Světlo z tepelné energie za méně než 5 $: 7 kroků (s obrázky)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Jsme dva studenti průmyslového designu v Nizozemsku a toto je rychlý technologický průzkum jako součást dílčího kurzu Technologie pro koncepční design. Jako průmyslový designér je užitečné mít možnost metodicky analyzovat technologie a získat o nich hlubší porozumění, aby bylo možné dobře podložené rozhodnutí o implementaci konkrétních technologií do konceptů.

V případě tohoto pokynu nás zajímá, jak efektivní a levné moduly TEG mohou být, a zda jsou životaschopnou možností dobíjení venkovního příslušenství, jako jsou powerbanky nebo baterky, například u táboráku. Na rozdíl od baterie je tepelná energie ohněm něco, co můžeme vyrobit kdekoli v divočině.

Praktická aplikace

Zkoumali jsme využití TEG pro nabíjení baterií a napájení LED světel. Představujeme si použití modulů TEG například k nabíjení baterky u táboráku tak, aby byla nezávislá na energii sítě.

Naše šetření se zaměřuje na nízkonákladová řešení, která jsme našli u čínských online prodejců. V tuto chvíli je obtížné doporučit moduly TEG v tak praktické aplikaci, protože mají jednoduše příliš malý výstupní výkon. Ačkoli jsou dnes na trhu vysoce účinné moduly TEG, jejich cena ve skutečnosti z nich nedělá volbu pro malé spotřební výrobky, jako je baterka.

Krok 1: Díly a nástroje

Díly

-Termoelektrický modul (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

-Tealights

-prkénko

-Červená LED

-Některé dráty

-Chladicí omítka/ tepelná pasta

-kovový šrot/chladič (hliník)

Nástroje

-Nějaký teploměr

-Páječka

-(digitální multimetr

-Lehčí

-Malý svěrák (nebo jiný předmět, který vám umožní dát pod něj čajové svíčky)

Krok 2: Princip práce a hypotéza

Jak to funguje?

Jednoduše řečeno, TEG (termoelektrický generátor) převádí teplo na elektrický výkon. Jedna strana musí být zahřátá a druhá strana musí být ochlazena (v našem případě strana s textem musí být ochlazena). Teplotní rozdíl na horní a spodní straně způsobí, že elektrony v obou deskách budou mít různé úrovně energie (potenciální rozdíl), což zase vytvoří elektrický proud. Tento jev je popsán Seebeckovým efektem. To také znamená, že když se teploty na obou stranách stanou stejnými, nebude existovat žádný elektrický proud.

Jak již bylo zmíněno, termoelektrické generátory byly vybrány k prozkoumání. Používáme typ SP1848-27145 s cenou pod tři eura za jednotku (včetně dopravy). Jsme si vědomi toho, že na trhu jsou dražší a efektivnější řešení, ale zajímal nás potenciál těchto „levných“TEGů.

Hypotéza

Web, který prodával moduly TEG, měl odvážné nároky na účinnost přeměny elektrické energie. Při zkoumání těchto tvrzení si uděláme malou odbočku.

Krok 3: Příprava a montáž

Krok 1: Jednoduchý chladič byl vyroben pomocí hliníkových šrotu, které byly nalezeny v dílně, které byly připevněny k modulu TEG pomocí tepelné pasty. Pro toto nastavení však budou dostatečně fungovat i jiné kovy, jako je měď, mosaz nebo nepořádek.

Krok 2: Další krok zahrnuje pájení záporného vývodu prvního TEG na kladný vývod druhého TEG, což zajistí, že elektrický proud bude v sérii (to znamená, že výstup dvou TEG bude sečten). S naším nastavením jsme byli k dispozici pouze pro generování asi 1,1 voltu na TEG. To znamená, že aby bylo dosaženo 1,8 voltů potřebných k rozsvícení červené LED, byl přidán druhý TEG.

Krok 3: Připojte červený (kladný) vodič prvního TEG a černý (negativní) vodič druhého TEG k prkénku na příslušných místech.

Krok 4: Umístěte červenou LED na prkénko (pamatujte: delší noha je kladná strana).

Krok 5: Poslední krok je jednoduchý*, zapalte svíčky a umístěte moduly TEG na plamen. Chcete -li umístit TEGy na vrchol, chcete použít něco robustního. To je udržuje mimo přímý kontakt s plamenem, v tomto případě byl použit svěrák.

Protože se jedná o jednoduchý test, netrávili jsme mnoho času výrobou správných skříní nebo chlazením. Abychom zajistili konzistentní výsledky, zajistili jsme, aby byl TEG pro testování umístěn ve stejné vzdálenosti od čajové svíčky.

