ウェアラブルデバイスにおける太陽光発電の設計上の考慮事項

Scientific Reports volume 12、記事番号: 18143 (2022) この記事を引用

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ウェアラブル技術は、さまざまなバイオメカニクスおよび健康測定アプリケーションのソリューションとして登場しています。 太陽光発電エネルギーは、ウェアラブルのバッテリー サイズ要件を削減できる実行可能な補助電源です。 この研究では、前腕に配置された市販のフレキシブル太陽光発電パネルを使用したウェアラブル スリーブ デバイスとそれに関連する電力変換システムに関する考慮事項の概要を説明します。 曲率の​​影響を調査した結果、前腕の周囲のパネルの曲率は出力電力を低下させますが、光源に対する角度が出力電力と電圧特性の両方により顕著な影響を与えることがわかりました。 前腕のさまざまなパネル配置の中で、幅の狭い 5 つの個別パネルを備えた配置が、ブースト コンバータ電力段の後に最高の出力電力を提供しました。 さまざまな静止位置でのテストでは、PV スリーブは屋外で最大 94 mW を供給し、ユーザーの安全を維持しながらバッテリーのサイズを効果的に削減できます。

センシング、コンピューティング、および製造における革新により、ウェアラブル デバイスの機能は、生体認証モニタリング (例: 心拍数 1、歩数 2、3) を超えて、より複雑な生体力学および健康指標 (例: 活動分類 4、人間工学的モニタリング、ジェスチャー認識 5) の調査に移行しました。 ）。 生理学的信号と体の動きの監視と分析がより高度になるにつれて、計算と電力の需要も高まります。 大きなバッテリーや頻繁な充電サイクルを必要とせずに、そのようなデバイスに十分な電力を供給することは、ウェアラブルデバイスがより普及するにつれて重要性が高まる可能性がある課題です。 利用可能な電力を拡張するための有望なアプローチの 1 つは、ユーザー、ユーザーの動作、または環境から収集したエネルギーでバッテリー容量を補うことです。

太陽、体の動き、電波、皮膚と周囲空気の間の温度勾配など、多くの潜在的なエネルギー源がウェアラブル環境での収集に利用可能です6、7、8、9、10。 これらのエネルギー源にはそれぞれ、使用状況に応じて長所と短所があります。 体の動きは、圧電 11 、電磁 12 、または摩擦電気 13 発電機を使用して収集できますが、機械的な動き (歩行による振動など) が必要なため、身体的に活動的なユーザーが必要です。 人間の動きから得られるエネルギーの電力密度は約 4 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14 と推定されています。 皮膚と周囲の空気の間の温度勾配は、典型的な出力が 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15 程度の熱電発電機を使用して収集できます。 ただし、暖かい部屋にいる場合や、ユーザーの皮膚温度が低い場合や血行不良の場合など、皮膚温度と周囲温度の間の温度勾配が小さくなると、出力は低下します。 周囲電磁ハーベスタは高周波エネルギーを抽出できますが、回収される電力は高周波源からの距離に依存し 16、電力密度 6 は 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) 程度です。 対照的に、太陽電池 (PV) セルが供給できる電力はユーザーの活動とは無関係で、屋内の周囲光の下では 10 ～ 100 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)、100 mWcm の電力密度が報告されています。 \(^{-2}\)屋外の直射日光6. 太陽電池の発電量は比較的大きいため、この作業では太陽電池からの電力出力に焦点を当てます。

いくつかのユーザー調査 17,18 では、ユーザーがウェアラブル デバイスを選択する際にフォーム ファクター、機能、バッテリー寿命を優先していることが示されています。 したがって、太陽光発電を衣服にうまく組み込むには、柔軟性、高性能、効率の組み合わせが必要です。 さらに、これらの衣類は大規模な加工規模で製造される可能性があるため、今後 5 年間のウェアラブル デバイスにとって、市販のパネルを提供するプロセスが最も考慮されます。 ウェアラブル用途に有望な太陽電池の種類には、繊維ベースの太陽電池 19、20、21 や平面太陽電池などがあります。 一般に、ファイバーベースの PV 電池 22、23、24、25 は、より大きな構造に織り込まれた繊維状材料 (金属、光学、または導電性ストランドなど) を使用します 22。 ファイバーベースの PV セルには 2 つの利点があります。1) 繊維状セルのテクスチャー形状により、散乱光の吸収が増加します。 また、繊維ベースの PV は、連続した平面基板で製造されたパネルよりも繊維に近い (ただし正確ではない 26) 特性を持っています。 別の繊維ベースのプラットフォーム27における最近の研究である「ソーラーイーヤーン」は、糸の中に小型の太陽電池をカプセル化することにより、結晶シリコン（c-Si）太陽電池の既知の効率を維持しながら、繊維の機械的特性を維持します。 繊維ベースの PV 電池における 3 番目のアプローチでは、スプレーコーティングされた繊維 21 を使用してエネルギーハーベスティング層を形成します。

