Φως από θερμική ενέργεια για κάτω από 5 $: 7 βήματα (με εικόνες)

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Είμαστε δύο φοιτητές βιομηχανικού σχεδιασμού στην Ολλανδία και πρόκειται για μια γρήγορη τεχνολογική εξερεύνηση ως μέρος του υπο-μαθήματος Technology for Concept Design. Ως βιομηχανικός σχεδιαστής, είναι χρήσιμο να μπορείτε να αναλύετε μεθοδικά τις τεχνολογίες και να αποκτάτε μια βαθύτερη κατανόησή τους για να λάβετε μια τεκμηριωμένη απόφαση για την εφαρμογή μιας συγκεκριμένης τεχνολογίας σε έννοιες.

Στην περίπτωση αυτού του οδηγού, μας ενδιαφέρει να δούμε πόσο αποτελεσματικές και χαμηλού κόστους μπορούν να είναι οι μονάδες TEG και αν είναι μια βιώσιμη επιλογή για την επαναφόρτιση αξεσουάρ εξωτερικού χώρου, όπως τράπεζες ισχύος ή φακούς, για παράδειγμα, με φωτιά. Σε αντίθεση με την ισχύ της μπαταρίας, η θερμική ενέργεια από τη φωτιά είναι κάτι που μπορούμε να φτιάξουμε οπουδήποτε στην ερημιά.

Πρακτική εφαρμογη

Διερευνούσαμε τη χρήση TEG για τη φόρτιση των μπαταριών και την τροφοδοσία των φώτων LED. Οραματιζόμαστε τη χρήση μονάδων TEG για, για παράδειγμα, τη φόρτιση ενός φακού στη φωτιά, έτσι ώστε να μπορεί να είναι ανεξάρτητη από την ενέργεια του δικτύου.

Η έρευνά μας επικεντρώνεται σε λύσεις χαμηλού κόστους που βρήκαμε σε κινέζους διαδικτυακούς λιανοπωλητές. Προς το παρόν είναι δύσκολο να προτείνουμε μονάδες TEG σε μια τέτοια πρακτική εφαρμογή καθώς έχουν απλώς πολύ μικρή ισχύ εξόδου. Παρόλο που υπάρχουν πολύ αποδοτικές μονάδες TEG στην αγορά σήμερα, η τιμή τους δεν τα καθιστά πραγματικά μια επιλογή για μικρά καταναλωτικά προϊόντα όπως ένας φακός.

Βήμα 1: Μέρη και εργαλεία

Ανταλλακτικά

-Θερμοηλεκτρική μονάδα (TEG) 40x40mm (SP1848 27145 Α. Ε.) rmmds = search & cur_warehouse = CN

-Περαία φώτα

-Breadboard

-Κόκκινο LED

-Μερικά σύρματα

-Γύψος θερμότητας/ θερμική πάστα

-Σκραπ μέταλλο/ψύκτρα (αλουμίνιο)

Εργαλεία

-Θερμόμετρο κάποιου είδους

-Συγκολλητικό σίδερο

-(ψηφιακό) Πολύμετρο

-Αναπτήρας

-Μικρό Vise (ή άλλο αντικείμενο που σας επιτρέπει να βάλετε ρεσώ κάτω από αυτό)

Βήμα 2: Αρχή εργασίας & Υπόθεση

Πώς λειτουργεί;

Με απλά λόγια, μια TEG (θερμοηλεκτρική γεννήτρια) μετατρέπει τη θερμότητα σε ηλεκτρική έξοδο. Η μία πλευρά πρέπει να θερμανθεί και η άλλη πλευρά να κρυώσει (στην περίπτωσή μας η πλευρά με κείμενο πρέπει να κρυώσει). Η διαφορά θερμοκρασίας στην άνω και κάτω πλευρά θα προκαλέσει τα ηλεκτρόνια και στις δύο πλάκες να έχουν διαφορετικά επίπεδα ενέργειας (διαφορά δυναμικού), το οποίο με τη σειρά του δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το φαινόμενο περιγράφεται από το φαινόμενο Seebeck. Σημαίνει επίσης ότι όταν οι θερμοκρασίες και στις δύο πλευρές γίνουν ίσες, δεν θα υπάρχει ηλεκτρικό ρεύμα.

Όπως αναφέρθηκε, οι θερμοηλεκτρικές γεννήτριες έχουν επιλεγεί για εξερεύνηση. Χρησιμοποιούμε έναν τύπο SP1848-27145 με κόστος κάτω των τριών ευρώ ανά μονάδα (συμπεριλαμβανομένης της αποστολής). Γνωρίζουμε ότι υπάρχουν πιο ακριβές και αποδοτικές λύσεις στην αγορά, αλλά μας ενδιέφερε η δυνατότητα αυτών των «φθηνών» TEG.

Υπόθεση

Ο ιστότοπος που πούλησε τις μονάδες TEG είχε, όπως φαίνεται, τολμηρούς ισχυρισμούς για την αποτελεσματικότητα της μετατροπής ηλεκτρικής ενέργειας. Θα κάνουμε μια μικρή παράκαμψη αργότερα για να διερευνήσουμε αυτούς τους ισχυρισμούς.

