Considerazioni sulla progettazione per la raccolta di energia fotovoltaica nei dispositivi indossabili

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 18143 (2022) Citare questo articolo

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La tecnologia indossabile sta emergendo come soluzione per varie applicazioni biomeccaniche e metriche sanitarie. L’energia solare fotovoltaica è una valida fonte di energia supplementare che può ridurre i requisiti di dimensione della batteria nei dispositivi indossabili. Questo studio delinea le considerazioni per un dispositivo indossabile e il relativo sistema di conversione di potenza associato utilizzando pannelli fotovoltaici flessibili disponibili in commercio posizionati sull'avambraccio. L'analisi degli effetti della curvatura mostra che mentre la curvatura del pannello attorno ad un avambraccio riduce la potenza di uscita, l'angolo relativo alla sorgente luminosa ha un effetto più pronunciato sia sulla potenza di uscita che sulle caratteristiche di tensione. Tra le varie disposizioni dei pannelli sull'avambraccio, quella con cinque pannelli singoli di larghezza inferiore ha fornito la potenza di uscita più elevata dopo lo stadio di potenza del convertitore boost. Testato in varie posizioni statiche, il manicotto fotovoltaico ha fornito fino a 94 mW all'aperto, il che può ridurre efficacemente le dimensioni della batteria mantenendo la sicurezza dell'utente.

Le innovazioni nel rilevamento, nell'informatica e nella fabbricazione hanno spostato le capacità dei dispositivi indossabili oltre il monitoraggio biometrico (ad esempio, frequenza cardiaca1, conteggio dei passi2,3) per interrogarsi su parametri biomeccanici e sanitari più complessi (ad esempio, classificazione delle attività4, monitoraggio ergonomico, riconoscimento dei gesti5 ). Man mano che il monitoraggio e l’analisi dei segnali fisiologici e dei movimenti del corpo diventano più sofisticati, aumenteranno anche le richieste di calcolo e potenza. Fornire energia sufficiente a tali dispositivi, senza richiedere batterie di grandi dimensioni o cicli di ricarica frequenti, è una sfida che probabilmente diventerà sempre più importante man mano che i dispositivi indossabili diventeranno sempre più onnipresenti. Un approccio promettente per estendere la potenza disponibile è integrare la capacità della batteria con l’energia recuperata da un utente, dai suoi movimenti o dall’ambiente.

Molte potenziali fonti di energia sono disponibili per la raccolta in contesti indossabili6,7,8,9,10, tra cui l’energia solare, i movimenti del corpo, le onde radio e i gradienti termici tra la pelle e l’aria ambiente. Ognuna di queste fonti energetiche presenta punti di forza e svantaggi a seconda del contesto/i di utilizzo. I movimenti del corpo possono essere raccolti utilizzando generatori piezoelettrici11, elettromagnetici12 o triboelettrici13 ma richiedono movimento meccanico (ad esempio, vibrazioni derivanti dalla deambulazione) e quindi un utente fisicamente attivo. Si stima che la densità di potenza dell'energia raccolta dal movimento umano sia di circa 4 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14. I gradienti termici tra la pelle e l'aria circostante possono essere sfruttati utilizzando generatori termoelettrici, con una potenza tipica dell'ordine di 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15. Tuttavia, la potenza diminuisce con gradienti termici più piccoli tra la temperatura cutanea e quella ambientale, come in una stanza calda o se l'utente ha una temperatura cutanea bassa o una cattiva circolazione. I raccoglitori elettromagnetici ambientali possono estrarre energia a radiofrequenza, ma la potenza recuperata dipende dalla distanza dalle sorgenti di radiofrequenza16, con una densità di potenza6 dell'ordine di 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) . Al contrario, la potenza che le celle fotovoltaiche (PV) possono fornire è indipendente dall'attività dell'utente, con densità di potenza riportate di 10-100 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) alla luce ambientale interna e 100 mWcm \(^{-2}\) alla luce diretta del sole all'aperto6. A causa della loro produzione di energia relativamente elevata, in questo lavoro ci concentreremo sulla produzione di energia dalle celle fotovoltaiche.

Diversi studi sugli utenti17,18 hanno dimostrato che gli utenti danno priorità al fattore di forma, alla funzionalità e alla durata della batteria nella scelta dei dispositivi indossabili. Un’integrazione riuscita della raccolta dell’energia solare negli indumenti, quindi, richiede una combinazione di flessibilità, prestazioni elevate ed efficienza. Inoltre, poiché questi indumenti possono essere realizzati su larga scala, i processi che forniscono pannelli disponibili in commercio sono di grande importanza per i dispositivi indossabili nei prossimi cinque anni. I tipi di celle fotovoltaiche che si dimostrano promettenti per le applicazioni indossabili includono celle fotovoltaiche a base tessile19,20,21 e celle fotovoltaiche a superficie piatta. In generale, le celle fotovoltaiche basate su fibra22,23,24,25 utilizzano materiali fibrosi (ad esempio fili metallici, ottici o conduttivi) intrecciati in strutture più grandi22. Le celle fotovoltaiche a base di fibra offrono due vantaggi: 1) la forma strutturata delle celle fibrose può portare ad un maggiore assorbimento della luce diffusa; e i pannelli fotovoltaici a base di fibra hanno proprietà più vicine (ma non esatte26) a quelle dei tessuti rispetto ai pannelli fabbricati con un substrato continuo e planare. Un recente lavoro su un'altra piattaforma basata su fibra27, "solar E-yarns", preserva le proprietà meccaniche dei tessuti mantenendo l'efficienza per la quale sono note le celle fotovoltaiche in silicio cristallino (c-Si), incapsulando celle solari in miniatura all'interno del filato. Un terzo approccio alle celle fotovoltaiche a base tessile utilizza tessuti rivestiti a spruzzo21 per formare lo strato di raccolta dell’energia.