當(dāng)科幻照進(jìn)現(xiàn)實(shí)，人體或?qū)⒊蔀槟芰苛鲃?dòng)的智能電網(wǎng)。日前，記者從太原理工大學(xué)獲悉，該校教授孫宏斌團(tuán)隊(duì)提出“人體電網(wǎng)”創(chuàng)新概念，通過(guò)可穿戴技術(shù)實(shí)現(xiàn)個(gè)體層面的能源管理，為全球節(jié)能減排提供全新路徑。相關(guān)研究成果發(fā)表于《通訊工程》。
近年來(lái)，全球氣候危機(jī)加劇，傳統(tǒng)的能源解決方案已難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的節(jié)能減排需求。盡管大規(guī)模能源轉(zhuǎn)型和區(qū)域性低碳項(xiàng)目已取得顯著進(jìn)展，但個(gè)體層面的能源效率提升和行為優(yōu)化仍具有巨大潛力。
“人類(lèi)既是能源的使用者，又能通過(guò)自身活動(dòng)產(chǎn)生能量，若在人體上構(gòu)建類(lèi)似的‘電網(wǎng)’系統(tǒng)，整合可穿戴的‘源網(wǎng)荷儲(chǔ)’，不僅可以實(shí)現(xiàn)個(gè)體層面的能源管理，更能開(kāi)辟自下而上的減碳新路徑。”2019年，孫宏斌萌生了構(gòu)建人體電網(wǎng)的想法。
孫宏斌解釋?zhuān)梭w電網(wǎng)是一種可穿戴的物理信息生命系統(tǒng)。其通過(guò)協(xié)同人身上的源、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)與通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體及周邊環(huán)境的態(tài)勢(shì)感知、實(shí)時(shí)處理和安全預(yù)警，并可以針對(duì)穿戴者的動(dòng)態(tài)需求與人體、設(shè)備、外界環(huán)境進(jìn)行高效交互，在滿(mǎn)足人體舒適性需求的同時(shí)，達(dá)成節(jié)能減碳的目標(biāo)。
基于上述目標(biāo)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并測(cè)試了人體電網(wǎng)原型系統(tǒng)。研究團(tuán)隊(duì)成員、太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院教師許嘉禾介紹，團(tuán)隊(duì)充分考量人體不同部位靈活性與舒適度要求，對(duì)“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”設(shè)備進(jìn)行科學(xué)合理的布局，以確保系統(tǒng)的輕量化與靈活部署。通過(guò)搭建可穿戴的通信網(wǎng)絡(luò)和能源傳輸網(wǎng)絡(luò)，團(tuán)隊(duì)打造出高效便捷的數(shù)據(jù)交互與能源調(diào)配架構(gòu)。同時(shí)，借助開(kāi)源電子原型平臺(tái)Arduino作為微控制單元(MCU)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體電網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制以及與穿戴者的高效交互，為系統(tǒng)的智能化運(yùn)行提供了有力支撐。
“人體電網(wǎng)作為一種通用的可穿戴能源平臺(tái)，能夠依據(jù)穿戴者所處的環(huán)境和需求，靈活調(diào)整能源管理策略。”許嘉禾說(shuō)，室外環(huán)境下，系統(tǒng)可實(shí)時(shí)優(yōu)化能源管理，協(xié)同內(nèi)部設(shè)備，智能收集和分配能源。這樣不僅能克服用能設(shè)備續(xù)航的木桶效應(yīng)，避免因個(gè)別設(shè)備電量耗盡而影響整體戶(hù)外活動(dòng)時(shí)間，還能保障在復(fù)雜條件下高效利用能源。而在室內(nèi)環(huán)境下，系統(tǒng)可通過(guò)安裝加熱或制冷設(shè)備，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)個(gè)體溫度。
許嘉禾說(shuō)，這種精準(zhǔn)控溫方式打破了傳統(tǒng)暖通(制冷供暖、通風(fēng))對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行調(diào)控的模式，有效解決了能耗較大的問(wèn)題。人體電網(wǎng)將用能的空間尺度從整體空間縮減到人體，在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)能源供給的同時(shí)，節(jié)省了大量能量，為節(jié)能減排提供了新的思路。
為評(píng)估人體電網(wǎng)的節(jié)能降碳潛力，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)展了建筑級(jí)別的能耗模擬。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，相較于傳統(tǒng)空調(diào)供暖方案，人體電網(wǎng)的協(xié)同策略可減少61.0%的能耗，并降低57.5%的電費(fèi)支出。其顯著的節(jié)能效果得益于人體電網(wǎng)與建筑設(shè)備的高效協(xié)作，通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控室內(nèi)溫度和能源分配，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)能源利用。
此外，研究團(tuán)隊(duì)利用全球建筑能耗模型進(jìn)一步驗(yàn)證了人體電網(wǎng)的廣泛適用性。模擬結(jié)果顯示，該技術(shù)每年可節(jié)省約6611億千瓦時(shí)電力，相當(dāng)于全球建筑暖通電力消耗的50%。這一數(shù)據(jù)表明，人體電網(wǎng)不僅能夠大幅降低制冷與供暖需求，還能在不同氣候條件下保持高效節(jié)能。
許嘉禾介紹，未來(lái)研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)深耕人體電網(wǎng)在節(jié)能減碳領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步挖掘潛力并優(yōu)化系統(tǒng)性能。同時(shí)，積極探索人體電網(wǎng)在極寒、極熱、太空、高原等極端環(huán)境下的應(yīng)用潛力。
責(zé)任編輯：陸迪
