hrvatski

Kritička analiza mogućnosti korištenja uređaja za prikupljanje otpadne energije ljudskog tijela

„Žetva“ energije je proces kod kojeg se energija dobiva iz neiskorištenih („otpadnih“) vanjskih izvora npr. sunčeve svjetlosti, toplinske energije, energije vjetra, gradijenata saliniteta, kinetičke energije itd. koju se može na različite načine i pohranjivati. Sustavi i materijali za žetvu energije su značajna područja istraživanja koja i dalje vrlo brzo rastu. Područje uporabe za ovakve sustave je vrlo široko, te uključuje bežične senzore za sustavni nadzor čovjekovog tijela, ugrađene mreže senzora u tijelu za medicinsku primjenu, nadopunu baterija velikih sustava, nadzor tlaka pneumatika u automobilima, pokretanje automatski upravljanih vozila, pokretanje sigurnosnih sustava u kućanstvima te konačno i pokretanje bioinženjerskih uređaja (implantata) unutar ljudskog tijela. Općenito, za uređaje za žetvu energije vlada pretpostavka da su vrlo mali u usporedbi s dinamičkim karakteristikama izvora energije pa zbog toga izvor nije opterećen prisustvom ovog uređaja. U ovom će se radu dati osvrt na različite principe žetve energije tj. na neke od načina na koje je moguće vršiti žetvu energije. U nastavku će se posebno objasniti mogućnosti pasivne žetve energije ljudskog tijela i na kojim bi principima takva žetva energije trebala raditi. Prikazati će se i primjeri uporabe žetve energije za napajanje biomedicinskih uređaja te će se konačno predložiti konstrukcijsko rješenje za napajanje jednog određenog biomedicinskog uređaja. Težište rada će biti na aktualnim problemima u napajanju biomedicinskih uređaja koji u današnje vrijeme svi pretežito za svoje pokretanje koriste baterije. Baterije predstavljaju veliki problem jer ih je potrebno često zamjenjivati prilikom čega se vrše operacije pacijenata. Ovakvim bi se sustavom takve stvari izbjegle što bi se direktno odrazilo u većoj kvaliteti života pacijenata i rasterećivanju zdravstvenog sustava. Bit će govora i o mogućnosti napajanja mreže senzora uređajima za žetvu energije. Mreža senzora bila bi postavljena na ljudsko tijelo te bi se na taj način vršio neprestani nadzor čovjekovog zdravlja. Pomoću dobivenih podataka putem te mreže senzora daljnjim razvojem uređaja mogla bi se i npr. poslati poruka u određeni centar čime bi se dalje obavijestile nadležne službe te se na taj način pružila potrebna pomoć pacijentu u slučaju da se putem dobivenih podataka s mreže senzora ustanovi da je narušeno njegovo zdravlje. U drugom poglavlju bit će riječi općenito o biomedicinskim implantatima i o dosadašnjim načinima napajanja tih uređaja budući da je to središnje područje istraživanja ovoga rada. Bit će dan i tablični prikaz osnovnih karakteristika tih uređaja s obzirom na potrebnu snagu za pokretanje uređaja i veličine napona pri kojemu ti uređaji rade. U istom poglavlju govoriti će se posebice i o srčanim elektrostimulatorima (pacemaker-ima) budući da će potrošnja ovog uređaja biti referentna vrijednost s kojom će se uspoređivati dobiveni rezultati koncipiranog uređaja. Vrlo je malo istraživanja provedeno o mogućnostima napajanja srčanog elektrostimulatora putem uređaja za žetvu energije. Vidjeti će se problemi koji su otežavali koncepciju takvog uređaja i vrlo uzak izbor različitih tehnologija za žetvu energije koje su pogodne za ovaj slučaj. U poglavlju tri dati će se kratak osvrt na neke karakteristike žetve energije iz različitih izvora. Tu će ponajprije biti riječi o najznačajnijim izvorima za žetvu energije i o gustoći energije u uređajima za žetvu energije iz tih izvora. Ovi su podaci od naročitog značaja jer ukazuju na mogućnosti daljnjeg razvoja pojedinih uređaja. U četvrtom poglavlju će biti opisane neke od tehnologija za žetvu energije na kojima bi se trebao temeljiti koncipirani uređaj i za koje se pretpostavlja da su najpogodnije za napajanje srčanog elektrostimulatora. Bit će govora o piezoelektričnoj, elektromagnetsakoj i termoelektričnoj žetvi energije i njihovim glavnim karakteristikama. Dat će se glavni izrazi koji opisuju veličine koje se javljaju u tim sustavima i na temelju kojih se dimenzioniraju generatori koji rade na navedenim principima. Peto poglavlje daje pregled mogućnosti pasivne žetve energije s ljudskog tijela. Bit će dan i prikaz s podacima o električnoj snazi koju je moguće dobiti različitim dijelovima tijela. U poglavlju o koncepciji uređaja bit će dan osvrt na podatak o mogućnosti postizanja električne snage. U nastavku tog poglavlja bit će opisani neki primjeri koji su u fazi istraživanja ili koji se nalaze već na tržištu. Opisat će se kronometar koji se već nalazi na tržištu i koji za svoj rad koristi inerciju masa na ljudskom tijelu. Biti će prikazano i istraživanje o dobivanju električne energije putem termoelektričnih