نور از انرژی گرمایی زیر 5 دلار: 7 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:57

ما دو دانشجوی طراحی صنعتی در هلند هستیم و این یک اکتشاف سریع فناوری به عنوان بخشی از دوره فرعی Technology for Concept Design است. به عنوان یک طراح صنعتی ، این امکان وجود دارد که بتوان فناوری ها را به صورت روشمند تجزیه و تحلیل کرد و درک عمیق تری از آنها کسب کرد تا بتوان تصمیمی مستدل برای اجرای فناوری های خاص در مفاهیم گرفت.

در مورد این دستورالعمل ، ما علاقمندیم ببینیم که ماژول های TEG چقدر کارآمد و کم هزینه هستند و آیا آنها می توانند گزینه مناسبی برای شارژ لوازم جانبی در فضای باز مانند پاوربانک یا چراغ قوه با مثلاً آتش سوزی باشند. برخلاف توان باتری ، انرژی گرمایی ناشی از آتش چیزی است که می توانیم در هر نقطه از بیابان تولید کنیم.

کاربرد عملی

ما در حال استفاده از TEG ها برای شارژ باتری و تغذیه چراغ های LED بودیم. ما تصور می کنیم از ماژول های TEG برای مثال شارژ چراغ قوه در محل آتش سوزی استفاده کنیم تا بتواند مستقل از انرژی شبکه باشد.

تحقیقات ما بر راه حلهای کم هزینه متمرکز است که در خرده فروشان آنلاین چینی پیدا کردیم. در حال حاضر توصیه نمی شود ماژول های TEG را در چنین کاربردی توصیه کنید زیرا آنها به سادگی خروجی بسیار کمی دارند. اگرچه امروزه ماژول های TEG بسیار کارآمد در بازار وجود دارد ، اما قیمت آنها واقعاً آنها را به عنوان یک گزینه برای محصولات مصرفی کوچک مانند چراغ قوه تبدیل نمی کند.

مرحله 1: قطعات و ابزارها

قطعات

-ماژول ترموالکتریک (TEG) 40x40mm (SP1848 27145 SA) rmmds = search & cur_warehouse = CN

-چراغ های واقعی

-تختخواب

-LED قرمز

-بعضی سیم ها

گچ هیت سینک/ خمیر حرارتی

-ضایعات فلزی/سینک حرارتی (آلومینیومی)

ابزارها

-دماسنج به نوعی

-آهن لحیم کاری

-(مولتی متر دیجیتال

-فندک

-Small Vise (یا جسم دیگری که به شما اجازه می دهد چراغ های چای زیر آن را قرار دهید)

مرحله 2: اصل کار و فرضیه

چگونه کار می کند؟

به بیان ساده تر ، TEG (ژنراتور ترموالکتریک) گرما را به خروجی الکتریکی تبدیل می کند. یک طرف باید گرم شود و طرف دیگر باید سرد شود (در مورد ما طرف با متن باید سرد شود). تفاوت دما در دو طرف بالا و پایین باعث می شود که الکترون های هر دو صفحه دارای سطوح مختلف انرژی (اختلاف پتانسیل) باشند که به نوبه خود جریان الکتریکی ایجاد می کند. این پدیده با اثر Seebeck توصیف می شود. همچنین به این معنی است که وقتی دمای هر دو طرف برابر شود ، هیچ جریان الکتریکی وجود نخواهد داشت.

همانطور که گفته شد ژنراتورهای ترموالکتریک برای کاوش انتخاب شده اند. ما از نوع SP1848-27145 با هزینه کمتر از سه یورو در هر واحد (شامل حمل و نقل) استفاده می کنیم. ما می دانیم که راه حل های گران تر و کارآمدتری در بازار وجود دارد ، اما ما به پتانسیل این TEG های "ارزان" علاقه مند بودیم.

فرضیه

وب سایتی که ماژول های TEG را به فروش می رساند ، به نظر می رسد ادعاهای جسورانه ای در زمینه کارآیی تبدیل انرژی الکتریکی دارد. بعداً در مورد بررسی این ادعاها ، یک انحراف کوچک خواهیم داشت.

