Licht aus Wärmeenergie für unter 5 US-Dollar - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:21

Wir sind zwei Industriedesign-Studenten in den Niederlanden, und dies ist eine kurze Technologieerkundung als Teil des Unterkurses Technologie für Konzeptdesign. Als Industriedesigner ist es hilfreich, Technologien methodisch analysieren und vertiefen zu können, um eine fundierte Entscheidung für die Umsetzung einer bestimmten Technologie in Konzepten treffen zu können.

Im Falle dieses anweisbaren sind wir daran interessiert zu sehen, wie effizient und kostengünstig TEG-Module sein können und ob sie eine praktikable Option zum Aufladen von Outdoor-Zubehör wie Powerbanks oder Taschenlampen mit beispielsweise einem Lagerfeuer sind. Im Gegensatz zum Batteriestrom ist Wärmeenergie durch Feuer etwas, das wir überall in der Wildnis erzeugen können.

Praktische Anwendung

Wir untersuchten den Einsatz von TEGs zum Laden von Batterien und zum Betreiben von LED-Leuchten. Wir stellen uns den Einsatz von TEG-Modulen vor, um beispielsweise eine Taschenlampe am Lagerfeuer aufzuladen, damit diese unabhängig vom Stromnetz sein kann.

Unsere Untersuchung konzentriert sich auf kostengünstige Lösungen, die wir bei chinesischen Online-Händlern gefunden haben. TEG-Module in einer so praktischen Anwendung zu empfehlen, ist derzeit schwer zu empfehlen, da sie einfach zu wenig Leistung haben. Obwohl es heute hocheffiziente TEG-Module auf dem Markt gibt, sind sie aufgrund ihres Preises nicht wirklich eine Option für kleine Konsumgüter wie eine Taschenlampe.

Schritt 1: Teile und Werkzeuge

Teile

-Thermoelektrisches Modul (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

-Teelichter

-Breadboard

-Rote LED

-Einige Drähte

-Kühlkörperputz/Wärmeleitpaste

-Schrott/Kühlkörper (Aluminium)

Werkzeuge

-Thermometer irgendeiner Art

-Lötkolben

-(Digital-Multimeter

-Feuerzeug

-Kleiner Schraubstock (oder ein anderes Objekt, mit dem Sie Teelichter darunter stellen können)

Schritt 2: Arbeitsprinzip & Hypothese

Wie funktioniert es?

Einfach gesagt wandelt ein TEG (thermoelektrischer Generator) Wärme in elektrische Leistung um. Eine Seite muss erhitzt werden und die andere Seite muss gekühlt werden (in unserem Fall muss die Seite mit Text gekühlt werden). Der Temperaturunterschied zwischen der Ober- und Unterseite führt dazu, dass die Elektronen in beiden Platten unterschiedliche Energieniveaus haben (eine Potenzialdifferenz), was wiederum einen elektrischen Strom erzeugt. Dieses Phänomen wird durch den Seebeck-Effekt beschrieben. Es bedeutet auch, dass, wenn die Temperaturen auf beiden Seiten gleich werden, kein elektrischer Strom fließt.

Wie bereits erwähnt, wurden thermoelektrische Generatoren ausgewählt, um sie zu erforschen. Wir verwenden einen Typ SP1848-27145 mit einem Preis von unter drei Euro pro Stück (inklusive Versand). Uns ist bewusst, dass es auf dem Markt teurere und effizientere Lösungen gibt, aber uns interessierte das Potenzial dieser „billigen“TEGs.

Hypothese

Die Website, die die TEG-Module verkaufte, hatte scheinbar kühne Ansprüche an die Effizienz bei der Umwandlung von elektrischer Energie. Wir werden später einen kleinen Umweg machen, um diese Behauptungen zu erkunden.

Schritt 3: Vorbereitung und Montage

Schritt 1: Ein einfacher Kühlkörper wurde aus in der Werkstatt gefundenen Aluminiumschrottteilen hergestellt, die mit Wärmeleitpaste auf dem TEG-Modul befestigt wurden. Andere Metalle wie Kupfer, Messing oder Messing funktionieren jedoch auch ausreichend für dieses Setup.

Schritt 2: Der nächste Schritt besteht darin, die negative Leitung des ersten TEGs mit der positiven Leitung des zweiten TEGs zu verlöten. Dies stellt sicher, dass der elektrische Strom in Reihe geschaltet wird (dh die Leistung der beiden TEGs wird addiert). Mit unserem Setup konnten wir nur etwa 1,1 Volt pro TEG erzeugen. Das heißt, um die zum Leuchten einer roten LED benötigten 1,8 Volt zu erreichen, wurde ein zweiter TEG hinzugefügt.

Schritt 3: Verbinden Sie das rote (positive) Kabel des ersten TEG und das schwarze (negative) Kabel des zweiten TEG an den entsprechenden Stellen mit dem Steckbrett.

Schritt 4: Legen Sie eine rote LED auf das Steckbrett (denken Sie daran: das längere Bein ist die positive Seite).

Schritt 5: Der letzte Schritt ist einfach*, zünden Sie die Kerzen an und legen Sie die TEG-Module auf die Flamme. Sie möchten etwas Robustes verwenden, um die TEGs darauf zu legen. Dies verhindert den direkten Kontakt mit der Flamme, in diesem Fall wurde ein Schraubstock verwendet.

Da dies ein einfacher Test ist, haben wir nicht viel Zeit damit verbracht, geeignete Gehäuse oder Kühlung herzustellen. Um konsistente Ergebnisse zu gewährleisten, haben wir dafür gesorgt, dass der TEG zum Testen in gleichem Abstand zum Teelicht positioniert wurde.

