Luz de energia térmica por menos de $ 5: 7 etapas (com fotos)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:39

Somos dois estudantes de design industrial na Holanda, e esta é uma rápida exploração de tecnologia como parte do sub-curso de Tecnologia para Design de Conceito. Como um designer industrial, é útil ser capaz de analisar metodicamente tecnologias e obter um entendimento mais profundo delas para tomar uma decisão bem fundamentada para a implementação de uma tecnologia específica em conceitos.

Neste caso instrutível, estamos interessados em ver o quão eficientes e de baixo custo os módulos TEG podem ser, e se eles são uma opção viável para recarregar acessórios externos como bancos de energia ou lanternas com, por exemplo, uma fogueira. Ao contrário da energia da bateria, a energia térmica pelo fogo é algo que podemos fazer em qualquer lugar no deserto.

Aplicação prática

Estávamos investigando o uso de TEGs para carregar baterias e ligar luzes LED. Prevemos o uso de módulos TEG para, por exemplo, carregar uma lanterna na fogueira de modo que ela possa ser independente da energia da rede.

Nossa investigação se concentra em soluções de baixo custo que encontramos em varejistas online chineses. No momento, é difícil recomendar módulos TEG em uma aplicação prática, pois eles simplesmente têm saída de energia insuficiente. Embora existam módulos TEG altamente eficientes no mercado hoje, seu preço realmente não os torna uma opção para pequenos produtos de consumo, como uma lanterna.

Etapa 1: Peças e Ferramentas

Peças

-Módulo termoelétrico (TEG) 40x40mm (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

-Luzes de chá

-Breadboard

- LED vermelho

-Alguns fios

- Dissipador de calor / pasta térmica

- Sucata de metal / dissipador de calor (alumínio)

Ferramentas

-Termômetro de algum tipo

-Ferro de solda

-(multímetro digital

-Mais leve

-Small Vise (ou outro objeto que permite que você coloque tealights sob ele)

Etapa 2: Princípio de funcionamento e hipótese

Como funciona?

Simplificando, um TEG (gerador termoelétrico) converte o calor em uma saída elétrica. Um lado deve ser aquecido e o outro lado deve ser resfriado (no nosso caso, o lado com texto deve ser resfriado). A diferença de temperatura entre os lados superior e inferior fará com que os elétrons em ambas as placas tenham diferentes níveis de energia (uma diferença de potencial), o que por sua vez cria uma corrente elétrica. Este fenômeno é descrito pelo efeito Seebeck. Isso também significa que, quando as temperaturas em ambos os lados se igualarem, não haverá corrente elétrica.

Como mencionado, os geradores termelétricos foram escolhidos para explorar. Estamos usando um tipo SP1848-27145 com um custo de menos de três euros por unidade (incluindo frete). Estamos cientes de que existem soluções mais caras e eficientes no mercado, mas estávamos interessados no potencial desses TEGs ‘baratos’.

Hipótese

O site que vendia os módulos TEG tinha, o que parecia, afirmações ousadas de eficiência na conversão de energia elétrica. Faremos um pequeno desvio mais tarde para explorar essas reivindicações.

Etapa 3: Preparação e montagem

Passo 1: Um dissipador de calor simples foi feito usando peças de alumínio de sucata encontradas na oficina, estas foram anexadas ao módulo TEG usando pasta térmica. No entanto, outros metais como cobre, latão ou sujeira também funcionarão o suficiente para essa configuração.

Etapa 2: A próxima etapa envolve a soldagem do primeiro terminal negativo do TEG ao terminal positivo do segundo TEG, o que garante que a corrente elétrica estará em série (o que significa que a saída dos dois TEGs será adicionada). Com nossa configuração, só estávamos disponíveis para gerar cerca de 1,1 volt por TEG. Isso significa que, para atingir os 1,8 volts necessários para acender um LED vermelho, um segundo TEG foi adicionado.

Etapa 3: conecte o fio vermelho (positivo) do primeiro TEG e o fio preto (negativo) do segundo TEG à placa de ensaio em seus respectivos lugares.

Etapa 4: coloque um LED vermelho na placa de ensaio (lembre-se: a perna mais longa é o lado positivo).

Passo 5: O último passo é simples *, acenda as velas e coloque os módulos TEG em cima da chama. Você deseja usar algo resistente para colocar os TEGs no topo. Isso os mantém fora do contato direto com a chama, neste caso foi usado um torno.

Como este é um teste simples, não gastamos muito tempo para fazer gabinetes ou resfriamento adequados. Para garantir resultados consistentes, certificamo-nos de que o TEG foi posicionado a uma distância igual da luz teal para o teste.

