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

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:37

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 dublje ih razumjeti kako bi se donijela dobro utemeljena odluka za implementaciju određene tehnologije u koncepte.

U slučaju ovog instruktora, zanima nas vidjeti koliko TEG moduli mogu biti učinkoviti i jeftini, te jesu li održiva opcija za punjenje vanjskog pribora, poput baterija za napajanje ili svjetiljki, na primjer, uz logorsku vatru. Suprotno od snage baterije, toplinska energija vatrom je nešto što možemo napraviti bilo gdje u divljini.

Praktična aplikacija

Istraživali smo upotrebu TEG -a za punjenje baterija i napajanje LED svjetala. Zamišljamo upotrebu TEG modula za, na primjer, punjenje svjetiljke na logorskoj vatri kako bi bila neovisna o energiji mreže.

Naša se istraga usredotočuje 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 ih cijena zapravo ne čini mogućnošću za male potrošačke proizvode poput svjetiljke.

Korak 1: Dijelovi i alati

Dijelovi

-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

-Marke

-Daska

-Crvena LED

-Neke žice

-Hladnjak za hladnjak/ termalna pasta

-Napuhani metal/hladnjak (aluminij)

Alati

-Nekakav termometar

-Lemilica

-(digitalni) multimetar

-Lakši

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

Korak 2: Princip rada i hipoteza

Kako radi?

Jednostavno rečeno, TEG (termoelektrični generator) pretvara toplinu u električni izlaz. Jedna strana se mora zagrijati, a druga strana se hladi (u našem slučaju strana s tekstom mora se ohladiti). Temperaturna razlika na gornjoj i donjoj strani uzrokovat će da elektroni u obje ploče imaju različite razine energije (razlika potencijala), što zauzvrat stvara električnu struju. Ovaj fenomen opisuje Seebeckov efekt. 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 čija je cijena manja od tri eura po jedinici (uključujući dostavu). Svjesni smo da na tržištu postoje skuplja i učinkovitija rješenja, ali zanimao nas je potencijal ovih 'jeftinih' TEG -ova.

Hipoteza

Web stranica koja je prodavala module TEG imala je, kako se činilo, hrabre tvrdnje o učinkovitosti 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, mjedi ili nereda, također će raditi dovoljno za ovu postavku.

Korak 2: Sljedeći korak uključuje lemljenje negativnog voda prvog TEG -a na pozitivni vod drugog TEG -a, što osigurava da će električna struja biti u nizu (što znači da će se zbrojiti izlaz dva TEG -a). S našim postavkama bili smo dostupni samo za generiranje oko 1,1 volta po TEG -u. To znači da je za dosezanje 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 ploču na odgovarajućim mjestima.

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

Korak 5: Posljednji korak je jednostavan*, zapalite svijeće i postavite TEG module na vrh plamena. Želite staviti nešto čvrsto na vrh TEG -ova. Time se štiti od izravnog kontakta 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 ispitivanja

Naš početni test bio je brz i prljav. Postavili smo TEG modul preko čajne svjetiljke i ohladili 'hladni kraj' TEG -a pomoću aluminijskog kućišta čajne svjetiljke i kocke leda. Naš termometar (lijevo) stavljen 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 aluminijski blok, što pobliže odražava potencijalnu implementaciju. Također je dodan 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!

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 stupnjeva. Koristeći formulu snage P = I * V, izračunato je da bi to bilo otprilike 3,2 vata.

Krenuli smo vidjeti koliko bismo mogli doći do ovih tvrdnji. Mjereći oko 250 stupnjeva Celzijusa na dnu TEG -a i blizu 100 stupnjeva na vrhu, eksperiment pokazuje znatnu razliku u usporedbi s tvrdnjama proizvođača. Napon stagnira oko 0,9 volta i 150 mA, što je jednako 0,135 vata.

Korak 6: Rasprava

Naš eksperiment daje nam dobar dojam o potencijalu ovih TEG -ova, jer možemo pošteno reći da je njihov izlaz pristojan za malo zabave i eksperimentiranja, ali da je fizika uključena u pravilno hlađenje ovih sustava 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; samo smo jako ograničeni zbog zakona termodinamike. Budući da je potrebno postići temperaturnu razliku, jedna strana TEG -a treba (aktivno) hlađenje, a druga stalni 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. S obzirom na volumen potreban za funkcioniranje ovih rješenja, u usporedbi s postojećom baterijskom tehnologijom, daleko je logičnije odabrati bateriju za napajanje svjetla.

Poboljšanja

Za buduće pokuse savjetovalo bi se nabaviti odgovarajuće hladnjake (na primjer s pokvarenog računala) i primijeniti ih na vruću i hladnu stranu TEG -a. To omogućuje pravilniju raspodjelu topline i olakšava rasipanje otpadne topline na hladnoj strani od čvrstog aluminijskog bloka

Buduće primjene ove tehnologijeTrenutno se TEG -ovi prvenstveno nalaze u (ekološki prihvatljivim) tehničkim proizvodima kao način iskorištavanja 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 bi se tehnologija mogla primijeniti i na senzorima s 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, sustav zahtijeva aktivno hlađenje i stalan izvor topline kako bi osigurao ravnomjeran protok električnog naboja (u našem slučaju trajno svjetlo). Iako je naša postavka omogućila brzo hlađenje hladnjaka hladnjakom, ovaj bi se eksperiment bilo prilično teško reproducirati bez vanjske struje; svjetlo bi bilo mrtvo do trenutka kada pozitivna i negativna strana postignu istu temperaturu. Iako tehnologija trenutno nije jako primjenjiva, zanimljivo je vidjeti kamo će to ići s obzirom na stalni tok novih i inovativnih tehnologija i materijala.