Considerações de projeto para captação de energia fotovoltaica em dispositivos vestíveis

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 18143 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A tecnologia vestível está surgindo como uma solução para várias aplicações biomecânicas e métricas de saúde. A energia solar fotovoltaica é uma fonte de energia suplementar viável que pode reduzir os requisitos de tamanho da bateria em dispositivos vestíveis. Este estudo descreve as considerações para um dispositivo de manga vestível e seu sistema conversor de energia associado usando painéis fotovoltaicos flexíveis disponíveis comercialmente localizados no antebraço. A investigação dos efeitos da curvatura mostra que, embora a curvatura do painel em torno de um antebraço reduza a potência de saída, o ângulo relativo à fonte de luz tem um efeito mais pronunciado nas características de potência e tensão de saída. Entre vários arranjos de painéis no antebraço, aquele com cinco painéis individuais de menor largura forneceu a maior potência de saída após o estágio de potência do conversor boost. Testando em várias posições estáticas, a luva fotovoltaica forneceu até 94 mW ao ar livre, o que pode efetivamente reduzir o tamanho da bateria, mantendo a segurança do usuário.

Inovações em detecção, computação e fabricação levaram os recursos de dispositivos vestíveis além do monitoramento biométrico (por exemplo, frequência cardíaca1, contagem de passos2,3) para interrogar biomecânica e métricas de saúde mais complexas (por exemplo, classificação de atividades4, monitoramento ergonômico, reconhecimento de gestos5 ). À medida que o monitoramento e a análise de sinais fisiológicos e movimentos corporais se tornam mais sofisticados, também aumentam as demandas por computação e energia. Fornecer energia suficiente para esses dispositivos, sem exigir baterias grandes ou ciclos de recarga frequentes, é um desafio que provavelmente crescerá em importância à medida que os dispositivos vestíveis se tornarem mais onipresentes. Uma abordagem promissora para aumentar a energia disponível é suplementar a capacidade da bateria com energia retirada de um usuário, de seus movimentos ou do ambiente.

Muitas fontes potenciais de energia estão disponíveis para coleta em contextos vestíveis6,7,8,9,10, incluindo energia solar, movimentos corporais, ondas de rádio e gradientes térmicos entre a pele e o ar ambiente. Cada uma dessas fontes de energia carrega vantagens e desvantagens, dependendo do(s) contexto(s) de uso. Os movimentos do corpo podem ser colhidos usando geradores piezoelétricos11, eletromagnéticos12 ou triboelétricos13, mas requerem movimento mecânico (por exemplo, vibrações ao caminhar) e, portanto, um usuário fisicamente ativo. Estima-se que a densidade de potência para a energia coletada do movimento humano seja de cerca de 4 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14. Gradientes térmicos entre a pele e o ar circundante podem ser colhidos usando geradores termoelétricos, com uma potência típica da ordem de 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15. No entanto, a saída diminui com gradientes térmicos menores entre a temperatura da pele e do ambiente, como em uma sala quente ou se o usuário tiver baixa temperatura da pele ou má circulação. Os coletores eletromagnéticos ambientais podem extrair energia de radiofrequência, mas a potência recuperada depende da distância das fontes de radiofrequência16, com uma densidade de potência6 da ordem de 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) . Em contraste, a energia que as células fotovoltaicas (PV) podem fornecer é independente da atividade do usuário, com densidades de energia relatadas de 10-100 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) sob luz ambiente interna e 100 mWcm \(^{-2}\) sob luz solar direta ao ar livre6. Devido à sua produção de energia relativamente grande, vamos nos concentrar na saída de energia das células fotovoltaicas neste trabalho.

Vários estudos de usuários17,18 mostraram que os usuários priorizam o fator de forma, a funcionalidade e a duração da bateria ao selecionar dispositivos vestíveis. A integração bem-sucedida da coleta de energia solar em roupas, portanto, requer uma combinação de flexibilidade, alto desempenho e eficiência. Além disso, como essas roupas podem ser feitas em grande escala de processamento, os processos que fornecem painéis disponíveis comercialmente são de grande consideração para dispositivos vestíveis nos próximos cinco anos. Os tipos de células fotovoltaicas que se mostram promissores para aplicações vestíveis incluem células fotovoltaicas de base têxtil19,20,21 e células fotovoltaicas de superfície plana. Em geral, células fotovoltaicas baseadas em fibra22,23,24,25 usam materiais fibrosos (por exemplo, fios metálicos, ópticos ou condutores) que são tecidos em estruturas maiores22. As células fotovoltaicas baseadas em fibras oferecem duas vantagens: 1) a forma texturizada das células fibrosas pode levar a uma maior absorção da luz espalhada; e os PVs baseados em fibra têm propriedades mais próximas (mas não exatas26) dos têxteis do que os painéis fabricados com um substrato plano e contínuo. Trabalhos recentes em outra plataforma baseada em fibra27, "solar E-yarns", preservam as propriedades mecânicas dos têxteis, mantendo a eficiência pela qual as células fotovoltaicas de silício cristalino (c-Si) são conhecidas, encapsulando células solares em miniatura dentro do fio. Uma terceira abordagem em células fotovoltaicas à base de têxteis usa tecidos revestidos por spray21 para formar a camada de coleta de energia.