Svetlo z tepelnej energie pod 5 dolárov: 7 krokov (s obrázkami)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:00

Sme dvaja študenti priemyselného dizajnu v Holandsku a toto je rýchly prieskum technológie ako súčasť podkurzu Technology for Concept Design. Ako priemyselný dizajnér je užitočné mať možnosť metodicky analyzovať technológie a lepšie ich porozumieť, aby ste sa mohli dobre odôvodniť rozhodnutím o implementácii konkrétnych technológií do konceptov.

V prípade tohto návodu nás zaujíma, ako efektívne a lacné moduly TEG môžu byť a či sú životaschopnou možnosťou nabíjania vonkajšieho príslušenstva, ako sú napájacie banky alebo baterky, napríklad s táborákom. Na rozdiel od energie z batérií je tepelná energia ohňom niečo, čo môžeme vyrobiť kdekoľvek v divočine.

Praktické uplatnenie

Skúmali sme využitie TEG na nabíjanie batérií a napájanie LED svetiel. Predstavujeme použitie TEG modulov napríklad na nabíjanie baterky pri táboráku, aby bola nezávislá na energii siete.

Naše vyšetrovanie sa zameriava na lacné riešenia, ktoré sme našli u čínskych online predajcov. V súčasnej dobe je ťažké odporučiť moduly TEG v takej praktickej aplikácii, pretože majú jednoducho príliš malý výkon. Aj keď sú dnes na trhu vysoko účinné moduly TEG, ich cena ich v skutočnosti nerobí možnosťou pre malé spotrebné výrobky, ako je baterka.

Krok 1: Diely a nástroje

Časti

-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

-Breadboard

-červená LED

-Niektoré drôty

-Chladiaca omietka/ tepelná pasta

-kovový šrot/chladič (hliník)

Nástroje

-Teplomer nejakého druhu

-Spájkovačka

-(digitálny) multimetr

-Zapaľovač

-Malý zverák (alebo iný predmet, ktorý vám umožňuje vložiť pod neho čajové sviečky)

Krok 2: Princíp práce a hypotéza

Ako to funguje?

Jednoducho povedané, TEG (termoelektrický generátor) prevádza teplo na elektrický výkon. Jedna strana musí byť zahriata a druhá strana musí byť ochladená (v našom prípade strana s textom musí byť chladená). Teplotný rozdiel na hornej a spodnej strane spôsobí, že elektróny v oboch doskách budú mať rôzne úrovne energie (potenciálny rozdiel), čo zase vytvára elektrický prúd. Tento jav je popísaný Seebeckovým efektom. To tiež znamená, že keď sa teploty na oboch stranách stanú rovnakými, nebude existovať žiadny elektrický prúd.

Ako už bolo spomenuté, na skúmanie boli vybrané termoelektrické generátory. Používame typ SP1848-27145 s nákladmi do troch eur za jednotku (vrátane dopravy). Sme si vedomí toho, že na trhu sú drahšie a efektívnejšie riešenia, ale zaujímal nás potenciál týchto „lacných“TEG.

Hypotéza

Webová stránka, ktorá predávala moduly TEG, mala odvážne tvrdenia o účinnosti premeny elektrickej energie. Pri skúmaní týchto tvrdení si urobíme menšiu obchádzku.

Krok 3: Príprava a montáž

Krok 1: Jednoduchý chladič bol vyrobený pomocou šrotových hliníkových dielov nachádzajúcich sa v dielni, ktoré boli pripevnené k modulu TEG pomocou tepelnej pasty. Na toto nastavenie však budú dostatočne fungovať aj iné kovy, ako je meď, mosadz alebo drôt.

Krok 2: Ďalší krok zahŕňa spájkovanie záporného zvodu prvého TEG s kladným zvodom druhého TEG, čím sa zabezpečí, že elektrický prúd bude v sérii (to znamená, že výstup dvoch TEG sa sčíta). S naším nastavením sme boli k dispozícii iba na generovanie asi 1,1 voltu na TEG. To znamená, že aby sa dosiahlo 1,8 voltov potrebných na rozsvietenie červenej LED, bol pridaný druhý TEG.

Krok 3: Pripojte červený (kladný) vodič prvého TEG a čierny (negatívny) vodič druhého TEG k prepojovacej doske na príslušných miestach.

Krok 4: Umiestnite červenú diódu LED na dosku (pamätajte: dlhšia noha je pozitívna strana).

Krok 5: Posledný krok je jednoduchý*, zapáľte sviečky a položte moduly TEG na plameň. Ak chcete položiť TEG na vrch, chcete použiť niečo pevné. To ich chráni pred priamym kontaktom s plameňom, v tomto prípade bol použitý zverák.

Pretože je to jednoduchý test, nestrávili sme veľa času výrobou správnych priestorov alebo chladením. Aby sme zaistili konzistentné výsledky, zaistili sme, aby bol TEG na testovanie umiestnený v rovnakej vzdialenosti od čajovej sviečky.

