ضوء من الطاقة الحرارية لأقل من 5 دولارات: 7 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:41

نحن اثنان من طلاب التصميم الصناعي في هولندا ، وهذا استكشاف سريع للتكنولوجيا كجزء من الدورة الفرعية لتكنولوجيا تصميم المفاهيم. كمصمم صناعي ، من المفيد أن تكون قادرًا على تحليل التقنيات بشكل منهجي واكتساب فهم أعمق لها لاتخاذ قرار مدعوم جيدًا لتنفيذ تقنيات معينة في المفاهيم.

في حالة هذه التعليمات ، نحن مهتمون بمعرفة مدى كفاءة وحدات TEG ومنخفضة التكلفة ، وما إذا كانت خيارًا قابلاً للتطبيق لإعادة شحن الملحقات الخارجية مثل بنوك الطاقة أو المصابيح الكهربائية ، على سبيل المثال ، نار المخيم. على عكس طاقة البطارية ، فإن الطاقة الحرارية بالنار هي شيء يمكننا صنعه في أي مكان في البرية.

تطبيق عملي

كنا نحقق في استخدام TEGs لشحن البطاريات وتشغيل مصابيح LED. نتصور استخدام وحدات TEG ، على سبيل المثال ، لشحن مصباح يدوي عند نار المخيم بحيث يمكن أن يكون مستقلاً عن طاقة الشبكة.

يركز تحقيقنا على الحلول منخفضة التكلفة التي وجدناها في تجار التجزئة الصينيين عبر الإنترنت. في الوقت الحالي ، من الصعب التوصية بوحدات TEG في مثل هذا التطبيق العملي نظرًا لأن خرج الطاقة لديهم قليل جدًا. على الرغم من وجود وحدات TEG عالية الكفاءة في السوق اليوم ، إلا أن سعرها لا يجعلها حقًا خيارًا للمنتجات الاستهلاكية الصغيرة مثل مصباح يدوي.

الخطوة 1: الأجزاء والأدوات

القطع

- الوحدة الكهروحرارية (TEG) 40 × 40 مم (SP1848 27145 SA) https://www.banggood.com/40x40mm-Thermoelectric-Power-Generator-Peltier-Module-TEG-High-Temperature-150-Degree-p-1005052.html؟ rmmds = البحث & cur_warehouse = CN

-أضواء الشاي

- اللوح

-أحمر LED

-بعض الاسلاك

- جص بالوعة الحرارة / معجون حراري

- خردة المعادن / المشتت الحراري (الألومنيوم)

أدوات

-مقياس حرارة من نوع ما

-لحام حديد

- (رقمي) متعدد

-ولاعة

- ملزمة صغيرة (أو أي شيء آخر يسمح لك بوضع الشموع الصغيرة تحتها)

الخطوة 2: مبدأ العمل والفرضية

كيف يعمل؟

وببساطة ، فإن مولد TEG (مولد كهربائي حراري) يحول الحرارة إلى ناتج كهربائي. يجب تسخين أحد الجانبين بينما يجب تبريد الجانب الآخر (في حالتنا ، يجب تبريد الجانب الذي يحتوي على نص). سيؤدي اختلاف درجة الحرارة عبر الجانبين العلوي والسفلي إلى أن يكون للإلكترونات في كلا الصفيحتين مستويات مختلفة من الطاقة (فرق الجهد) ، والذي بدوره ينتج تيارًا كهربائيًا. هذه الظاهرة موصوفة بتأثير سيبيك. وهذا يعني أيضًا أنه عندما تصبح درجات الحرارة على كلا الجانبين متساوية ، فلن يكون هناك تيار كهربائي.

كما ذكرنا ، تم اختيار المولدات الكهروحرارية للاستكشاف. نحن نستخدم نوع SP1848-27145 بتكلفة أقل من ثلاثة يورو للوحدة (بما في ذلك الشحن). نحن ندرك أن هناك حلولًا أكثر تكلفة وكفاءة في السوق ، لكننا كنا مهتمين بإمكانيات هذه المجموعات "TEGs الرخيصة".

