T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EGZOZ GAZINDAKİ ISI İLE ÇALIŞTIRILAN TERMOELEKTRİK SİSTEMİN DENEYSEL İNCELENMESİ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EGZOZ GAZINDAKİ ISI İLE ÇALIŞTIRILAN TERMOELEKTRİK SİSTEMİN DENEYSEL İNCELENMESİ Ali Yunus KAYA Danışman: Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK BİLGİSAYAR EĞİTİMİ ANABİLİM DALI ISPARTA 2010

2 TEZ ONAYI Ali Yunus KAYA tarafından hazırlanan Egzoz Gazındaki Isı İle Çalıştırılan Termoelektrik Sistemin Deneysel İncelenmesi adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Süleyman Demirel Üniversitesi Elektronik Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalı nda YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Danışman : Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN Süleyman Demirel Üniversitesi. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi A.B.D. Jüri Üyeleri : Yrd. Doç. Dr. Abdülkadir ÇAKIR Süleyman Demirel Üniversitesi. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi A.B.D. Doç. Dr. Arif Emre ÖZGÜR Süleyman Demirel Üniversitesi. Makina Eğitimi A.B.D. Prof. Dr. Mustafa KUŞCU Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir

3 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET...ii ABSTRACT...iii TEŞEKKÜR... iv ŞEKİLLER DİZİNİ... v ÇİZELGELER DİZİNİ... vi SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ...vii 1. GİRİŞ KAYNAK ÖZETLERİ MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Termoelektrik modül Termoelement Peltier element Peltier elementin önemli özellikleri Termoelektrik etkiler Seebeck etkisi Peltier etkisi Thomson etkisi Araç üzerinde şarj Yöntem Deney düzeneği Ölçüm sistemi ARAŞTIRMA BULGULARI Çalışmada Kullanılan Termoelektrik Modüllerin Özellikleri Deneysel Bulgular TARTIŞMA VE SONUÇ ÖZGEÇMİŞ i

4 ÖZET Yüksek Lisans Tezi EGZOZ GAZINDAKİ ISI İLE ÇALIŞTIRILAN TERMOELEKTRİK SİSTEMİN DENEYSEL İNCELENMESİ Ali Yunus KAYA Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalı Danışman: Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN Bu tez çalışmasında araçlarda bulunan akülerin şarj işlemi için, belirli zamanlarda bakım gerektiren alternatörler yerine araç egzoz gazında oluşan ısı ile çalıştırılan, bakım gerektirmeyen daha uzun ömürlü bir Termoelektrik sistem incelenerek deneysel sonuçları sunulmuştur. Egzozda meydana gelen sıcaklık ile ortam sıcaklığının farkından peltier element (Thermoelectric Power Generator) yardımıyla elektrik enerjisi elde edilmiştir. Alternatörlerin araç aküsünü şarj edecek gerekli gücü elde etmesi için araç motorunun belirli bir devir üzerinde çalışması gerekirken, bu çalışmada incelenen sistemde aracın devrinden bağımsız güç elde edilmektedir. Kış aylarında hava sıcaklığı düşük olduğunda sistemin ihtiyaç duyduğu sıcaklık farkı da artacak ve sistem daha verimli çalışacaktır. Alternatörler gücünü bir kayış yardımıyla motordan almaktadır ancak çalışmada incelenen sistem gücünü motordan sağlamadığından motor için bir yük teşkil etmemektedir. Günümüz teknolojisi ile kullanılan Temoelektrik modüllerin araç alternatörlerinin yerini alabilmesi için gerekli modül sayılarının fazla olduğu, buna bağlı olarak sistem maliyetinin de yüksek olduğu görülmüştür. Birkaç Termoelektrik modül ile araçlar üzerinde farklı aydınlatma elemanları çalıştırılabilmektedir. Çalışmada; TEG , TMG ve TEP Termoelektrik modülleri laboratuar ortamında ve motor egzoz çıkışına monte edilerek çıkış gerilim, akım ve güçleri, değişken ve sabit sıcaklık farklarında, farklı büyüklüklerdeki yükler ile deneysel olarak incelenmiştir. Egzozda oluşan gerçek ısı değerlerinin ölçümü için 1994 model 2000 CC 72hp Ford Taunus bir motor kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alternatör, akü şarj, Termoelektrik, peltier 2010, 39 sayfa ii