ファイバーベースの PV セルとは対照的に、平面フレキシブル PV セル 28 は、機械的に適合する基板上に製造される無機、有機、またはハイブリッド太陽電池です。 スケーラブルな製造における最近の進歩により、フレキシブルなシリコンベースの薄膜太陽電池が市販されています29。 これらのパネルは柔軟性が高く、布地に機械で縫い付けることができます 30 が、布地の外観や機械的特性がありません。 これらの細胞の生存能力は、さまざまなウェアラブルアプリケーションで実証されています 31、32、33。 ファイバーベースの PV 電池の開発における最近の継続的な研究は、ウェアラブル デバイスへの将来の応用に大きな期待をもたらしていますが、十分な電力を生成するという現在の課題と、それらを市販するために必要な追加の開発を考慮すると、短期的な応用では設計されたウェアラブル デバイスを調査する必要があることが示唆されています。平面フレキシブル太陽電池を搭載。

以前の研究では、ジャケット 34 やリストバンド 35 など、太陽電池を備えた完全な衣服を実証しました。 衣服内の太陽電池には、いくつかの重要な設計上の課題があります。 課題の 1 つは、パネルの出力に対する体のポーズからの変形とセルフ シェーディングの影響を予測することです。 以前の研究 36 では、アモルファス シリコン (a-Si) パネルの出力に対する曲げの影響が検討されており、曲がったパネルは生成される電力が少なく、最大電力点 (MPP) 電圧が高いことがわかりました。 ただし、これらの発見をウェアラブルのコンテキストや体のポーズに変換することは、あまり明確ではありません。 2 番目の課題は、衣服のサイズ内で発電量を最大化するために、PV パネルのサイズ、方向、配置を最適化することです。 最後の課題は、現実的な身体位置の下でウェアラブル PV から生成および変換される電力を推定することです。 一定期間にわたるフレキシブル PV パネルの現実的な収集エネルギー容量の一部は以前に調査されました 37 が、現実的な体の位置には言及していませんでした。

この研究では、ウェアラブル デバイスのコンテキストで効率的な電力変換に重要なパネル、電力コンバータ、衣服の設計の選択について説明します。 また、ウェアラブル デバイスで予想される負荷条件下での、フレキシブルな市販の a-Si パネルの出力の特性も評価します。 最後に、ウェアラブル アプリケーションのバッテリー容量を補うフレキシブル PV パネルの可能性を見積もるために、PV ガーメントのプロトタイプによって生成される電力を測定します。

PV パネルのタイプの選択には、光の強度を電力に変換する効率と、パネルの機械的な柔軟性と耐久性という 2 つの重要な特性が現れます。 一般的な柔軟な薄膜 PV 材料には、セレン化銅インジウム ガリウム (CIGS)、テルル化カドミウム (CdTe)、水素化アモルファス シリコン (a-Si:H) などがあります。 報告されているフレキシブルポリマーフォイルパネルの効率は材料の選択に依存しており、CIGS は 20.4%、CdTe は 13.8%、a-Si:H は 7.1% に達する可能性があります 38。 アモルファス Si パネルは、汗からの血糖値の連続モニタリングなどの状況で以前に実証されています 33。 また、その非晶質構造は、屈曲時の損傷 (およびその結果としての出力の低下) を軽減するのにも役立ちます 38。 この研究では、柔軟なプラスチックに取り付けられた a-Si:H (以下、単に a-Si と呼びます) 太陽電池に関連する設計上の考慮事項について説明します。

PV パネルとウェアラブル デバイス間のインターフェイスも、設計上の重要な選択の 1 つです。 PV セルは接続されてパネルを形成し、パネル内の電気接続 (つまり、直列、並列、または直並列ネットワーク) はパネルの出力特性に直接影響します。 ウェアラブル デバイス内の負荷 (センサー、マイクロコントローラー、バッテリー、ディスプレイなど) は、負荷の定格電圧がパネルの出力電圧範囲内にある場合、パネルに直接接続できます。 ただし、負荷特性 (インピーダンスなど) が電力伝送用に最適化されていないため、PV パネルは電力出力を最大化できる時点で動作しない可能性があります。 可能な限り最大の電力を負荷に供給するために、コンバータを使用して PV パネルの動作電圧を制御し、負荷の需要を満たすために電圧を上げたり下げたりします。 通常、降圧コンバータや昇圧コンバータなどのスイッチモード電源が選択されます。これは、変換効率が高く、実装が簡単であるためです。

