Designüberlegungen zur Photovoltaik-Energiegewinnung in tragbaren Geräten

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 18143 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Wearable-Technologie entwickelt sich zu einer Lösung für verschiedene biomechanische und gesundheitsmetrische Anwendungen. Photovoltaik-Solarenergie ist eine sinnvolle zusätzliche Energiequelle, die den Batteriegrößenbedarf in Wearables reduzieren kann. In dieser Studie werden die Überlegungen für ein tragbares Ärmelgerät und das zugehörige Stromwandlersystem unter Verwendung handelsüblicher flexibler Photovoltaikmodule am Unterarm dargelegt. Die Untersuchung der Auswirkungen der Krümmung zeigt, dass die Krümmung des Panels um einen Unterarm zwar die Ausgangsleistung verringert, der Winkel relativ zur Lichtquelle jedoch einen stärkeren Einfluss sowohl auf die Ausgangsleistung als auch auf die Spannungseigenschaften hat. Unter den verschiedenen Panel-Anordnungen am Unterarm lieferte die mit fünf einzelnen Panels geringerer Breite die höchste Ausgangsleistung nach der Leistungsstufe des Aufwärtswandlers. Bei Tests unter verschiedenen statischen Positionen lieferte die PV-Hülle im Freien bis zu 94 mW, wodurch die Batteriegröße effektiv reduziert werden kann und gleichzeitig die Sicherheit des Benutzers gewahrt bleibt.

Innovationen in den Bereichen Sensorik, Computer und Fertigung haben die Fähigkeiten tragbarer Geräte über die biometrische Überwachung (z. B. Herzfrequenz1, Schrittzahl2,3) hinaus auf die Abfrage komplexerer biomechanischer und Gesundheitsmetriken (z. B. Aktivitätsklassifizierung4, ergonomische Überwachung, Gestenerkennung5) erweitert ). Da die Überwachung und Analyse physiologischer Signale und Körperbewegungen immer ausgefeilter wird, steigen auch die Anforderungen an Rechenleistung und Leistung. Die Bereitstellung ausreichender Energie für solche Geräte, ohne dass große Batterien oder häufige Ladezyklen erforderlich sind, ist eine Herausforderung, die mit zunehmender Verbreitung tragbarer Geräte wahrscheinlich an Bedeutung gewinnen wird. Ein vielversprechender Ansatz zur Erweiterung der verfügbaren Energie besteht darin, die Batteriekapazität durch Energie zu ergänzen, die einem Benutzer, seinen Bewegungen oder der Umgebung entnommen wird.

Viele potenzielle Energiequellen stehen für die Nutzung in tragbaren Kontexten zur Verfügung6,7,8,9,10, darunter Sonne, Körperbewegungen, Radiowellen und Wärmegradienten zwischen Haut und Umgebungsluft. Jede dieser Energiequellen hat je nach Verwendungskontext Vor- und Nachteile. Körperbewegungen können mit piezoelektrischen11, elektromagnetischen12 oder triboelektrischen13 Generatoren erfasst werden, erfordern jedoch mechanische Bewegung (z. B. Vibrationen beim Gehen) und daher einen körperlich aktiven Benutzer. Die Leistungsdichte der aus menschlicher Bewegung gewonnenen Energie wird auf etwa 4 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)14 geschätzt. Wärmegradienten zwischen der Haut und der umgebenden Luft können mit thermoelektrischen Generatoren mit einer typischen Leistungsabgabe in der Größenordnung von 10 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\)15 erfasst werden. Allerdings sinkt die Leistung bei kleineren Temperaturgradienten zwischen Haut- und Umgebungstemperatur, etwa in einem warmen Raum oder wenn der Benutzer eine niedrige Hauttemperatur oder eine schlechte Durchblutung hat. Elektromagnetische Harvester in der Umgebung können Hochfrequenzenergie extrahieren, die aufgenommene Leistung hängt jedoch von der Entfernung zu Hochfrequenzquellen ab16, mit einer Leistungsdichte6 in der Größenordnung von 1 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\). Im Gegensatz dazu ist die Leistung, die Photovoltaikzellen (PV) liefern können, unabhängig von der Benutzeraktivität, mit berichteten Leistungsdichten von 10-100 \(\mu\)Wcm\(^{-2}\) bei Umgebungslicht im Innenbereich und 100 mWcm \(^{-2}\) bei direkter Sonneneinstrahlung im Freien6. Aufgrund ihrer relativ großen Stromproduktion konzentrieren wir uns in dieser Arbeit auf die Stromabgabe von PV-Zellen.

Mehrere Benutzerstudien17,18 haben gezeigt, dass Benutzer bei der Auswahl tragbarer Geräte Wert auf Formfaktor, Funktionalität und Akkulaufzeit legen. Die erfolgreiche Integration der Solarenergiegewinnung in Kleidungsstücke erfordert daher eine Kombination aus Flexibilität, hoher Leistung und Effizienz. Da diese Kleidungsstücke außerdem möglicherweise in großem Maßstab hergestellt werden, sind Prozesse, die kommerziell erhältliche Panels liefern, für tragbare Geräte in den nächsten fünf Jahren von größter Bedeutung. Zu den PV-Zellentypen, die für tragbare Anwendungen vielversprechend sind, gehören textile PV-Zellen19,20,21 und PV-Zellen mit flacher Oberfläche. Im Allgemeinen verwenden faserbasierte PV-Zellen22,23,24,25 faserige Materialien (z. B. Metall-, optische oder leitfähige Stränge), die zu größeren Strukturen verwoben werden22. Faserbasierte PV-Zellen bieten zwei Vorteile: 1) die strukturierte Form faseriger Zellen kann zu einer erhöhten Absorption von Streulicht führen; und faserbasierte PVs haben ähnliche (jedoch nicht exakte26) Eigenschaften wie Textilien als Paneele, die aus einem durchgehenden, planaren Substrat hergestellt werden. Jüngste Arbeiten an einer anderen faserbasierten Plattform27, „Solar-E-Garnen“, bewahren die mechanischen Eigenschaften von Textilien und behalten gleichzeitig die Effizienz bei, für die PV-Zellen aus kristallinem Silizium (c-Si) bekannt sind, indem Miniatursolarzellen in Garn eingekapselt werden. Ein dritter Ansatz bei textilbasierten PV-Zellen verwendet sprühbeschichtete Stoffe21, um die Energiegewinnungsschicht zu bilden.

