แสงจากพลังงานความร้อนในราคาต่ำกว่า $5: 7 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:07

เราเป็นนักศึกษาด้านการออกแบบอุตสาหกรรมสองคนในเนเธอร์แลนด์ และนี่คือการสำรวจเทคโนโลยีอย่างรวดเร็วซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของหลักสูตรย่อย Technology for Concept Design ในฐานะนักออกแบบอุตสาหกรรม จะเป็นประโยชน์ที่จะสามารถวิเคราะห์เทคโนโลยีอย่างเป็นระบบและได้รับความเข้าใจอย่างลึกซึ้งเกี่ยวกับเทคโนโลยีเหล่านี้ เพื่อทำการตัดสินใจที่มีหลักฐานยืนยันอย่างดีสำหรับการใช้เทคโนโลยีเฉพาะในแนวคิด

ในกรณีของคำแนะนำนี้ เราสนใจที่จะดูว่าโมดูล TEG มีประสิทธิภาพและราคาถูกเพียงใด และเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการชาร์จอุปกรณ์เสริมภายนอกอาคาร เช่น แบตสำรองหรือไฟฉายด้วยแคมป์ไฟหรือไม่ ตรงกันข้ามกับพลังงานแบตเตอรี่ พลังงานความร้อนจากไฟเป็นสิ่งที่เราทำได้ทุกที่ในถิ่นทุรกันดาร

การใช้งานจริง

เรากำลังตรวจสอบการใช้ TEG เพื่อชาร์จแบตเตอรี่และเปิดไฟ LED เราจินตนาการถึงการใช้โมดูล TEG เพื่อชาร์จไฟฉายที่แคมป์ไฟ เพื่อให้สามารถเป็นอิสระจากพลังงานกริด

การตรวจสอบของเรามุ่งเน้นไปที่โซลูชันต้นทุนต่ำที่เราพบในผู้ค้าปลีกออนไลน์ของจีน ในขณะนี้ เป็นการยากที่จะแนะนำโมดูล TEG ในแอปพลิเคชันที่ใช้งานได้จริง เนื่องจากมีเอาต์พุตพลังงานน้อยเกินไป แม้ว่าจะมีโมดูล TEG ที่มีประสิทธิภาพสูงในตลาดในปัจจุบัน แต่ราคาของมันไม่ได้ทำให้เป็นตัวเลือกสำหรับสินค้าอุปโภคบริโภคขนาดเล็กอย่างไฟฉาย

ขั้นตอนที่ 1: ชิ้นส่วนและเครื่องมือ

อะไหล่

-Thermoelectric Module (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

-เทียนทีไลท์

-เขียงหั่นขนม

- ไฟ LED สีแดง

-สายบางๆ

- พลาสเตอร์ฮีทซิงค์/ เทอร์มอล เพสต์

- เศษเหล็ก/ฮีตซิงก์ (อะลูมิเนียม)

เครื่องมือ

-เทอร์โมมิเตอร์บางชนิด

-หัวแร้ง

-(ดิจิตอล) มัลติมิเตอร์

-ไฟแช็ก

- คีมจับขนาดเล็ก (หรือวัตถุอื่นๆ ที่ให้คุณวางเทียนทีไลท์ไว้ข้างใต้ได้)

ขั้นตอนที่ 2: หลักการทำงานและสมมติฐาน

มันทำงานอย่างไร?

กล่าวอย่างง่าย ๆ TEG (เครื่องกำเนิดความร้อน) แปลงความร้อนเป็นเอาต์พุตไฟฟ้า ด้านหนึ่งต้องอุ่นและอีกด้านหนึ่งต้องเย็นลง (ในกรณีของเรา ด้านที่มีข้อความจะต้องเย็นลง) ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ด้านบนและด้านล่างจะทำให้อิเล็กตรอนในเพลตทั้งสองมีระดับพลังงานต่างกัน (ความต่างศักย์) ซึ่งจะสร้างกระแสไฟฟ้า ปรากฏการณ์นี้อธิบายโดยปรากฏการณ์ Seebeck นอกจากนี้ยังหมายความว่าเมื่ออุณหภูมิทั้งสองด้านเท่ากัน จะไม่มีกระแสไฟฟ้า

