Llum de l'energia calorífica per menys de 5 passos: 7 passos (amb imatges)

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:15

Som dos estudiants de disseny industrial als Països Baixos, i es tracta d’una ràpida exploració tecnològica com a part del subcurs de tecnologia per al disseny conceptual. Com a dissenyador industrial, és útil poder analitzar metodològicament les tecnologies i obtenir-ne una comprensió més profunda per prendre una decisió fonamentada sobre la implementació de tecnologies específiques en conceptes.

En el cas d’aquest instructiu, ens interessa veure fins a quin punt els mòduls TEG poden ser eficients i de baix cost, i si són una opció viable per recarregar accessoris d’exterior com bancs d’alimentació o llanternes amb, per exemple, una foguera. Contràriament a la potència de la bateria, l’energia calorífica per foc pot produir-se a qualsevol lloc del desert.

Aplicació pràctica

Estàvem investigant l’ús de TEG per a la càrrega de bateries i l’alimentació de llums LED. Imaginem l’ús de mòduls TEG per, per exemple, carregar una llanterna a la foguera de manera que pugui ser independent de l’energia de la xarxa.

La nostra investigació se centra en solucions de baix cost que hem trobat en minoristes en línia xinesos. De moment és difícil recomanar mòduls TEG en una aplicació tan pràctica, ja que simplement tenen poca potència de sortida. Tot i que actualment hi ha mòduls TEG d’alta eficiència al mercat, el seu preu realment no els converteix en una opció per a productes de consum petit, com ara una llanterna.

Pas 1: peces i eines

Parts

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

-Tealights

-Pissarra

-LED vermell

-Alguns cables

-Enguix dissipador / pasta tèrmica

-Ferrera / dissipador de calor (alumini)

Eines

-Termòmetre d'algun tipus

-Soldador

- Multímetre (digital)

-Més lleuger

-Visa petita (o un altre objecte que us permet posar llums de llum)

Pas 2: principi de treball i hipòtesi

Com funciona?

Simplement, un TEG (generador termoelèctric) converteix la calor en una sortida elèctrica. Cal escalfar un costat i refredar l’altre costat (en el nostre cas s’ha de refredar el costat amb text). La diferència de temperatura entre els costats superior i inferior farà que els electrons de les dues plaques tinguin diferents nivells d’energia (una diferència de potencial), que al seu torn crea un corrent elèctric. Aquest fenomen és descrit per l’efecte Seebeck. També vol dir que quan les temperatures dels dos costats siguin iguals, no hi haurà corrent elèctric.

Com s'ha esmentat, s'han escollit els generadors termoelèctrics per explorar. Estem utilitzant un tipus SP1848-27145 amb un cost inferior a tres euros per unitat (inclòs l’enviament). Som conscients que hi ha solucions més cares i eficients al mercat, però ens interessava el potencial d’aquests TEG ‘barats’.

Hipòtesi

El lloc web que venia els mòduls TEG tenia, com se sentia, afirmacions audaces sobre l’eficiència en la conversió de l’energia elèctrica. Més endavant farem una petita desviació per explorar aquestes afirmacions.

Pas 3: Preparació i muntatge

Pas 1: Es va fer un dissipador de calor senzill mitjançant l'ús de peces de ferralla d'alumini que es van trobar al taller, que es van connectar al mòdul TEG mitjançant pasta tèrmica. Tanmateix, altres metalls com el coure, el llautó o l’escombraria també funcionaran suficientment per a aquesta configuració.

Pas 2: el següent pas consisteix a soldar el cable negatiu del primer TEG amb el cable positiu del segon TEG, cosa que garanteix que el corrent elèctric estarà en sèrie (és a dir, que se sumarà la sortida dels dos TEG). Amb la nostra configuració, només estàvem disponibles per generar uns 1,1 volts per TEG. Això significa que, per assolir els 1,8 volts necessaris per encendre un LED vermell, es va afegir un segon TEG.

Pas 3: Connecteu el fil vermell (positiu) del primer TEG i el fil negre (negatiu) del segon TEG a la taula de suport als seus llocs respectius.

Pas 4: col·loqueu un LED vermell a la taula de treball (recordeu: la cama més llarga és el costat positiu).

Pas 5: l'últim pas és simple *, enceneu les espelmes i col·loqueu els mòduls TEG a la part superior de la flama. Voleu fer servir alguna cosa resistent per posar els TEG a sobre. Això els manté fora del contacte directe amb la flama, en aquest cas s’utilitzava un torn.

Com que es tracta d’una prova senzilla, no hem dedicat gaire temps a fer tancaments o refrigeracions adequats. Per tal de garantir resultats constants, ens hem assegurat que el TEG es posicionés a la mateixa distància de la llum de llum per a les proves.

