Valoa lämpöenergiasta alle 5 dollaria: 7 askelta (kuvilla)

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:03

Olemme kaksi teollisen muotoilun opiskelijaa Alankomaissa, ja tämä on nopea teknologian etsintä osana Technology for Concept Design -alakurssia. Teollisena suunnittelijana on hyödyllistä pystyä analysoimaan menetelmällisesti tekniikoita ja saada niistä syvempi käsitys, jotta voidaan tehdä perusteltu päätös tietyn teknologian toteuttamisesta konsepteissa.

Tämän ohjeen tapauksessa olemme kiinnostuneita näkemään, kuinka tehokkaita ja edullisia TEG-moduulit voivat olla, ja ovatko ne toteuttamiskelpoinen vaihtoehto ulkoilutarvikkeiden, kuten virtapankkien tai taskulampujen, lataamiseen esimerkiksi nuotion kanssa. Toisin kuin akku, tulinen lämpöenergia on jotain, mitä voimme tehdä missä tahansa erämaassa.

Käytännöllinen sovellus

Tutkimme TEG: ien käyttöä akkujen lataamiseen ja LED -valojen virransyöttöön. Kuvittelemme TEG -moduulien käyttöä esimerkiksi taskulampun lataamiseen nuotion ääressä, jotta se voi olla riippumaton verkkoenergiasta.

Tutkimuksemme keskittyy edullisiin ratkaisuihin, jotka löysimme kiinalaisista verkkokaupoista. Tällä hetkellä on vaikea suositella TEG -moduuleja sellaisessa käytännön sovelluksessa, koska niillä on yksinkertaisesti liian vähän tehoa. Vaikka markkinoilla on nykyään erittäin tehokkaita TEG -moduuleja, niiden hinta ei oikeastaan tee niistä vaihtoehtoa pienille kulutustavaroille, kuten taskulampulle.

Vaihe 1: Osat ja työkalut

Osat

-Termoelectric Module (TEG) 40x40mm (SP1848 27145 SA) https://www.banggood.com/40x40mm-Termoelectric-Power-Generator-Peltier-Module-TEG-High-Temperature-150-Degree-p-1005052.html? rmmds = haku & cur_warehouse = CN

-Lämpövalot

-Leipälauta

-Punainen LED

-Jotkut johdot

-Jäähdytyselementti/ lämpötahna

-metalliromua/jäähdytyselementti (alumiini)

Työkalut

-Jonkinlainen lämpömittari

-Juotin

-(digitaalinen yleismittari

-Vaaleampi

-Pieni Vise (tai muu esine, jonka avulla voit laittaa lämpökynttilöitä sen alle)

Vaihe 2: Toimintaperiaate ja hypoteesi

Kuinka se toimii?

Yksinkertaisesti sanottuna TEG (termosähköinen generaattori) muuntaa lämmön sähkötehoksi. Toinen puoli on lämmitettävä ja toinen puoli jäähdytettävä (meidän tapauksessamme tekstipuoli on jäähdytettävä). Ylä- ja alapuolen lämpötilaero aiheuttaa molempien levyjen elektronien erilaiset energiatasot (potentiaaliero), mikä puolestaan luo sähkövirran. Tämä ilmiö kuvataan Seebeckin efektillä. Se tarkoittaa myös sitä, että kun molemmin puolin lämpötilat tasaantuvat, sähkövirtaa ei tule.

Kuten mainittiin, termosähköiset generaattorit on valittu tutkittavaksi. Käytämme SP1848-27145-tyyppiä, jonka hinta on alle kolme euroa yksikköä kohden (sisältää toimituskulut). Tiedämme, että markkinoilla on kalliimpia ja tehokkaampia ratkaisuja, mutta olimme kiinnostuneita näiden "halpojen" TEG -laitteiden mahdollisuuksista.