Βήμα 3: Προετοιμασία και συναρμολόγηση

Βήμα 1: Μια απλή ψύκτρα κατασκευάστηκε με τη χρήση απορριμμάτων εξαρτημάτων αλουμινίου που βρέθηκαν στο εργαστήριο, τα οποία προσαρτήθηκαν στη μονάδα TEG χρησιμοποιώντας θερμική πάστα. Ωστόσο, άλλα μέταλλα όπως ο χαλκός, ο ορείχαλκος ή το μπέρδεμα θα λειτουργήσουν επίσης αρκετά για αυτήν τη ρύθμιση.

Βήμα 2: Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει τη συγκόλληση του αρνητικού καλωδίου του πρώτου TEG στο θετικό προβάδισμα του δεύτερου TEG, αυτό διασφαλίζει ότι το ηλεκτρικό ρεύμα θα είναι σε σειρά (που σημαίνει ότι η έξοδος των δύο TEG θα προστεθεί). Με τη ρύθμισή μας, ήμασταν διαθέσιμοι μόνο για να παράγουμε περίπου 1,1 βολτ ανά TEG. Αυτό σημαίνει ότι για να φτάσει τα 1,8 βολτ που χρειάζονται για να ανάψει ένα κόκκινο LED, προστέθηκε ένα δεύτερο TEG.

Βήμα 3: Συνδέστε το κόκκινο (θετικό) σύρμα του πρώτου TEG και το μαύρο (αρνητικό) σύρμα του δεύτερου TEG στο breadboard στα αντίστοιχα σημεία του.

Βήμα 4: Τοποθετήστε ένα κόκκινο LED στο breadboard (θυμηθείτε: το μεγαλύτερο πόδι είναι η θετική πλευρά).

Βήμα 5: Το τελευταίο βήμα είναι απλό*, ανάψτε τα κεριά και τοποθετήστε τις μονάδες TEG πάνω από τη φλόγα. Θέλετε να χρησιμοποιήσετε κάτι ανθεκτικό για να βάλετε τα TEG πάνω. Αυτό τους κρατά μακριά από την άμεση επαφή με τη φλόγα, στην περίπτωση αυτή χρησιμοποιήθηκε μια μέγγενη.

Επειδή πρόκειται για μια απλή δοκιμή, δεν έχουμε ξοδέψει πολύ χρόνο για να φτιάξουμε κατάλληλα περιβλήματα ή ψύξη. Προκειμένου να διασφαλίσουμε συνεπή αποτελέσματα, βεβαιωθήκαμε ότι το TEG τοποθετήθηκε ίση απόσταση από το ρεσώ για δοκιμή.

*Όταν προσπαθείτε να επαναλάβετε το πείραμα, συνιστάται να τοποθετήσετε τα TEG με ψύκτρα στο ψυγείο ή στην κατάψυξη για να κρυώσουν. Φροντίστε να τα αφαιρέσετε από το breadboard πριν το κάνετε.

Βήμα 4: Ρύθμιση

Αρχική δοκιμή

Η αρχική μας δοκιμή ήταν γρήγορη και βρώμικη. Τοποθετήσαμε τη μονάδα TEG πάνω από ένα φως τσαγιού και ψύξαμε το «κρύο άκρο» του TEG χρησιμοποιώντας το περίβλημα αλουμινίου ενός φωτιστικού τσαγιού και ενός παγάκι. Το θερμόμετρό μας (αριστερά) τοποθετήθηκε σε ένα μικρό σφιγκτήρα (πάνω δεξιά) για να μετρήσει τη θερμοκρασία της κορυφής του TEG.

Επαναλήψεις για το τελικό τεστ

Για την τελική μας δοκιμή, κάναμε αρκετές αλλαγές στη ρύθμιση για να εξασφαλίσουμε ένα πιο αξιόπιστο αποτέλεσμα. Αρχικά αλλάξαμε το παγωμένο νερό για παθητική ψύξη χρησιμοποιώντας ένα μεγαλύτερο τεμάχιο αλουμινίου, αυτό αντικατοπτρίζει την πιθανή εφαρμογή πιο στενά. Επίσης προστέθηκε ένα δεύτερο TEG για να επιτευχθεί το επιθυμητό αποτέλεσμα, το οποίο ήταν να ανάψει το κόκκινο LED.

Βήμα 5: Αποτελέσματα

Χρησιμοποιώντας τη ρύθμιση που περιγράφεται θα ανάψει ένα κόκκινο LED!

Πόσο ισχυρό είναι ένα TEG;

Ο κατασκευαστής ισχυρίζεται ότι το TEG μπορεί να παράγει τάση ανοικτού κυκλώματος έως 4,8V σε ρεύμα 669mA όταν υποβάλλεται σε διαφορά θερμοκρασίας 100 μοιρών. Χρησιμοποιώντας τον τύπο ισχύος P = I * V, υπολογίζεται ότι θα είναι περίπου 3,2 watt.

