Svjetlo od toplinske energije za manje od 5 USD: 7 koraka (sa slikama)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:08

Mi smo dva studenta industrijskog dizajna u Nizozemskoj, a ovo je brzo istraživanje tehnologije kao dio potpredmeta Tehnologija za konceptualni dizajn. Kao industrijski dizajner, korisno je znati metodički analizirati tehnologije i steći ih dublje razumijevanje kako bi se donijela utemeljena odluka za implementaciju određene tehnologije u koncepte.

U slučaju ovog uputstva, zanima nas da vidimo koliko efikasni i jeftini TEG moduli mogu biti i jesu li održiva opcija za punjenje vanjskog pribora poput baterija za napajanje ili svjetiljki s, na primjer, logorskom vatrom. Suprotno napajanju baterije, toplinska energija vatrom je nešto što možemo napraviti bilo gdje u divljini.

Praktična primjena

Istraživali smo upotrebu TEG -a za punjenje baterija i napajanje LED svjetala. Zamišljamo upotrebu TEG modula za, na primjer, punjenje svjetiljke na logorskoj vatri tako da može biti neovisna o energiji mreže.

Naša se istraga fokusira na jeftina rješenja koja smo pronašli kod kineskih trgovaca na mreži. Trenutno je teško preporučiti TEG module u takvoj praktičnoj primjeni jer jednostavno imaju premalo izlazne snage. Iako danas na tržištu postoje visoko učinkoviti TEG moduli, njihova cijena ih zapravo ne čini mogućnošću za male potrošačke proizvode poput svjetiljke.

Korak 1: Dijelovi i alati

Delovi

-Termoelektrični 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

-Tajli

-Bboardboard

-Crvena LED

-Neke žice

-Hladnjak za hladnjak/ termalna pasta

-Napuhani metal/hladnjak (aluminij)

Alati

-Nekakav termometar

-Lemilica

-(digitalni) multimetar

-Laklji

-Mali Vise (ili neki drugi objekt koji vam omogućava da ispod njega stavite čajne svjetiljke)

Korak 2: Princip rada i hipoteza

Kako to radi?

Jednostavno rečeno, TEG (termoelektrični generator) pretvara toplinu u električni izlaz. Jedna strana mora biti zagrijana, a druga strana mora biti hlađena (u našem slučaju strana sa tekstom mora biti hlađena). Temperaturna razlika na gornjoj i donjoj strani uzrokovat će da elektroni u obje ploče imaju različite nivoe energije (razlika potencijala), što zauzvrat stvara električnu struju. Ovaj fenomen opisan je Seebeckovim efektom. To također znači da kada temperature s obje strane postanu jednake, neće doći do električne struje.

Kao što je spomenuto, termoelektrični generatori odabrani su za istraživanje. Koristimo tip SP1848-27145 sa cijenom manjom od tri eura po jedinici (uključujući isporuku). Svjesni smo da na tržištu postoje skuplja i učinkovitija rješenja, ali nas je zanimao potencijal ovih 'jeftinih' TEG -ova.

Hipoteza

Web stranica koja je prodavala TEG module imala je, kako se činilo, hrabre tvrdnje o efikasnosti pretvaranja električne energije. Kasnije ćemo istražiti ove tvrdnje malim zaobilaznim putem.

Korak 3: Priprema i montaža

Korak 1: Jednostavan hladnjak napravljen je korištenjem dijelova aluminijskog otpada koji su pronađeni u radionici, oni su pričvršćeni na TEG modul pomoću termalne paste. Međutim, drugi metali poput bakra, mesinga ili mesinga također će raditi dovoljno za ovu postavku.

Korak 2: Sljedeći korak uključuje lemljenje negativnog voda prvog TEG -a na pozitivni provod drugog TEG -a, što osigurava da će električna struja biti u nizu (što znači da će se izlazna dva TEG -a zbrajati). S našim postavkama bili smo dostupni samo za generiranje oko 1,1 volta po TEG -u. To znači da je za postizanje 1,8 volti potrebnih za paljenje crvene LED diode dodan drugi TEG.

Korak 3: Spojite crvenu (pozitivnu) žicu prvog TEG -a i crnu (negativnu) žicu drugog TEG -a na matičnu ploču na odgovarajućim mjestima.

Korak 4: Postavite crvenu LED lampicu na ploču (zapamtite: duža noga je pozitivna strana).

Korak 5: Posljednji korak je jednostavan*, zapalite svijeće i postavite TEG module na vrh plamena. Želite koristiti nešto čvrsto za postavljanje TEG -ova. To ih sprječava u izravnom kontaktu s plamenom, u ovom slučaju korišten je škripac.

Budući da je ovo jednostavan test, nismo potrošili mnogo vremena na izradu odgovarajućih kućišta ili hlađenje. Kako bismo osigurali dosljedne rezultate, pobrinuli smo se da TEG bude postavljen na jednakoj udaljenosti od svjetiljke za testiranje.