5 ABSTRACT M.Sc. Thesis EXPERIMENTAL RESEARCH OF THERMOELECTRIC SYSTEM THAT WORKED BY THE HEAT ON EXHAUST GAS Ali Yunus KAYA Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Department of Electronics Computer Supervisor: Asst.Prof.Dr. Tuncay AYDOĞAN In this thesis instead of alternators for charging batteries on vehicles which are needs meintenance regulary. A Thermoelectric system that is working by the heat on exhaust gas, meintenance free, longer life was researched and experimental results were presented. The electric energy is obtained from the heat difference between vehicle s exhaust and environment by Peltier Element (Thermoelectric Power Generator). For the alternators to get needed power for charging vehicle s battery, vehicle engine has to work over a cycle. The designed system in this work is obtained power independent from vehicle engine cycle. When the temperature is getting lower in winter time, the temperature difference will ascend that make system works more efficiently. Alternators supply the power from engine by a strap however researched system in this work do not supply power from engine so it is not become a load for engine. For the Thermoelectric modules to be placed of alternators, it has viewed that many quantity of modules are needed, so the system cost is high with the present-day Technologies. Different kind of lighting element on vehicles can be powered by a few Thermoelectric modules. In this work, TEG , TMG and TEP Thermoelectric modules in variable and fixed heat difference with variant values of load are experimental researched in labaratory and mounting engine exhaust output. To measure real heat value on vehicle s exhaust, one of 1994 model 2000 CC 72hp Ford Taunus engine was used. Key Words : Alternator, battery charge, Thermoelectric, peltier 2010, 39 pages iii

6 TEŞEKKÜR Bu araştırma için beni yönlendiren, karşılaştığım zorlukları aşmamda bilgi ve tecrübesiyle bana yardımcı olan değerli danışman hocalarım Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN ve Yrd. Doç. Dr. Ahmet KÜÇÜKKÖMÜRLER e teşekkürlerimi sunarım YL-09 No lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı na teşekkür ederim. Gerçekleştirdiğimiz deney düzenekleri konusunda bana yardımcı olan Isparta Merkez Endüstri Meslek Lisesi Motor Bölümü Öğretmenleri ve Alan Şefi Sedat DEMİR e Pürlü Ford Özel Servisi çalışanları ve müteşebbisi Murat PÜRLÜ ye teşekkür ederim. Tezimin her aşamasında beni yalnız bırakmayan ve destekleyen anneme, babama, eşime ve tüm dostlarıma sonsuz sevgi saygılarımı sunar, teşekkür ederim Ali Yunus KAYA ISPARTA, 2010 iv

7 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 3.1. Termoelektrik modülün yapısı (Yavuz vd., 2006) 6 Şekil 3.2. P-tipi eleman çalışma şeması (Erşen, 2002) 7 Şekil 3.3. N-tipi elemanın çalışma şeması (Erşen, 2002) 7 Şekil 3.4. N-tipi elemanların seri bağlanması (Erşen, 2002) 8 Şekil 3.5. P-N çifti ile ısı pompalanması (Erşen, 2002) 8 Şekil 3.6. Termoelementin yapısı (Yavuz vd., 2006) 10 Şekil 3.7. Peltier element çalışma şeması 11 Şekil 3.8. Peltier modül şeması 12 Şekil 3.9. Seebeck voltajının ölçümü (Rowe ve Bhandri, 1983) 14 Şekil Peltier devresi (Usta ve Kırmacı, 2002) 17 Şekil Birinci deney düzeneği 18 Şekil İkinci deney düzeneği 20 Şekil TEP peltier modül montaj düzeneği 20 Şekil Birinci deney düzeneği ölçüm sistemi prensip şeması 21 Şekil İkinci deney düzeneği ölçüm sistemi prensip şeması 22 Şekil 4.1. TEG iç direnç sıcaklık grafiği (TEG, 2010) 23 Şekil 4.2. TEG modül karakteristik eğrisi (TEG, 2010) 24 Şekil 4.3. TMG modülün karakteristik eğrisi (Sctbnord, 2010) 26 Şekil 4.4. TEP modülün karakteristik eğrisi (Sitechina,2010) 27 Şekil 4.5. TEP modülü ölçüm grafiği 29 Şekil 4.6. TMG modülü ölçüm grafiği 30 Şekil 4.7. TEG modülü ölçüm grafiği 32 Şekil 4.8. TEP modülü ölçüm grafiği 33 v

