Ánh sáng từ năng lượng nhiệt với giá dưới $ 5: 7 bước (có hình ảnh)

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:35

Chúng tôi là hai sinh viên ngành thiết kế công nghiệp ở Hà Lan, và đây là một cuộc khám phá công nghệ nhanh như một phần của khóa học phụ Công nghệ thiết kế ý tưởng. Là một nhà thiết kế công nghiệp, rất hữu ích khi có thể phân tích một cách có phương pháp các công nghệ và hiểu sâu hơn về chúng để đưa ra quyết định có căn cứ cho việc triển khai một công nghệ cụ thể trong các khái niệm.

Trong trường hợp có hướng dẫn này, chúng tôi muốn xem mô-đun TEG hiệu quả và chi phí thấp có thể hiệu quả như thế nào và liệu chúng có phải là một lựa chọn khả thi để sạc lại các phụ kiện ngoài trời như pin sạc dự phòng hoặc đèn pin, chẳng hạn như lửa trại hay không. Trái ngược với năng lượng pin, năng lượng nhiệt bằng lửa là thứ mà chúng ta có thể tạo ra ở bất cứ đâu trong vùng hoang dã.

Ứng dụng thực tế

Chúng tôi đang điều tra việc sử dụng TEG để sạc pin và cấp nguồn cho đèn LED. Ví dụ, chúng tôi hình dung việc sử dụng các mô-đun TEG để sạc đèn pin vào lửa trại để nó có thể độc lập với năng lượng lưới.

Cuộc điều tra của chúng tôi tập trung vào các giải pháp chi phí thấp mà chúng tôi tìm thấy trên các nhà bán lẻ trực tuyến của Trung Quốc. Hiện tại, rất khó để đề xuất các mô-đun TEG trong một ứng dụng thực tế như vậy vì chúng chỉ có công suất đầu ra quá ít. Mặc dù có các mô-đun TEG hiệu quả cao trên thị trường hiện nay, giá của chúng không thực sự khiến chúng trở thành một lựa chọn cho các sản phẩm tiêu dùng nhỏ như đèn pin.

Bước 1: Các bộ phận và công cụ

Các bộ phận

-Mô-đun nhiệt điện (TEG) 40x40mm (SP1848 27145 SA) https://www.banggood.com/40x40mm-Thermo Electrical-Power-Generator-Peltier-Module-TEG-High-Tempe Heat-150-Degree-p-1005052.html? rmmds = search & cur_warehouse = CN

-Tealights

-Breadboard

-Dẫn màu đỏ

-Một số dây

-Tấm thạch cao / keo tản nhiệt

-Bọc kim loại / tản nhiệt (nhôm)

Công cụ

-Thermometer của một số loại

-Sơn sắt

- (kỹ thuật số) Đồng hồ vạn năng

-Đèn pha

-Small Vise (hoặc đối tượng khác cho phép bạn đặt tealights bên dưới nó)

Bước 2: Nguyên lý làm việc & Giả thuyết

Làm thế nào nó hoạt động?

Nói một cách đơn giản, TEG (máy phát nhiệt điện) chuyển nhiệt thành điện năng. Một mặt phải được làm nóng và mặt kia phải được làm mát (trong trường hợp của chúng tôi, mặt có văn bản phải được làm mát). Sự chênh lệch nhiệt độ giữa mặt trên và mặt dưới sẽ khiến các electron trong cả hai tấm có mức năng lượng khác nhau (chênh lệch thế năng), từ đó tạo ra dòng điện. Hiện tượng này được mô tả bằng hiệu ứng Seebeck. Điều đó cũng có nghĩa là khi nhiệt độ của hai bên trở nên bằng nhau thì sẽ không có dòng điện.

Như đã đề cập máy phát nhiệt điện đã được chọn để khám phá. Chúng tôi đang sử dụng loại SP1848-27145 với chi phí dưới ba euro cho mỗi chiếc (bao gồm cả phí vận chuyển). Chúng tôi biết rằng có nhiều giải pháp đắt tiền và hiệu quả hơn trên thị trường, nhưng chúng tôi quan tâm đến tiềm năng của những TEG 'giá rẻ' này.