*Při pokusu o opakování experimentu doporučujeme umístit TEG s chladičem do chladničky nebo mrazničky, aby se ochladily. Než to uděláte, vyjměte je z prkénka.

Krok 4: Nastavení

Počáteční testování

Náš počáteční test byl rychlý a špinavý. Umístili jsme modul TEG na čajovou svíčku a „studený konec“TEG jsme ochladili pomocí hliníkového pouzdra na čajovou svíčku a kostku ledu. Náš teploměr (vlevo) byl umístěn do malé svorky (vpravo nahoře) za účelem měření teploty v horní části TEG.

Iterace pro závěrečný test

Pro náš závěrečný test jsme provedli několik změn v nastavení, abychom zajistili spolehlivější výsledek. Nejprve jsme změnili ledovou vodu na pasivní chlazení pomocí většího bloku hliníku, což odráží potenciální implementaci blíže. Také byl přidán druhý TEG, aby se dosáhlo požadovaného výsledku, což bylo rozsvícení červené LED.

Krok 5: Výsledky

Pomocí popsaného nastavení se rozsvítí červená LED!

Jak silný je jeden TEG?

Výrobce tvrdí, že TEG může produkovat napětí naprázdno až 4,8 V při proudu 669 mA, když je vystaveno teplotnímu rozdílu 100 stupňů. Pomocí vzorce výkonu P = I * V se vypočítá, že by to bylo zhruba 3,2 wattů.

Vydali jsme se zjistit, jak blízko se můžeme těmto tvrzením přiblížit. Měření kolem 250 stupňů Celsia ve spodní části TEG a téměř 100 stupňů na horním konci ukazuje experiment docela rozdíl oproti tvrzení výrobce. Napětí stagnuje kolem 0,9 voltu a 150 mA, což se rovná 0,135 wattu.

Krok 6: Diskuse

Náš experiment nám dává dobrý dojem o potenciálu těchto TEGů, protože můžeme spravedlivě říci, že jejich výkon je slušný pro trochu zábavy a experimentování, ale že fyzika zapojená do správného chlazení těchto systémů a generování stálého zdroje energie je ve srovnání s jinými možnými řešeními mimo síť, jako je solární energie, zdaleka neproveditelná pro implementaci v reálném světě.

Prostor pro TEG rozhodně existuje a myšlenka použít táborák k napájení baterky se zdá být dosažitelná; jsme jen velmi omezeni kvůli zákonům termodynamiky. Protože je třeba dosáhnout teplotního rozdílu, jedna strana TEG potřebuje (aktivní) chlazení a druhá potřebuje konstantní zdroj tepla. V případě táborového ohně to není problém, ale chlazení musí být tak účinné, že bude zapotřebí řešení aktivního chlazení, čehož je obtížné dosáhnout. Když vezmeme v úvahu objem potřebný k tomu, aby tato řešení fungovala, ve srovnání se stávající technologií baterií je mnohem logičtější zvolit baterii pro napájení světel.

Vylepšení

Pro budoucí experimenty by bylo doporučeno získat správné chladiče (například z rozbitého počítače) a použít je na horké i studené straně TEG. To umožňuje správnější distribuci tepla a odpadní teplo na chladné straně se rozptýlí snadněji než pevný blok hliníku

Budoucí aplikace této technologie V současné době se TEG nacházejí především v (ekologicky šetrných) technických produktech jako prostředek k využití odpadního tepla pro energii. V budoucnosti má tato technologie potenciál pro mnohem více. Jedním zajímavým směrem pro design osvětlovacích produktů je směr nositelných zařízení. Využití tělesného tepla by mohlo vést k osvětlení bez baterií, které lze snadno namontovat na oděv nebo na tělo. Tuto technologii lze také použít v senzorech s vlastním napájením, což umožňuje produkty pro monitorování fitness ve více univerzálních balíčcích než kdykoli předtím. (Evidentní termoelektrika, 2016).

Krok 7: Závěr

Na závěr, jakkoli se technologie jeví jako slibná, systém vyžaduje aktivní chlazení a konstantní zdroj tepla k zajištění rovnoměrného toku elektrického náboje (v našem případě trvalého světla). Zatímco naše nastavení umožňovalo rychlé chlazení chladičů pomocí lednice, tento experiment by bylo docela obtížné reprodukovat bez jakékoli externí elektřiny; světlo by bylo mrtvé v době, kdy pozitivní a negativní strany dosáhnou stejné teploty. I když tato technologie v současné době není příliš použitelná, je zajímavé sledovat, kam se bude ubírat s ohledem na neustálý proud nových a inovativních technologií a materiálů.