Im Gegensatz zu faserbasierten PV-Zellen sind flexible PV-Zellen mit flacher Oberfläche28 anorganische, organische oder hybride Solarzellen, die auf mechanisch nachgiebigen Substraten hergestellt werden. Jüngste Fortschritte in der skalierbaren Fertigung haben flexible, siliziumbasierte Dünnschicht-PV-Zellen kommerziell verfügbar gemacht29. Obwohl diese Bahnen sehr flexibel sind und maschinell auf Stoff genäht werden können30, fehlt ihnen das Aussehen oder die mechanischen Eigenschaften von Textilien. Die Lebensfähigkeit dieser Zellen wurde in einer Reihe tragbarer Anwendungen nachgewiesen31,32,33. Während jüngste und laufende Arbeiten zur Entwicklung faserbasierter PV-Zellen erhebliches Potenzial für zukünftige Anwendungen in tragbaren Geräten bieten, legen die aktuellen Herausforderungen bei der Erzeugung ausreichender Energie und die zusätzliche Entwicklung, die erforderlich ist, damit sie kommerziell verfügbar werden, nahe, dass kurzfristige Anwendungen die Entwicklung tragbarer Geräte untersuchen sollten mit flächigen flexiblen Solarzellen.

Frühere Arbeiten zeigten komplette Kleidungsstücke mit PV-Zellen, darunter eine Jacke34 und ein Armband35. PV-Zellen in Kleidungsstücken weisen einige entscheidende Designherausforderungen auf. Eine Herausforderung besteht darin, die Auswirkungen von Verformung und Selbstschattierung durch Körperhaltungen auf die Panelausgabe vorherzusagen. Eine frühere Studie36 befasste sich mit den Auswirkungen des Biegens auf die Leistung von Panels aus amorphem Silizium (a-Si) und stellte fest, dass gebogene Panels weniger Strom erzeugten und eine höhere MPP-Spannung (Maximum Power Point) aufwiesen. Die Übertragung dieser Erkenntnisse auf tragbare Kontexte und Körperhaltungen ist jedoch weniger klar. Eine zweite Herausforderung besteht darin, die Größe, Ausrichtung und Anordnung der PV-Module zu optimieren, um die Stromproduktion innerhalb der Größe des Kleidungsstücks zu maximieren. Die letzte Herausforderung besteht darin, die von tragbaren PVs unter realistischen Körperpositionen erzeugte und umgewandelte Energie abzuschätzen. Einige realistische, über einen bestimmten Zeitraum gewonnene Energiekapazitäten flexibler PV-Module wurden zuvor untersucht37, jedoch ohne auf realistische Körperpositionen einzugehen.

In dieser Arbeit diskutieren wir Panel-, Stromwandler- und Bekleidungsdesign-Entscheidungen, die für eine effiziente Stromumwandlung im Zusammenhang mit tragbaren Geräten von entscheidender Bedeutung sind. Wir charakterisieren auch die Leistungsabgabe flexibler, im Handel erhältlicher a-Si-Panels unter den Lastbedingungen, die in tragbaren Geräten zu erwarten sind. Schließlich messen wir die von einem PV-Kleidungsprototyp erzeugte Leistung, um das Potenzial flexibler PV-Module zur Ergänzung der Batteriekapazität in tragbaren Anwendungen abzuschätzen.

Die Auswahl des PV-Modultyps weist zwei wichtige Merkmale auf: die Effizienz bei der Umwandlung der Lichtintensität in elektrische Energie sowie die mechanische Flexibilität und Haltbarkeit des Moduls. Zu den gängigen flexiblen Dünnschicht-PV-Materialien gehören Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS), Cadmiumtellurid (CdTe) und hydriertes amorphes Silizium (a-Si:H). Die gemeldeten Wirkungsgrade flexibler Polymerfolienpaneele hängen von der Materialauswahl ab, da CIGS 20,4 %, CdTe 13,8 % und a-Si:H 7,1 % erreichen können38. Amorphe Si-Panels wurden bereits zuvor in Zusammenhängen wie der kontinuierlichen Überwachung des Blutzuckers aus Schweiß demonstriert33. Seine amorphe Struktur trägt auch dazu bei, Schäden (und eine daraus resultierende Verringerung der Leistungsabgabe) während der Beugung zu reduzieren38. In dieser Arbeit diskutieren wir Designüberlegungen im Zusammenhang mit a-Si:H-PV-Zellen (im Folgenden einfach als a-Si bezeichnet), die auf flexiblem Kunststoff montiert sind.

Die Schnittstelle zwischen PV-Modul und tragbarem Gerät ist eine weitere wichtige Designentscheidung. Die PV-Zellen werden zu einem Panel verbunden und die elektrischen Verbindungen innerhalb des Panels (z. B. Reihen-, Parallel- oder Serien-Parallel-Netzwerk) wirken sich direkt auf die Ausgangseigenschaften des Panels aus. Lasten innerhalb des tragbaren Geräts (z. B. Sensoren, Mikrocontroller, Batterie, Displays) können direkt an ein Panel angeschlossen werden, wenn die Nennspannung der Last innerhalb des Ausgangsspannungsbereichs des Panels liegt. Da jedoch die Lasteigenschaften (dh die Impedanz) nicht für die Leistungsübertragung optimiert sind, arbeitet das PV-Modul möglicherweise nicht an dem Punkt, der eine maximale Leistungsabgabe ermöglicht. Um Lasten mit der größtmöglichen Leistung zu versorgen, wird ein Konverter verwendet, um die Betriebsspannung des PV-Moduls zu steuern und die Spannung entweder zu erhöhen oder zu senken, um den Anforderungen der Last gerecht zu werden. Aufgrund der hohen Umwandlungseffizienz und der einfachen Implementierung wird in der Regel ein Schaltnetzteil wie ein Abwärts- oder Aufwärtswandler gewählt.