فرضية

موقع الويب الذي باع وحدات TEG كان لديه ، ما شعرت به ، ادعاءات جريئة حول الكفاءة في تحويل الطاقة الكهربائية. سنتخذ منعطفًا صغيرًا لاحقًا لاستكشاف هذه الادعاءات.

الخطوة الثالثة: التحضير والتجميع

الخطوة 1: تم عمل مبدد حراري بسيط باستخدام أجزاء من خردة الألومنيوم الموجودة في الورشة ، وتم ربطها بوحدة TEG باستخدام معجون حراري. ومع ذلك ، فإن المعادن الأخرى مثل النحاس أو النحاس الأصفر أو العبث ستعمل أيضًا بشكل كافٍ لهذا الإعداد.

الخطوة 2: تتضمن الخطوة التالية لحام السلك السلبي الأول لـ TEG إلى السلك الإيجابي الثاني لـ TEG ، وهذا يضمن أن التيار الكهربائي سيكون في سلسلة (مما يعني أنه سيتم إضافة ناتج مجموعتي TEG). من خلال إعدادنا ، كنا متاحين فقط لتوليد حوالي 1.1 فولت لكل TEG. هذا يعني أنه من أجل الوصول إلى 1.8 فولت اللازمة لإضاءة مؤشر LED أحمر ، تمت إضافة TEG ثانٍ.

الخطوة 3: قم بتوصيل السلك الأحمر (الموجب) لأول TEG والسلك الأسود (السالب) من TEG الثاني باللوحة في الأماكن الخاصة به.

الخطوة 4: ضع مؤشر LED أحمر على لوح التجارب (تذكر: الساق الأطول هي الجانب الإيجابي).

الخطوة 5: الخطوة الأخيرة بسيطة * ، أشعل الشموع وضع وحدات TEG أعلى اللهب. تريد استخدام شيء قوي لوضع TEGs فوقه. هذا يبقيهم بعيدًا عن الاتصال المباشر باللهب ، وفي هذه الحالة تم استخدام ملزمة.

نظرًا لأن هذا اختبار بسيط ، لم نقض الكثير من الوقت في صنع العبوات المناسبة أو التبريد. من أجل ضمان نتائج متسقة ، تأكدنا من وضع TEG على مسافة متساوية من الشموع الصغيرة للاختبار.

* عند محاولة تكرار التجربة ، يُنصح بوضع TEGs مع غرفة التبريد في الثلاجة أو الفريزر لتبريدها. تأكد من إزالتها من اللوح قبل القيام بذلك.

الخطوة 4: الإعداد

الاختبار الأولي

كان اختبارنا الأولي سريعًا وقذرًا. لقد وضعنا وحدة TEG فوق مصباح الشاي وقمنا بتبريد "الطرف البارد" لـ TEG باستخدام حاوية الألومنيوم لمصباح الشاي ومكعب الثلج. تم وضع مقياس الحرارة الخاص بنا (على اليسار) في مشبك صغير (أعلى اليمين) من أجل قياس درجة حرارة الجزء العلوي من TEG.

التكرارات للاختبار النهائي

بالنسبة للاختبار النهائي ، أجرينا العديد من التغييرات على الإعداد لضمان نتيجة أكثر موثوقية. أولاً ، قمنا بتغيير الماء البارد المثلج للتبريد السلبي باستخدام كتلة أكبر من الألومنيوم ، وهذا يعكس التنفيذ المحتمل عن كثب. كما تمت إضافة TEG ثاني من أجل تحقيق النتيجة المرجوة ، وهي إضاءة مؤشر LED الأحمر.

الخطوة 5: النتائج

سيؤدي استخدام الإعداد الموصوف إلى إضاءة مؤشر ضوئي أحمر!

ما مدى قوة TEG؟

تدعي الشركة المصنعة أن TEG يمكن أن ينتج جهد دائرة مفتوحة يصل إلى 4.8V عند تيار 669mA عند تعريضه لاختلاف درجة الحرارة 100 درجة. باستخدام معادلة الطاقة P = I * V ، يُحسب أن هذا سيكون 3.2 واط تقريبًا.