8 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 3.1. Bazı maddelerin seebeck katsayıları (Efunda, 2010) 15 Çizelge 4.1. TEG modülün karakteristik değerleri (TEG, 2010) 24 Çizelge 4.2. TEG modülün karakteristik özellikleri (TEG, 2010) 25 Çizelge 4.3. TMG modülün karakteristik özellikleri (Sctbnord, 2010) 25 Çizelge 4.4. TEP modülün karakteristik özellikleri (Sitechina,2010) 27 Çizelge 4.5. TEP modülün karakteristik değerleri (Sitechina, 2010) 28 Çizelge 4.6. TEP modülü birinci.deney düzeneği ölçüm değerleri ( t=200 C) 29 Çizelge 4.7. TMG modül çıkış gerilimi sıcaklık farkı değerleri 30 Çizelge 4.8. TEG modülü Gerilim, Akım, Güç Değerleri 32 Çizelge 4.9. TEP modülü ikinci deney düzeneği ölçüm değerleri 34 Çizelge 5.1.Araç akü şarjı için gerekli modül sayıları ve maliyetleri 35 Çizelge 5.2. Araç üzerindeki aydınlatma elemanları güç değerleri (MEGEP, 2010) 36 vi

9 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ cc Silindir hacmi DKP Demir profil modeli HZ-20 Hi-Z peltier modül K Isıl iletkenlik L Uzunluk Lc Katman kalınlığı m Metre mm Milimetre n Elektriksel temas parametresi N Modüldeki termoelent sayısı P Güç Q P r R SEPIC T Tc TEG W T h V Vo α T ρ λ π Λ m ι Isı miktarı Isıl Temas parametresi Rezistans Single Ended Primary Inductor Converter Sıcaklık Soğuk yüzey sıcaklığı Thermoelectric generator Güç birimi, watt Sıcak yüzey sıcaklığı Voltaj Çıkış voltajı Seebeck katsayısı Sıcaklık farkı Elektriksel iletkenlik İletkenlik katsayısı Peltier sabiti Isıl iletkenlik Thomson katsayısı C Santigrat derece vii

10 1. GİRİŞ Yenilenebilir enerji kaynakları dünya var olduğu sürece hiç tükenmeyecek olan enerji kaynaklarıdır. Bu kaynaklar güneş, rüzgar, su gibi doğal kaynaklardan oluşur. Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisi, rüzgar enerjisi, hidroelektrik enerji, jeotermal enerji, biokütle enerjisi, dalga enerjisi piezoelektrik, termoelektrik, hidrojen enerjisi gibi çeşitli enerjiler elde edilir. Son yıllarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmaya çalışılmasının nedeni birçok etkene dayanır. Dünyada sürekli artan enerji tüketimi yüzünden fosil ve yenilenemez enerji kaynakları hızla azalmaktadır. Yapılan araştırmalara göre en geç 200 yıl sonra tüm fosil yakıtlar tükenecektir. Fosil yakıtlar sürekli azaldığı için bu tür yakıtların değeri artmakta ve buna bağlı olarak petrol ürünlerinde pahalılığa neden olmaktadır. Ayrıca fosil yakıtların kullanımı çevreye büyük ölçüde zarar vermektedir. Kömür, petrol, doğalgaz gibi yakılarak enerji elde edilen fosil yakıtlar çevreye karbondioksit ve karbonmonoksit gibi gazların yayılmasına sebep olmaktadır. Bu gazlar atmosferde birikerek hem insan sağlığına olumsuz etkide bulunmaktadır hem de sera etkisi oluşturmaktadır. Sera etkisi yüzünden dünyanın ortalama sıcaklığı sürekli artmaktadır. Bu yüzden yenilenebilir enerjinin kullanımı gelişmiş birçok ülkede desteklenmektedir (Bildirmen, 2010) yılı kasım ayı Enerji Ajansı verilerine göre tüm dünyada kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarının, toplam enerji kaynakları içindeki payı % 13,8 'dir. Bu payın dağılımı ise % 80 yanabilir ve yenilenebilir atıklar, % 16,5 hidro enerji, %0,5 diğerleri (rüzgar, jeotermal, güneş, dalga, gel-git olayları vs.) olarak verilmiştir (Wikipedia, 2010). Günümüzde yenilenebilir enerji, küresel enerji rezervinin % 13,1 ini ve küresel elektrik üretiminin %17,9 unu sağlamaktadır. Uluslararası Enerji Ajansı nın (IEA) hazırladığı Dünya Enerjisine Bakış 2006 adlı raporda 2030 yılı itibarıyla küresel enerji tüketiminde yenilenebilir enerjinin oranı (%14) neredeyse hiç değişmeden kalacak. Ayrıca elektrik üretiminde yenilenebilirlerin payı %25 civarlarında olacak. Greenpeace ve EREC (Avrupa Yenilenebilir Enerji Konseyi) tarafından Ocak 2007 de hazırlanan raporda; eğer doğru politikalar uygulanırsa 2050 yılı itibarıyla 1