Giả thuyết

Trang web bán các mô-đun TEG có tuyên bố táo bạo về hiệu quả chuyển đổi năng lượng điện. Chúng tôi sẽ đi một con đường vòng nhỏ sau đó để khám phá những tuyên bố này.

Bước 3: Chuẩn bị và lắp ráp

Bước 1: Một bộ tản nhiệt đơn giản được tạo ra bằng cách sử dụng các bộ phận nhôm phế liệu được tìm thấy trong xưởng, chúng được gắn vào mô-đun TEG bằng cách sử dụng keo nhiệt. Tuy nhiên, các kim loại khác như đồng, đồng thau hoặc hỗn hợp cũng sẽ hoạt động đủ cho thiết lập này.

Bước 2: Bước tiếp theo liên quan đến việc hàn dây dẫn âm của TEG đầu tiên với dây dẫn dương của TEG thứ hai, điều này đảm bảo rằng dòng điện sẽ mắc nối tiếp (có nghĩa là đầu ra của hai TEG sẽ được cộng lại). Với thiết lập của chúng tôi, chúng tôi chỉ có thể tạo ra khoảng 1,1 volt trên mỗi TEG. Điều này có nghĩa là để đạt đến 1,8 volt cần thiết để thắp sáng đèn LED màu đỏ, một TEG thứ hai đã được thêm vào.

Bước 3: Nối dây đỏ (dương) của TEG đầu tiên và dây đen (âm) của TEG thứ hai vào breadboard ở các vị trí tương ứng.

Bước 4: Đặt một đèn LED màu đỏ trên breadboard (nhớ: chân dài hơn là mặt dương).

Bước 5: Bước cuối cùng rất đơn giản *, thắp nến và đặt các mô-đun TEG lên trên ngọn lửa. Bạn muốn sử dụng một thứ gì đó chắc chắn để đặt các TEG lên trên. Điều này giúp chúng không tiếp xúc trực tiếp với ngọn lửa, trong trường hợp này người ta đã sử dụng một tấm che.

Vì đây là bài kiểm tra đơn giản nên chúng tôi không mất nhiều thời gian để chế tạo thùng loa hay làm mát phù hợp. Để đảm bảo kết quả nhất quán, chúng tôi đã đảm bảo TEG được đặt ở khoảng cách bằng nhau so với tealight để thử nghiệm.

* Khi cố gắng lặp lại thí nghiệm, nên đặt các TEG có tản nhiệt vào tủ lạnh hoặc tủ đông để làm lạnh chúng. Đảm bảo xóa chúng khỏi breadboard trước khi làm như vậy.

Bước 4: Thiết lập

Thử nghiệm ban đầu

Thử nghiệm ban đầu của chúng tôi rất nhanh và bẩn. Chúng tôi đặt mô-đun TEG trên đèn pha trà và làm mát 'đầu lạnh' của TEG bằng cách sử dụng vỏ nhôm của đèn pha trà và một viên đá. Nhiệt kế của chúng tôi (bên trái) được đặt trong một cái kẹp nhỏ (trên cùng bên phải) để đo nhiệt độ của đỉnh TEG.

Lặp lại cho bài kiểm tra cuối cùng

Đối với thử nghiệm cuối cùng của chúng tôi, chúng tôi đã thực hiện một số thay đổi đối với thiết lập để đảm bảo kết quả đáng tin cậy hơn. Đầu tiên, chúng tôi thay nước đá lạnh để làm mát thụ động bằng cách sử dụng một khối nhôm lớn hơn, điều này phản ánh việc triển khai tiềm năng chặt chẽ hơn. Ngoài ra, một TEG thứ hai đã được thêm vào để đạt được kết quả mong muốn, đó là làm sáng đèn LED màu đỏ.

Bước 5: Kết quả

Sử dụng thiết lập được mô tả sẽ sáng đèn LED màu đỏ!

Một TEG mạnh như thế nào?

Nhà sản xuất tuyên bố rằng TEG có thể tạo ra điện áp hở mạch lên đến 4,8V ở dòng điện 669mA khi chịu nhiệt độ chênh lệch 100 độ. Sử dụng công thức công suất P = I * V, người ta tính rằng giá trị này sẽ là khoảng 3,2 watt.

