Оглавление:
2025 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2025-01-13 06:58
Мы два студента, изучающих промышленный дизайн в Нидерландах, и это быстрое изучение технологий в рамках суб-курса «Технология для концептуального дизайна». Как промышленному дизайнеру полезно уметь методично анализировать технологии и получать более глубокое их понимание, чтобы принять обоснованное решение о реализации конкретных технологий в концепциях.
В этом случае нам интересно узнать, насколько эффективными и недорогими могут быть модули TEG, и являются ли они жизнеспособным вариантом для подзарядки уличных аксессуаров, таких как блоки питания или фонарики, например, у костра. В отличие от батарей, тепловая энергия от огня - это то, что мы можем получить где угодно в дикой природе.
Практическое применение
Мы изучали возможность использования ТЭГов для зарядки аккумуляторов и питания светодиодных фонарей. Мы предполагаем использование модулей TEG, например, для зарядки фонарика у костра, чтобы он мог быть независимым от энергии сети.
Наше расследование сосредоточено на недорогих решениях, которые мы нашли у китайских интернет-магазинов. На данный момент сложно рекомендовать модули ТЭГ для такого практического применения, поскольку они просто имеют слишком маленькую выходную мощность. Хотя сегодня на рынке есть высокоэффективные модули ТЭГ, их цена не делает их вариантом для небольших потребительских товаров, таких как фонарик.
Шаг 1. Детали и инструменты
Запчасти
-Термоэлектрический модуль (ТЭГ) 40x40 мм (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
-Tealights
- макетная плата
-Красный светодиод
-Некоторые провода
-Штукатурка радиатора / термопаста
-Лом металл / радиатор (алюминий)
Инструменты
-Термометр какой то
-Паяльник
-(цифровой мультиметр
-Легче
-Маленькие тиски (или другой предмет, позволяющий ставить под них чайные свечи)
Шаг 2: принцип работы и гипотеза
Как это работает?
Проще говоря, ТЭГ (термоэлектрический генератор) преобразует тепло в электрическую мощность. Одна сторона должна быть нагрета, а другая - охлаждена (в нашем случае сторона с текстом должна быть охлаждена). Разница температур на верхней и нижней сторонах приведет к тому, что электроны в обеих пластинах будут иметь разные уровни энергии (разность потенциалов), что, в свою очередь, создает электрический ток. Это явление описывается эффектом Зеебека. Это также означает, что когда температуры с обеих сторон сравняются, электрический ток не будет.
Как уже упоминалось, для исследования были выбраны термоэлектрические генераторы. Мы используем тип SP1848-27145 со стоимостью менее трех евро за единицу (включая доставку). Мы знаем, что на рынке есть более дорогие и эффективные решения, но нас интересовал потенциал этих «дешевых» ТЭГ.
Гипотеза
На веб-сайте, на котором продавались модули ТЭГ, были смелые заявления об эффективности преобразования электроэнергии. Позже мы сделаем небольшой обходной маневр, исследуя эти утверждения.
Шаг 3: Подготовка и сборка
Шаг 1: Был изготовлен простой радиатор из лома алюминиевых деталей, найденных в мастерской, они были прикреплены к модулю ТЭГ с помощью термопасты. Однако другие металлы, такие как медь, латунь или грязь, также подойдут для этой установки.
Шаг 2: Следующий шаг включает в себя пайку отрицательного вывода первого TEG к положительному выводу второго TEG, это гарантирует, что электрический ток будет последовательным (это означает, что выход двух TEG будет суммироваться). С нашей установкой мы могли генерировать только около 1,1 В на каждый ТЭГ. Это означает, что для достижения 1,8 В, необходимого для зажигания красного светодиода, был добавлен второй ТЭГ.
Шаг 3: Подключите красный (положительный) провод первого TEG и черный (отрицательный) провод второго TEG к макетной плате в соответствующих местах.
Шаг 4: Поместите красный светодиод на макетную плату (помните: более длинная ножка - это положительная сторона).
Шаг 5: Последний шаг прост *, зажгите свечи и поместите модули ТЭГ на пламя. Вы хотите использовать что-нибудь прочное, чтобы надеть TEG. Это предохраняет их от прямого контакта с пламенем, в этом случае использовались тиски.
Поскольку это простой тест, мы не потратили много времени на изготовление надлежащих корпусов или охлаждение. Чтобы гарантировать стабильные результаты, мы позаботились о том, чтобы ТЭГ располагался на равном расстоянии от источника света для тестирования.
