¿Luz LED o elemento calefactor?

Las luces incandescentes convierten alrededor del 1-2% de la energía eléctrica en luz, el resto se pierde como calor y radiación infrarroja. Sin embargo, son bastante buenos como calentadores de infrarrojos, pero no desea un calentador de infrarrojos, ya que los infrarrojos atraviesan el aire y calentarían el globo en sí, no el aire del interior.

Los LED no son muy eficientes, los modernos solo convierten alrededor del 25 % de la energía eléctrica en luz visible, y el 75 % restante de la energía eléctrica se convierte en calor.

Por lo tanto, los LED son mucho más eficientes que los incandescentes, pero decir que "muy poca electricidad se convierte en calor" es incorrecto, ya que el 75 % no es "muy poco".

Si desea calentar el aire dentro de su globo con electricidad, lo mejor sería un elemento calefactor liviano, ya que un LED dejaría escapar una fracción significativa de la energía fuera del globo en forma de luz.

Esto solo funcionaría si tiene una fuente de energía eléctrica muy liviana. Si desea calor, la tecnología actual no es competitiva con un soplete de butano/propano. Compare las densidades de energía:

Las baterías LiIon actuales contienen 150-200 Wh/kg.

El propano contiene 12000 Wh/kg de energía térmica.

Las baterías son geniales porque la energía eléctrica es mucho más útil que el calor que obtienes al quemar propano, pero esto no se aplica a tu caso.

Si su globo está atado, entonces el peso de la batería no importa, pero el peso del cable es un problema.

Querrías usar un elemento calefactor. Si usa una luz (ya sea la luz visible de un LED o la infrarroja de un elemento calefactor de cuarzo), parte de la energía se convierte en luz, en lugar de calor. Si tienes un globo transparente, se escapa. Si tienes un globo negro, se convierte en calor cuando llega al borde. Pero hay una trampa. Ese calor se está colocando justo en el borde del globo, que es la parte más fácil de enfriar desde el exterior. Para minimizar el flujo de calor que sale de su globo, desea que el envoltorio del globo sea la parte más fría, no la más cálida.

Por lo tanto, la solución es tener un elemento calentador en el interior del globo, con un pequeño ventilador que sopla aire a través de él. De esa manera, tiene un punto caliente en el medio del globo (en el calentador), y el calor tiene que moverse lentamente hacia los bordes (por convección) hasta que alcance la envoltura y pueda intercambiar el calor con el mundo exterior.

Uno bien puede discutir varias eficiencias de LED aquí, pero esto es más bien pasar por alto el punto fundamental en el que esta pregunta es un poco absurda.

El calor es la forma más tonta de energía.

Independientemente de lo que haga cuando manipule energía / la convierta entre diferentes formas, siempre tenderá a escurrirse entre sus dedos simplemente disipándose en calor, que generalmente es bastante difícil de usar . Por el contrario, la energía eléctrica es una forma bastante "sofisticada" que se puede usar fácilmente para todo tipo de cosas.

Quizás se pregunte por qué digo eso: ¿la mayoría de las centrales eléctricas no generan electricidad a partir del calor? Bueno, en realidad no, eso es imposible según la segunda ley de la termodinámica . Lo que realmente hacen las centrales eléctricas de carbón es convertir el flujo de calor a lo largo de un diferencial de temperatura en electricidad. Es decir, dejan que el calor fluya hacia algún vertedero de enfriamiento (generalmente el agua de un río) y, a través de las turbinas, pueden extraer parte de esta energía en una forma más útil (movimiento de rotación y, en última instancia, electricidad). Pero este proceso es inherentemente un desperdicio: incluso una planta de carbón moderna bien diseñada solo tiene una eficiencia de conversión de alrededor del 33%.