11 küresel enerji ihtiyacının yarısı yenilenebilir enerjiler tarafından sağlanabilir (Euroactiv, 2010). Termoelektrik enerjinin de kullanımı hızla artmaktadır. Termoelektrik enerji; soba üzerindeki ısıdan yararlanarak, düşük güçlü aydınlatma ihtiyaçlarının giderilmesinde (Nuwayhid vd., 2003), doğal sıcak su kaynaklarını kullanarak düşük güçlü aydınlatmada (Kayabaşı, 2009), Araç egzozundaki ısıdan faydalanılarak %4-%5 arasında yakıt ekonomisi sağlamada kullanılmıştır (Thacher vd., 2006). Günümüzde üretilen yeni nesil araçlara baktığımızda sürekli olarak yakıt tüketiminin azaltıldığı ve daha tasarruflu araçların üretilmeye çalışıldığını görülmektedir. Bunun içinde değişik yöntem ve teknikler denenmektedir. Araç egzoz gazında oluşan atıl ısının ortam ısısından çok yüksek olması, buradaki ısı farkından peltier modüller ile elde edilecek elektrik enerjisinin alternatör yerine araçlardaki aküyü şarj edebilme potansiyeline sahip olduğunu gösteriyor. Gelişen teknoloji ile daha verimli peltier modüller üretilmektedir. Araçlarda alternatör yerine hareketsiz malzemelerden oluşan peltier modüllerin kullanımı sistemin daha uzun ömürlü olmasını sağlayacaktır. Aracın belirli bir devir altında çalışması sırasında alternatörler tam verimle çalışamamaktadır. Peltier modülü ise egzoz sıcaklığı kısa sürede düşmediği için enerji sağlamaya daha uzun bir süre, devirden bağımsız, devam edebilecektir. Peltier modülleri son susturucu ile manifold arasında yeterli ısı miktarının elde edildiği bir noktaya monte edilebilir. Kış aylarında hava sıcaklığının düşük olması sistem için ısı farkını arttıracağından Termoelektrik modül sisteminin, özellikle araçlarda enerji tüketiminin de fazla olduğu kış aylarında, verimi daha yüksek olacaktır. Peltier elementin maliyetlerinin yüksek olması şu an için tek dezavantajıdır. 2

12 2. KAYNAK ÖZETLERİ Termoelektrik enerjiden yararlanılarak farklı çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Egzoz gazındaki ısıyı kullanarak Termoelektrik enerji elde etmek için de çalışmalar yapılmıştır. Bununla ilgili örneklere aşağıda yer verilmiştir. Trottmann vd., (2010), çalışmalarında araç egzozlarında oluşan atıl ısıyı değerlendirmek üzere susturucu egzoz üzerine monte edilmiş termoelektrik üretecini VW Touran marka araçda test etmiş ve %5 oranında yakıt tasarrufu sağladığını belirtmiştir. Diğer soğutma ünitelerinin aksine sıcaklığın istenenden daha fazla artması durumunda, bimetalik çubukların modülü ısı kaynağından ayırması prensibiyle çalıştırmıştır. Kayabaşı, (2009) tezinde Termoelektrik modülün bir yüzünü jeotermal enerji ile ısıtmış, diğer yüzeyi şebeke suyu ile soğutmuştur. Elde edilen sıcaklık farkı ile elektrik enerjisi üretmiştir. Üretilen elektrik enerjisi ile batarya şarj edilmiş ve LED ile aydınlatma yapılmıştır. Çalışmasında sekiz adet TEC T125 model termoelektrik modül kullanarak 10 C sıcaklık farkında 5V gerilim elde etmiştir. Vieira ve Mota, (2009), tezinde Termoelektrik üretecini gaz ile çalışan su ısıtma sistemindeki ısıyı kullanarak pil şarjı üzerine çalışmıştır. SEPIC dönüştürücü sayesinde düşük şarj gerilimini yükseltip, yüksek gelen gerilimi düşürerek istenen bir akü giriş voltajı ayarlanabileceğini belirtmiştir. Çalışmasında verimi arttırmak için maksimum güç noktası izleme tekniğini kullanarak %34 şarj verimini arttırmıştır. 2,3W güç elde etmiş ve 12V 20Ah lik bir akü şarj etmiştir. Gür ve Atik (2009), bildirilerinde güneş enerjisinden yüksek sıcaklık elde etmek amacıyla aynalara lazer ışını yardımıyla odaklama yaparak ışınım şiddeti bir noktada yoğunlaştırmıştır. Termoelektrik modüllerin bir yüzeyi yoğunlaştırılan ışınımla ısıtılmakta, diğer yüzeyi ise doğal sirkülâsyonla dolasan su tarafından soğutulmuştur. Dört adet TEC T125 Termoelektrik modülün seri olarak bağlandığı sistemde yaklaşık 1W güç elde edilmiştir. 3