* При попытке повторить эксперимент рекомендуется поместить ТЭГ с радиатором в холодильник или морозильную камеру, чтобы охладить их. Обязательно снимите их с макета перед этим.
Шаг 4: настройка
Первоначальное тестирование
Наш первоначальный тест был быстрым и грязным. Мы поместили модуль ТЭГ над чайной лампой и охлаждали «холодный конец» ТЭГ, используя алюминиевый корпус чайной лампочки и кубика льда. Наш термометр (слева) был помещен в небольшой зажим (вверху справа) для измерения температуры верхней части ТЭГ.
Итерации для финального теста
Для нашего финального теста мы внесли несколько изменений в настройку, чтобы обеспечить более надежный результат. Во-первых, мы заменили ледяную воду на пассивное охлаждение, используя алюминиевый блок большего размера, это более точно отражает потенциальную реализацию. Также был добавлен второй ТЭГ для достижения желаемого результата, который заключался в зажигании красного светодиода.
Шаг 5: результаты
При использовании описанной настройки загорится красный светодиод!
Насколько мощный ТЭГ?
Производитель заявляет, что ТЭГ может выдавать напряжение холостого хода до 4,8 В при токе 669 мА при перепаде температур в 100 градусов. Используя формулу мощности P = I * V, рассчитано, что это будет примерно 3,2 Вт.
Мы решили посмотреть, насколько близко мы сможем подойти к этим утверждениям. Измеряя около 250 градусов Цельсия в нижней части ТЭГ и около 100 градусов на верхнем конце, эксперимент показывает существенную разницу по сравнению с заявлением производителя. Напряжение застаивается около 0,9 вольт и 150 мА, что равно 0,135 ватт.
Шаг 6: Обсуждение
Наш эксперимент дает нам хорошее представление о потенциале этих ТЭГ, так как мы можем справедливо сказать, что их производительность достойна для небольшого веселья и экспериментов, но что физика, задействованная для правильного охлаждения этих систем и генерации постоянного источника энергии, далеко неосуществимо для реальной реализации по сравнению с другими возможными автономными решениями, такими как солнечная энергия.
Определенно есть место для TEG, и идея использовать костер для питания фонарика действительно кажется достижимой; мы просто сильно ограничены из-за законов термодинамики. Поскольку необходимо добиться разницы температур, одной стороне ТЭГ требуется (активное) охлаждение, а другой - постоянный источник тепла. Последнее не является проблемой в случае костра, однако охлаждение должно быть настолько эффективным, чтобы потребовалось активное охлаждающее решение, а этого трудно достичь. Принимая во внимание объем, необходимый для работы этих решений, по сравнению с существующей аккумуляторной технологией, гораздо логичнее выбрать аккумулятор для питания фонарей.
Улучшения
Для будущих экспериментов рекомендуется приобрести подходящие радиаторы (например, от сломанного компьютера) и установить их как на горячую, так и на холодную сторону ТЭГ. Это позволяет более правильно распределять тепло и облегчает рассеивание отработанного тепла на холодной стороне, чем цельный блок алюминия.
Будущие применения этой технологии В настоящее время ТЭГ в основном используются в (экологически чистых) технических продуктах как средства использования отработанного тепла для получения энергии. В будущем у этой технологии есть потенциал для гораздо большего. Одним из интересных направлений дизайна светотехнической продукции является носимая техника. Использование тепла тела может привести к тому, что фонари без батареек легко закрепятся на одежде или на теле. Эта технология также может быть применена в датчиках с автономным питанием, что позволит использовать продукты для мониторинга физической формы в более универсальных упаковках, чем когда-либо прежде. (Evident Thermoelectrics, 2016).
Шаг 7: Заключение
В заключение, какой бы многообещающей ни казалась технология, система требует активного охлаждения и постоянного источника тепла для обеспечения равномерного потока электрического заряда (в нашем случае постоянного света). Хотя наша установка позволяла быстро охлаждать радиаторы с помощью холодильника, этот эксперимент было бы довольно сложно воспроизвести без какого-либо внешнего электричества; свет был бы мертв к тому времени, когда положительная и отрицательная стороны достигли одинаковой температуры. Хотя в настоящее время эта технология не очень применима, интересно посмотреть, куда она пойдет, учитывая постоянный поток новых и инновационных технологий и материалов.