最高の電力伝送と効率を実現するには、電力コンバータは MPP での PV 電源電圧 (つまり、出力電力が最大になる電圧) を調整する必要があります。 MPP を追跡するさまざまな最大電力点追跡 (MPPT) アルゴリズムがあり、標準 DC-DC コンバータ トポロジに直接実装できます39。 PV アプリケーションで最も広く使用されているアルゴリズムの 1 つは、摂動および観測 (P&O) アルゴリズムです。このアルゴリズムは、動作点をアクティブにステップさせ (摂動)、その結果生じる電力変化を測定し (観測)、MPP に向かって継続的に移動します。 このようにして、PV 電力曲線の最大値を継続的に追跡し、低コストのマイクロコントローラーに実装できます。 インクリメンタルコンダクタンス、リップル相関制御、インテリジェンスベースの技術などの他のアルゴリズムと比較して、P&O はキャリブレーションを必要とせず、計算負荷が高くなく、回路の実装が安価であるため 40、電力の最大化と容易さの間のバランスが取れています。実装の。

バッテリと PV パネルの組み合わせを考慮すると、PV MPP 電圧はバッテリの負荷電圧を上回るか下回る可能性があります。 パネル内のセルは、パネル内の各セルが同じ電流を共有する直列に接続することも、各セルが同じ電圧を共有する並列に接続することもできます。 Lee ら 41 は、ウェアラブル デバイスなど、パネル全体で不均一な照明が予想される条件では、直列接続パネルよりも MPP 電圧が低い並列接続 PV パネルの方が、ウェアラブル PV パネルの出力電力が高くなるということを特定しました。 したがって、より低い MPP 電圧と昇圧コンバータ トポロジ (図 1) を備えた並列接続 PV を選択して電圧を昇圧することは、さまざまな照明シナリオで PV の電力収穫を最大化する効果的な設計となります。 コンバータ出力の電圧バスはデバイス内のすべての負荷 (センサー、マイクロコントローラーなど) に電力を供給しますが、バッテリーの特性によって支配されます。 ブースト コンバータの動作は、MPPT 制御アルゴリズムに基づいて MOSFET の駆動に使用されるパルス幅変調 (PWM) 信号を調整する低電力マイクロコントローラによって制御されます。

昇圧コンバータを備えた PV エネルギーハーベスティング システムの図。トランジスタのゲートはゲート ドライバー回路 (\(\phi\)) によって駆動され、マイクロコントローラーによって制御されます。

本体上のフレキシブル PV パネルの位置の可能性。 各位置への配置には、表面積と通常の動作中の潜在的なシェーディングに関連する長所と短所があります。

太陽光発電を利用したウェアラブル デバイスの電力システム アーキテクチャを設計するには、まずデバイス負荷の平均消費電流、平均電力 \(P_{avg}\)、および予想されるバッテリー容量を特定する必要があります。 これらの考慮事項は、4 MHz マイクロコントローラー (MCU)、9 軸慣性測定ユニット (IMU)、8 つのひずみセンサー、Bluetooth MCU モジュール、および 1 つのディスプレイ ライト (LED) を備えたウェアラブル デバイスの仮想設計例を通じて説明されています。 。 負荷電圧が 3.3 V で、コンポーネントが時間の約 50% でアクティブで、それ以外の場合は低電力モードまたはスリープ モードにある場合、合計の平均消費電流は約 9 mA になります。 さまざまな損失や漏れを考慮して 10% の余裕を持たせると、平均消費電流は約 10 mA になります。 各コンポーネントの平均消費電流を表 1 に示します。

予想される負荷電流が特定されると、バッテリー容量を決定できます。 エナジー ハーベスティングのないウェアラブル デバイスで 8 時間を超えて持続するには、1 回の充電で使用可能なバッテリー容量が 80 mAh より大きくなければなりません。 デバイスの動作中に太陽光発電でバッテリーを再充電できる場合は、バッテリー容量を減らしてエネルギー消費を相殺できます。 このようなバッテリー容量の削減により、ウェアラブル デバイスの軽量化と薄型化が可能になります。

ソーラーによるバッテリー容量の削減は装着性の向上をもたらしますが、充電時間と温度上昇とのトレードオフも生じます。 バッテリーの C レートは、銘板の容量に基づいて正規化された値です42。 ある研究では、1.5C (銘板容量の 1.5 倍) でバッテリーを充電するとバッテリー温度が 6 °C 上昇し、0.5 C の速度では温度上昇が 2 °C 未満に制限されることが示されました43。 バッテリーは身体の近くに装着されるため、温度を 44 °C 未満 (安全のため)44、理想的には 40 °C (快適さのため) に制限することが重要です。 公称充電率は 0.5C ～ 1C42 である必要があります。