ดังที่ได้กล่าวมาแล้ว เครื่องกำเนิดไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริกได้รับการคัดเลือกให้สำรวจ เราใช้ประเภท SP1848-27145 โดยมีราคาต่ำกว่าสามยูโรต่อหน่วย (รวมค่าขนส่ง) เราทราบดีว่ามีโซลูชันที่มีราคาแพงและมีประสิทธิภาพมากกว่าในตลาด แต่เราสนใจในศักยภาพของ TEG ที่ "ราคาถูก" เหล่านี้

สมมติฐาน

เว็บไซต์ที่ขายโมดูล TEG ได้อ้างว่ามีประสิทธิภาพในการแปลงพลังงานไฟฟ้า เราจะใช้เส้นทางอ้อมเล็กน้อยในภายหลังเพื่อสำรวจการอ้างสิทธิ์เหล่านี้

ขั้นตอนที่ 3: การเตรียมและการประกอบ

ขั้นตอนที่ 1: ฮีทซิงค์แบบธรรมดาสร้างขึ้นโดยใช้ชิ้นส่วนที่เป็นเศษอะลูมิเนียมที่พบในเวิร์กช็อป ซึ่งประกอบเข้ากับโมดูล TEG โดยใช้แผ่นระบายความร้อน อย่างไรก็ตาม โลหะอื่นๆ เช่น ทองแดง ทองเหลือง หรือสิ่งสกปรกก็เพียงพอสำหรับการตั้งค่านี้เช่นกัน

ขั้นตอนที่ 2: ขั้นตอนต่อไปเกี่ยวข้องกับการบัดกรีตะกั่วเชิงลบของ TEG แรกไปยังขั้วบวกของ TEG ที่สอง เพื่อให้แน่ใจว่ากระแสไฟฟ้าจะอยู่ในอนุกรม (หมายความว่าเอาต์พุตของ TEG ทั้งสองจะถูกรวมเข้าด้วยกัน) ด้วยการตั้งค่าของเรา เราสามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เพียง 1.1 โวลต์ต่อ TEG เท่านั้น ซึ่งหมายความว่าเพื่อให้บรรลุถึง 1.8 โวลต์ที่จำเป็นในการจุดไฟ LED สีแดง จึงมีการเพิ่ม TEG ที่สอง

ขั้นตอนที่ 3: เชื่อมต่อสายสีแดง (บวก) ของ TEG แรกและสายสีดำ (เชิงลบ) ของ TEG ที่สองเข้ากับเขียงหั่นขนมในตำแหน่งที่เกี่ยวข้อง

ขั้นตอนที่ 4: วาง LED สีแดงบนเขียงหั่นขนม (จำไว้ว่า: ขาที่ยาวกว่าคือด้านบวก)

ขั้นตอนที่ 5: ขั้นตอนสุดท้ายนั้นง่ายมาก* จุดเทียนแล้ววางโมดูล TEG ไว้บนเปลวไฟ คุณต้องการใช้สิ่งที่แข็งแรงเพื่อวาง TEG ไว้ด้านบน เพื่อไม่ให้สัมผัสกับเปลวไฟโดยตรง ในกรณีนี้ ให้ใช้คีมจับ

เนื่องจากเป็นการทดสอบง่ายๆ เราจึงไม่ได้ใช้เวลามากในการสร้างเปลือกหุ้มหรือระบายความร้อนอย่างเหมาะสม เพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลลัพธ์ที่สม่ำเสมอ เราได้ทำให้แน่ใจว่า TEG อยู่ในตำแหน่งที่เท่ากันจากเทียนทีไลท์สำหรับการทดสอบ

