Licht van warmte-energie voor minder dan $ 5 - Ajarnpa

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:19

Wij zijn twee studenten industrieel ontwerpen in Nederland, en dit is een snelle technologische verkenning als onderdeel van de subcursus Technology for Concept Design. Als industrieel ontwerper is het nuttig om technologieën methodisch te kunnen analyseren en dieper te begrijpen om een goed onderbouwde beslissing te nemen voor de implementatie van een specifieke technologie in concepten.

In het geval van deze instructable zijn we geïnteresseerd om te zien hoe efficiënt en goedkoop TEG-modules kunnen zijn, en of ze een haalbare optie zijn voor het opladen van buitenaccessoires zoals powerbanks of zaklampen met bijvoorbeeld een kampvuur. In tegenstelling tot batterijvoeding is warmte-energie door vuur iets dat we overal in de wildernis kunnen maken.

praktische toepassing

We onderzochten het gebruik van TEG's voor het opladen van batterijen en het aandrijven van LED-verlichting. We voorzien het gebruik van TEG-modules om bijvoorbeeld een zaklamp op te laden bij het kampvuur, zodat deze onafhankelijk kan zijn van het elektriciteitsnet.

Ons onderzoek richt zich op goedkope oplossingen die we hebben gevonden bij Chinese online retailers. Op dit moment is het moeilijk om TEG-modules in zo'n praktische toepassing aan te bevelen, omdat ze simpelweg te weinig vermogen hebben. Hoewel er tegenwoordig zeer efficiënte TEG-modules op de markt zijn, maakt hun prijs ze niet echt een optie voor kleine consumentenproducten zoals een zaklamp.

Stap 1: Onderdelen en gereedschappen

Onderdelen

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

-Theelichtjes

-Broodplank

-Rode LED

-Sommige draden

-Heatsink gips / koelpasta

-Schroot/koellichaam (aluminium)

Gereedschap

- Thermometer van een soort

-Soldeerbout

-(digitale multimeter

-Aansteker

-Kleine bankschroef (of ander object waar je theelichtjes onder kunt zetten)

Stap 2: Werkingsprincipe en hypothese

Hoe werkt het?

Simpel gezegd, een TEG (thermo-elektrische generator) zet warmte om in een elektrische output. De ene kant moet worden verwarmd en de andere kant moet worden gekoeld (in ons geval moet de kant met tekst worden gekoeld). Het temperatuurverschil over de boven- en onderkant zorgt ervoor dat de elektronen in beide platen verschillende energieniveaus hebben (een potentiaalverschil), wat op zijn beurt een elektrische stroom creëert. Dit fenomeen wordt beschreven door het Seebeck-effect. Het betekent ook dat wanneer de temperaturen aan beide zijden gelijk worden, er geen elektrische stroom zal zijn.

Zoals vermeld zijn thermo-elektrische generatoren gekozen om te verkennen. We gebruiken een SP1848-27145 type met een kostprijs van minder dan drie euro per stuk (inclusief verzendkosten). We zijn ons ervan bewust dat er duurdere en efficiëntere oplossingen op de markt zijn, maar we waren geïnteresseerd in het potentieel van deze 'goedkope' TEG's.

Hypothese

De website die de TEG-modules verkocht had, wat aanvoelde, gedurfde beweringen over de efficiëntie voor het omzetten van elektrische energie. We zullen later een kleine omweg maken bij het onderzoeken van deze claims.

Stap 3: Voorbereiding en montage

Stap 1: Er werd een eenvoudig koellichaam gemaakt met behulp van in de werkplaats gevonden aluminium schrootdelen, deze werden met behulp van koelpasta aan de TEG-module bevestigd. Andere metalen zoals koper, messing of messing zullen echter ook voldoende werken voor deze opstelling.

Stap 2: De volgende stap is het solderen van de negatieve kabel van de eerste TEG aan de positieve kabel van de tweede TEG, dit zorgt ervoor dat de elektrische stroom in serie staat (wat betekent dat de output van de twee TEG's wordt opgeteld). Met onze opstelling waren we slechts beschikbaar om ongeveer 1,1 volt per TEG te genereren. Dit betekent dat om de 1,8 volt te bereiken die nodig is om een rode LED te laten branden, een tweede TEG is toegevoegd.

Stap 3: Sluit de rode (positieve) draad van de eerste TEG en de zwarte (negatieve) draad van de tweede TEG op de respectievelijke plaatsen aan op het breadboard.

Stap 4: Plaats een rode LED op het breadboard (denk eraan: het langere been is de positieve kant).

Stap 5: De laatste stap is eenvoudig*, steek de kaarsen aan en plaats de TEG-modules bovenop de vlam. U wilt iets stevigs gebruiken om de TEG's op te plaatsen. Dit houdt ze uit direct contact met de vlam, in dit geval werd een bankschroef gebruikt.

Omdat dit een eenvoudige test is, hebben we niet veel tijd besteed aan het maken van goede behuizingen of koeling. Om consistente resultaten te garanderen, hebben we ervoor gezorgd dat de TEG op gelijke afstand van het theelichtje werd geplaatst om te testen.

