Światło z energii cieplnej za mniej niż 5 USD: 7 kroków (ze zdjęciami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:32

Jesteśmy dwoma studentami wzornictwa przemysłowego w Holandii i jest to szybka eksploracja technologii w ramach podkursu Technologia projektowania koncepcyjnego. Dla projektanta przemysłowego przydatna jest umiejętność metodycznego analizowania technologii i głębszego ich zrozumienia, aby podjąć dobrze uzasadnioną decyzję o wdrożeniu konkretnych technologii w koncepcjach.

W przypadku tej instrukcji interesuje nas, jak wydajne i tanie mogą być moduły TEG i czy są one realną opcją do ładowania akcesoriów zewnętrznych, takich jak powerbanki lub latarki, na przykład przy ognisku. W przeciwieństwie do zasilania bateryjnego, energię cieplną z ognia możemy wytworzyć w każdym miejscu na pustkowiu.

Praktyczne zastosowanie

Badaliśmy zastosowanie TEG do ładowania akumulatorów i zasilania świateł LED. Przewidujemy zastosowanie modułów TEG do np. ładowania latarki przy ognisku tak, aby była niezależna od energii z sieci.

Nasze dochodzenie koncentruje się na tanich rozwiązaniach, które znaleźliśmy u chińskich sprzedawców internetowych. W tej chwili trudno polecić moduły TEG w tak praktycznym zastosowaniu, ponieważ mają po prostu zbyt małą moc wyjściową. Chociaż obecnie na rynku dostępne są wysoce wydajne moduły TEG, ich cena tak naprawdę nie czyni z nich opcji dla małych produktów konsumenckich, takich jak latarka.

Krok 1: Części i narzędzia

Części

-Moduł termoelektryczny (TEG) 40x40mm (SP1848 27145 SA) https://www.banggood.com/40x40mm-Thermoelectric-Power-Generator-Peltier-Module-TEG-High-Temperature-150-Degree-p-1005052.html? rmmds=search&cur_warehouse=CN

-Podgrzewacze

-Płytka do krojenia chleba

-Czerwona dioda LED

-Niektóre przewody

-Tynk radiatorowy / pasta termiczna

-Złom/radiator (aluminium)

Narzędzia

-Jakiegoś rodzaju termometr

-Lutownica

-(cyfrowy multimetr

-Zapalniczka

-Małe imadło (lub inny przedmiot, który pozwala umieścić pod nim tealighty)

Krok 2: Zasada działania i hipoteza

Jak to działa?

Mówiąc najprościej, TEG (generator termoelektryczny) przekształca ciepło w moc elektryczną. Jedna strona musi zostać podgrzana, a druga strona schłodzona (w naszym przypadku strona z tekstem musi zostać schłodzona). Różnica temperatur po stronie górnej i dolnej spowoduje, że elektrony na obu płytkach będą miały różne poziomy energii (różnica potencjałów), co z kolei spowoduje powstanie prądu elektrycznego. Zjawisko to opisuje efekt Seebecka. Oznacza to również, że gdy temperatury po obu stronach zrównają się, nie będzie prądu elektrycznego.

Jak wspomniano, do zbadania wybrano generatory termoelektryczne. Używamy typu SP1848-27145 z kosztem poniżej trzech euro za sztukę (łącznie z wysyłką). Mamy świadomość, że na rynku są droższe i wydajniejsze rozwiązania, ale interesował nas potencjał tych „tanich” TEG-ów.

Hipoteza

Strona internetowa, która sprzedawała moduły TEG, miała, jak się wydawało, śmiałe twierdzenia o wydajności konwersji energii elektrycznej. Później zrobimy mały objazd, aby zbadać te twierdzenia.

Krok 3: Przygotowanie i montaż

Krok 1: Prosty radiator został wykonany ze złomu aluminiowego znalezionego w warsztacie, który został przymocowany do modułu TEG za pomocą pasty termicznej. Jednak inne metale, takie jak miedź, mosiądz lub brudzenie, również będą działać wystarczająco dobrze w tej konfiguracji.

Krok 2: Następny krok polega na przylutowaniu ujemnego przewodu pierwszego TEG do dodatniego przewodu drugiego TEG, co zapewnia, że prąd elektryczny będzie połączony szeregowo (co oznacza, że moc wyjściowa dwóch TEG zostanie zsumowana). Dzięki naszej konfiguracji mogliśmy wygenerować tylko około 1,1 wolta na TEG. Oznacza to, że aby osiągnąć 1,8 V potrzebne do zapalenia czerwonej diody LED, dodano drugi TEG.

Krok 3: Podłącz czerwony (dodatni) przewód pierwszego TEG i czarny (ujemny) przewód drugiego TEG do płytki stykowej w odpowiednich miejscach.

Krok 4: Umieść czerwoną diodę LED na płytce stykowej (pamiętaj: dłuższa noga to strona dodatnia).

Krok 5: Ostatni krok jest prosty*, zapal świece i umieść moduły TEG na płomieniu. Chcesz użyć czegoś solidnego, aby umieścić TEG na wierzchu. Dzięki temu nie mają bezpośredniego kontaktu z płomieniem, w tym przypadku zastosowano imadło.

Ponieważ jest to prosty test, nie poświęciliśmy dużo czasu na wykonanie odpowiednich obudów czy chłodzenia. Aby zapewnić spójne wyniki, upewniliśmy się, że TEG został umieszczony w równej odległości od tealighta do testów.

