轻便可穿戴技术有效地将身体热量转化为电能

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Daryoosh Vashaee dvashae@ncsu.edu 919.515.9599

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu 919.515.6386

北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种新设计，可以收集人体热量并将其转化为电能，用于可穿戴电子产品。实验原型很轻，符合身体的形状，并且可以产生比以前的轻量化热收集技术多得多的电力。

研究人员还确定了身体上收集热量的最佳部位。

“可穿戴热电发电机(teg)通过利用身体和周围空气之间的温差来发电，”北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程副教授、该研究论文的通讯作者达里乌什·瓦沙伊(Daryoosh Vashaee)说。“以前的方法要么使用重、硬、笨重的散热器，要么只能产生每平方厘米(μ W/cm)一微瓦或更少的功率²）.我们的技术产生高达20 μ W/cm²而且不使用散热片，使它更轻，更舒适。”

新设计从一层导热材料开始，这层材料贴在皮肤上并散发热量。导电材料的顶部有一层聚合物层，可以防止热量散发到外部空气中。这迫使身体热量通过位于中心的1厘米的TEG²。未转化为电能的热量通过TEG进入导热材料的外层，该外层迅速散发热量。整个系统很薄，只有2毫米，而且很灵活。

Vashaee说:“在这个原型中，TEG只有1平方厘米，但我们可以很容易地把它变大，这取决于设备的功率需求。”Vashaee是北卡罗来纳州国家科学基金会先进自供电集成传感器和技术系统纳米系统工程研究中心(ASSIST)的一部分，他参与了这个项目。

研究人员还发现，上臂是收集热量的最佳位置。虽然手腕周围的皮肤温度较高，但手腕的不规则轮廓限制了TEG带与皮肤的接触面积。与此同时，由于胸部通常被衬衫覆盖，在胸前佩戴腕带限制了空气流通，从而限制了散热。

此外，研究人员还将TEG植入了t恤。研究人员发现，t恤上的teg仍然能够产生6 μ W/cm的电流²-或高达16 μ W/cm²如果一个人在跑步。

Vashaee说:“t恤上的teg当然可以为可穿戴技术提供动力，但它们不如上臂带那么有效。”

“ASSIST的目标是使可穿戴技术可用于长期健康监测，例如跟踪心脏健康或监测身体和环境变量的设备预测和预防哮喘发作他说。

“要做到这一点，我们想要制造不依赖电池的设备。我们认为这个设计和原型使我们离实现这一目标更近了一步。”

报纸，”用于人体热收集的可穿戴热电发电机的文章发表在该杂志上应用能源。该论文的主要作者是北卡罗来纳州立大学的研究生梅丽莎·海兰德和北卡罗来纳州立大学的本科生海伍德·亨特。在美国国家科学基金会本科生研究经历基金的支持下，他们在本科生时期就开始了这个项目。合著者包括北卡罗来纳州立大学博士后研究员刘杰;以及北卡罗来纳州立大学ASSIST的教育主任埃琳娜·维蒂。这项工作由美国国家科学基金会资助，项目包括EEC-1160483、ECCS-1351533和CMMI-1363485;美国空军科学研究办公室授予FA9550-12-1-0225。

希普曼-

致编辑:研究摘要如下。

用于人体热收集的可穿戴热电发电机

作者:北卡罗莱纳州立大学的Melissa Hyland, Haywood Hunter, Jie Liu, Elena Veety和Daryoosh Vashaee

发表: 8月27日上线应用能源

DOI: 10.1016 / j.apenergy.2016.08.150

文摘:热电发电机(TEG)可用于从人体热量中收集电能，为可穿戴电子产品供电。在美国国家科学基金会(NSF)先进的集成传感器和技术自供电系统(ASSIST)中，teg是正在探索的使能技术之一，以推进该中心创建可穿戴、自供电、健康和环境监测系统的使命。作为这项工作的一部分，探索相关参数，以最大限度地提高可穿戴设备从身体热量中输出的TEG功率，并保持身体舒适，这一点尤为重要。为此，来自身体的热量必须以最小的损失直接进入TEG，发生器必须设计为保持热电材料之间的高温差，并且发生器必须具有小的外形因素以保持身体的舒适性。为了满足这些要求，研究人员开发了一种最佳的TEG设计，并在温控热板和不同的身体部位(包括手腕、上臂和胸部)进行了实验。TEG进一步被制作成一件t恤，并记录不同人类活动的功率。对比不同身体部位和t恤上的实验，上臂、手腕、胸部和t恤上的功率分别为最高和最低。讨论了通过上臂上的TEG为可穿戴式心电图传感器供电的前景。