Lo contrario siempre es trivial: si dejas que la corriente fluya a través de casi cualquier circuito, la energía básicamente siempre terminará siendo principalmente calor . A veces, un bit también se convierte en otra energía, en particular, una antena puede enviar energía electromagnética (ondas de radio). Tenga en cuenta que estos también se convierten eventualmente en calor, pero antes de que eso suceda, pueden viajar un largo camino. Y para los LED es básicamente lo mismo: convierten una cantidad no insignificante de energía en luz en lugar de directamente en calor, pero todo lo que logran es que le das a la energía una oportunidad extra de escapar del globo sin usar. Entonces, esto realmente es una mala idea: los LED son, por diseño, "inusualmente malos para convertir la electricidad en calor".

Pero la mala idea en realidad comienza mucho antes, al proponer calefacción eléctrica en absoluto. Como dije, la electricidad es preciosa. Si pasó por todos los problemas de llevar energía en baterías pesadas e ineficientes en lugar de latas de gasolina baratas llenas de energía, lo último que quiere hacer es simplemente quemarla para calentarla. Sin embargo, hay un truco que podría hacer y que teóricamente podría hacer que valga la pena: use una bomba de calor . Eso es básicamente lo contrario de una planta de energía: en lugar de convertir la electricidad en calor , fuerza un flujo de calor desde el aire ambiental hacia el globo. De esa manera, puede obtener en papel una "eficiencia de conversión" de más del 100%.

En términos prácticos, lamentablemente eso no compensará los inconvenientes: las bombas de calor en sí mismas no son idealmente eficientes y son pesadas, lo que aumenta el peso de las baterías.

Sea sensato, caliente su globo con gas o con calor solar, no con electricidad.

Aquí hay otra idea, pero es la línea de visión: use un globo negro y caliente con un rayo láser IR de una fuente de energía en el suelo (en distancias cortas podría usar un punto de seguimiento). Podría entregar 1kW sin muchos problemas. Tenga en cuenta que necesitaría expandir el haz casi tan grande como el globo para evitar derretirlo. Esto también proporciona control de altitud al variar la potencia de calentamiento.

(a) El consumo de energía (p. ej., sus 20 vatios) describe todo lo que hace el circuito, incluida la generación de calor. Todos los circuitos eléctricos generan algo de calor porque (al menos a temperatura ambiente), todas las rutas del circuito tienen resistencia, y donde hay resistencia, hay calor.

(b) Los LED no son luces de filamento. Son diodos (Light Emitting Diode = LED). Los diodos tienen una resistividad muy, muy baja. En consecuencia, muy poca de la energía utilizada se pierde en calor. Esto es lo que los hace tan eficientes para iluminar una habitación. La mayor parte de su energía se utiliza para generar luz, no calor.

(c) Sus viejas luces de filamento (luces "incandescentes") eran mucho menos eficientes. Por ejemplo, una luz incandescente de 75 vatios generaría alrededor de 1100 lúmenes. Una luz LED que genera 1100 lúmenes solo necesita unos 10 vatios. En realidad, no es tan simple, pero en general se puede decir que la luz incandescente genera 65 vatios de calor para iluminar la habitación (en realidad, solo pierde unos 50 vatios, si no recuerdo mal, debido a las ineficiencias de iluminación en el propio filamento: pero no nos importa eso).

Francamente, lo que realmente quieres es un elemento calefactor de cuarzo. Desea desperdiciar la menor cantidad de vatios posible generando luz visible. Quiere luz infrarroja: eche un vistazo a los calentadores infrarrojos .

Aquí hay algunos números para jugar.

10 W de energía producen 34,121416 BTU/h si todo se convierte en calor.

Se necesitan 0,24 BTU de calor para cambiar la temperatura de una libra de aire en un grado F.

Entonces, 10 W de electricidad calentarán 14 libras de aire a 10 grados F. si mis cálculos son correctos.

1 pie cúbico de aire a temperatura y presión estándar, asumiendo que la composición promedio pesa aproximadamente 0.0807 lbs.

Entonces, en teoría, estamos hablando de calentar 173 pies cúbicos de aire (un globo de 5,5 pies por 5,5 pies por 5,5 pies) a 10 grados F, suponiendo que no haya pérdida de calor en STP.

No estoy seguro de si elevar la temperatura en 10 grados F elevará mucho, muy alto.