屋内では、PV パネルが生成する公称電力は低いため、パネル面積をできるだけ大きくする必要があることがわかります。 ただし、パネルが太陽に完全にさらされている場合でも、パネルからの供給電流は 1C 未満に維持する必要があります。 パネルの電力サイジングは、完全な太陽光の下で予想される電流を超えずに、ウェアラブルのフォームファクターが許す限り大きくする必要があります。

衣類内に PV パネルを配置する場合は、通常の使用中にパネルに課せられる潜在的な変形、パネルがユーザーの動きを妨げる可能性、パネルを配置するのに利用できる領域、体の位置や位置による自己シェーディングの影響を慎重に考慮する必要があります。物体への近接性。 当社は 2 つの指標を使用して PV パネルの配置を評価します。(1) 身体上でパネルを配置するために利用できる面積、および (2) 典型的な日常活動中の自己遮光の可能性。 図 2 は、これらの潜在的な場所とそのエリア分類および日陰の可能性を示す図です。 身体面積の測定基準は、米国の人々の 50 パーセンタイルを対象としており、低 (−) 面積は 500 cm\(^2\) 未満、高 (+) 面積はそれ以上と定義されています。 500cm\(^2\)より。 シェーディング メトリックは、近くの物体 (家具など) の存在、または通常の体のポーズ (座っている、立っているなど) 中の自己シェーディングによって評価されます。座っている間は低い (-) が隠され、高い (+) は隠されません。

座屈 (左) および張力 (右) 中にパネルから生成される電力。ひずみのない出力電力に正規化されています。

アームの曲率がパネルの位置に及ぼす影響。 (a) 側面図と断面図から見た、大小の周囲アームに対する PV パネルの構成の図。 (b) \(\theta\) = 45°回転した曲率試験治具、パネル、およびハロゲン ライトの写真。 (c) 回転と周長の変化に応じて発生する最大電力。 曲率と角度の両方がパネルによって生成される電力に影響しますが、角度が生成電力を支配します。 (d) 20 cm (左) パネルとフラット (右) パネルの PV 曲線。 曲率を小さくすると、最大出力が 12 mW から 14 mW に増加します。 (e) 角度 0° (左) と回転 50° (右) の PV 曲線。 角度を大きくすると、最大生成電力は 14 mW から 8 mW に減少します。

背中上部と背中下部には大きなパネル領域がありますが、座っているユーザーが椅子に座っているときにパネルを覆うため、これらの場所はエネルギーハーベスティングにはあまり適していません。 背中上部と肩に配置するには、肩から頭上の動きを制限しないように慎重なパネルの設計と配置が必要です。 胃と胸も同様に、呼吸中に大きく膨張するため、ここにパネルを配置すると、ユーザーの自然な呼吸が制限される可能性があります。 対照的に、上腕と下腕は活動中に曲がらないため、パネルの変形の懸念が軽減され、通常は座ったり立ったりするときに影が入りません。 上腕は頭上の照明に対して大きく回転します (したがって、生成される電力は低くなります)。 前腕は胴体の他の部位に比べてパネル面積が比較的小さいですが、シェーディングの可能性が低く、動作が制限されるため、柔軟なパネルを設置するのに適した場所です。 この研究は、前腕ベースの PV セルの配置に焦点を当てています。

着用者は、使用中に垂直力、張力、曲率などの機械的応力や変形をパネルに加えることになります。 張力と曲率の両方におけるパネル出力に対する変形の影響を調査します。 研究では、異なる特性を持つ 3 つのモデルのフレキシブル基板 a-Si パネル (PowerFilm Solar, Inc.) が使用されました。 表 2 は、パネルの長さと幅 (cm)、開回路電圧と MPP 電圧、および放射照度 1000 W/m\(^2\) (つまり、完全な太陽) および 25 °C での予想電力 (mW) を示しています。

引張荷重下のパネルの MPP 電圧と電力出力を、応力ゼロ状態に正規化して図 3 に示します。実験の詳細は「方法」セクションでご覧いただけます。 各パネル タイプでは、パネルが座屈から張力に移行するにつれて出力が 10% 未満増加します。これは、パネルが座屈しなくなると自己シェーディングされなくなるためと考えられます。 張力下では、正規化パワーは停止状態に達するまで、初期値付近で 5% 以内で安定します。 MPP 電圧変動におけるパネル間の変動は、どちらのパネル タイプでも大きいですが、座屈も張力も MPP 電圧に単調傾向を生み出しません。

バッテリ負荷、DC-DC コンバータ、および前腕を覆う PV パネルを備えたスリーブの写真。 パネルの寸法により、スリーブ上の配置が決まります。

回転と傾きが出力に及ぼす影響。 (a) 傾斜角 \(\beta\) = 45\(^{\circ }\) の前腕テスト フィクスチャ、スリーブ、およびハロゲン ライトの写真。 (b) スリーブ上のシン​​グル、ダブル、および 5 パネルの配置の写真。 (c) 回転角 0° (左) および 45° 回転 (右) での傾斜角の変化に応じて生成される出力。 (d) 回転角 0° (左) および 45° 回転 (右) での傾斜角の変化に伴う電力効率。