13 Wojciechowski vd., (2007), makalesinde otomatik ateşlemeli 1,3dm 3 dizel motor egzozu üzerinde yaptığı ölçümlerde termoelektrik üreteçten 750W güç elde ettiğini ve alternatörlerle karşılaştırılabilir düzeyde olduğunu belirtmiştir. Sistemin egzoz içerisine monte edilerek kıvılcım ateşlemeli motorlarda denenmesinin daha verimli sonuçlar elde edileceğine de değinmiştir. Lertsatitthanakorn, (2006), yaptığı çalışmada, soba kullanılan evlerde sobanın ölü kısmında (duvar dönük yüzünde) meydana gelen yüksek sıcaklığın Termoelektrik modüllerin sıcak yüzeyine, Termoelektrik modüllerin diğer yüzeyini ise duvara yerleştirerek, elde edilen sıcaklık farkı ve bu farktan faydalanan Termoelektrik modülden elde edilen elektrik enerjisi üzerinde çalışmışlardır. Küçük radyo ya da düşük güçlü akkor lamba çalıştırmada kullanabileceği belirtilmiş ve bunun analizi yapılmıştır. TEP kodlu Termoelektrik eleman kullandığı bu çalışmada farklı dirençler için en fazla gücü elde etmeye çalışmıştır. 150 C sıcaklık farkında 2,4 W güç ve % 3,2 verim elde etmiştir. Thacher vd., (2006), makalesinde 1999 model GMC Sierra marka 5,3 litre V8 motorlu aracın egzozunda prototip bir Termoelektrik üreteci modülü yerleştirerek gerçekleştirdiği deneylerde aracın %4 ile %5,3 arasında yakıt ekonomisi sağladığını tespit etmiştir. Eakburanawat ve Boonyaroonate, (2006), tezinde maksimum güç noktası izleme tekniğinden yararlanarak Termoelektrik enerji ile akü şarj etme üzerine çalışmıştır. Maksimum güç noktası izlemek için Atmel 89C52 mikrodenetleyiciden yararlanmış ve 7,99 W güç elde etmiştir. Kullanılan modül TEP dir. Normal şarjdan %15 daha verimli bir şarj sonucuna varmıştır. Maneewan vd., (2004), yapmış oldukları çalışmada, binanın çatısına yerleştirdikleri Termoelektrik modüllerin sıcak yüzeyini güneş ışınımına, diğer yüzeyini ise fan vasıtasıyla ortam sıcaklığında bırakarak bir bilgisayar programı ile simule etmişlerdir. Sistemin tasarımı ve maliyetinden bahsetmişlerdir, sistemin kendisini yaklaşık 4,36 yılda amorti edeceği sonucuna varmışlardır. 4

14 Nuwayhid vd., (2003), makalesinde kış aylarında meydana gelen elektrik kesintileri için soba üzeri termoelektrik üreteci yardımıyla basit bir elektrik enerjisi kaynağı olabileceğini aydınlatma gibi sorunları çözebileceğine değinmiştir. Yaklaşık olarak elde ettiği güç 4W dır. Bass vd., (2001), makalesinde 550hp gücünde dizel kamyon motoru egzozuna monte ettiği 72 adet HZ-14 Termoelektrik modülü (9 u seri 8 paralel kol) ile yaklaşık 1 KW güç elde etmiştir. Termoelektrik modülün çıkış gücünün, motorun dönüş hızına (rpm) değil daha çok motorun yüküne (hp) bağlı olduğunu tespit etmiştir. Bu yayınlardan da görüleceği gibi termoelektrik enerji, pil ve akülerin şarj edilmesinde, aydınlatma elemanlarının çalıştırılmasında, araçlarda yakıt tasarrufu sağlanmasında kullanılmıştır. Termoelektrik enerjiyi özellikle ısının atıl durumda, geri dönüşümünün yapılmadığı durumlarda kullanımı ön plandadır. Sobalar, araç egzozları, doğal sıcak su kaynakları, gazlı su ısıtıcıları, güneş ışınlarının odaklanması gibi atıl ısının değerlendirilebileceği kaynaklar kullanılmıştır. 5