EDITAR

Solo para levantar el peso de un hombre adulto, necesitaría un globo de aproximadamente 4 m (13 pies) de radio con el aire interior calentado a una temperatura de aproximadamente 120 °C (250 °F). Eso explica por qué los globos aerostáticos son generalmente tan grandes.

De globos aerostáticos

Dada una masa humana promedio de 80 kg, una batería de iones de litio de 1 kg necesitaría quizás 1/80 del volumen, pero aún debe proporcionar un diferencial de temperatura de aproximadamente 100 grados C.

La respuesta rápida es que una luz LED de 20 W y un elemento calefactor de 20 W producen 20 W de calor, y dentro de un globo negro (opaco), ambos producirían la misma cantidad de calor para levantar el globo.

Ahora, es obvio que esto no cuenta toda la historia; la intuición parece sugerir que un elemento calefactor sería más adecuado para producir calor que un dispositivo destinado a producir luz, sin mencionar las diferencias de peso entre los dispositivos.

Mucha gente ha mencionado que la iluminación LED no es tan eficiente como mucha gente cree.

Si bien es incorrecto decir que la iluminación LED convierte la mayor parte de su potencia de entrada en luz, no es que la afirmación no tenga ninguna base en la realidad, y siento que esto lo convierte en una pista falsa en el razonamiento detrás de las respuestas.

Los LED generalmente convierten la mayor parte de su energía consumida en luz ( si más de la mitad cuenta como la mayoría). Es el circuito de alimentación que impulsa el LED el que representa la mayor parte de la energía perdida en forma de calor.

Tengo más experiencia trabajando con diodos láser que con LED, pero la mayoría de las veces más del 60 % de la energía utilizada en el diodo se convierte en radiación, mientras que el proceso de modulación de la corriente que fluye a través del LED es mucho menos eficiente.

En los diseños más simples, una luz de 20 W puede tener una etapa de potencia que disipa 18 W como calor mientras suministra 2 W al LED real, que puede producir 1,5 W como luz visible. Posiblemente, podría argumentar que la eficiencia es del 75 % (1,5/2) y que es del 7,5 % (1,5/20).

(Los problemas que surgen al tratar con la disipación térmica son más atribuibles al tamaño relativamente pequeño de los LED que a la cantidad de calor que se produce. Me doy cuenta de que los diodos láser son significativamente diferentes a los LED, pero asumo que la mayoría de los LED son más eficientes, pero Puedo estar equivocado aquí)

Entonces, en muchos casos, la comparación entre una luz LED de 20 W y un elemento calefactor (resistivo) de 20 W básicamente se reduce a una entre un elemento calefactor costoso e innecesariamente complicado de 20 W y un elemento calefactor de 20 W, y como la gente ya ha discutido, la convección sería el cuestión más importante. Me imagino que el elemento de calentamiento óhmico óptimo en esta situación sería un motor de algún tamaño con un ventilador conectado a su eje de manera que enfríe el motor.

Pero, y creo que esto puede estar más cerca de la intención de la pregunta, si está preguntando, "suponiendo que pueda convertir 20 W de electricidad en 20 W de luz o 20 W de calor, lo que sería más efectivo para producir elevación en un calor ¿globo de aire?", la respuesta es, depende.

Ya has tenido en cuenta el color del globo al decir que es negro. Esto contendría la luz producida dentro del globo, pero como dijiste, un globo negro absorbería la luz y se calentaría.

Para producir sustentación, no queremos que el globo se caliente. Queremos que el aire dentro del globo se caliente.

Entonces, hagamos que el globo brille, es decir, 100 % de reflectividad (esto podría lograrse usando mylar metalizado). Entonces, mantienes toda la luz dentro del globo y no desperdicia calor calentándose.