前腕に PV パネルを配置すると湾曲が誘発され、前腕が小さい装着者の場合、前腕が大きい場合よりも湾曲が大きくなります (図 4a)。 図 4c は、パネルの曲率と回転が増加したときに生成される最大電力を示しています。 出力パワーは、光源に対して垂直なフラット パネルの場合に最大 (12 mW) であり、曲率または角度が増加するにつれて減少します。 パネルがランプに対して 90 度の向きにある場合でも、約 2 mW の電力が生成されます。 角度は、曲率よりも生成されるパワーに大きな影響を与えます。角度を 0 ° から 90 ° に増やすと、出力は 6 分の 1 に減少しますが、曲率は 0.18 cm\(^{-1}\) (円周 35 cm) から増加します。 ) を 0.31 cm\(^{-1}\) (周囲 20 cm) にすると、出力が最大 20% 減少します。

さまざまなシナリオでのスリーブからの電力測定。 マネキンのアームは、(a) 下にまっすぐ、(b) 上にまっすぐ、(c) 下に曲がって、(d) 上に曲がって配置されます。 (e) 3 回の試行における 30 秒間の平均出力電力、および (f) 各シナリオ中に 5 パネルのスリーブとコンバータ システムを使用して得られた対応する効率。

図 4d は、20 cm の最小円周とフラット パネルの 2 つの曲率について、回転角度を伴う電力対電圧の曲線を示しています。 角度が増加するにつれて、MPP を示す曲線のピーク点の電圧は円周が小さくなるほど減少しますが、フラット パネルではその影響はそれほど顕著ではありません。 図 4e は、回転角度 0 ° と 50 ° の円周を含む電力対電圧の曲線を示しています。 パネルが 50° で回転すると、円周が減少すると MPP 電圧 (曲線のピーク点) が目に見えて減少しますが、0° では MPP 電圧の変化は顕著ではありません。 これらの結果は、曲率が大きい (円周が小さい) 場合、スリーブの装着中に回転角度が変化すると MPP 電圧が変化することを示しています。

太陽光発電におけるもう 1 つの考慮事項は、衣服によって課される実際的な制限です。 特定のフォアアーム サイズに対して、さまざまな条件下でどの構成の PV パネルが最大の電力を生み出すかを調査したいと考えています。 パネルはスリーブに統合され（図5）、互いに並列に接続されています（陽極はアームの外側に向けられ、陰極はアームの内側に向けられます）。これにより、パネル間の配線接続を最小限に抑えることができます。 筋肉の活性化中に腕の周囲が増加すると、各パネルはアノードとカソードの間で引張応力を受けます。

腕周り 20 cm は、肘と手首に余裕を持たせるため、パネルの最大長さ 19 cm とともに袖サイズの下限として機能します。 この面積を考慮すると、MPT3.6-150 パネル 1 枚 (360 mW)、MPT3.6-75 パネル 2 枚 (360 mW)、または SP3-37 パネル 5 枚 (330 mW) の 3 つの異なるフレキシブル PV パネル構成が可能です。 比較はスリーブ上で可能な PV 電力であるため、PV パネルの面積は各配置でまったく同じではありません。 DC-DCコンバータはスリーブに取り付けられ、負荷として機能するリチウムイオン電池はスリーブのポケット内に収まります（図5）。 これらのコンポーネントは、すべてのパネル配置にわたって同じままです。

PV パネルが取り付けられたスリーブは屋内でテストされます (図 6)。 出力電力を図 6c に示し、入力電力に対する出力電力の効率を図 6d に示します。 結果は、PV パネルの配置が出力電力に顕著な影響を与えることを示しています。 まず、パネルの幅 (図 2) と合計 PV 面積が同じ 1 枚パネルと 2 枚パネルの配置を比較してみましょう。 すべてのテスト条件において、単一パネル配置の方が 2 パネル配置よりも高い電力と効率をもたらし、2 つの配置の中でそれがより良い選択であることを示しています。

5 つの PV パネルを使用した配置は、回転角 \(\theta = 0^\circ\) と傾斜角 \(\beta = 0^{\circ }\) (前腕が直接向いている) を除くすべてのテスト条件で、一貫して最高の電力を生成します。光）。 この結果は、公称電力が低い (330 mW 対 360 mW) にもかかわらず、パネル面積が大きい (117 cm\(^2\) 対 108 cm\(^2\)) にもかかわらずです。 傾斜および回転がゼロの場合、電力は単一パネル配置より 3 mW 未満です。 回転角が \(\theta =0^\circ\) の場合、1 枚のパネル配置は 5 枚のパネル配置と同等かわずかに高い効率をもたらします。 ただし、回転角が \(\theta =45^\circ\) の場合、5 枚のパネル配置が常に最高の出力と効率をもたらします。