مرحله 3: آماده سازی و مونتاژ

مرحله 1: با استفاده از قطعات آلومینیومی ضایعاتی که در کارگاه یافت می شود ، یک هیت سینک ساده ساخته شد ، این قطعات با استفاده از خمیر حرارتی به ماژول TEG متصل شدند. با این حال ، فلزات دیگر مانند مس ، برنج یا مخلوط کردن نیز به اندازه کافی برای این تنظیم کار می کنند.

مرحله 2: گام بعدی شامل لحیم کردن سربی منفی TEG اول به سرب مثبت دوم TEG است ، این امر باعث می شود که جریان الکتریکی به صورت سری باشد (به این معنی که خروجی دو TEG جمع می شود). با راه اندازی ما ، ما فقط در دسترس بودیم که در هر TEG حدود 1.1 ولت تولید کنیم. این بدان معناست که برای رسیدن به 1.8 ولت مورد نیاز برای روشن کردن LED قرمز ، TEG دوم اضافه شد.

مرحله 3: سیم قرمز (مثبت) TEG اول و سیم سیاه (منفی) TEG دوم را به تخته نان در مکانهای مربوطه متصل کنید.

مرحله 4: یک LED قرمز را روی تخته نان بگذارید (به یاد داشته باشید که ساق بلندتر طرف مثبت آن است).

مرحله 5: آخرین مرحله ساده*است ، شمع ها را روشن کرده و ماژول های TEG را روی شعله قرار دهید. شما می خواهید از چیزی محکم برای قرار دادن TEG ها در بالای صفحه استفاده کنید. این کار آنها را از تماس مستقیم با شعله دور می کند ، در این مورد از حباب استفاده می شود.

از آنجا که این یک آزمایش ساده است ، ما زمان زیادی را صرف ساختن محفظه یا سرمایش مناسب نکرده ایم. به منظور حصول اطمینان از نتایج سازگار ، ما مطمئن شده ایم که TEG برای آزمایش فاصله مساوی با چراغ چای قرار گرفته است.

*هنگام تلاش برای تکرار آزمایش ، توصیه می شود TEG ها را با هیت سینک در یخچال یا فریزر قرار دهید تا سرد شوند. قبل از انجام این کار ، آنها را از تخته نان بردارید.

مرحله 4: راه اندازی

آزمایش اولیه

آزمایش اولیه ما سریع و کثیف بود. ما ماژول TEG را روی چراغ چای قرار دادیم و با استفاده از محفظه آلومینیومی یک چراغ چای و یک تکه یخ ، "انتهای سرد" TEG را خنک کردیم. دماسنج ما (سمت چپ) به منظور اندازه گیری دمای بالای TEG در یک گیره کوچک (بالا سمت راست) قرار گرفت.

تکرار برای آزمون نهایی

برای آزمایش نهایی ، چندین تغییر در تنظیمات ایجاد کردیم تا از نتیجه قابل اطمینان تری اطمینان حاصل شود. ابتدا ما آب سرد یخ را برای خنک سازی غیرفعال با استفاده از بلوک بزرگتر آلومینیوم تغییر دادیم ، این نشان دهنده اجرای بالقوه بیشتر است. همچنین یک TEG دوم به منظور دستیابی به نتیجه دلخواه اضافه شد ، یعنی روشن کردن LED قرمز.

مرحله 5: نتایج

با استفاده از تنظیمات توضیح داده شده ، یک LED قرمز روشن می شود!

یک TEG چقدر قدرتمند است؟

سازنده ادعا می کند که TEG می تواند ولتاژ مدار باز تا 4.8 ولت را در جریان 669 میلی آمپر تولید کند ، هنگامی که تحت اختلاف درجه حرارت 100 درجه قرار می گیرد. با استفاده از فرمول توان P = I * V ، محاسبه می شود که این مقدار تقریبا 3.2 وات خواهد بود.