Für höchste Leistungsübertragung und Effizienz muss der Leistungswandler die PV-Quellenspannung am MPP regeln (dh die Spannung, bei der die Ausgangsleistung maximiert ist). Es gibt verschiedene MPPT-Algorithmen (Maximum Power Point Tracking), die den MPP verfolgen und direkt in die Standard-DC-DC-Wandlertopologien implementiert werden können39. Einer der am weitesten verbreiteten Algorithmen in PV-Anwendungen ist der Perturb-and-Observation-Algorithmus (P&O), der den Betriebspunkt aktiv ansteuert (Perturb) und die resultierende Leistungsänderung misst (Observation), um sich kontinuierlich in Richtung MPP zu bewegen. Auf diese Weise verfolgt es kontinuierlich das Maximum der PV-Leistungskurve und kann auf einem kostengünstigen Mikrocontroller implementiert werden. Im Vergleich zu anderen Algorithmen wie inkrementeller Leitfähigkeit, Ripple Correlation Control oder intelligenzbasierten Techniken erfordert P&O keine Kalibrierung, ist nicht rechenintensiv und die Schaltung ist kostengünstig zu implementieren40, sodass ein Gleichgewicht zwischen Leistungsmaximierung und Benutzerfreundlichkeit hergestellt wird der Umsetzung.

Bei einer Kombination aus Batterie und PV-Panel kann die PV-MPP-Spannung über oder unter der Lastspannung der Batterie liegen. Die Zellen innerhalb des Panels können in Reihe geschaltet werden, wobei jede Zelle innerhalb des Panels den gleichen Strom erhält, oder parallel geschaltet werden, wobei jede Zelle die gleiche Spannung erhält. Lee et al.41 stellten fest, dass parallel geschaltete PV-Module mit einer niedrigeren MPP-Spannung als in Reihe geschaltete Module zu einer höheren Ausgangsleistung für tragbare PV-Module führen, beispielsweise bei tragbaren Geräten, bei denen eine ungleichmäßige Beleuchtung über das gesamte Panel zu erwarten ist. Daher ist die Auswahl einer parallel geschalteten PV mit einer niedrigeren MPP-Spannung und einer Aufwärtswandler-Topologie (Abb. 1) zur Erhöhung der Spannung ein wirksames Design zur Maximierung der PV-Stromausbeute über eine Reihe von Beleuchtungsszenarien hinweg. Während der Spannungsbus am Wandlerausgang alle Lasten im Gerät (z. B. Sensoren, Mikrocontroller) mit Strom versorgt, wird er von den Eigenschaften der Batterie dominiert. Der Betrieb des Aufwärtswandlers wird von einem Mikrocontroller mit geringem Stromverbrauch gesteuert, der das Pulsweitenmodulationssignal (PWM) zur Ansteuerung des MOSFET basierend auf dem MPPT-Steueralgorithmus anpasst.

Ein Diagramm des PV-Energiegewinnungssystems mit Aufwärtswandler, bei dem das Gate des Transistors von einer Gate-Treiberschaltung (\(\phi\)) angesteuert und von einem Mikrocontroller gesteuert wird.

Mögliche flexible PV-Panel-Positionen am Körper. Die Platzierung an jedem Standort hat Vor- und Nachteile in Bezug auf die Oberfläche und die mögliche Verschattung bei normalen Bewegungen.

Um die Stromversorgungssystemarchitektur für ein tragbares Gerät mit PV-Antrieb zu entwerfen, sollten zunächst der durchschnittliche Stromverbrauch der Gerätelast, die durchschnittliche Leistung \(P_{avg}\) und die erwartete Batteriekapazität ermittelt werden. Diese Überlegungen werden anhand eines hypothetischen Designbeispiels eines tragbaren Geräts mit einem 4-MHz-Mikrocontroller (MCU), einer 9-Achsen-Trägheitsmesseinheit (IMU), acht Dehnungssensoren, einem Bluetooth-MCU-Modul und einer Anzeigeleuchte (LED) veranschaulicht. . Wenn die Lastspannung 3,3 V beträgt und die Komponenten etwa 50 % der Zeit aktiv sind und ansonsten in einen Energiespar- oder Schlafmodus versetzt werden, würde die kombinierte durchschnittliche Stromaufnahme etwa 9 mA betragen. Mit einem Spielraum von 10 % zur Berücksichtigung verschiedener Verluste oder Leckagen beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme etwa 10 mA. Die durchschnittliche Stromaufnahme jeder Komponente ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Sobald der erwartete Laststrom ermittelt ist, kann die Batteriekapazität bestimmt werden. In einem tragbaren Gerät ohne Energiegewinnung muss die nutzbare Akkukapazität mit einer einzigen Ladung mehr als 80 mAh betragen, um mehr als 8 Stunden zu halten. Die Kapazität des Akkus kann verringert und der Energieverbrauch ausgeglichen werden, wenn während des Gerätebetriebs Solarstrom zum Aufladen des Akkus zur Verfügung steht. Eine solche Reduzierung der Batteriekapazität ermöglicht ein leichteres und flacheres tragbares Gerät.

Die Reduzierung der Batteriekapazität durch Solarenergie verbessert zwar die Tragbarkeit, stellt jedoch auch einen Kompromiss hinsichtlich der Ladezeit und des Temperaturanstiegs dar. Die C-Rate einer Batterie ist ein normalisierter Wert, der auf der Kapazität auf dem Typenschild basiert42. Eine Studie zeigte, dass das Laden einer Batterie bei 1,5 °C (d. h. dem 1,5-fachen der auf dem Typenschild angegebenen Kapazität) die Batterietemperatur um 6 °C erhöhte, während eine Rate von 0,5 °C den Temperaturanstieg auf unter 2 °C begrenzte43. Da die Batterie nahe am Körper getragen wird, ist die Begrenzung der Temperatur auf 44 °C44 (aus Sicherheitsgründen) und idealerweise 40 °C (aus Komfortgründen) von entscheidender Bedeutung. Der Nennladestrom sollte zwischen 0,5C und 1C42 liegen.

In Innenräumen erzeugen PV-Module eine geringe Nennleistung, weshalb die Panelfläche so groß wie möglich sein sollte. Allerdings muss der von den Modulen gelieferte Strom unter 1 °C bleiben, auch wenn das Modul direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Die Leistung des Panels sollte dann so groß sein, wie es der tragbare Formfaktor zulässt, ohne den bei vollem Sonnenlicht erwarteten Strom zu überschreiten.