太陽光発電におけるもう 1 つの指標は、さまざまな腕の位置でスリーブがどのくらいの電力を生成するかです。 パネルとコンバータから生成される電力は、770 ～ 820 Wm\(^{-2}\) の範囲の直射日光の下、4 つの異なる位置に置かれたマネキンで測定されました (図 7)。 各位置で行われた 3 回のテストで記録された平均電力と電力効率を図 7 に示します。

生成される最高出力は 93.9 mW で、腕を真っすぐに下ろし (立っている状態を模倣)、袖に直射日光が当たったときに観察されました。 逆に、最低電力は 13.5 mW で、腕を上げて角度を 90 \(^\circ\) にしたときに観察されました (電話での会話を模倣した場合)。 この位置に基づいて、スリーブの PV パネルは直射日光から離れてわずかに下向きになりました。 さまざまな位置でのすべてのテストを通じて、生成された平均電力は 65 mW でした。 システムの効率に関しては、効率は 55.9% ～ 81.9% の範囲であり、平均値は 74.8% でした。 最も低い効率は、主に電力レベルに応じて調整されないコントローラとゲートドライバの損失により、最も低い入力電力で発生しました。 効率はさらに改善できる可能性がありますが、これらの結果は、腕を真っ直ぐ下（77.0 mW）および上（93.3 mW）にしたとき、および腕を曲げて下（75.6 mW）および上（13.9 mW）にしたときに、ウェアラブル スリーブのアプリケーションで達成される出力電力を検証しています。 mW）。

ウェアラブル デバイスの PV 性能を評価する際の主な関心事は、パネルの曲がりや光の角度の変化による電力出力の変化 (PV パネルの発電量とコンバータ効率の両方によって決まります) です。 MPP は湾曲中に減少することが観察されました。 したがって、P&O などのアクティブ MPPT アルゴリズムを採用してこれらの変動を追跡し、パネルが MPP で動作し続けることを保証することが重要です。

通常の活動下では、スリーブ装着型 PV パネルに加わる可能性のある機械的変形には、ユーザーが前腕の筋肉を曲げる際のアノードとカソード間の歪みや、パネルがユーザーの腕に適合する際の湾曲などが含まれます。 ユーザーの前腕の長さが固定されているため、パネルの長さに沿った負担は制限されます。 張力特性評価テストに対するパネルの反応は、筋肉の屈曲がパネルの出力に与える影響が限定的であることを示唆しています。 パネルが座屈から張力に移行するとき、出力電力または MPP 電圧の変化はほとんど発生しませんが、歪みがゼロの状態でパネルが最大の光強度を受け取るときに最も大きな変化が生じます。

張力とは対照的に、パネルの曲率と位置は出力に影響を与えます。これはおそらくシェーディング、パネルと光源間の距離が増加するにつれての直接放射照度の減少、および光源からの入射角の増加によるものと考えられます。 回転角度は、パネルの曲率よりも発電量に大きな影響を及ぼしますが、MPP へのシフトは限られています。 これらの結果は以前の研究と一致しています。 Park et al.36 は、a-Si パネルでも同様の効果を観察しました。MPP 電圧は比較的一定のままでありながら、光強度が小さくなりパネルの自己シェーディングによりパネルの曲率が増加するため、出力が低下するというものです。 前腕のサイズが小さくなると、曲率が大きくなり、入射角の変化が大きくなるため、パワーの低下の影響がより顕著になります。 ただし、パネルの角度と位置は曲率よりも大きな影響を与えるため、スリーブベースの PV ハーベスターからの電力出力は集団全体で一般化できると予想されます。

傾斜と回転の実験では、1 つの大きなパネルよりも多数の小さなパネルの有用性も実証しました (図 6)。 回転や傾斜がない特殊な条件下では、5 枚パネル配置の方が合計 PV 面積が 8% 大きかったにもかかわらず、1 枚パネル (MPT 3.6-150) のアプローチは 5 枚パネル (SP3-37) のアプローチを上回りました (図.6b）。 テスト フィクスチャには、腕の形状をシミュレートする段階的な曲率があり、基部 (「肘」) の曲率が低く、端 (「手首」) の曲率が高くなります。 単一のパネル配置では試験治具への適合性が低く、パネル全体の曲率が低くなりますが、5 枚のパネル配置では適合性が良く、曲率が大きくなります。 回転や傾斜がない場合、単一パネルの大部分は高い入射角を持ちますが、5 つのパネル配置ではパネルの一部が光から遠ざかるように湾曲しています。 テストフィクスチャが傾斜または回転しても、光源は 5 パネル構成の一部に対して依然として高い入射角を持ちますが、単一パネルの大部分は低い入射角を持ちます。 その結果、傾斜または回転が増加するにつれて、単一パネル配置と 5 パネル配置のパフォーマンスの差が増加します。