*เมื่อพยายามทำการทดลองซ้ำ แนะนำให้วาง TEG ที่มีฮีทซิงค์ในตู้เย็นหรือช่องแช่แข็งเพื่อให้เย็นลง อย่าลืมถอดออกจากเขียงหั่นขนมก่อนทำเช่นนั้น

ขั้นตอนที่ 4: ตั้งค่า

การทดสอบเบื้องต้น

การทดสอบครั้งแรกของเรานั้นรวดเร็วและสกปรก เราวางโมดูล TEG ไว้บนไฟชาและทำให้ "ปลายเย็น" ของ TEG เย็นลงโดยใช้โครงอะลูมิเนียมของโคมไฟชาและก้อนน้ำแข็ง เทอร์โมมิเตอร์ของเรา (ซ้าย) ถูกวางไว้ในแคลมป์ขนาดเล็ก (บนขวา) เพื่อวัดอุณหภูมิที่ด้านบนของ TEG

การทำซ้ำสำหรับการทดสอบขั้นสุดท้าย

สำหรับการทดสอบครั้งสุดท้าย เราได้ทำการเปลี่ยนแปลงหลายอย่างในการตั้งค่าเพื่อให้แน่ใจว่าได้ผลลัพธ์ที่น่าเชื่อถือยิ่งขึ้น ประการแรก เราเปลี่ยนน้ำเย็นแบบน้ำแข็งเพื่อการทำความเย็นแบบพาสซีฟโดยใช้บล็อกอะลูมิเนียมที่ใหญ่ขึ้น ซึ่งสะท้อนถึงศักยภาพในการใช้งานอย่างใกล้ชิดยิ่งขึ้น นอกจากนี้ยังมีการเพิ่ม TEG ที่สองเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่ต้องการ ซึ่งก็คือการติดไฟ LED สีแดง

ขั้นตอนที่ 5: ผลลัพธ์

การใช้การตั้งค่าที่อธิบายไว้จะติดไฟ LED สีแดง!

TEG หนึ่งอันทรงพลังแค่ไหน?

ผู้ผลิตอ้างว่า TEG สามารถสร้างแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดได้ถึง 4.8V ที่กระแส 669mA เมื่ออยู่ภายใต้ความแตกต่างของอุณหภูมิ 100 องศา จากสูตรกำลัง P = I * V จะคำนวณได้ประมาณ 3.2 วัตต์

เราออกเดินทางเพื่อดูว่าเราจะเข้าใกล้ข้อเรียกร้องเหล่านี้ได้อย่างไร การวัดที่อุณหภูมิประมาณ 250 องศาเซลเซียสที่ด้านล่างของ TEG และใกล้ 100 องศาที่ปลายด้านบน การทดสอบแสดงให้เห็นความแตกต่างค่อนข้างมากเมื่อเทียบกับคำกล่าวอ้างของผู้ผลิต แรงดันไฟฟ้าจะนิ่งประมาณ 0.9 โวลต์และ 150 มิลลิแอมป์ ซึ่งเท่ากับ 0.135 วัตต์

ขั้นตอนที่ 6: อภิปราย

การทดลองของเราทำให้เราประทับใจถึงศักยภาพของ TEG เหล่านี้ เนื่องจากเราสามารถพูดได้อย่างตรงไปตรงมาว่าผลลัพธ์นั้นเหมาะสมสำหรับความสนุกสนานและการทดลอง แต่ฟิสิกส์ที่เกี่ยวข้องกับการทำให้ระบบเหล่านี้เย็นลงอย่างเหมาะสมและสร้างแหล่งพลังงานที่สม่ำเสมอคือ ห่างไกลจากความเป็นไปได้สำหรับการใช้งานในโลกแห่งความเป็นจริง เมื่อเปรียบเทียบกับโซลูชันนอกกริดที่เป็นไปได้อื่นๆ เช่น พลังงานแสงอาทิตย์