*Kada pokušavate ponoviti eksperiment, savjetuje se da TEG -ove s hladnjakom stavite u hladnjak ili zamrzivač kako biste ih ohladili. Prije toga ih uklonite s matične ploče.

Korak 4: Postavljanje

Početna testiranja

Naš prvi test bio je brz i prljav. Postavili smo TEG modul preko svjetiljke za čaj i ohladili 'hladni kraj' TEG -a koristeći aluminijsko kućište svjetiljke za čaj i kockicu leda. Naš termometar (lijevo) postavljen je u malu stezaljku (gore desno) kako bi se izmjerila temperatura vrha TEG -a.

Iteracije za završni test

Za naš završni test, unijeli smo nekoliko promjena u postavku kako bismo osigurali pouzdaniji rezultat. Prvo smo promijenili ledeno hladnu vodu za pasivno hlađenje koristeći veći blok aluminija, što bliže odražava potencijalnu implementaciju. Takođe je dodat drugi TEG kako bi se postigao željeni rezultat, a to je da se upali crvena LED dioda.

Korak 5: Rezultati

Korištenjem opisanih postavki svijetlit će crvena LED dioda!

Koliko je snažan jedan TEG?

Proizvođač tvrdi da TEG može proizvesti napon otvorenog kruga do 4,8 V pri struji od 669 mA ako je izložen temperaturnoj razlici od 100 stepeni. Koristeći formulu snage P = I * V, izračunato je da bi to bilo otprilike 3,2 vata.

Krenuli smo da vidimo koliko se možemo približiti ovim tvrdnjama. Mjereći oko 250 stepeni Celzijusa na dnu TEG -a i blizu 100 stepeni na vrhu, eksperiment pokazuje prilično veliku razliku u odnosu na tvrdnje proizvođača. Napon stagnira oko 0,9 volta i 150 mA, što je jednako 0,135 vata.

Korak 6: Diskusija

Naš eksperiment daje nam dobar utisak o potencijalu ovih TEG -ova, jer možemo s pravom reći da je njihov izlaz pristojan za malo zabave i eksperimentiranja, ali da je fizika uključena u pravilno hlađenje ovih sistema i stvaranje stalnog izvora energije daleko od izvedivog za implementaciju u stvarnom svijetu, u usporedbi s drugim mogućim rješenjima izvan mreže poput solarne energije.

Definitivno postoji mjesto za TEG -ove, a ideja o korištenju logorske vatre za napajanje svjetiljke čini se ostvarivom; mi smo samo ozbiljno ograničeni zbog zakona termodinamike. Budući da je potrebno postići temperaturnu razliku, jednoj strani TEG -a je potrebno (aktivno) hlađenje, a drugoj je potreban stalan izvor topline. Ovo potonje nije problem u slučaju logorske vatre, međutim hlađenje mora biti toliko učinkovito da će biti potrebno aktivno rješenje za hlađenje, a to je teško postići. Uzimajući u obzir volumen potreban za funkcioniranje ovih rješenja, u usporedbi sa postojećom tehnologijom baterija, daleko je logičnije odabrati bateriju za napajanje svjetla.

Poboljšanja

Za buduće eksperimente, savjetovalo bi se nabaviti odgovarajuće hladnjake (na primjer sa pokvarenog računara) i primijeniti ih i na vruću i na hladnu stranu TEG -a. Ovo omogućava pravilniju distribuciju topline i olakšava rasipanje otpadne topline sa hladne strane od čvrstog aluminijskog bloka

Buduće primjene ove tehnologijeTrenutno se TEG -i prvenstveno nalaze u (ekološki prihvatljivim) tehničkim proizvodima kao sredstvo za iskorištavanje otpadne topline za dobivanje energije. U budućnosti ova tehnologija ima potencijal za mnogo više. Jedan zanimljiv smjer za dizajn rasvjetnih proizvoda je nošenje. Iskorištavanje tjelesne topline moglo bi dovesti do svjetla bez baterija koje se lako ugrađuju u odjeću ili na tijelo. Ova tehnologija se također može primijeniti u senzorima sa vlastitim napajanjem kako bi se omogućili proizvodi za praćenje kondicije u svestranijim paketima nego ikad prije. (Evidentna termoelektrika, 2016).

Korak 7: Zaključak

Zaključno, koliko god tehnologija izgledala obećavajuće, sustavu je potrebno aktivno hlađenje i stalan izvor topline kako bi se osigurao ravnomjeran protok električnog naboja (u našem slučaju trajno svjetlo). Iako je naša postavka omogućila brzo hlađenje hladnjaka hladnjakom, ovaj eksperiment bilo bi prilično teško reproducirati bez vanjske struje; svetlost bi bila mrtva do trenutka kada pozitivna i negativna strana dostignu istu temperaturu. Iako tehnologija trenutno nije jako primjenjiva, zanimljivo je vidjeti kamo će ona ići s obzirom na stalni tok novih i inovativnih tehnologija i materijala.