Die Platzierung von PV-Modulen innerhalb eines Kleidungsstücks erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung möglicher Verformungen, die das Panel während des normalen Gebrauchs hervorruft, der Möglichkeit, dass die Panels die Bewegung des Benutzers behindern, der für die Platzierung eines Panels verfügbaren Fläche und der Auswirkungen der Selbstbeschattung aufgrund der Körperposition und Nähe zu Objekten. Wir bewerten die Platzierung von PV-Modulen anhand von zwei Maßstäben: (1) der für die Platzierung der Module auf dem Körper verfügbaren Fläche und (2) dem Potenzial für Selbstbeschattung bei typischen täglichen Aktivitäten. Abbildung 2 ist ein Diagramm dieser potenziellen Standorte mit ihrer Gebietsklassifizierung und ihrem Verschattungspotenzial. Die Körperflächenmetrik wird für das 50. Perzentil der Menschen in den Vereinigten Staaten45,46,47 verwendet, wobei die niedrige (−) Fläche als weniger als 500 cm\(^2\) und die hohe (+) Fläche als mehr definiert ist als 500 cm\(^2\). Die Schattierungsmetrik wird anhand der Anwesenheit nahegelegener Objekte (z. B. Möbel) oder der Selbstschattierung bei normalen Körperhaltungen (z. B. Sitzen, Stehen) beurteilt, wobei der niedrige Wert (-) beim Sitzen verdeckt wird und der hohe Wert (+) nicht verdeckt wird.

Vom Panel während der Knickung (links) und der Spannung (rechts) erzeugte Strom, normiert auf die ungedehnte Ausgangsleistung.

Die Auswirkung der Armkrümmung auf die Panelposition. (a) Ein Diagramm der PV-Panel-Anpassung an Arme mit großem und kleinem Umfang aus der Seiten- und Querschnittsansicht. (b) Ein Foto der Krümmungstestvorrichtung, des Panels und der Halogenlampen mit einer Drehung von \(\theta\) = 45°. (c) Die maximale Leistung, die erzeugt wird, wenn sich Rotation und Umfang ändern. Während sowohl Krümmung als auch Winkel die von den Paneelen erzeugte Leistung beeinflussen, dominiert der Winkel die erzeugte Leistung. (d) PV-Kurven für die 20 cm (links) und flachen (rechts) Module. Eine abnehmende Krümmung erhöht die maximale Leistung von 12 auf 14 mW. (e) PV-Kurven für einen Winkel von 0° (links) und eine Drehung um 50° (rechts). Durch Vergrößerung des Winkels verringert sich die maximal erzeugte Leistung von 14 mW auf 8 mW.

Während der obere und untere Rücken über große Panelbereiche verfügen, sind diese Standorte für die Energiegewinnung schlecht geeignet, da sitzende Benutzer die Panele verdecken, wenn sie auf einem Stuhl sitzen. Die Platzierung am oberen Rücken und an den Schultern erfordert eine sorgfältige Gestaltung und Platzierung der Paneele, um die Überkopfbewegungen der Schultern nicht einzuschränken. Auch der Bauch und die Brust unterliegen bei der Atmung einer starken Ausdehnung, so dass die Platzierung des Panels hier die natürliche Atmung des Benutzers beeinträchtigen könnte. Im Gegensatz dazu beugen sich die Ober- und Unterarme während der Aktivität nicht, was Bedenken hinsichtlich einer Plattenverformung verringert, und werden beim Sitzen oder Stehen normalerweise nicht abgeschattet. Der Oberarm hat eine große Drehung zum Deckenlicht (und würde daher wenig Strom erzeugen). Während die Unterarme im Vergleich zu anderen Stellen am Rumpf eine relativ kleine Panel-Fläche bieten, ist sie aufgrund der geringen Wahrscheinlichkeit von Verschattung und Bewegungseinschränkung ein nützlicher Ort für flexible Panels. Diese Arbeit konzentriert sich auf die unterarmbasierte Platzierung von PV-Zellen.

Träger üben während des Gebrauchs mechanische Belastungen und Verformungen, einschließlich Normalkraft, Spannung und Krümmung, auf die Panels aus. Wir untersuchen den Einfluss der Verformung auf die Plattenleistung, sowohl in Bezug auf Spannung als auch in Bezug auf Krümmung. In der Studie wurden drei Modelle flexibler Substrat-A-Si-Module (PowerFilm Solar, Inc.) mit unterschiedlichen Eigenschaften verwendet. Tabelle 2 zeigt die Panellängen und -breiten in cm, Leerlauf- und MPP-Spannungen sowie die erwartete Leistung (in mW) bei einer Bestrahlungsstärke von 1000 W/m\(^2\) (d. h. volle Sonne) und 25 °C.

Die MPP-Spannung und die Leistungsabgabe von Panels unter Zuglast, normiert auf einen Nullspannungszustand, sind in Abb. 3 dargestellt. Experimentelle Details finden Sie im Abschnitt „Methoden“. Bei jedem Paneeltyp erhöht sich die Leistung um weniger als 10 %, wenn die Paneele vom Knick- in den Spannungszustand überführt werden, was wahrscheinlich darauf zurückzuführen ist, dass das Paneel nicht selbstbeschattet ist, wenn es nicht geknickt wird. Unter Spannung bleibt die normalisierte Leistung bis zum Erreichen der Stoppbedingung mit einer Genauigkeit von 5 % stabil um ihren Anfangswert. Die Schwankungen der MPP-Spannung von Panel zu Panel sind bei beiden Paneltypen groß, aber weder Knickung noch Spannung erzeugen einen monotonen Trend bei der MPP-Spannung.

Ein Foto des Ärmels mit einer Batterieladung, einem Gleichstromwandler und PV-Modulen, die den Unterarm bedecken. Die Plattenabmessungen bestimmen die Platzierung auf der Hülse.

Die Auswirkung von Drehung und Neigung auf die Ausgangsleistung. (a) Ein Foto der Unterarmtestvorrichtung, des Ärmels und der Halogenlampen mit einem Neigungswinkel von \(\beta\) = 45\(^{\circ }\). (b) Ein Foto der Einzel-, Doppel- und Fünf-Panel-Anordnung auf der Hülle. (c) Die erzeugte Ausgangsleistung, wenn sich der Neigungswinkel bei Drehwinkeln von 0° (links) und einer Drehung um 45° (rechts) ändert. (d) Leistungseffizienz, wenn sich der Neigungswinkel bei Drehwinkeln von 0° (links) und einer Drehung um 45° (rechts) ändert.