* Quan intenteu repetir l'experiment, es recomana col·locar els TEG amb dissipador de calor en una nevera o congelador per tal de refredar-los. Abans de fer-ho, assegureu-vos d’eliminar-los de la pissarra.

Pas 4: Configuració

Proves inicials

La nostra prova inicial va ser ràpida i bruta. Vam col·locar el mòdul TEG sobre una llum de te i vam refredar el "extrem fred" del TEG mitjançant el recinte d'alumini d'una llum de te i un glaçó de gel. El nostre termòmetre (esquerra) es va col·locar en una petita pinça (superior dreta) per mesurar la temperatura de la part superior del TEG.

Iteracions per a la prova final

Per a la nostra prova final, vam fer diversos canvis a la configuració per garantir un resultat més fiable. En primer lloc, hem canviat l'aigua freda amb gel per una refrigeració passiva mitjançant un bloc d'alumini més gran, que reflecteix la implementació potencial més de prop. També es va afegir un segon TEG per tal d’aconseguir el resultat desitjat, que consistia a encendre el LED vermell.

Pas 5: Resultats

Si utilitzeu la configuració descrita, s’encendrà un LED vermell.

Quina potència té un TEG?

El fabricant afirma que el TEG pot produir una tensió de circuit obert de fins a 4,8 V a un corrent de 669 mA quan se sotmet a una diferència de temperatura de 100 graus. Utilitzant la fórmula de potència P = I * V, es calcula que seria aproximadament de 3,2 watts.

Ens proposem veure fins a quin punt podríem arribar a aquestes afirmacions. Mesurant uns 250 graus centígrads a la part inferior del TEG i prop de 100 graus a l'extrem superior, l'experiment mostra una gran diferència en comparació amb les afirmacions del fabricant. El voltatge s’estanca al voltant de 0,9 volts i 150 mA, que és igual a 0,135 watts.

Pas 6: debat

El nostre experiment ens dóna una bona impressió del potencial d’aquests TEG, ja que podem dir amb força que la seva producció és decent per a una mica de diversió i experimentació, però que la física implicada per refredar adequadament aquests sistemes i generar una font d’energia constant és lluny de ser factible per a una implementació del món real, en comparació amb altres possibles solucions fora de xarxa com l'energia solar.

Definitivament, hi ha un lloc per als TEG, i la idea d’utilitzar una foguera per alimentar una llanterna sembla realitzable; només estem severament limitats a causa de les lleis de la termodinàmica. Com que cal aconseguir una diferència de temperatura, un costat del TEG necessita refrigeració (activa) i l’altre necessita una font de calor constant. Això últim no és un problema en el cas d’una foguera, però el refredament ha de ser tan eficient que caldrà una solució de refredament activa i això sigui difícil d’aconseguir. Quan es considera el volum necessari per fer funcionar aquestes solucions, en comparació amb la tecnologia de bateries existent, és molt més lògic triar una bateria per encendre els llums.

Millores

Per a futurs experiments, s’aconsellaria adquirir dissipadors de calor adequats (per exemple, des d’un ordinador trencat) i aplicar-los tant al costat calent com al fresc del TEG. Això permet que la calor es distribueixi més adequadament i farà que la calor residual pel costat fred es dissipi més fàcilment que un bloc sòlid d’alumini

Aplicacions futures d’aquesta tecnologia De moment, els TEG es troben principalment en productes tècnics (respectuosos amb el medi ambient) com a mitjà per aprofitar la calor residual per obtenir energia. En el futur, aquesta tecnologia té molt més potencial. Una direcció interessant per al disseny de productes d’il·luminació és la de les peces de vestir. L’aprofitament de la calor corporal pot provocar llums sense bateries que es poden muntar fàcilment a la roba o al cos. Aquesta tecnologia també es podria aplicar en sensors d’alimentació automàtica per permetre productes de control de fitness en paquets més versàtils que mai. (Termoelèctrics evidents, 2016).

Pas 7: Conclusió

En conclusió, per prometedora que sembli la tecnologia, el sistema requereix un refredament actiu i una font de calor constant per assegurar un flux uniforme de càrrega elèctrica (en el nostre cas, llum sostinguda). Tot i que la nostra configuració permetia un refredament ràpid dels dissipadors de calor mitjançant una nevera, aquest experiment hauria estat bastant difícil de reproduir sense electricitat externa; la llum hauria estat morta quan els costats positiu i negatiu arribessin a la mateixa temperatura. Tot i que la tecnologia no és molt aplicable en aquest moment, és interessant veure cap a on anirà tenint en compte el flux constant de tecnologies i materials nous i innovadors.