Hypoteesi

TEG -moduuleja myyneellä verkkosivustolla oli luultavasti rohkeita väitteitä sähköenergian muuntamisen tehokkuudesta. Teemme pienen kiertotien myöhemmin tutkiessamme näitä väitteitä.

Vaihe 3: Valmistelu ja kokoaminen

Vaihe 1: Yksinkertainen jäähdytyselementti valmistettiin käyttämällä korjaamosta löytyviä alumiiniromuja, jotka kiinnitettiin TEG -moduuliin lämpötahnalla. Muut metallit, kuten kupari, messinki tai sotku, toimivat kuitenkin myös riittävästi tässä asennuksessa.

Vaihe 2: Seuraava vaihe sisältää ensimmäisen TEG: n negatiivisen johtimen juottamisen toisen TEG: n positiiviseen johtoon, mikä varmistaa, että sähkövirta on sarjassa (eli kahden TEG: n lähtö lasketaan yhteen). Asetuksillamme olimme käytettävissä vain noin 1,1 voltin tuottamiseen TEG: tä kohti. Tämä tarkoittaa, että punaisen LED -valon sytyttämiseen tarvittavan 1,8 voltin saavuttamiseksi lisättiin toinen TEG.

Vaihe 3: Kytke ensimmäisen TEG: n punainen (positiivinen) johto ja toisen TEG: n musta (negatiivinen) johto vastaaviin paikkoihin.

Vaihe 4: Aseta punainen LED -leipälevy (muista: pidempi jalka on positiivinen puoli).

Vaihe 5: Viimeinen vaihe on yksinkertainen*, sytytä kynttilät ja aseta TEG -moduulit liekin päälle. Haluat käyttää jotain kestävää TEG: iden päälle asettamiseen. Tämä pitää heidät poissa suorasta kosketuksesta liekin kanssa, tässä tapauksessa käytettiin ruuvipuristinta.

Koska tämä on yksinkertainen testi, emme ole käyttäneet paljon aikaa asianmukaisten koteloiden tai jäähdytyksen tekemiseen. Johdonmukaisten tulosten varmistamiseksi olemme varmistaneet, että TEG on asetettu tasaiselle etäisyydelle lämpökynttilästä testausta varten.

*Kun yrität toistaa kokeen, on suositeltavaa sijoittaa jäähdytyselementit jääkaappiin tai pakastimeen jäähdyttääksesi ne. Muista poistaa ne leipälevyltä ennen kuin teet niin.

Vaihe 4: Asennus

Ensimmäinen testaus

Ensimmäinen testimme oli nopea ja likainen. Asetimme TEG -moduulin teevalon päälle ja jäähdytimme TEG: n "kylmän pään" teevalon ja jääpalan alumiinikotelon avulla. Lämpömittarimme (vasemmalla) asetettiin pieneen puristimeen (oikeassa yläkulmassa) TEG: n yläosan lämpötilan mittaamiseksi.

Toistoja lopullista testiä varten

Viimeistä testiä varten teimme useita muutoksia kokoonpanoon varmistaaksemme luotettavamman tuloksen. Ensinnäkin vaihdoimme jääkylmän veden passiiviseen jäähdytykseen käyttämällä suurempaa alumiinilohkoa, mikä kuvastaa mahdollista toteutusta tarkemmin. Myös toinen TEG lisättiin halutun tuloksen saavuttamiseksi, joka oli punainen LED.

Vaihe 5: Tulokset

Käyttämällä kuvattua asetusta syttyy punainen LED!

Kuinka tehokas yksi TEG on?

Valmistaja väittää, että TEG voi tuottaa jopa 4,8 V: n avoimen piirin jännitteen 669 mA: n virralla 100 asteen lämpötilaeron alaisena. Käyttämällä tehokaavaa P = I * V lasketaan, että tämä olisi suunnilleen 3,2 wattia.

