Luce dall'energia termica per meno di $ 5: 7 passaggi (con immagini)

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:04

Siamo due studenti di design industriale nei Paesi Bassi, e questa è una rapida esplorazione tecnologica come parte del sotto-corso Technology for Concept Design. Come designer industriale, è utile essere in grado di analizzare metodicamente le tecnologie e acquisirne una più profonda comprensione per prendere una decisione ben motivata per l'implementazione di una specifica tecnologia nei concetti.

Nel caso di questa istruzione, siamo interessati a vedere quanto possono essere efficienti ed economici i moduli TEG e se sono un'opzione praticabile per ricaricare accessori esterni come power bank o torce, ad esempio, un falò. Contrariamente all'alimentazione a batteria, l'energia termica tramite il fuoco è qualcosa che possiamo produrre ovunque nel deserto.

Applicazione pratica

Stavamo studiando l'uso dei TEG per la ricarica delle batterie e l'alimentazione delle luci a LED. Prevediamo l'uso di moduli TEG per, ad esempio, caricare una torcia al fuoco in modo che possa essere indipendente dall'energia della rete.

La nostra indagine si concentra sulle soluzioni a basso costo che abbiamo trovato sui rivenditori online cinesi. Al momento è difficile consigliare i moduli TEG in un'applicazione così pratica in quanto hanno semplicemente una potenza in uscita troppo bassa. Sebbene oggi sul mercato siano presenti moduli TEG altamente efficienti, il loro prezzo non li rende davvero un'opzione per piccoli prodotti di consumo come una torcia.

Passaggio 1: parti e strumenti

Parti

-Modulo termoelettrico (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

-Luci per il tè

-tagliere

-LED rosso

-Alcuni fili

-Gesso/pasta termica per dissipatori di calore

- Rottami metallici/dissipatore di calore (alluminio)

Utensili

-Termometro di qualche tipo

-Saldatore

-(multimetro digitale

-Accendino

-Piccola morsa (o altro oggetto che ti permetta di mettere dei lumini sotto di essa)

Passaggio 2: principio di funzionamento e ipotesi

Come funziona?

In parole povere, un TEG (generatore termoelettrico) converte il calore in una potenza elettrica. Un lato deve essere riscaldato e l'altro lato deve essere raffreddato (nel nostro caso il lato con il testo deve essere raffreddato). La differenza di temperatura tra i lati superiore e inferiore farà sì che gli elettroni in entrambe le piastre abbiano diversi livelli di energia (una differenza di potenziale), che a sua volta crea una corrente elettrica. Questo fenomeno è descritto dall'effetto Seebeck. Significa anche che quando le temperature su entrambi i lati diventano uguali, non ci sarà corrente elettrica.

Come accennato, i generatori termoelettrici sono stati scelti per esplorare. Stiamo utilizzando un tipo SP1848-27145 con un costo inferiore a tre euro per unità (inclusa la spedizione). Siamo consapevoli che ci sono soluzioni più costose ed efficienti sul mercato, ma eravamo interessati al potenziale di questi TEG "economici".

Ipotesi

Il sito web che vendeva i moduli TEG aveva, come sembrava, affermazioni audaci sull'efficienza per la conversione dell'energia elettrica. Faremo una piccola deviazione in seguito esplorando queste affermazioni.

Passaggio 3: preparazione e assemblaggio

Passaggio 1: è stato realizzato un semplice dissipatore di calore utilizzando pezzi di alluminio di scarto trovati in officina, questi sono stati fissati al modulo TEG utilizzando pasta termica. Tuttavia, anche altri metalli come rame, ottone o pasticcio funzioneranno sufficientemente per questa configurazione.

Passaggio 2: il passaggio successivo prevede la saldatura del conduttore negativo del primo TEG al conduttore positivo del secondo TEG, questo assicura che la corrente elettrica sarà in serie (il che significa che l'uscita dei due TEG verrà sommata). Con la nostra configurazione, eravamo disponibili solo a generare circa 1,1 volt per TEG. Ciò significa che per raggiungere gli 1,8 Volt necessari per accendere un LED rosso, è stato aggiunto un secondo TEG.

Passaggio 3: collegare il filo rosso (positivo) del primo TEG e il filo nero (negativo) del secondo TEG alla breadboard nei rispettivi punti.

Passaggio 4: posiziona un LED rosso sulla breadboard (ricorda: la gamba più lunga è il lato positivo).

Passaggio 5: L'ultimo passaggio è semplice*, accendi le candele e posiziona i moduli TEG sopra la fiamma. Vuoi usare qualcosa di robusto su cui mettere i TEG. Questo li tiene lontani dal contatto diretto con la fiamma, in questo caso è stata utilizzata una morsa.

Poiché si tratta di un test semplice, non abbiamo dedicato molto tempo alla realizzazione di involucri o raffreddamento adeguati. Per garantire risultati coerenti, ci siamo assicurati che il TEG fosse posizionato alla stessa distanza dalla lumina per i test.