* Ao tentar repetir o experimento, é aconselhável colocar os TEGs com dissipador na geladeira ou freezer para resfriá-los. Certifique-se de removê-los da placa de ensaio antes de fazer isso.

Etapa 4: configuração

Teste inicial

Nosso teste inicial foi rápido e sujo. Colocamos o módulo TEG sobre uma lamparina e resfriamos a 'extremidade fria' do TEG usando o invólucro de alumínio de uma lamparina e um cubo de gelo. Nosso termômetro (esquerda) foi colocado em uma pequena pinça (parte superior direita) para medir a temperatura da parte superior do TEG.

Iterações para teste final

Para o nosso teste final, fizemos várias alterações na configuração para garantir um resultado mais confiável. Em primeiro lugar, trocamos a água gelada por um resfriamento passivo usando um bloco maior de alumínio, o que reflete o potencial de implementação mais de perto. Também foi adicionado um segundo TEG para atingir o resultado desejado, que era acender o LED vermelho.

Etapa 5: Resultados

Usar a configuração descrita acenderá um LED vermelho!

Quão poderoso é um TEG?

O fabricante afirma que o TEG pode produzir uma tensão de circuito aberto de até 4,8 V com uma corrente de 669 mA quando sujeito a uma diferença de temperatura de 100 graus. Usando a fórmula de potência P = I * V, calcula-se que seria cerca de 3,2 watts.

Começamos a ver o quão perto poderíamos chegar dessas reivindicações. Medindo cerca de 250 graus Celsius na parte inferior do TEG e perto de 100 graus na extremidade superior, o experimento mostra uma grande diferença em comparação com as afirmações do fabricante. A tensão estagna em torno de 0,9 volt e 150 mA, o que equivale a 0,135 watt.

Etapa 6: Discussão

Nosso experimento nos dá uma boa impressão do potencial desses TEGs, pois podemos dizer com justiça que sua saída é decente para um pouco de diversão e experimentação, mas que a física envolvida para resfriar adequadamente esses sistemas e gerar uma fonte estável de energia é longe de ser viável para uma implementação no mundo real, quando comparada a outras soluções possíveis fora da rede, como a energia solar.

Definitivamente, há um lugar para TEGs, e a ideia de usar uma fogueira para alimentar uma lanterna parece viável; estamos apenas severamente limitados devido às leis da termodinâmica. Como uma diferença de temperatura precisa ser alcançada, um lado do TEG precisa de resfriamento (ativo) e o outro precisa de uma fonte de calor constante. Este último não é um problema no caso de uma fogueira, no entanto, o resfriamento precisa ser tão eficiente que uma solução de resfriamento ativa será necessária e isso é difícil de conseguir. Ao considerar o volume necessário para fazer essas soluções funcionarem, em comparação com a tecnologia de bateria existente, é muito mais lógico escolher uma bateria para alimentar as luzes.

Melhorias

Para experiências futuras, seria aconselhável adquirir dissipadores de calor adequados (de um computador quebrado, por exemplo) e aplicá-los tanto no lado quente quanto no lado frio do TEG. Isso permite que o calor seja mais adequadamente distribuído e fará com que o calor residual no lado frio se dissipe mais facilmente do que um bloco sólido de alumínio

Aplicações futuras desta tecnologiaNo momento, os TEGs são encontrados principalmente em produtos técnicos (ambientalmente amigáveis) como um meio de aproveitar o calor residual para obter energia. No futuro, essa tecnologia tem potencial para muito mais. Uma direção interessante para o design de produtos de iluminação é a dos wearables. O aproveitamento do calor do corpo pode levar a luzes sem bateria que podem ser facilmente montadas na roupa ou no corpo. Essa tecnologia também pode ser aplicada em sensores de autoalimentação para permitir produtos de monitoramento de fitness em pacotes mais versáteis do que nunca. (Evident Thermoelectrics, 2016).

Etapa 7: Conclusão

Concluindo, por mais promissora que a tecnologia pareça, o sistema requer um resfriamento ativo e uma fonte de calor constante para garantir um fluxo uniforme de carga elétrica (no nosso caso, luz sustentada). Embora nossa configuração permitisse o resfriamento rápido dos dissipadores de calor usando uma geladeira, esse experimento teria sido muito difícil de reproduzir sem qualquer eletricidade externa; a luz estaria morta no momento em que os lados positivo e negativo atingissem a mesma temperatura. Embora a tecnologia não seja muito aplicável no momento, é interessante ver para onde ela irá considerando o fluxo constante de tecnologias e materiais novos e inovadores.