Lähdimme katsomaan, kuinka lähelle voimme päästä näistä väitteistä. TEG: n alaosassa noin 250 celsiusastetta ja yläosassa lähellä 100 astetta kokeilu osoittaa melkoisen eron valmistajan väitteisiin verrattuna. Jännite pysähtyy noin 0,9 voltin ja 150 mA: n tasolle, mikä vastaa 0,135 wattia.

Vaihe 6: Keskustelu

Kokeemme antaa meille hyvän vaikutelman näiden TEG -laitteiden mahdollisuuksista, koska voimme melko sanoa, että niiden tuotanto on kohtuullista hauskanpitoon ja kokeiluun, mutta että fysiikka jäähdyttää nämä järjestelmät oikein ja tuottaa vakaan energialähteen kaukana toteuttamiskelpoisesta todellisessa toteutuksessa verrattuna muihin mahdollisiin verkon ulkopuolisiin ratkaisuihin, kuten aurinkoenergiaan.

TEG: ille on varmasti paikka, ja ajatus nuotion käyttämisestä taskulampun käyttämiseksi vaikuttaa saavutettavissa olevalta; olemme vain erittäin rajoittuneita termodynamiikan lakien vuoksi. Koska lämpötilaero on saavutettava, TEG: n toinen puoli tarvitsee (aktiivista) jäähdytystä ja toinen jatkuvaa lämmönlähdettä. Jälkimmäinen ei ole ongelma nuotion tapauksessa, mutta jäähdytyksen on oltava niin tehokasta, että tarvitaan aktiivista jäähdytysratkaisua, jota on vaikea saavuttaa. Kun otetaan huomioon näiden ratkaisujen toimimiseksi tarvittava äänenvoimakkuus, verrattuna nykyiseen akkutekniikkaan on paljon loogisempaa valita akku valojen kytkemiseksi päälle.

Parannuksia

Tulevia kokeita varten on suositeltavaa hankkia asianmukaiset jäähdytyselementit (esimerkiksi rikkinäiseltä tietokoneelta) ja käyttää niitä TEG: n kuumalla ja viileällä puolella. Tämä mahdollistaa lämmön jakautumisen paremmin ja tekee hukkalämmön haihtumisen kylmältä puolelta helpompaa kuin kiinteä alumiinilohko

Tämän tekniikan tulevat sovellukset Tällä hetkellä TEG: t löytyvät pääasiassa (ympäristöystävällisistä) teknisistä tuotteista keinona hyödyntää hukkalämpöä energiaksi. Tulevaisuudessa tällä tekniikalla on paljon enemmän mahdollisuuksia. Yksi mielenkiintoinen suunta valaistustuotteiden suunnittelussa on puettavat. Kehon lämmön hyödyntäminen voi johtaa paristottomiin valoihin, jotka on helppo asentaa vaatteisiin tai vartaloon. Tätä tekniikkaa voitaisiin soveltaa myös itsejännitteisiin antureihin, jotta kuntotarkkailutuotteet olisivat monipuolisempia kuin koskaan ennen. (Evident Thermoelectrics, 2016).

Vaihe 7: Johtopäätös

Yhteenvetona voidaan todeta, että niin lupaavalta kuin tekniikka vaikuttaa, järjestelmä vaatii aktiivista jäähdytystä ja jatkuvaa lämmönlähdettä tasaisen sähkövarauksen (tässä tapauksessa jatkuvan valon) varmistamiseksi. Vaikka kokoonpanomme mahdollisti jäähdytyselementtien nopean jäähdytyksen jääkaapin avulla, tämä koe olisi ollut melko vaikea toistaa ilman ulkoista sähköä; valo olisi kuollut, kun positiiviset ja negatiiviset puolet saavuttavat saman lämpötilan. Vaikka tekniikka ei ole tällä hetkellä kovin soveltuva, on mielenkiintoista nähdä, mihin se menee, kun otetaan huomioon uusien ja innovatiivisten teknologioiden ja materiaalien jatkuva virta.