*Quando si tenta di ripetere l'esperimento, si consiglia di posizionare i TEG con dissipatore di calore in un frigorifero o in un congelatore per raffreddarli. Assicurati di rimuoverli dalla breadboard prima di farlo.

Passaggio 4: configurazione

Test iniziale

Il nostro test iniziale è stato veloce e sporco. Abbiamo posizionato il modulo TEG su un lumino e abbiamo raffreddato l'"estremità fredda" del TEG utilizzando l'involucro in alluminio di un lumino e un cubetto di ghiaccio. Il nostro termometro (a sinistra) è stato posizionato in un piccolo morsetto (in alto a destra) per misurare la temperatura della parte superiore del TEG.

Iterazioni per il test finale

Per il nostro test finale, abbiamo apportato diverse modifiche alla configurazione per garantire un risultato più affidabile. In primo luogo abbiamo cambiato l'acqua ghiacciata per un raffreddamento passivo utilizzando un blocco di alluminio più grande, questo riflette più da vicino la potenziale implementazione. Inoltre è stato aggiunto un secondo TEG per ottenere il risultato desiderato, ovvero accendere il LED rosso.

Passaggio 5: risultati

Utilizzando il setup descritto si accenderà un LED rosso!

Quanto è potente un TEG?

Il produttore afferma che il TEG può produrre una tensione a circuito aperto fino a 4,8 V con una corrente di 669 mA se sottoposto a una differenza di temperatura di 100 gradi. Usando la formula di potenza P = I * V, si calcola che questo sarebbe di circa 3,2 watt.

Abbiamo deciso di vedere quanto potevamo avvicinarci a queste affermazioni. Misurando circa 250 gradi Celsius nella parte inferiore del TEG e vicino a 100 gradi nell'estremità superiore, l'esperimento mostra una notevole differenza rispetto alle affermazioni del produttore. La tensione ristagna intorno a 0,9 volt e 150 mA, che è pari a 0,135 watt.

Passaggio 6: discussione

Il nostro esperimento ci dà una buona impressione del potenziale di questi TEG, poiché possiamo giustamente dire che la loro produzione è decente per un po' di divertimento e sperimentazione, ma che la fisica coinvolta per raffreddare adeguatamente questi sistemi e generare una fonte costante di energia è tutt'altro che fattibile per un'implementazione nel mondo reale, rispetto ad altre possibili soluzioni off-grid come l'energia solare.

C'è sicuramente un posto per i TEG e l'idea di usare un falò per alimentare una torcia sembra realizzabile; siamo solo fortemente limitati a causa delle leggi della termodinamica. Poiché è necessario ottenere una differenza di temperatura, un lato del TEG necessita di un raffreddamento (attivo) e l'altro necessita di una fonte di calore costante. Quest'ultimo non è un problema nel caso di un falò, tuttavia il raffreddamento deve essere così efficiente che sarà necessaria una soluzione di raffreddamento attivo e questo è difficile da ottenere. Quando si considera il volume necessario per far funzionare queste soluzioni, rispetto alla tecnologia delle batterie esistente, è molto più logico scegliere una batteria per alimentare le luci.

Miglioramenti

Per esperimenti futuri, si consiglia di acquisire dissipatori di calore adeguati (ad esempio da un computer rotto) e applicarli sia sul lato caldo che su quello freddo del TEG. Ciò consente al calore di essere distribuito più correttamente e farà dissipare il calore disperso sul lato freddo più facilmente rispetto a un solido blocco di alluminio

Applicazioni future di questa tecnologia Al momento i TEG si trovano principalmente in prodotti tecnici (amichevoli per l'ambiente) come mezzo per sfruttare il calore di scarto per produrre energia. In futuro questa tecnologia ha il potenziale per molto di più. Una direzione interessante per il design dei prodotti di illuminazione è quella dei wearable. Sfruttare il calore corporeo potrebbe portare a luci senza batteria che possono essere facilmente montate negli indumenti o sul corpo. Questa tecnologia potrebbe essere applicata anche nei sensori autoalimentati per consentire prodotti per il monitoraggio del fitness in confezioni più versatili che mai. (Evidente Termoelettrico, 2016).

Passaggio 7: conclusione

In conclusione, per quanto promettente possa sembrare la tecnologia, il sistema richiede un raffreddamento attivo e una fonte di calore costante per assicurare un flusso uniforme di carica elettrica (nel nostro caso, luce sostenuta). Sebbene la nostra configurazione consentisse un rapido raffreddamento dei dissipatori di calore utilizzando un frigorifero, questo esperimento sarebbe stato abbastanza difficile da riprodurre senza alcuna elettricità esterna; la luce sarebbe morta quando i lati positivo e negativo raggiungono la stessa temperatura. Sebbene la tecnologia non sia molto applicabile al momento, è interessante vedere dove andrà considerando il flusso costante di tecnologie e materiali nuovi e innovativi.