Modeling of thermoelectric systems for energy harvesting in biological environments
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Universidad Autónoma de Baja California
Resumen
Descripción
In recent years, the trend in the emerging development of autonomous and portable biosensors has led to the search for new materials, as well as the design of new structures that can efficiently generate their own energy with high performance to ensure long-term energy supply, eliminating the use of external sources. Among the most studied are triboelectric, piezoelectric, thermoelectric, and pyroelectric materials, which have shown greater biocompatibility with the physiological parameters of the human body for energy harvesting. This paper proposes to illustrate the systematic process in a finite element simulation software of the bismuth telluride (Bi2Te3) material, considered one of the most efficient in thermoelectric energy generation. Simulations implemented in COMSOL MultiphysicsⓇ demonstrate the correlation between the physical-mechanical design of the structures and energy efficiency, allowing the determination of the crucial features and parameters for future development. The results demonstrate the power generated by the material according to the surface temperature gradient of the human body for each of the designed structures.
En los últimos años la tendencia en el desarrollo emergente de biosensores autónomos y portátiles han propiciado la búsqueda de nuevos materiales, además del diseño de nuevas estructuras que generen su propia energía de manera eficiente y con alto rendimiento para asegurar el suministro energético a largo plazo, eliminando el uso de baterías externas. De los materiales más estudiados encontramos a los triboeléctricos, piezoeléctricos, termoeléctricos y piroeléctricos, materiales que han tenido mayor biocompatibilidad con los parámetros fisiológicos del cuerpo humano para la generación de energía. En este trabajo se propone ilustrar el proceso sistemático en un software de simulación de elementos finitos del material triteleluro de dibismuto (Bi2Te3), considerado como uno de los más eficientes en la generación de energía termoeléctrica. Las simulaciones implementadas en COMSOL MultiphysicsⓇ, demuestran la correlación entre el diseño físico-mecánico de las estructuras y la eficiencia energética, permitiendo la determinación de las características y parámetros esenciales para su futura fabricación. Los resultados demuestran que, con un número mayor de termopares, incluso cuando las dimensiones son inferiores tomando como referencia la temperatura superficial del cuerpo humano, aumenta la potencia generada de las estructuras evaluadas.
En los últimos años la tendencia en el desarrollo emergente de biosensores autónomos y portátiles han propiciado la búsqueda de nuevos materiales, además del diseño de nuevas estructuras que generen su propia energía de manera eficiente y con alto rendimiento para asegurar el suministro energético a largo plazo, eliminando el uso de baterías externas. De los materiales más estudiados encontramos a los triboeléctricos, piezoeléctricos, termoeléctricos y piroeléctricos, materiales que han tenido mayor biocompatibilidad con los parámetros fisiológicos del cuerpo humano para la generación de energía. En este trabajo se propone ilustrar el proceso sistemático en un software de simulación de elementos finitos del material triteleluro de dibismuto (Bi2Te3), considerado como uno de los más eficientes en la generación de energía termoeléctrica. Las simulaciones implementadas en COMSOL MultiphysicsⓇ, demuestran la correlación entre el diseño físico-mecánico de las estructuras y la eficiencia energética, permitiendo la determinación de las características y parámetros esenciales para su futura fabricación. Los resultados demuestran que, con un número mayor de termopares, incluso cuando las dimensiones son inferiores tomando como referencia la temperatura superficial del cuerpo humano, aumenta la potencia generada de las estructuras evaluadas.
Palabras clave
Biosensores, Análisis de elemento finito, Bioenergía, Termogeneradores de energía, Simulación FEM, Biosensors, Finite element method, Bioenergy, Energy thermogenerator, FEM simulation