"Vi ønsker at integrere vores enhed i de kommercielle tekstiler, som folk bærer hver dag, "sagde Menon." Folk ville føle sig godt tilpas med disse stoffer, men de ville være i stand til at drive noget med bare varmen fra deres kroppe. "

Med det nye design, forskerne forventer at få nok strøm til at drive små sensorer, i intervallet mikrowatt til milliwatt. Det ville være nok til simple pulssensorer, men ikke mere komplekse enheder som fitness trackere eller smartphones. Generatorerne kan også være nyttige til at supplere batterier, gør det muligt for enheder at fungere i længere tid.

Blandt de kommende udfordringer er at beskytte generatorerne mod fugt og bestemme, hvor tæt de skal være på huden for at overføre termisk energi - samtidig med at de forbliver komfortable for brugerne.

Forskerne bruger kommercielt tilgængelige materialer af p-type, og arbejder sammen med kemikere hos Georgia Tech for at udvikle bedre n-type polymerer til fremtidige generationer af enheder, der kan fungere med små temperaturforskelle ved stuetemperaturer. Kropsvarme producerer forskelle så små som fem grader, sammenlignet med hundrede grader for generatorer, der bruges som led i rør og dampledninger.

"En fremtidig fordel ved denne klasse af polymermateriale er potentialet for et billigt og rigeligt termoelektrisk materiale, der ville have en iboende lav varmeledningsevne, "sagde Yee, der leder laboratoriet som en del af Woodruff School of Mechanical Engineering. "Det organiske elektronikfællesskab har gjort enorme fremskridt med at forstå elektroniske og optiske egenskaber ved polymerbaserede materialer. Vi bygger videre på den viden for at forstå termisk og termoelektrisk transport i disse polymerer for at muliggøre ny enheds funktionalitet."

Blandt de andre muligheder for de materialer, der udvikles, er lokaliserede køleenheder, der vender processen, ved hjælp af elektricitet til at flytte termisk energi fra den ene side af en enhed til en anden. Afkøling af bare dele af kroppen kan give opfattelsen af ​​komfort uden omkostninger ved stort klimaanlæg, Sagde Yee.