شرعنا في معرفة مدى قربنا من هذه المطالبات. بقياس حوالي 250 درجة مئوية في الجزء السفلي من TEG وقريبًا من 100 درجة في الطرف العلوي ، تُظهر التجربة اختلافًا كبيرًا مقارنةً بادعاءات الشركة المصنعة. يركد الجهد حول 0.9 فولت و 150 مللي أمبير ، أي ما يعادل 0.135 واط.

الخطوة السادسة: المناقشة

تعطينا تجربتنا انطباعًا جيدًا عن إمكانات TEGs هذه ، حيث يمكننا القول بشكل عادل أن مخرجاتها مناسبة لقليل من المرح والتجريب ، لكن الفيزياء المعنية لتبريد هذه الأنظمة بشكل صحيح وتوليد مصدر ثابت للطاقة هي بعيدًا عن أن يكون ممكنًا للتنفيذ في العالم الحقيقي ، عند مقارنته بالحلول الأخرى الممكنة خارج الشبكة مثل الطاقة الشمسية.

هناك بالتأكيد مكان لـ TEGs ، ويبدو أن فكرة استخدام نار المخيم لتشغيل مصباح يدوي قابلة للتحقيق ؛ نحن فقط مقيدون بشدة بسبب قوانين الديناميكا الحرارية. نظرًا لضرورة تحقيق اختلاف في درجة الحرارة ، يحتاج جانب واحد من TEG إلى تبريد (نشط) والآخر يحتاج إلى مصدر حرارة ثابت. لا يمثل هذا الأخير مشكلة في حالة نشوب حريق ، ولكن يجب أن يكون التبريد فعالاً للغاية بحيث تكون هناك حاجة إلى حل تبريد نشط وهذا أمر يصعب تحقيقه. عند النظر في الحجم المطلوب لجعل هذه الحلول تعمل ، مقارنةً بتقنية البطارية الحالية ، فمن المنطقي أكثر بكثير اختيار بطارية لتشغيل الأضواء.

تحسينات

بالنسبة للتجارب المستقبلية ، يُنصح بالحصول على خافضات حرارة مناسبة (من جهاز كمبيوتر مكسور على سبيل المثال) وتطبيقها على كلا الجانبين الساخن والبارد من TEG. يسمح ذلك بتوزيع الحرارة بشكل أكثر ملاءمة وسيجعل تبديد الحرارة المهدرة على الجانب البارد أسهل من تبديد كتلة صلبة من الألومنيوم

التطبيقات المستقبلية لهذه التكنولوجيا في الوقت الحالي ، توجد TEGs بشكل أساسي في المنتجات التقنية (الصديقة للبيئة) كوسيلة لتسخير الحرارة المهدرة للحصول على الطاقة. في المستقبل ، تتمتع هذه التكنولوجيا بإمكانية تحقيق المزيد. أحد الاتجاهات المثيرة للاهتمام لتصميم منتجات الإضاءة هو الأجهزة القابلة للارتداء. يمكن أن يؤدي تسخير حرارة الجسم إلى مصابيح بدون بطارية يمكن تركيبها بسهولة في الملابس أو على الجسم. يمكن أيضًا تطبيق هذه التقنية في مستشعرات الطاقة الذاتية للسماح بمنتجات مراقبة اللياقة البدنية في حزم أكثر تنوعًا من أي وقت مضى. (Evident Thermoelectrics ، 2016).

الخطوة 7: الخاتمة

في الختام ، كما تبدو التكنولوجيا واعدة ، يتطلب النظام تبريدًا نشطًا ومصدرًا ثابتًا للحرارة لضمان تدفق متساوٍ للشحنة الكهربائية (في حالتنا ، ضوء مستمر). بينما سمح إعدادنا بالتبريد السريع للمبددات الحرارية باستخدام الثلاجة ، كان من الصعب جدًا إعادة إنتاج هذه التجربة بدون أي كهرباء خارجية ؛ كان الضوء قد مات في الوقت الذي تصل فيه الجوانب الإيجابية والسلبية إلى نفس درجة الحرارة. في حين أن التكنولوجيا ليست قابلة للتطبيق بشكل كبير في الوقت الحالي ، فمن المثير للاهتمام معرفة إلى أين ستذهب مع الأخذ في الاعتبار التدفق المستمر للتقنيات والمواد الجديدة والمبتكرة.