Die Platzierung eines PV-Moduls auf einem Unterarm führt zu einer Krümmung, und bei Trägern mit kleineren Unterarmen kommt es zu einer stärkeren Krümmung als bei größeren Unterarmen (Abb. 4a). Abbildung 4c zeigt die maximale Leistung, die bei zunehmender Panelkrümmung und Rotation erzeugt wird. Die Ausgangsleistung liegt bei einem Flachbildschirm senkrecht zur Lichtquelle bei maximal (12 mW) und nimmt mit zunehmender Krümmung oder zunehmendem Winkel ab. Wenn das Panel im 90°-Winkel zur Lampe ausgerichtet ist, werden immer noch etwa 2 mW Leistung erzeugt. Der Winkel hat einen drastischeren Einfluss auf die erzeugte Leistung als die Krümmung: Eine Vergrößerung des Winkels von 0° auf 90° verringert die Leistungsabgabe um den Faktor sechs, während die Krümmung von 0,18 cm\(^{-1}\) (35 cm Umfang) zunimmt ) auf 0,31 cm\(^{-1}\) (20 cm Umfang) verringert die Leistung um maximal 20 %.

Leistungsmessungen vom Ärmel in verschiedenen Szenarien. Der Arm der Schaufensterpuppe ist (a) nach unten und gerade, (b) nach oben und gerade, (c) nach unten und gebogen und (d) nach oben und gebogen positioniert. (e) Die durchschnittliche Ausgangsleistung über 30 Sekunden für drei Versuche und (f) der entsprechende Wirkungsgrad, der mit dem Fünf-Panel-Hülsen- und Konvertersystem in jedem Szenario erzielt wurde.

Abbildung 4d zeigt die Leistungs-Spannungs-Kurven mit Drehwinkel für zwei Krümmungen: den kleinsten Umfang von 20 cm und eine flache Platte. Mit zunehmendem Winkel nimmt die Spannung am Spitzenpunkt der Kurve, die den MPP angibt, für den kleineren Umfang ab, beim Flachbildschirm ist der Effekt jedoch weniger ausgeprägt. Abbildung 4e zeigt die Leistungs-Spannungs-Kurven mit Umfängen für einen Drehwinkel von 0° und 50°. Wenn das Panel um 50° gedreht wird, führt eine Verringerung des Umfangs zu einer beobachtbaren Abnahme der MPP-Spannung (Spitzenpunkt der Kurve), während die Änderung der MPP-Spannung bei 0° nicht signifikant ist. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die MPP-Spannung bei stärkerer Krümmung (kleinerem Umfang) ändert, wenn sich der Drehwinkel beim Tragen des Ärmels ändert.

Ein weiterer Gesichtspunkt bei der PV-Stromerzeugung sind die praktischen Grenzen, die das Kleidungsstück auferlegt. Für eine gegebene Unterarmgröße möchten wir untersuchen, welche Konfiguration von PV-Modulen unter verschiedenen Bedingungen die größte Leistung erbringt. Die Panels sind in einer Hülse integriert (Abb. 5) und parallel miteinander verbunden (die Anode ist zur Außenseite des Arms und die Kathode ist zur Innenseite des Arms ausgerichtet), was eine minimale Verkabelung zwischen den Panels ermöglicht. Wenn der Armumfang während der Muskelaktivierung zunimmt, erfährt jedes Panel eine Zugspannung zwischen Anode und Kathode.

Der Armumfang von 20 cm dient als Untergrenze für die Ärmelgröße, zusammen mit einer maximalen Panellänge von 19 cm, um Freiraum an Ellbogen und Handgelenken zu ermöglichen. Aufgrund dieser Fläche sind drei verschiedene flexible PV-Modulkonfigurationen möglich: ein MPT3.6-150-Modul (360 mW), zwei MPT3.6-75-Module (360 mW) oder fünf SP3-37-Module (330 mW). Da es sich bei dem Vergleich um die auf der Hülse mögliche PV-Leistung handelt, ist die PV-Panelfläche nicht bei jeder Anordnung genau gleich. Der DC-DC-Wandler wird auf der Hülle montiert und der Li-Ionen-Akku, der als Last fungiert, passt in eine Tasche der Hülle (Abb. 5); Diese Komponenten bleiben bei allen Panelanordnungen gleich.

Die Hülle mit den daran befestigten PV-Panels wird im Innenbereich getestet (Abb. 6). Die Ausgangsleistung ist in Abb. 6c dargestellt und der Wirkungsgrad der Ausgangsleistung gegenüber der Eingangsleistung ist in Abb. 6d dargestellt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Anordnung der PV-Module einen deutlichen Einfluss auf die Ausgangsleistung hat. Vergleichen wir zunächst die Anordnungen mit einem und zwei Modulen, wobei die Module die gleiche Breite (Abb. 2) und die gleiche PV-Gesamtfläche haben. Unter allen Testbedingungen liefert die Ein-Panel-Anordnung eine höhere Leistung und Effizienz als die Zwei-Panel-Anordnung, was darauf hindeutet, dass sie die bessere Wahl zwischen den beiden Anordnungen ist.

Die Anordnung mit fünf PV-Modulen erzeugt unter allen Testbedingungen durchgehend die höchste Leistung, mit Ausnahme des Drehwinkels \(\theta = 0^{\circ\) und des Neigungswinkels \(\beta = 0^{\circ }\) (Unterarm zeigt direkt zu). das Licht). Dieses Ergebnis ist trotz der geringeren Nennleistung (330 mW gegenüber 360 mW) und der dennoch größeren Panelfläche (117 cm\(^2\) gegenüber 108 cm\(^2\)). Im Fall von null Neigung und null Rotation liegt die Leistung weniger als 3 mW unter der Einzelpanel-Anordnung. Wenn der Drehwinkel \(\theta =0^\circ\) beträgt, führt die Anordnung mit einem Panel zu einem gleichwertigen oder geringfügig höheren Wirkungsgrad als die Anordnung mit fünf Panelen. Wenn der Drehwinkel jedoch \(\theta =45^\circ\) beträgt, liefert die Fünf-Panel-Anordnung durchweg die höchste Ausgangsleistung und Effizienz.