2 パネル (MPT 3.6-75) 配置は、単一パネルと同じ PV 面積があるにもかかわらず、3 つのケースの中で最も性能が低くなります。 この動作は、やはりパネルの変形によって支配されます。 回転や傾斜がない場合、パネルの一部が湾曲するため、単一パネルよりもパフォーマンスが低下します。 面積が小さいため、パフォーマンスも 5 パネルの場合より悪くなります。 2 番目の要素は 2 つのパネル間の分割であり、これにより 2 つのパネルのそれぞれがベースに近い曲率に適合します。 各パネルの上部と底部の間の曲率の変化は 5 パネル構成よりも大きく、その結果、テスト フィクスチャの表面に対してパネルが「湾曲」し、光源に対するパネルの入射角が減少します。 単一パネルの場合の曲率の変化は（パネルの分割部分に存在する不連続ではなく）連続的である必要があるため、全体の曲率と共形性は低くなり、パネルはテストの表面からあまり反りません。固定具。

これらの測定では、最小の平面フレキシブルパネルは、望ましい体の領域によりよく適合し、ユーザーの快適性が向上し、予想される範囲の条件下でより大きな電力を生成できます。 マルチパネル戦略は、より一般化された発電と比べて利点がありますが、製造の複雑さや、衣類を洗濯する前にさらに多くのパネルを取り外す必要があるなど、その他のフォームファクターの問題が追加されます。 そのため、PV パネルを使用する設計者は、必要な電力出力と衣類のより広範な使用例を慎重に考慮する必要があります。

マネキンを使用した電力測定は、4 つの異なる静的位置で行われ、屋外環境での通常の使用中に予想される電力の範囲を示しています。 33 mW を消費する前述の仮説例では、より一般的な前腕の 3 つの位置 (下向き、上向き、水平上向き) で継続的に充電でき、75 mW 以上を供給できました。 最も低い電力位置（水平下向き）でも、測定された出力電力は 13.9 mW で、これは公称消費電力の 42% であり、1 回のバッテリ充電での動作時間もそれに比例して長くなります。 これらの電力結果に基づいて、屋外条件では放射照度とその結果生じる電力が 2 倍になる可能性があると仮定すると、バッテリーの充電速度を 3.7V で 1C 未満に制限するには、バッテリーの容量を 51 mAh より大きくする必要があります。

太陽光発電は、ウェアラブル アプリケーションに補助電力を供給して、必要なバッテリー サイズを削減したり、充電間隔を延ばしたりするための有望なエネルギー源です。 ただし、これらのアプリケーションを可能にするフラット リジッド パネルからフレキシブル パネルへの移行には課題（電力削減など）があります。 この研究では、スリーブベースのアプリケーションを介した PV 電力を利用したウェアラブルの設計プロセスと考慮事項を詳細に説明し、PV パネルと電力コンバータの選択について説明しました。 PV パネルに加えられた張力 (筋肉の屈曲など) はパネルの出力電力に明確な影響を示さなかったが、パネルの曲率が増加すると出力電力と MPP 電圧が低下した。 最適なパネル配置を決定するために、さまざまなサイズと電気特性の市販のフレキシブル ソーラー パネルが使用され、MPP をアクティブに追跡するブースト コンバータが電力段で使用されました。 パネル出力に対する体の大きさの影響は、腕の位置よりも低いことが判明しました。 多数の小さなパネルを使用すると、1 つの大きなパネルよりも効果的に光の角度の変化を補正できます。 屋外での実験結果では、成人の範囲の小さい方の前腕周囲 (20.4 cm) であっても、ウェアラブル デバイスに電力を供給するためにスリーブに取り付けられたフレキシブル太陽光発電パネルによって供給される電力 (平均 65 mW) が検証されています。

屋外光に最適化されているため、屋内照明下ではパネル出力を実証しませんでした。 ただし、パネル数が多いほど、さまざまなボディ サイズや照明条件下でも効率が向上するという調査結果が屋内条件にも一般化されると予想されます。 今後の作業は、1) 屋内環境での使用を目的としたフレキシブル PV パネルを検討し、人々が使用する条件下でウェアラブル デバイスをより広範囲に使用できるようにすること、2) 反射光の役割を含む幅広い使用条件をシミュレートする実験を設計することに焦点を当てます。周囲の表面、衣類の構造、パネルの洗浄または取り外しの可能な戦略など。