Chúng tôi đặt ra để xem chúng tôi có thể đạt được những tuyên bố này gần đến mức nào. Đo khoảng 250 độ C ở dưới cùng của TEG và gần 100 độ ở đầu trên, thử nghiệm cho thấy sự khác biệt khá nhiều so với tuyên bố của nhà sản xuất. Điện áp dừng ở khoảng 0,9 vôn và 150 mA, tương đương với 0,135 oát.

Bước 6: Thảo luận

Thí nghiệm của chúng tôi cho chúng tôi một ấn tượng tốt về tiềm năng của những TEG này, vì chúng tôi có thể nói một cách công bằng rằng đầu ra của chúng là phù hợp cho một chút thú vị và thử nghiệm, nhưng vật lý liên quan để làm mát đúng cách các hệ thống này và tạo ra một nguồn năng lượng ổn định là còn xa khả thi để triển khai trong thế giới thực, khi so sánh với các giải pháp không nối lưới khác như điện mặt trời.

Chắc chắn có một nơi cho TEG, và ý tưởng sử dụng lửa trại để cung cấp năng lượng cho đèn pin dường như có thể thực hiện được; chúng ta chỉ bị giới hạn nghiêm trọng do các định luật nhiệt động lực học. Vì cần đạt được sự chênh lệch nhiệt độ, một mặt của TEG cần làm mát (hoạt động) và mặt kia cần nguồn nhiệt không đổi. Điều thứ hai không phải là vấn đề trong trường hợp đốt lửa trại, tuy nhiên việc làm mát cần phải hiệu quả đến mức cần phải có giải pháp làm mát tích cực và điều này khó đạt được. Khi xem xét khối lượng cần thiết để làm cho các giải pháp này hoạt động, so với công nghệ pin hiện có, việc chọn pin để cung cấp năng lượng cho đèn sẽ hợp lý hơn nhiều.

Cải tiến

Đối với các thí nghiệm trong tương lai, chúng tôi khuyên bạn nên mua các bộ tản nhiệt thích hợp (ví dụ như từ một máy tính bị hỏng) và áp dụng chúng trên cả mặt nóng và mặt mát của TEG. Điều này cho phép nhiệt được phân phối hợp lý hơn và sẽ làm cho nhiệt thải ở mặt mát tản ra dễ dàng hơn so với một khối nhôm rắn

Các ứng dụng trong tương lai của công nghệ này Hiện tại, TEG chủ yếu được tìm thấy trong các sản phẩm kỹ thuật (thân thiện với môi trường) như một phương tiện khai thác nhiệt thải để làm năng lượng. Trong tương lai, công nghệ này còn có tiềm năng hơn thế nữa. Một hướng thú vị cho việc thiết kế các sản phẩm chiếu sáng là thiết bị đeo được. Khai thác nhiệt cơ thể có thể dẫn đến đèn không dùng pin dễ dàng lắp vào quần áo hoặc trên cơ thể. Công nghệ này cũng có thể được áp dụng trong các cảm biến tự cung cấp năng lượng để cho phép các sản phẩm theo dõi thể dục trong các gói linh hoạt hơn bao giờ hết. (Evident Thermoelectrics, 2016).

Bước 7: Kết luận

Tóm lại, có vẻ như đầy hứa hẹn của công nghệ, hệ thống yêu cầu một hệ thống làm mát tích cực và một nguồn nhiệt không đổi để đảm bảo dòng điện tích đều (trong trường hợp của chúng tôi là ánh sáng duy trì). Mặc dù thiết lập của chúng tôi cho phép làm mát nhanh chóng các tản nhiệt bằng tủ lạnh, nhưng thử nghiệm này sẽ khá khó để tái tạo nếu không có bất kỳ nguồn điện bên ngoài nào; ánh sáng sẽ bị tắt khi các mặt tích cực và tiêu cực đạt cùng nhiệt độ. Mặc dù công nghệ này không được áp dụng nhiều vào lúc này, nhưng thật thú vị khi xem nó sẽ đi đến đâu khi xem xét dòng chảy liên tục của các công nghệ và vật liệu mới và sáng tạo.