ما به دنبال این بودیم که ببینیم چقدر می توانیم به این ادعاها نزدیک شویم. با اندازه گیری حدود 250 درجه سانتیگراد در پایین TEG و نزدیک به 100 درجه در انتهای بالا ، این آزمایش تفاوت زیادی را در مقایسه با ادعاهای سازنده نشان می دهد. ولتاژ در حدود 0.9 ولت و 150 میلی آمپر که معادل 0.135 وات است راکد است.

مرحله ششم: بحث

آزمایش ما تصور خوبی از پتانسیل این TEG ها به ما می دهد ، زیرا می توان گفت که خروجی آنها برای کمی سرگرمی و آزمایش مناسب است ، اما فیزیک مورد نیاز برای خنک کردن صحیح این سیستم ها و تولید منبع ثابت انرژی در مقایسه با سایر راه حل های احتمالی خارج از شبکه مانند انرژی خورشیدی ، برای پیاده سازی در دنیای واقعی امکان پذیر نیست.

قطعاً مکانی برای TEG ها وجود دارد و ایده استفاده از آتش سوزی برای روشن کردن چراغ قوه قابل دستیابی است. ما به دلیل قوانین ترمودینامیکی به شدت محدود شده ایم. از آنجا که لازم است اختلاف دما حاصل شود ، یک طرف TEG به خنک کننده (فعال) و طرف دیگر به منبع گرمایی ثابت نیاز دارد. مورد دوم در مورد آتش سوزی مسئله ای نیست ، اما خنک کننده باید آنقدر کارآمد باشد که یک راه حل خنک کننده فعال مورد نیاز باشد و دستیابی به این امر دشوار است. هنگام در نظر گرفتن میزان مورد نیاز برای کارکرد این راه حل ها ، در مقایسه با فناوری باتری موجود ، انتخاب باتری برای روشنایی چراغ ها بسیار منطقی تر است.

پیشرفت ها

برای آزمایشات بعدی ، توصیه می شود که بخاری های گرم (به عنوان مثال از رایانه خراب) تهیه کرده و آنها را در دو طرف گرم و سرد TEG استفاده کنید. این اجازه می دهد تا گرما به درستی توزیع شود و باعث می شود گرمای اضافی در طرف سرد راحت تر از یک بلوک جامد آلومینیوم پراکنده شود.

در حال حاضر TEGs عمدتا در محصولات فنی (سازگار با محیط زیست) به عنوان وسیله ای برای استفاده از گرمای اتلاف شده برای انرژی یافت می شود. در آینده این فناوری پتانسیل بسیار بیشتری دارد. یک جهت جالب برای طراحی محصولات نورپردازی ، پوشیدنی ها است. استفاده از گرمای بدن می تواند منجر به چراغ های بدون باتری شود که به راحتی در لباس یا روی بدن قابل نصب هستند. همچنین می توان از این فناوری در سنسورهای خودکار استفاده کرد تا محصولات نظارت بر تناسب اندام را در بسته های متنوع تری نسبت به قبل امکان پذیر کند. (ترموالکتریک مشهود ، 2016).

مرحله 7: نتیجه گیری

در نتیجه ، هرچقدر که فناوری امیدوار کننده به نظر می رسد ، سیستم برای اطمینان از جریان یکنواخت بار الکتریکی (در مورد ما ، نور پایدار) به خنک کننده فعال و منبع گرمایی ثابت نیاز دارد. در حالی که تنظیمات ما امکان خنک سازی سریع سینک های حرارتی را با استفاده از یخچال فراهم می کرد ، بازتولید این آزمایش بدون برق خارجی بسیار دشوار بود. زمانی که طرف مثبت و منفی به یک درجه برسند ، نور مرده بود. در حالی که این فناوری در حال حاضر چندان کاربردی نیست ، اما جالب است بدانید با توجه به جریان مداوم فناوری ها و مواد جدید و جدید ، به کجا خواهد رسید.