15 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Materyal Termoelektrik modül Termoelementler, elektriksel olarak seri, termal olarak paralel bağlanarak çeşitli amaçlar için farklı güçlerde termoelektrik modüller elde edilmektedir. Termoelektrik modüller, hareketli parçası olmayan küçük birer ısı pompasıdırlar. Termoelektrik modüller genelde alan sınırlamasının olduğu, güvenilirliğin önemli olduğu ve zararlı soğutucu gazların kullanılmasının istenmediği ortamlarda tercih edilirler. Termoelektrik soğutucu, DC gerilimle çalışmakla beraber akım yönünün değiştirilmesiyle soğutma veya ısıtma rejimine kolayca geçebilmektedir Soğutma, termoelektrik modülün bir yüzeyindeki ısının diğer yüzeye taşınmasıyla gerçekleşmektedir (Yavuz vd., 2006). Şekil 3.1. Termoelektrik modülün yapısı (Yavuz vd., 2006) Şekil 3.1. de görüldüğü gibi Termoelektrik modülün yapısında Elektriksel izolatör yüzeyler arasında P ve N yarı iletkenlerinin seri bağlantısı ile oluşturulmuştur. Elektronlar - kutuptan + kutuba doğru hareket ederler. Elektrik akımının yönü hareket eden yüklerin yönüne göre belirlenmiştir. Buna göre bir maddede elektronların hareket yönünü tersi elektrik akımının yönü olarak saptanmıştır. Bir 6

16 diğer ifade şekliyle elektron boşluklarının (delikler) hareket yönü elektrik akımının da yönü olarak kabul edilmiştir (Atalay, 2010). P tipi elemanda (Şekil 3.2); Elektrik akımı serbest delikler tarafından taşınır. Isı akış yönü, delik hareketiyle aynı yöndedir. N-tipi elemanla seri bağlanınca ısıyı ters yönde iletir. Şekil 3.2. P-tipi eleman çalışma şeması (Erşen, 2002) N tipi elemanda (Şekil 3.3.); Bol miktardaki serbest elektronlar hareket ederken, ısıyı da beraber taşırlar. Isı akış yönü, elektrik akımıyla aynı yöndedir. Şekil 3.3. N-tipi elemanın çalışma şeması (Erşen, 2002) 7

17 Şekil 3.2 ve Şekil 3.3 de görüldüğü gibi Isı akış yönü elektrik akımı ve delik hareketi ile aynı yöndedir. Şekil 3.4 de hem ısı akışını, hem de gerilimi artırmak için birden fazla eleman, birbirine seri bağlanır. Isı akışı aynı yönde kalmalıdır. Şekil 3.4. N-tipi elemanların seri bağlanması (Erşen, 2002) Bağlantı kolaylığı için P ve N tipi elemanlar Şekil 3.5. de görüldüğü gibi ardışık olarak bağlanmıştır. Elektrik akımı yukarı aşağı bağlantı yolunu izlerken, ısı akım yönü sürekli yukarı yöndedir. Şekil 3.5. P-N çifti ile ısı pompalanması (Erşen, 2002) Termoelektrik Modüllerin seri/paralel bağlantılarının uygun yükte çalıştırıldığında, Vo çıkış voltajı, Io çıkış akımı ve Po çıkış gücü olarak kabul edildiğinde; V 0 çıkış 8