*Wenn Sie versuchen, das Experiment zu wiederholen, wird empfohlen, die TEGs mit Kühlkörper in einen Kühl- oder Gefrierschrank zu stellen, um sie abzukühlen. Stellen Sie sicher, dass Sie sie vorher vom Steckbrett entfernen.

Schritt 4: Einrichtung

Erstprüfung

Unser erster Test war schnell und schmutzig. Wir haben das TEG-Modul über einem Teelicht platziert und das „kalte Ende“des TEG mit dem Aluminiumgehäuse eines Teelichts und eines Eiswürfels gekühlt. Unser Thermometer (links) wurde in eine kleine Klemme (oben rechts) gesteckt, um die Temperatur der Oberseite des TEG zu messen.

Iterationen für den Abschlusstest

Für unseren letzten Test haben wir einige Änderungen am Setup vorgenommen, um ein zuverlässigeres Ergebnis zu gewährleisten. Zum einen haben wir das eiskalte Wasser gegen eine passive Kühlung ausgetauscht, indem wir einen größeren Aluminiumblock verwendet haben, dies spiegelt die mögliche Umsetzung besser wider. Auch ein zweiter TEG wurde hinzugefügt, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen, nämlich das Aufleuchten der roten LED.

Schritt 5: Ergebnisse

Bei Verwendung des beschriebenen Setups leuchtet eine rote LED!

Wie stark ist ein TEG?

Der Hersteller behauptet, dass der TEG eine Leerlaufspannung von bis zu 4,8 V bei einem Strom von 669 mA erzeugen kann, wenn er einer Temperaturdifferenz von 100 Grad ausgesetzt ist. Mit der Leistungsformel P = I * V errechnet sich daraus etwa 3,2 Watt.

Wir machten uns auf den Weg, um zu sehen, wie nahe wir diesen Ansprüchen kommen könnten. Mit rund 250 Grad Celsius am unteren Rand des TEG und knapp 100 Grad am oberen Ende zeigt das Experiment einen deutlichen Unterschied zu den Herstellerangaben. Die Spannung stagniert um 0,9 Volt und 150 mA, was 0,135 Watt entspricht.

Schritt 6: Diskussion

Unser Experiment gibt uns einen guten Eindruck vom Potenzial dieser TEGs, da wir mit Recht sagen können, dass ihre Leistung für ein bisschen Spaß und Experimentieren anständig ist, aber die Physik, die erforderlich ist, um diese Systeme richtig zu kühlen und eine stetige Energiequelle zu erzeugen, ist im Vergleich zu anderen möglichen Off-Grid-Lösungen wie Solarenergie für eine reale Implementierung alles andere als machbar.

Es gibt definitiv einen Platz für TEGs, und die Idee, ein Lagerfeuer zu verwenden, um eine Taschenlampe anzutreiben, scheint realisierbar; wir sind nur durch die Gesetze der Thermodynamik stark eingeschränkt. Da eine Temperaturdifferenz erreicht werden muss, benötigt eine Seite des TEG eine (aktive) Kühlung und die andere eine konstante Wärmequelle. Letzteres ist bei einem Lagerfeuer kein Thema, allerdings muss die Kühlung so effizient sein, dass eine aktive Kühllösung benötigt wird und dies nur schwer zu erreichen ist. Wenn man bedenkt, wie viel Volumen diese Lösungen benötigen, um im Vergleich zur bestehenden Batterietechnologie zu funktionieren, ist es viel logischer, sich für eine Batterie zum Betrieb von Lampen zu entscheiden.

Verbesserungen

Für zukünftige Experimente wird empfohlen, geeignete Kühlkörper (z. B. von einem defekten Computer) zu erwerben und diese sowohl auf der heißen als auch auf der kühlen Seite des TEGs anzubringen. Dadurch kann die Wärme besser verteilt werden und die Abwärme auf der kühlen Seite wird leichter abgeführt als ein massiver Aluminiumblock

Zukünftige Anwendungen dieser Technologie TEGs finden sich derzeit vor allem in (umweltfreundlichen) technischen Produkten zur energetischen Nutzung von Abwärme. In Zukunft hat diese Technologie das Potenzial für noch viel mehr. Eine interessante Richtung für das Design von Beleuchtungsprodukten sind Wearables. Die Nutzung der Körperwärme kann zu batterielosen Leuchten führen, die sich leicht in der Kleidung oder am Körper anbringen lassen. Diese Technologie könnte auch in Sensoren mit eigener Stromversorgung eingesetzt werden, um Fitnessüberwachungsprodukte in vielseitigeren Verpackungen als je zuvor zu ermöglichen. (Offensichtliche Thermoelektrik, 2016).

Schritt 7: Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das System, so vielversprechend die Technologie auch erscheinen mag, eine aktive Kühlung und eine konstante Wärmequelle benötigt, um einen gleichmäßigen Stromfluss (in unserem Fall Dauerlicht) zu gewährleisten. Während unser Setup eine schnelle Kühlung der Kühlkörper mit einem Kühlschrank ermöglichte, wäre dieses Experiment ohne externe Elektrizität ziemlich schwierig zu reproduzieren gewesen; das Licht wäre tot, wenn die positive und die negative Seite die gleiche Temperatur erreichen. Obwohl die Technologie derzeit noch nicht sehr anwendbar ist, ist es interessant zu sehen, wohin sie sich angesichts des ständigen Stroms neuer und innovativer Technologien und Materialien entwickeln wird.