Ξεκινήσαμε να δούμε πόσο κοντά θα μπορούσαμε να φτάσουμε σε αυτούς τους ισχυρισμούς. Μετρώντας περίπου 250 βαθμούς Κελσίου στο κάτω μέρος του TEG και κοντά στους 100 βαθμούς στο πάνω άκρο, το πείραμα δείχνει αρκετά μεγάλη διαφορά σε σχέση με τους ισχυρισμούς του κατασκευαστή. Η τάση παραμένει στάσιμη γύρω στα 0,9 volt και 150 mA, που είναι ίση με 0,135 watt.

Βήμα 6: Συζήτηση

Το πείραμά μας μας δίνει μια καλή εντύπωση για τις δυνατότητες αυτών των TEG, καθώς μπορούμε να πούμε ότι η παραγωγή τους είναι αξιοπρεπής για λίγη διασκέδαση και πειραματισμούς, αλλά ότι η φυσική που εμπλέκεται για τη σωστή ψύξη αυτών των συστημάτων και τη δημιουργία μιας σταθερής πηγής ενέργειας είναι κάθε άλλο παρά εφικτό για πραγματική υλοποίηση, σε σύγκριση με άλλες πιθανές λύσεις εκτός δικτύου, όπως η ηλιακή ενέργεια.

Υπάρχει σίγουρα μια θέση για τα TEG και η ιδέα της χρήσης μιας φωτιάς για να τροφοδοτήσετε έναν φακό φαίνεται εφικτή. είμαστε απλά πολύ περιορισμένοι λόγω των νόμων της θερμοδυναμικής. Επειδή πρέπει να επιτευχθεί διαφορά θερμοκρασίας, η μία πλευρά του TEG χρειάζεται (ενεργή) ψύξη και η άλλη χρειάζεται σταθερή πηγή θερμότητας. Το τελευταίο δεν είναι θέμα στην περίπτωση πυρκαγιάς, ωστόσο η ψύξη πρέπει να είναι τόσο αποτελεσματική ώστε να απαιτείται ενεργή λύση ψύξης και αυτό είναι δύσκολο να επιτευχθεί. Όταν εξετάζουμε την ένταση που απαιτείται για να λειτουργήσουν αυτές οι λύσεις, σε σύγκριση με την υπάρχουσα τεχνολογία μπαταριών, είναι πολύ πιο λογικό να επιλέξετε μια μπαταρία για να τροφοδοτήσει τα φώτα.

Βελτιώσεις

Για μελλοντικά πειράματα, θα ήταν σκόπιμο να αποκτήσετε τις κατάλληλες ψύκτρες (από έναν σπασμένο υπολογιστή για παράδειγμα) και να τις εφαρμόσετε τόσο στη ζεστή όσο και στην δροσερή πλευρά του TEG. Αυτό επιτρέπει τη σωστή κατανομή της θερμότητας και θα κάνει τη σπατάλη θερμότητας στη δροσερή πλευρά να διαχέεται ευκολότερα από ένα στερεό μπλοκ αλουμινίου

Μελλοντικές εφαρμογές αυτής της τεχνολογίαςΠρος το παρόν τα TEG βρίσκονται κυρίως σε (φιλικά προς το περιβάλλον) τεχνικά προϊόντα ως μέσο αξιοποίησης της σπατάλης θερμότητας για ενέργεια. Στο μέλλον, αυτή η τεχνολογία έχει τη δυνατότητα για πολλά περισσότερα. Μια ενδιαφέρουσα κατεύθυνση για το σχεδιασμό προϊόντων φωτισμού είναι αυτή των φορετών. Η εκμετάλλευση της θερμότητας του σώματος μπορεί να οδηγήσει σε φώτα χωρίς μπαταρία που μπορούν εύκολα να τοποθετηθούν στα ρούχα ή στο σώμα. Αυτή η τεχνολογία θα μπορούσε επίσης να εφαρμοστεί σε αισθητήρες αυτόματης τροφοδοσίας για να επιτρέψει προϊόντα παρακολούθησης της φυσικής κατάστασης σε πιο ευέλικτα πακέτα από ποτέ. (Evident Thermoelectrics, 2016).

Βήμα 7: Συμπέρασμα

Συμπερασματικά, όσο ελπιδοφόρο και αν φαίνεται η τεχνολογία, το σύστημα απαιτεί ενεργή ψύξη και σταθερή πηγή θερμότητας για να εξασφαλίσει μια ομοιόμορφη ροή ηλεκτρικού φορτίου (στην περίπτωσή μας, συνεχές φως). Ενώ η εγκατάστασή μας επέτρεπε την ταχεία ψύξη των ψυκτικών με ψυγείο, αυτό το πείραμα θα ήταν αρκετά δύσκολο να αναπαραχθεί χωρίς εξωτερικό ηλεκτρισμό. το φως θα είχε πεθάνει όταν οι θετικές και αρνητικές πλευρές φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία. Ενώ η τεχνολογία δεν είναι πολύ εφαρμόσιμη αυτή τη στιγμή, είναι ενδιαφέρον να δούμε πού θα πάει λαμβάνοντας υπόψη τη συνεχή ροή νέων και καινοτόμων τεχνολογιών και υλικών.