18 gerilimi, denklem 3.1. de, I 0 çıkış akımı, denklem 3.2. de, P 0 çıkış gücü denklemi de 3.3. deki denklemlerle hesaplanır. V 0 N( Th Tc ) 1 2rL / L c (3.1) I 0 A( T T 2 ( L n)(1 2rL h c ) c / L) (3.2) P 0 2 NA 2 ( L n)(1 2rL c ( T / L) h T c ) 2 (3.3) Burada n 2 C /, r / C ve Termoelektrik malzeme Seebeck katsayısı (V/K), elektriksel direnç ( / cm ), C elektriksel temas direnci, N modüldeki termoelement sayısı, A termoelement kesit alanı (mm) 2, L termoelement uzunluğu, L C katman kalınlığı (mm), T h Sıcak yüzey sıcaklığı, T c Soğuk yüzey sıcaklığı, termoelement ısıl iletkenliği, C Temas yüzey ısıl iletkenliğidir (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006) Termoelement Termoelement, N ve P tipi yarıiletkenlerin, Şekil 3.6 de gösterildiği gibi, bir iletkenle (Bakır) elektriksel olarak seri bağlanmasıyla oluşur. N tipi yarıiletken termoelementin negatif, P tipi yarıiletkende termoelementin pozitif kolları olarak tanımlanır. Bir termoelementin çalışma prensibine bakıldığında, eğer termoelemente Şekil 3.6 deki gibi DC bir gerilim uygulanırsa, yük taşıyıcıları, enerji seviyesi düşük olan üstteki bakırdan yarı iletkene geçerler. Bakır ile yarıiletken arasında mevcut olan enerji duvarını aşmak için elektron ve delikler bakırın örgüsünden enerji sağlarlar. Böylece üstteki bakırın sıcaklığı düşecektir. Diğer taraftan, yüksek enerji seviyesinden düşük enerji seviyesine geçen yük taşıyıcıları sahip oldukları fazla enerjiyi alttaki iletkene aktararak alttaki bakırın ısınmasına neden olacaktır. Bu geçiş sırasında soğuyan yüzeyden ısı emilirken soğuk yüzeyin sıcaklığı düşecek, ısının 9

19 pompalandığı sıcak yüzeyin sıcaklığı ise artacaktır. Devreye uygulanan akımın yönü değiştirilirse soğuyan yüzey ısınır, ısınan yüzey soğur (Yavuz vd., 2006). Şekil 3.6. Termoelementin yapısı (Yavuz vd., 2006) Eğer çalışan bir termoelementin sıcak yüzeyinde açığa çıkan ısıyı herhangi bir ısı transfer sistemiyle çevreye yayarak T 1 sıcaklığı sabit tutulursa devreden geçen I akım şiddetine bağlı olarak soğuk yüzey sıcaklığı belli bir T 2 değerine kadar düşer. Bir termoelement üzerinden geçen akım şiddeti sabit tutulduğunda T 2 sıcaklığının değeri soğuk yüzeye gelen ve emilen Q y ısı yüküne bağlıdır. Bu ısı yükü çevreden ve sıcak levhadan soğuk levhaya ısı iletiminden dolayı gelen ve termoelement devresinden geçen akım şiddeti etkisi ile açığa çıkan Joule ısısından oluşur (Yavuz vd., 2006). Termoelementlerden oluşan bir modülün maksimum akım şiddetinin değeri termoelementin üretiminde kullanılan termoelektrik yarıiletkenlerin kalitesine, boyutlarına ve yapısal özelliklerine göre değişir Peltier element Termoelektrik bir modül olan Peltier Element ısı pompası olarak çalışmaktadır. Bu sebepten dolayı ısıtma ve soğutma için uygundur. Eğer modül doğru akım kaynağı ile beslenirse modülün sıcak yüzeyinden soğuk yüzeyine doğru bir ısı transferi olacaktır. Bunun tersine eğer modülün bir yüzeyi ısıya maruz kalırken diğer yüzeyi 10

20 soğuk tutulabilirse yani her iki yüzey arası sıcaklık farkı oluşturulursa, bu seferde terminallerinden doğru akım elde edilecektir. Yani modül iki durumlu çalışabilmektedir. Sıcaklık fark 73 C ulaşan modüller tek durumlu sıcaklık farkının 100 C ulaşabilen modüller ise iki durumludur. Şekil 3.7. de Peltier Element prensip çalıma şeması görülmektedir (Berber ve Küçükkömürler, 2007). Şekil 3.7. Peltier element çalışma şeması Şekil 3.8 de peltier modül yapısını gösteren şema incelendiğinde yanal plaka olarak metal kaplı seramik kullanıldığı görülmektedir. Böylece ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık ve mekanik mukavemet sağlanır. Çalışma esnasında sıcak yüzey genleşirken soğuk yüzey büzülür. Oluşan termal kökenli mekanik gerilim, kırılgan yapıya zarar verebilir. Modül boyutu küçük tutulur ve bu boyut 30 x 30 mm ile 56 x 56 mm arasındadır. Modülün yaklaşık olarak çalışma ömrü saattir ( ~ 20 yıl ). Sıcaklık farkı 70 C 220 C arasında olabilir. 11