Ahora que tenemos toda esta energía luminosa atrapada en el globo, solo necesitamos convertirla en calor en el aire. Es broma, no, no lo hacemos. La luz, al no poder escapar del globo, eventualmente sería absorbida por las moléculas en el aire mismo. Es como si fuera una ley o algo así, la luz eventualmente se convertirá en calor en algún momento, en alguna cosa. Esto calienta todo el volumen del aire simultáneamente . No requiere convección. La luz claramente gana en términos de velocidad en este caso.

Dependiendo del nivel de las ciencias de los materiales, puede ser imposible crear un globo con una reflectividad casi perfecta que sea lo suficientemente ligero y fuerte para soportar cualquier carga que lleve.

Volvamos al negro. Probablemente nailon o alguna otra tela. Entonces, el globo se calentaría, absorbiendo la luz mejor que el aire, y mientras calentaría el aire dentro del globo, también calentaría el aire exterior (es decir, perdería calor).

Pero en realidad, esto es inevitable sin importar lo que hagas. Incluso si usaste un elemento calefactor para calentar el aire dentro del globo, una vez que el aire esté caliente, calentaría el globo, que perdería calor hacia el exterior.

La principal diferencia estaría en el tiempo que se tarda inicialmente en hacer que el globo despegue del suelo. Se necesitaría un cálculo feo para modelar (si calienta el aire con luz a través del globo, tiene más área de superficie = conducción de calor más rápida, pero pierde la mitad hacia el exterior y la temperatura es más baja, y la dinámica de fluidos no lo hago incluso quiero empezar a pensar), pero en pocas palabras, usar luz significaría una espera más larga antes de que el globo despegara que usar calor, pero una vez que el aire estuviera a la temperatura objetivo, no habría diferencia en la eficiencia.

Estos experimentos mentales que aparentemente apuntan a la conclusión de que la luz y el calor serían igualmente eficientes probablemente se pueden rastrear (de una manera muy indirecta) a uno de estos hechos: la luz es calor, o eventualmente se convierte en calor; donde hay calor, hay luz; una gran parte del calor (o todo, dependiendo de la escala en la que pienses) se transmite a través de la luz; y lo más fundamental, el calor es una palabra tan vaga que se usa en innumerables contextos y significados, pero es difícil de definir con claridad. También cf radiación de cuerpo negro.

Nada de esto funcionaría con nada de 20W, por cierto.

Los LED producen muy poco calor para empezar. Teniendo en cuenta que la potencia es solo un gasto de energía, sería mejor concentrar todos esos 20 vatios en el calor, no en la luz.

Tantas respuestas y todas son buenas. Estoy tomando una compilación de estas respuestas y publicando mi propia respuesta.

Aquí nadie dijo que no se podía hacer. Encontrar un elemento calentador de 20 vatios es delgado, los LED no son eficientes para el calor, pero un LED UV produce más calor que los LED de luz visible. Los LED UV permiten que sea visible por la noche con el material adecuado.

El uso de un LED UV y una carcasa de material negro absorbente de UV para rodear la luz LED UV la hará visible con partes luminiscentes, liviana, confiable, económica y abundante como suministro de calor. Todavía no estoy seguro de si las células solares pueden convertir suficiente luz en calor desde el interior de los globos en lugar de las baterías. Los límites de las celdas solares es que el 18% de la luz absorbida por las celdas solares se convierte en electricidad que se usaría para producir calor del sol. Dependiendo del área de superficie de todas las partes (todas en negro) y la conversión de la luz solar contribuiría al calor total producido. Más superficie de las piezas con la menor cantidad de volumen y peso de las piezas es mejor para capturar la luz solar y la luz ultravioleta. Como un disipador de calor negro diseñado para capturar la luz y convertirla en calor.

Para concluir, es la ineficiencia de la luz UV LED y la eficiencia de la absorción del centro de las partes del globo desde el sol externamente y la luz ultravioleta internamente calentando el aire dentro del globo para que lo levante la electricidad y la luz solar.

Por la noche, sería mejor un globo negro con una caja negra alrededor del LED UV. Puedo experimentar calentando una mezcla de helio/aire en un globo sellado si el aire por sí solo no crea suficiente flotabilidad para crear sustentación.

Más 1 a todos... Gracias.