Eine weitere Messgröße bei der PV-Stromerzeugung ist, wie viel Strom die Hülse in verschiedenen Armpositionen erzeugen würde. Die von den Modulen und Konvertern erzeugte Leistung wurde an einer Schaufensterpuppe gemessen, die in vier verschiedenen Positionen unter direkter Sonneneinstrahlung stand und im Bereich von 770 bis 820 Wm\(^{-2}\) lag (Abb. 7). Die durchschnittliche Leistung, die für drei in jeder Position durchgeführte Tests aufgezeichnet wurde, ist zusammen mit der Leistungseffizienz in Abb. 7 dargestellt.

Die höchste erzeugte Leistung betrug 93,9 mW und wurde beobachtet, als der Arm gerade nach unten gerichtet war (imitierte Stehen) und der Ärmel direktem Sonnenlicht ausgesetzt war. Umgekehrt lag die niedrigste Leistung bei 13,5 mW und wurde beobachtet, als der Arm nach oben gehalten und um 90 \(^\circ\) abgewinkelt war (imitierte das Telefonieren); Basierend auf dieser Position zeigten die PV-Module der Hülle leicht nach unten, weg von der direkten Sonneneinstrahlung. Über alle Tests in verschiedenen Positionen hinweg betrug die durchschnittliche erzeugte Leistung 65 mW. Der Wirkungsgrad des Systems lag zwischen 55,9 % und 81,9 %, mit einem Durchschnittswert von 74,8 %. Der niedrigste Wirkungsgrad trat bei der niedrigsten Eingangsleistung auf, hauptsächlich aufgrund der Verluste im Controller und Gate-Treiber, die nicht mit dem Leistungspegel skalieren. Obwohl die Effizienz weiter verbessert werden kann, bestätigen diese Ergebnisse die Ausgangsleistungen, die für eine tragbare Ärmelanwendung erreicht wurden, wenn der Arm gerade nach unten (77,0 mW) und oben (93,3 mW) und mit gebogenem Arm nach unten (75,6 mW) und oben (13,9 mW) war mW).

Die Hauptanliegen bei der Bewertung der PV-Leistung in tragbaren Geräten sind Änderungen der Leistungsabgabe (bestimmt sowohl durch die PV-Modulerzeugung als auch durch den Konverterwirkungsgrad) aufgrund der Modulbiegung und variierenden Lichtwinkeln. Es wurde beobachtet, dass MPP während der Krümmung abnahm. Daher ist es wichtig, einen aktiven MPPT-Algorithmus wie P&O einzusetzen, um diese Schwankungen zu verfolgen und sicherzustellen, dass das Panel weiterhin mit seinem MPP arbeitet.

Bei normalen Aktivitäten kann es zu mechanischen Verformungen kommen, die auf ein am Ärmel getragenes PV-Modul ausgeübt werden können, darunter die Belastung zwischen Anode und Kathode, wenn der Benutzer seine Unterarmmuskeln beugt, und die Krümmung, wenn sich das Modul an den Arm des Benutzers anpasst. Die Belastung entlang der Panellänge wird begrenzt, da die Unterarmlänge des Benutzers festgelegt ist. Die Antworten des Panels auf die Spannungscharakterisierungstests legen nahe, dass die Muskelbeugung nur begrenzte Auswirkungen auf die Panelleistung hat. Weder bei der Ausgangsleistung noch bei der MPP-Spannung ändert sich nur wenig, wenn das Panel vom Knick- in den Spannungszustand übergeht. Die größte Änderung findet statt, wenn das Panel im Nullspannungszustand die volle Lichtintensität erhält.

Im Gegensatz zur Spannung wirken sich die Krümmung und Position des Panels auf die Leistung aus, wahrscheinlich aufgrund von Schattierung, verringerter direkter Bestrahlungsstärke, wenn der Abstand zwischen Panel und Lichtquelle zunimmt und der Einfallswinkel einer Lichtquelle zunimmt. Der Drehwinkel hat einen größeren Einfluss auf die Stromerzeugung als die Krümmung des Panels, wobei die Verschiebung des MPP begrenzt ist. Diese Ergebnisse stimmen mit früheren Arbeiten überein; Park et al.36 beobachteten ähnliche Effekte bei a-Si-Panels, wobei die Leistung mit zunehmender Panelkrümmung aufgrund geringerer Lichtintensität und Selbstabschattung des Panels abnahm, während die MPP-Spannung relativ konstant blieb. Der verringerte Krafteffekt wird mit abnehmender Unterarmgröße stärker ausgeprägt sein, was auf die stärkere Krümmung und die größere Variation des Einfallswinkels zurückzuführen ist. Der Winkel und die Position des Panels haben jedoch einen größeren Einfluss als die Krümmung, sodass wir davon ausgehen, dass die Leistungsabgabe eines hülsenbasierten PV-Harvesters auf die gesamte Bevölkerung übertragen werden kann.

Die Neigungs- und Rotationsexperimente zeigen auch den Nutzen einer größeren Anzahl kleiner Panels gegenüber einem großen Panel (Abb. 6). Unter der besonderen Bedingung, dass weder Drehung noch Neigung möglich sind, übertraf der Ansatz mit einem Panel (MPT 3,6-150) den Ansatz mit fünf Panelen (SP3-37), trotz der um 8 % größeren Gesamt-PV-Fläche in der Anordnung mit fünf Panelen (Abb . 6b). Die Testvorrichtung weist eine abgestufte Krümmung auf, die die Form eines Arms simuliert, mit einer geringeren Krümmung an der Basis („Ellenbogen“) und einer stärkeren Krümmung an seinem Ende („Handgelenk“). Die Einzelplattenanordnung passt sich schlecht an die Testvorrichtung an, was zu einer geringeren Krümmung über der Platte führt, während die Fünfplattenanordnung gut passt und eine größere Krümmung aufweist. Ohne Drehung oder Neigung hat der Großteil des einzelnen Panels einen hohen Einfallswinkel, während einige Teile der Panels in der Fünf-Panel-Anordnung vom Licht weg gebogen sind. Wenn die Prüfvorrichtung gekippt oder gedreht wird, hat die Lichtquelle immer noch einen großen Einfallswinkel auf einen Teil der Fünf-Panel-Anordnung, während der größte Teil des einzelnen Panels einen niedrigen Einfallswinkel aufweist. Infolgedessen nimmt der Leistungsunterschied zwischen Einzel- und Fünf-Panel-Anordnung mit zunehmender Neigung oder Drehung zu.