*Przy próbie powtórzenia doświadczenia zaleca się umieszczenie TEG-ów z radiatorem w lodówce lub zamrażarce w celu ich schłodzenia. Zanim to zrobisz, wyjmij je z płytki stykowej.

Krok 4: Konfiguracja

Wstępne testy

Nasz wstępny test był szybki i brudny. Umieściliśmy moduł TEG nad podgrzewaczem i schłodziliśmy „zimny koniec” TEG za pomocą aluminiowej obudowy podgrzewacza i kostki lodu. Nasz termometr (po lewej) został umieszczony w małym zacisku (u góry po prawej) w celu pomiaru temperatury górnej części TEG.

Iteracje do testu końcowego

W naszym końcowym teście wprowadziliśmy kilka zmian w konfiguracji, aby zapewnić bardziej wiarygodne wyniki. Po pierwsze zmieniliśmy lodowatą wodę na pasywne chłodzenie, używając większego bloku aluminium, co lepiej odzwierciedla potencjalną implementację. Dodano również drugi TEG w celu osiągnięcia pożądanego efektu, którym było zaświecenie czerwonej diody LED.

Krok 5: Wyniki

Korzystanie z opisanej konfiguracji spowoduje zaświecenie czerwonej diody LED!

Jak potężny jest jeden TEG?

Producent twierdzi, że TEG może wytworzyć napięcie w obwodzie otwartym do 4,8V przy prądzie 669mA, gdy zostanie poddany 100-stopniowej różnicy temperatur. Korzystając ze wzoru na moc P = I * V, oblicza się, że będzie to około 3,2 wata.

Postanowiliśmy zobaczyć, jak blisko możemy zbliżyć się do tych roszczeń. Mierząc około 250 stopni Celsjusza na dole TEG i blisko 100 stopni na górnym końcu, eksperyment pokazuje całkiem sporo różnicy w porównaniu z deklaracjami producenta. Napięcie stagnuje w okolicach 0,9 V i 150 mA, co odpowiada 0,135 wata.

Krok 6: Dyskusja

Nasz eksperyment daje nam dobre wrażenie na temat potencjału tych TEG-ów, ponieważ możemy śmiało powiedzieć, że ich wydajność jest przyzwoita dla odrobiny zabawy i eksperymentów, ale fizyka zaangażowana w odpowiednie chłodzenie tych systemów i generowanie stałego źródła energii jest dalekie od wykonalności dla rzeczywistego wdrożenia w porównaniu z innymi możliwymi rozwiązaniami poza siecią, takimi jak energia słoneczna.

Zdecydowanie jest miejsce na TEG, a pomysł wykorzystania ogniska do zasilania latarki wydaje się możliwy do zrealizowania; jesteśmy po prostu poważnie ograniczeni przez prawa termodynamiki. Ponieważ trzeba osiągnąć różnicę temperatur, jedna strona TEG potrzebuje (aktywnego) chłodzenia, a druga potrzebuje stałego źródła ciepła. To ostatnie nie jest problemem w przypadku ogniska, jednak chłodzenie musi być tak wydajne, że potrzebne będzie aktywne rozwiązanie chłodzące, a to jest trudne do osiągnięcia. Biorąc pod uwagę ilość potrzebną do działania tych rozwiązań, w porównaniu z istniejącą technologią baterii, o wiele bardziej logiczne jest wybranie baterii do zasilania świateł.

Ulepszenia

W przypadku przyszłych eksperymentów zaleca się zaopatrzenie się w odpowiednie radiatory (na przykład z uszkodzonego komputera) i zastosowanie ich zarówno po gorącej, jak i chłodnej stronie TEG. Dzięki temu ciepło jest lepiej rozprowadzane i sprawia, że ciepło odpadowe po chłodnej stronie rozprasza się łatwiej niż lity blok aluminium

Przyszłe zastosowania tej technologii W chwili obecnej TEG można znaleźć przede wszystkim w (przyjaznych dla środowiska) produktach technicznych jako sposób wykorzystania ciepła odpadowego do produkcji energii. W przyszłości ta technologia ma potencjał na znacznie więcej. Jednym z interesujących kierunków projektowania produktów oświetleniowych są urządzenia do noszenia. Okiełznanie ciepła ciała może doprowadzić do powstania lampek bez baterii, które można łatwo zamontować w ubraniu lub na ciele. Technologia ta może być również zastosowana w czujnikach samozasilających, aby umożliwić produkty do monitorowania kondycji w bardziej wszechstronnych opakowaniach niż kiedykolwiek wcześniej. (Widoczne termoelektryki, 2016).

Krok 7: Wniosek

Podsumowując, choć technologia wydaje się obiecująca, system wymaga aktywnego chłodzenia i stałego źródła ciepła, aby zapewnić równomierny przepływ ładunku elektrycznego (w naszym przypadku światła ciągłego). Chociaż nasza konfiguracja pozwalała na szybkie chłodzenie radiatorów za pomocą lodówki, ten eksperyment byłby dość trudny do odtworzenia bez zewnętrznej elektryczności; światło zgasłoby, zanim strony dodatnia i ujemna osiągną tę samą temperaturę. Chociaż technologia ta nie jest w tej chwili zbyt przydatna, warto zobaczyć, dokąd zmierza, biorąc pod uwagę ciągły napływ nowych i innowacyjnych technologii i materiałów.