*Pri pokuse o zopakovanie experimentu odporúčame umiestniť TEG s chladičom do chladničky alebo mrazničky, aby sa ochladili. Predtým ich vyberte z dosky na pečenie.

Krok 4: Nastavenie

Počiatočné testovanie

Náš počiatočný test bol rýchly a špinavý. Modul TEG sme umiestnili na čajovú sviečku a „studený koniec“TEG sme ochladili pomocou hliníkového krytu čajovej sviečky a kocky ľadu. Náš teplomer (vľavo) bol umiestnený do malej svorky (vpravo hore), aby sa merala teplota v hornej časti TEG.

Iterácie pre záverečný test

V rámci nášho záverečného testu sme vykonali niekoľko zmien v nastavení, aby sme zaistili spoľahlivejší výsledok. Najprv sme zmenili ľadovo studenú vodu na pasívne chladenie použitím väčšieho bloku hliníka, čo odráža potenciálnu implementáciu bližšie. Tiež bol pridaný druhý TEG, aby sa dosiahol požadovaný výsledok, ktorým bolo rozsvietenie červenej LED.

Krok 5: Výsledky

Pri použití popísaného nastavenia sa rozsvieti červená LED dióda!

Aký silný je jeden TEG?

Výrobca tvrdí, že TEG môže produkovať napätie v otvorenom obvode až 4,8 V pri prúde 669 mA, keď je vystavený teplotnému rozdielu 100 stupňov. Pomocou výkonového vzorca P = I * V sa vypočíta, že by to bolo zhruba 3,2 wattu.

Vydali sme sa zistiť, ako blízko sa k týmto tvrdeniam môžeme dostať. Meraním približne 250 stupňov Celzia v spodnej časti TEG a takmer 100 stupňov na hornom konci experiment ukazuje značný rozdiel v porovnaní s tvrdeniami výrobcu. Napätie stagnuje okolo 0,9 voltu a 150 mA, čo sa rovná 0,135 wattu.

Krok 6: Diskusia

Náš experiment nám dáva dobrý dojem o potenciáli týchto TEG, pretože môžeme spravodlivo povedať, že ich výkon je slušný na zábavu a experimentovanie, ale že fyzika zapojená do správneho chladenia týchto systémov a generovania stabilného zdroja energie je v porovnaní s inými možnými riešeniami mimo siete, ako je slnečná energia, zďaleka nie je možné ich implementovať v reálnom svete.

TEGs určite má svoje miesto a myšlienka použitia táborového ohňa na napájanie baterky sa zdá byť dosiahnuteľná; sme len veľmi obmedzení kvôli zákonom termodynamiky. Pretože je potrebné dosiahnuť teplotný rozdiel, jedna strana TEG potrebuje (aktívne) chladenie a druhá potrebuje konštantný zdroj tepla. V prípade táborového ohňa to nie je problém, chladenie však musí byť také účinné, aby bolo potrebné riešenie aktívneho chladenia, čo je ťažké dosiahnuť. Keď vezmeme do úvahy objem potrebný na to, aby tieto riešenia fungovali, v porovnaní s existujúcou technológiou batérií je oveľa logickejšie zvoliť batériu na napájanie svetiel.

Vylepšenia

Pre budúce experimenty by bolo vhodné zaobstarať správne chladiče (napríklad z rozbitého počítača) a použiť ich na horúcu aj studenú stranu TEG. Vďaka tomu je teplo lepšie distribuované a odpadové teplo sa na chladnej strane rozptýli jednoduchšie ako pevný blok hliníka

Budúce aplikácie tejto technológie V súčasnosti sa TEG primárne nachádzajú v (ekologických) technických výrobkoch ako prostriedok na využitie odpadového tepla na výrobu energie. V budúcnosti má táto technológia potenciál oveľa viac. Jeden zaujímavý smer pre dizajn svetelných produktov je smerovanie nositeľných zariadení. Využitie telesného tepla by mohlo viesť k svetlám bez batérií, ktoré je možné ľahko namontovať na odev alebo na telo. Túto technológiu je možné použiť aj v senzoroch s vlastným napájaním, ktoré umožňujú produkty na monitorovanie kondície vo všestrannejších balíkoch než kedykoľvek predtým. (Evident Thermoelectrics, 2016).

Krok 7: Záver

Na záver, ako sa technológia zdá sľubná, systém vyžaduje aktívne chladenie a konštantný zdroj tepla, aby sa zaistil rovnomerný tok elektrického náboja (v našom prípade trvalého svetla). Aj keď naše nastavenie umožňovalo rýchle chladenie chladičov pomocou chladničky, tento experiment by bolo celkom ťažké reprodukovať bez externej elektrickej energie; svetlo by bolo mŕtve, kým by pozitívne a negatívne strany dosiahli rovnakú teplotu. Aj keď táto technológia v súčasnej dobe nie je veľmi použiteľná, je zaujímavé sledovať, kam sa bude uberať vzhľadom na neustály tok nových a inovatívnych technológií a materiálov.