Die Zwei-Panel-Anordnung (MPT 3,6-75) weist von den drei Fällen die niedrigste Leistung auf, obwohl sie die gleiche PV-Fläche wie das Einzelpanel aufweist. Das Verhalten wird wiederum von der Plattenverformung dominiert. Ohne Drehung oder Neigung ist ein Teil des Panels gebogen, was zu einer geringeren Leistung als bei einem einzelnen Panel führt. Auch die Leistung ist aufgrund der kleineren Fläche schlechter als beim Fünf-Panel-Gehäuse. Ein zweiter Faktor ist die Spaltung zwischen den beiden Paneelen, die dazu führt, dass sich jedes der beiden Paneele der Krümmung näher an der Basis anpasst. Die Krümmungsänderung zwischen der Ober- und Unterseite jedes Panels ist größer als bei der Fünf-Panel-Konfiguration, was dazu führt, dass sich das Panel relativ zur Oberfläche der Testhalterung „nach außen biegt“ und sein Einfallswinkel relativ zur Lichtquelle verringert. Da die Änderung der Krümmung im Fall eines einzelnen Panels kontinuierlich sein muss (anstelle einer Diskontinuität an der Panel-Trennung), sind die Gesamtkrümmung und die Konformität geringer, und das Panel weist nicht so starke Durchbiegungen von der Oberfläche des Tests auf Vorrichtung.

Bei diesen Messungen können sich die kleinsten planaren flexiblen Panels besser an einen gewünschten Körperbereich anpassen, was zu einem höheren Benutzerkomfort führt und unter einer Reihe erwarteter Bedingungen eine größere Leistung erzeugt. Eine Multi-Panel-Strategie bietet Vorteile gegenüber einer allgemeineren Stromerzeugung, erhöht jedoch die Komplexität bei der Herstellung und andere Formfaktorprobleme, wie z. B. die Notwendigkeit, vor dem Waschen des Kleidungsstücks mehr Panels zu entfernen. Daher sollten Designer, die PV-Module verwenden, die erforderliche Leistungsabgabe sowie den breiteren Verwendungszweck des Kleidungsstücks sorgfältig abwägen.

Die Leistungsmessungen mit der Schaufensterpuppe wurden in vier verschiedenen statischen Positionen durchgeführt und ergeben einen Leistungsbereich, der bei regelmäßiger Verwendung im Freien erwartet wird. Das vorherige hypothetische Beispiel, das 33 mW verbraucht, könnte in den drei häufigeren Unterarmpositionen (unten, oben und horizontal nach oben gerichtet) kontinuierlich aufgeladen werden, was mehr als 75 mW lieferte. Selbst in der niedrigsten Leistungsposition (horizontal nach unten gerichtet) betrug die gemessene Ausgangsleistung 13,9 mW, was 42 % der Nennleistungsaufnahme entspricht und die Betriebszeit mit einer einzigen Akkuladung proportional verlängert. Basierend auf diesen Leistungsergebnissen und unter der Annahme, dass sich die Bestrahlungsstärke und die daraus resultierende Leistung im Freien verdoppeln könnten, sollte der Akku größer als 51 mAh sein, um die Laderate des Akkus auf unter 1 °C bei 3,7 V zu begrenzen.

Solarenergie ist eine vielversprechende Energiequelle für die zusätzliche Stromversorgung tragbarer Anwendungen, um die erforderliche Batteriegröße zu reduzieren oder die Zeit zwischen den Ladevorgängen zu verlängern. Der Übergang von flachen, starren Panels zu flexiblen Panels, die diese Anwendungen ermöglichen, birgt jedoch Herausforderungen (z. B. Leistungsreduzierung). In dieser Arbeit wurden der Designprozess und die Überlegungen zu einem PV-betriebenen tragbaren Gerät anhand einer hülsenbasierten Anwendung detailliert beschrieben und die Auswahl des PV-Moduls und des Stromwandlers erörtert. Die auf das PV-Modul ausgeübte Spannung (z. B. durch Muskelbeugung) zeigte keine eindeutige Auswirkung auf die Ausgangsleistung des Moduls, während eine zunehmende Krümmung des Moduls dessen Ausgangsleistung und MPP-Spannung verringerte. Zur Ermittlung der besten Modulanordnung wurden handelsübliche flexible Solarmodule unterschiedlicher Größe und elektrischer Eigenschaften verwendet, während in der Leistungsstufe ein Aufwärtswandler eingesetzt wurde, der den MPP aktiv nachführt. Es wurde festgestellt, dass der Einfluss der Körpergröße auf die Panelleistung geringer ist als die Armposition; Durch die Verwendung einer größeren Anzahl kleiner Paneele lassen sich wechselnde Lichtwinkel besser ausgleichen als mit einem großen Paneel. Die Ergebnisse der Outdoor-Experimente bestätigen die Leistung (durchschnittlich 65 mW), die von flexiblen, an einem Ärmel montierten Photovoltaikmodulen bereitgestellt wird, um ein tragbares Gerät mit Strom zu versorgen, selbst für Unterarmumfänge am kleineren Ende des Erwachsenenbereichs (20,4 cm).

Aufgrund ihrer Optimierung für Außenlicht haben wir die Panel-Leistung bei Innenbeleuchtung nicht nachgewiesen. Wir gehen jedoch davon aus, dass sich unsere Ergebnisse, dass eine höhere Panelzahl unter verschiedenen Körpergrößen und Lichtverhältnissen effizienter bleibt, auf Innenbedingungen übertragen lassen. Zukünftige Arbeiten werden sich auf 1) die Untersuchung flexibler PV-Module konzentrieren, die für den Einsatz in Innenräumen vorgesehen sind, um tragbare Geräte unter Bedingungen, unter denen sie von Menschen verwendet werden, breiter zu ermöglichen, und 2) auf die Gestaltung von Experimenten, die ein breites Spektrum an Nutzungsbedingungen simulieren, einschließlich der Rolle von reflektiertem Licht von umgebenden Oberflächen, Bekleidungskonstruktion und mögliche Strategien zum Waschen oder Entfernen von Bahnen.