pretvorbi na ljudskom tijelu i neki uređaji koji rade na tom principu koji su u stadiju istraživanja. Na kraju ovog poglavlja opisat će se jedno od istraživanja o mogućnosti žetve energije iz ljudske krvi pomoću nanogeneratora. Biti će objašnjen princip na kojemu radi i veličine koje je moguće njime postići. U šestom poglavlju će se objasniti tijek procesa konstruiranja. Objasniti će se osnovni principi i proces konstruiranja koji će biti prikazani tablično i blok dijagramom. Ovaj opis je potreban da bi se razumio cijeli proces konstruiranja od prvog koraka, što je konstrukcijski zadatak, pa do završetka procesa konstruiranja što je konačna konstrukcijska razrada popraćena proizvodnjom. Na kraju ovog poglavlja bit će prezentirana lista zahtjeva koja je od krucijalne važnosti za uspješno koncipiranje proizvoda. Lista zahtjeva je glavni smjerokaz prilikom koncipiranja proizvoda pa se stoga, zbog što bolje preglednosti, sastavlja i sažetak liste zahtjeva, čijim se stavkama potrebno neprestano voditi u procesu koncipiranja. U sedmom poglavlju bit će opisan originalni predloženi princip rada uređaja za žetvu energije kojim bi se napajalo srčani elektrostimulator pomoću disanja. Opis rada uređaja u ovom poglavlju predstavlja temelj za preliminarno koncipiranje. U ovom poglavlju bit će objašnjeno i koju se od tehnologija prezentiranih u četvrtom poglavlju odabralo za žetvu energije. Objasniti će se i razlozi za izbor određene tenologije za žetvu energije i usporedbu te tehnologije s provedenim istraživanjima o mogućnosti napajanja srčanog elektrostimulatora koja su dana na kraju drugog poglavlja. Na kraju ovog poglavlja bit će objašnjene mogućnosti za daljnje poboljšanje uređaja te mogućnosti nadogradnje predloženog uređaja u jedan zaokruženi sustav za nadzor zdravstvenog stanja korisnika pomoću mreže senzora. S obzirom na iznesene mogućnosti bit će navedeno i potencijalno tržište za ovakav proizvod. U osmom poglavlju bit će iznesen prijedlog projektnog rješenja sustava za žetvu energije disanja. Napraviti će se 3D skice u programu CATIA V5 zbog što bolje preglednosti i vizualizacije uređaja u cijelosti. Predstavit će se nekolicina slikovnih prikaza 3D skica uređaja iz različitih pogleda koje će popratiti i kratak opis. Na svakoj će skici biti naznačeni i nazivi komponenti. Na ovaj način bit će postavljen temelj za proučavanje što boljeg razmještaja komponenti uređaja unutar kučišta. U nastavku poglavlja bit će objašnjen svaki element posebice te će se opisati njegova uloga i značaj za uređaj. Na ovaj će se način objasniti koje su komponente tržišno dostupne, a koje to nisu pa će se stoga za te komponente izraditi potrebna dokumentacija za izradu. U ovom poglavlju provest će se proračun te na temelju toga i izbor sastavnih elemenata potrebnog uređaja koji će pomoću korisnikovog disanja generirati električni napon. Bit će dana skica s veličinama (brzine, momenti, sile, snage, itd.) koje se javljaju u kinematskom lancu te će ta skica služiti i za lakše razumijevanje tijeka proračuna. Tokom proračuna davat će se i objašnjenja uz pojedine korake kako bi se što lakše povezivalo različite dijelove u proračunu. Proračun će se vršiti pretežito u programu MATHCAD zbog određenih pogodnosti koje taj program pruža. Na kraju poglavlja bit će analizirani i komentirani dobivene rezultati. Provest će se usporedba dobivenih vrijednosti s danim vrijednostima u petom poglavlju o najvećoj količini snage koju je moguće dobiti žetvom energije disanja. Zaključno će se u ovom poglavlju dati osvrt na uspješnost postignutih rezultata koncipiranog uređaja s obzirom na postavljene zahtjeve o mogućnosti napajanja srčanog elektrostimulatora. U devetom poglavlju bit će opisan jedan od mogućih načina poboljšavanja učinkovitosti žetve energije. Obrađena tehnologija u ovom poglavlju je odabrana kao najpogodnija za koncipirani uređaj iz razloga što je kompatibilna s načinima žetve energije na kojima se potrebni uređaj temelji i što bi se vrlo lako ukonponirala u već postojeće kučište koje bi u krajnjem slučaju bilo potrebno tek neznatno izmjeniti. Navedeno se onda i potkrijepljuje provedenim istraživanjem i karakteristikama proizvedenog prototipa od strane jednog sveučilišta, čime su uočljive pogodnosti ovakvog načina poboljšanja žetve energije. Problem poboljšanja žetve energije je obrađen u ovom poglavlju iz razloga što se takvim postupcima značajno povećava gustoća energije uređaja. Na kraju rada bit će iznesen zaključak u kojem će se dati osvrt na cjelokupni rad i opisati će se postignuće koncipiranog uređaja u smislu mogućnosti izrade takvog proizvoda koji bi bio u stanju napajati srčani elektrostimulator energijom dobivenom procesom disanja.

prikupljanje otpadne energije; ljudsko tijelo; konstruiranje

nije evidentirano