มีที่สำหรับ TEG อย่างแน่นอน และแนวคิดในการใช้แคมป์ไฟเพื่อจ่ายไฟให้ไฟฉายดูเหมือนจะทำได้ เราถูกจำกัดอย่างรุนแรงเนื่องจากกฎของอุณหพลศาสตร์ เนื่องจากจำเป็นต้องบรรลุความแตกต่างของอุณหภูมิ ด้านหนึ่งของ TEG ต้องการการระบายความร้อน (แบบแอคทีฟ) และอีกด้านหนึ่งต้องการแหล่งความร้อนคงที่ อย่างหลังไม่ใช่ปัญหาในกรณีของแคมป์ไฟ อย่างไรก็ตาม การระบายความร้อนจำเป็นต้องมีประสิทธิภาพมากจนจำเป็นต้องมีโซลูชันการระบายความร้อนแบบแอคทีฟ และเป็นเรื่องยากที่จะบรรลุผล เมื่อพิจารณาถึงปริมาณที่จำเป็นในการทำให้โซลูชันเหล่านี้ทำงานได้ เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่มีอยู่ การเลือกแบตเตอรี่เพื่อจ่ายไฟให้แสงสว่างนั้นสมเหตุสมผลกว่ามาก

การปรับปรุง

สำหรับการทดลองในอนาคต ขอแนะนำให้ซื้อฮีทซิงค์ที่เหมาะสม (เช่น จากคอมพิวเตอร์ที่เสีย เป็นต้น) และนำไปใช้กับ TEG ทั้งด้านร้อนและด้านเย็น ช่วยให้กระจายความร้อนได้อย่างเหมาะสมมากขึ้น และจะทำให้ความร้อนทิ้งที่ด้านเย็นกระจายตัวได้ง่ายกว่าบล็อกอะลูมิเนียมที่เป็นของแข็ง

การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้ในอนาคต ในขณะนี้ TEG ถูกพบในผลิตภัณฑ์ทางเทคนิค (เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม) เป็นหลัก โดยเป็นวิธีควบคุมความร้อนเหลือทิ้งให้เป็นพลังงาน ในอนาคตเทคโนโลยีนี้มีศักยภาพมากขึ้น ทิศทางหนึ่งที่น่าสนใจสำหรับการออกแบบผลิตภัณฑ์ให้แสงสว่างคืออุปกรณ์สวมใส่ การควบคุมความร้อนจากร่างกายอาจนำไปสู่ไฟที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ซึ่งติดตั้งได้ง่ายในเสื้อผ้าหรือบนร่างกาย เทคโนโลยีนี้ยังสามารถนำไปใช้ในเซ็นเซอร์วัดกำลังตัวเองเพื่อให้ผลิตภัณฑ์ตรวจสอบการออกกำลังกายในแพ็คเกจที่หลากหลายมากขึ้นกว่าที่เคยเป็นมา (เทอร์โมอิเล็กทริกที่เห็นได้ชัด, 2016).

ขั้นตอนที่ 7: บทสรุป

โดยสรุป ตามที่มีแนวโน้มว่าเทคโนโลยีจะมีแนวโน้ม ระบบต้องการการระบายความร้อนแบบแอคทีฟและแหล่งความร้อนคงที่เพื่อประกันการไหลของประจุไฟฟ้าที่สม่ำเสมอ (ในกรณีของเราคือแสงที่คงอยู่) แม้ว่าการตั้งค่าของเราจะทำให้ฮีทซิงค์เย็นลงอย่างรวดเร็วโดยใช้ตู้เย็น การทดลองนี้จะค่อนข้างยากที่จะทำซ้ำได้โดยไม่ต้องใช้ไฟฟ้าจากภายนอก แสงคงตายไปแล้วเมื่อด้านบวกและด้านลบมีอุณหภูมิเท่ากัน แม้ว่าเทคโนโลยีจะไม่สามารถใช้งานได้ในขณะนี้ แต่ก็น่าสนใจที่จะเห็นว่าเทคโนโลยีจะไปถึงไหนเมื่อพิจารณาจากกระแสเทคโนโลยีและวัสดุใหม่ ๆ ที่เป็นนวัตกรรมอย่างต่อเนื่อง