*Wanneer u het experiment probeert te herhalen, is het raadzaam om de TEG's met koellichaam in een koelkast of vriezer te plaatsen om ze af te koelen. Zorg ervoor dat u ze van het breadboard verwijdert voordat u dit doet.

Stap 4: Instellen

Eerste testen

Onze eerste test was snel en vies. We plaatsten de TEG-module over een theelichtje en koelden het ‘koude uiteinde’ van de TEG met behulp van de aluminium behuizing van een theelichtje en een ijsblokje. Onze thermometer (links) werd in een kleine klem (rechtsboven) geplaatst om de temperatuur van de bovenkant van de TEG te meten.

Iteraties voor de laatste test

Voor onze laatste test hebben we verschillende wijzigingen aangebracht in de setup om een betrouwbaarder resultaat te garanderen. Ten eerste hebben we het ijskoude water veranderd voor passieve koeling door een groter blok aluminium te gebruiken, dit geeft de mogelijke implementatie beter weer. Ook werd een tweede TEG toegevoegd om het gewenste resultaat te bereiken, namelijk het oplichten van de rode LED.

Stap 5: Resultaten

Bij gebruik van de beschreven opstelling zal een rode LED oplichten!

Hoe krachtig is één TEG?

De fabrikant beweert dat de TEG bij een temperatuurverschil van 100 graden een nullastspanning tot 4,8 V kan produceren bij een stroomsterkte van 669 mA. Met behulp van de vermogensformule P = I * V wordt berekend dat dit ongeveer 3,2 watt zou zijn.

We gingen op zoek naar hoe dicht we bij deze claims konden komen. Met een temperatuur van ongeveer 250 graden Celsius aan de onderkant van de TEG en bijna 100 graden aan de bovenkant, laat het experiment een behoorlijk verschil zien in vergelijking met de beweringen van de fabrikant. De spanning stagneert rond de 0,9 volt en 150 mA, wat gelijk staat aan 0,135 watt.

Stap 6: Discussie

Ons experiment geeft ons een goede indruk van het potentieel van deze TEG's, aangezien we met recht kunnen zeggen dat hun output redelijk is voor een beetje plezier en experimenteren, maar dat de fysica die nodig is om deze systemen goed te koelen en een stabiele energiebron te genereren, is verre van haalbaar voor een real-world implementatie, in vergelijking met andere mogelijke off-grid oplossingen zoals zonne-energie.

Er is zeker een plek voor TEG's, en het idee om een kampvuur te gebruiken om een zaklamp van stroom te voorzien lijkt haalbaar; we zijn gewoon ernstig beperkt vanwege de wetten van de thermodynamica. Omdat er een temperatuurverschil moet worden bereikt, heeft de ene kant van de TEG (actieve) koeling nodig en de andere kant een constante warmtebron. Dat laatste is bij een kampvuur niet aan de orde, maar de koeling moet zo efficiënt zijn dat er een actieve koeloplossing nodig is en dat is moeilijk te realiseren. Als je kijkt naar het volume dat nodig is om deze oplossingen te laten werken, vergeleken met de bestaande batterijtechnologie, is het veel logischer om een batterij te kiezen om lampen van stroom te voorzien.

Verbeteringen

Voor toekomstige experimenten is het raadzaam om goede koellichamen te kopen (bijvoorbeeld van een kapotte computer) en deze aan te brengen op zowel de warme als de koele kant van de TEG. Hierdoor wordt de warmte beter verdeeld en wordt de afvalwarmte aan de koele kant makkelijker afgevoerd dan een massief blok aluminium

Toekomstige toepassingen van deze technologie Op dit moment worden TEG's vooral aangetroffen in (milieuvriendelijke) technische producten als middel om restwarmte aan te wenden voor energie. In de toekomst heeft deze technologie het potentieel voor veel meer. Een interessante richting voor het ontwerp van verlichtingsproducten is die van wearables. Het benutten van lichaamswarmte kan leiden tot batterijloze lampen die gemakkelijk in kleding of op het lichaam kunnen worden gemonteerd. Deze technologie kan ook worden toegepast in zelfvoedende sensoren om fitnessmonitoringproducten in meer veelzijdige pakketten dan ooit tevoren mogelijk te maken. (Evident Thermo-elektriciteit, 2016).

Stap 7: Conclusie

Samenvattend, hoe veelbelovend de technologie ook lijkt, het systeem vereist een actieve koeling en een constante warmtebron om een gelijkmatige stroom van elektrische lading te verzekeren (in ons geval aanhoudend licht). Hoewel onze opstelling een snelle koeling van de koellichamen mogelijk maakte met behulp van een koelkast, zou dit experiment vrij moeilijk te reproduceren zijn geweest zonder externe elektriciteit; het licht zou dood zijn tegen de tijd dat de positieve en negatieve kanten dezelfde temperatuur bereiken. Hoewel de technologie op dit moment niet erg toepasbaar is, is het interessant om te zien waar het naartoe gaat gezien de constante stroom van nieuwe en innovatieve technologieën en materialen.