期待される出力に対する張力の影響を理解するために、各タイプのパネル (N=5) を、250 W ハロゲン ランプをパネルの中心から 19.5 cm の位置に配置した万能材料特性評価試験機 (5554、Instron) に配置しました。 試験中、アノードは固定され、カソードの位置は制御されました。 初期位置では、パネルはランプに向かって外側に曲がっていました。 各テストの最終位置では、パネルに張力がかかりました。 DC プログラム可能な負荷 (8542b、BK Precision) を使用して IV 掃引を測定しながら、パネルが座屈している場合はカソード位置が 1 mm、パネルが張って保持されている場合は 0.1 mm 増加しました。 各試験は、２０Ｎを超える引張力に達したときに停止した。

腕の周囲と回転が発電に及ぼす影響を評価するために、周囲が 20 cm から 35 cm まで 5 cm 刻みでカスタム 3D プリントされたテスト治具にパネルを配置しました (図 4b)。 これらの値は、女性の腕の 5 パーセンタイルから男性の腕の 95 パーセンタイル以上にほぼ相当します45。 3 つのハロゲン ライト (各 150 W) をパネルの中心から 30 cm の距離に配置し、パネルをランプとの位置合わせから \(\theta\) の角度で手動で回転させました。 パネルの中心が中央のランプに正対しているときの回転角度は \(\theta =0^{\circ }\) で、パネルの中心が回転すると角度は増加します (図 4b)。 各パネルの MPP は、DC プログラマブル電子負荷 (8600、BK Precision) を使用して負荷電圧を掃引し、出力電流を測定することによって測定されました。 各角度と曲率で 5 回の測定が行われ、すべての場合の放射照度は約 545 Wm\(^{-2}\) でした。

3 つの異なる PV パネル配置によって収集される電力を測定するために、前腕を模倣する治具にスリーブを取り付けました。テスト治具の基部の周囲は 35 cm、治具の上部 (手首を模擬するため) は 35 cm です。周囲20センチメートル。 PV パネルが取り付けられたスリーブは、屋内で 3 つのハロゲン ライトを垂直に積み重ねてテストされます (図 6)。 スリーブ固定具を回転 (回転角度 \(\theta\) として定義) および傾斜 (傾斜角度 \(\beta\) として定義) しながら、ブースト コンバーターの出力の電力を測定しました。 測定は、回転角 0 \(^\circ\) および 45 \(^\circ\)、および傾斜角 0 \(^\circ\)、30 \(^\circ\)、45 \ で行われました。 (^\circ\)、60 \(^\circ\)。 各角度で 2 回測定し、平均値を報告します。 試験治具に取り付けられた 3 つの PV パネルの配置を図 6b に示します。

以前のテストで最も高い出力を示したため、この実験では 5 枚の PV パネルを使用した配置が使用されました。 5 つのパネル構成とブースト コンバータ システムは、最大前腕周囲 20.4 cm の実物大のマネキンの前腕に配置されました。 マネキンは 4 つの静止位置に配置されました: (1) 腕を下に向けて真っ直ぐにする、(2) 腕を上に向けて真っ直ぐにする、(3) 腕は下に向けて前腕を上に向けて 90 度 \(^\circ\) に曲げる、4）腕を90度\(^\circ\)に曲げ、腕は下にありますが、前腕は下向きに傾いています（図7）。 これらの異なる位置で、マネキンを晴れた日に直射日光が当たる屋外に置き、地面に垂直な方向の放射照度を測定しました。 出力電力 (昇圧コンバータの出力における) は、各位置での 3 回の連続テストで 30 秒にわたって各テストで測定されました。

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この研究は、助成金 109-2221-E-002-097 に基づいて台湾科学技術省によって部分的に支援されました。 著者らはまた、LaTeX 図の作成について支援してくれた Justin Kokumune 氏、ひずみに対するパネル反応の特徴付けについて指導してくれた Denise McKahn 博士、および以下の点で協力してくれた Guan-Ru Li、Chi Jui Lo、Yu-Ting Yang、および Shang-You Chiu に感謝します。実験を行っている。

国立台湾大学電気工学部、台北市、106、台湾

キャサリン・A・キム＆F・セリン・バグチ

ノースイースタン大学、電気およびコンピュータ工学部、ボストン、マサチューセッツ州、02115、米国

クリステン・L・ドーシー

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KK、SB、KD が実験を考案し、設計しました。 KKとSBは基板の設計と製作を行いました。 KK、SB、KD は異なる実験を実行しました。 KK、SB、KDがデータを解釈して原稿を執筆しました。

キャサリン・A・キムへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガー ネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Kim、KA、Bagci、FS、Dorsey、KL ウェアラブル デバイスにおける太陽光発電の設計上の考慮事項。 Sci Rep 12、18143 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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受信日: 2022 年 1 月 6 日

受理日: 2022 年 10 月 11 日

公開日: 2022 年 10 月 28 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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