Um die Auswirkungen der Spannung auf die erwartete Leistungsabgabe zu verstehen, wurden Panels jedes Typs (N=5) in einen universellen Materialcharakterisierungstester (5554, Instron) mit einer 250-W-Halogenlampe 19,5 cm von der Panelmitte entfernt platziert. Die Anode wurde verankert und die Kathodenposition wurde während des Tests kontrolliert. In der Ausgangsposition war die Platte nach außen zur Lampe hin gebogen. Durch die Endposition jedes Tests wurde die Platte unter Spannung gesetzt. Die Kathodenposition wurde um 1 mm erhöht, wenn das Panel geknickt wurde, und um 0,1 mm, wenn das Panel unter Spannung stand und gehalten wurde, während der IV-Durchlauf mit einer programmierbaren Gleichstromlast (8542b, BK Precision) gemessen wurde. Jeder Versuch wurde abgebrochen, wenn eine Zugkraft von mehr als 20 N erreicht wurde.

Um die Auswirkung von Armumfang und -rotation auf die Stromerzeugung abzuschätzen, wurden Panels in einer individuell 3D-gedruckten Testvorrichtung mit einem Umfang von 20 cm bis 35 cm in Schritten von 5 cm platziert (Abb. 4b). Diese Werte entsprechen in etwa dem 5. Perzentil für weibliche Arme bis über dem 95. Perzentil für männliche Arme45. Drei Halogenlampen (jeweils 150 W) wurden in einem Abstand von 30 cm von der Mitte des Panels platziert und die Panels wurden manuell aus der Ausrichtung mit der Lampe in einem Winkel von \(\theta\) gedreht. Wenn die Mitte des Panels direkt auf die mittlere Lampe zeigt, beträgt der Drehwinkel \(\theta =0^{\circ }\), und wenn sich die Mitte des Panels dreht, vergrößert sich der Winkel (Abb. 4b). Der MPP jedes Panels wurde durch Abtasten der Lastspannung und Messen des Ausgangsstroms mit einer programmierbaren elektronischen Gleichstromlast (8600, BK Precision) gemessen. Bei jedem Winkel und jeder Krümmung wurden fünf Messungen durchgeführt, und die Bestrahlungsstärke betrug in allen Fällen etwa 545 Wm\(^{-2}\).

Um die von den drei verschiedenen PV-Panel-Anordnungen gewonnene Energie zu bestimmen, wurde die Hülse auf einer Halterung montiert, die einen Unterarm nachahmt, wobei die Basis der Testhalterung einen Umfang von 35 cm und die Oberseite der Halterung (um ein Handgelenk zu simulieren) einen Umfang hat 20 cm Umfang. Die Hülle mit den daran befestigten PV-Modulen wird im Innenbereich getestet (Abb. 6), wobei die drei Halogenlampen vertikal gestapelt sind. Die Hülsenhalterung wurde gedreht (definiert als Drehwinkel \(\theta\)) und geneigt (definiert als Kippwinkel \(\beta\)), während die Leistung am Ausgang des Aufwärtswandlers gemessen wurde. Die Messungen erfolgten bei Drehwinkeln von 0 \(^\circ\) und 45 \(^\circ\) sowie bei Neigungswinkeln von 0 \(^\circ\), 30 \(^\circ\), 45 \ (^\circ\) und 60 \(^\circ\). Bei jedem Winkel wurde die Messung zweimal durchgeführt und die Durchschnittswerte werden angegeben. Die drei auf der Testvorrichtung montierten PV-Panel-Anordnungen sind in Abb. 6b dargestellt.

Die Anordnung mit fünf PV-Panels wurde in diesem Experiment verwendet, da sie in früheren Tests die höchste Leistungsausbeute zeigte. Die Fünf-Panel-Anordnung und das Aufwärtswandlersystem wurden auf dem Unterarm einer Schaufensterpuppe in Originalgröße platziert, die einen maximalen Unterarmumfang von 20,4 cm hatte. Die Schaufensterpuppe wurde in vier statischen Positionen platziert: (1) Arm gerade, während er nach unten zeigt, (2) Arm gerade, während er nach oben zeigt, (3) Arm um 90 \(^\circ\) gebogen, während der Arm unten ist, der Unterarm jedoch nach oben abgewinkelt ist , und 4) Arm um 90 \(^\circ\) gebeugt, während der Arm unten ist, der Unterarm jedoch nach unten abgewinkelt ist (Abb. 7). In diesen verschiedenen Positionen wurde die Schaufensterpuppe an einem klaren Tag draußen im direkten Sonnenlicht aufgestellt und die Bestrahlungsstärke senkrecht zum Boden gemessen. Die Ausgangsleistung (am Ausgang des Aufwärtswandlers) wurde für jeden Test über 30 s für drei aufeinanderfolgende Tests in jeder Position gemessen.

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Diese Arbeit wurde teilweise vom taiwanesischen Ministerium für Wissenschaft und Technologie unter der Fördernummer 109-2221-E-002-097 unterstützt. Die Autoren danken außerdem Justin Kunimune für seine Hilfe bei LaTeX-Figuren, Dr. Denise McKahn für seine Hilfe bei der Charakterisierung der Reaktion des Panels auf Belastung und Guan-Ru Li, Chi Jui Lo, Yu-Ting Yang und Shang-You Chiu für ihre Unterstützung Durchführung von Experimenten.

Fakultät für Elektrotechnik, National Taiwan University, Taipei, 106, Taiwan

Katherine A. Kim & F. Selin Bagci

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Northeastern University, Boston, MA, 02115, USA

Kristen L. Dorsey

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KK, SB und KD konzipierten und gestalteten die Experimente. KK und SB haben die Leiterplatte entworfen und gebaut. KK, SB und KD führten unterschiedliche Experimente durch. KK, SB und KD interpretierten die Daten und verfassten das Manuskript.

Korrespondenz mit Katherine A. Kim.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Kim, KA, Bagci, FS & Dorsey, KL Designüberlegungen zur Photovoltaik-Energiegewinnung in tragbaren Geräten. Sci Rep 12, 18143 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-22232-x

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Eingegangen: 06. Januar 2022

Angenommen: 11. Oktober 2022

Veröffentlicht: 28. Oktober 2022

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

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