21 Şekil 3.8. Peltier modül şeması Peltier elementin önemli özellikleri Peltier elementin özelliklerini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz. Hiçbir etki olmazsa ısı her zaman sıcaktan soğuğa akar. Elektrik gücünün yardımıyla Peltier element ısıyı soğuktan sıcağa aktarır. Kullanılan elektrik enerjisi sadece ısının bir Peltier tarafından diğer Peltier tarafına aktarılması için kullanılacaktır. Peltier elementin sıcak tarafındaki termal yönetim herhangi bir uygulama için tam belirleyici parametredir. Peltier elementin soğuk tarafından sıcak tarafına aktarılan ısı miktarı oradan tamamen alınmalı ve Peltier elementin aşırı ısınması engellenmelidir. Bileşenin termal iletkenliğinin ısı aktarımı, sıcaklığın katsayısını belirler. Geliştirme Mühendisi Peltier elementin sıcak ve soğuk tarafları arasındaki ısı transferi sırasında dikkatli olmalıdır. Yüksek ısı direnci verim kaybına neden olur. Peltier elementler uygulamalar için ayrı ayrı boyutlandırıldıysa, iki tarafındaki sıcaklık farkı, boyutlandırmanın büyüklüğü kadar küçülür. Isı aktarımı için istenen elektrik enerjisi çok daha fazlalaşmaya başlar. Doğru ayırıcı ile birlikte daha geniş boyutlar, daha geniş sıcaklık farkına bağlı olarak daha geniş bir ısı transferi oluşturabilir. Peltier elementin kullanım amaçları arasında; yeterince soğutma yapamayan soğutucuların daha verimli çalışmaları, çok güçlü bir soğutucu küçük bir bölgede 12

22 Elektrik akımının yön değiştirmesi için Peltier elementin soğuk ve sıcak taraf bağlantıları değiştirilmelidir. Peltier elementin kalitesini belirleyen etkenler arasında; izin verilen en yüksek sıcaklık, izin verilen sıcaklık devrinin sayısı, zorlama olmaksızın mekanik kurulum, yüzeyin düz ya da paralel değişimi ele alınabilir (Quick Cool, 2010) Termoelektrik etkiler İki farklı yarı iletken malzemelerin kimyasal yöntemlerle birbirine birleştirilerek, oluşturulan devre üzerinden elektrik akımı geçirilmesiyle meydana gelen farklı sıcaklıklarda devrede aynı anda üç çeşit termoelektrik etki oluşur. Bu üç etki, bu etkileri bulan araştırmacıların isimlerini taşır (Rowe ve Bhandari, 1983). Seebeck Peltier Thomson etkileridir Seebeck etkisi Birbirinden farklı iki yarı iletken malzemenin, birbirine seri olarak birleştirilmesi ile oluşturulan devrede; bileşenlerin farklı sıcaklıklarda tutulmasıyla elektrik gerilimi oluştuğu görülür. Bu gerilime seebeck voltajı denir. Şekil 3.9. dan görüldüğü gibi devreden ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır. t 1 sıcaklığının t 2 den yüksek olması halinde P tipi yarıiletkende pozitif, N tipi yarıiletkende negatif polarite oluşmaktadır. (Rowe ve Bhandari, 1983) 13

23 Şekil 3.9. Seebeck voltajının ölçümü (Rowe ve Bhandri, 1983) Şekil 3.9. da iki farklı yarı iletken malzemeden oluşturulan devrede ölçülen voltaj denklem 3.4 de verilmiştir. Denklem 3.5 de yüzeyler arası sıcaklık farkı ( T ) ve denklem 3.6 da devrenin seebeck katsayı hesaplaması verilmiştir. V T (3.4) T T 2 T1 (3.5) 2 1 (3.6) nın değeri devreyi oluşturan malzemelerin özelliklerine bağlıdır. Örneğin bakır konstantan dan yapılan bir termokupl için α = 40 µv/ C dir. Yani her 1 C sıcaklık farkı için 40 µv luk voltaj üretir. α nın değeri 100 µv/ C dan büyük olan yarı iletkenlere, termoelektrik yarıiletkenler denir. N tipi yarıiletken için α değeri negatif, P tipi yarıiletken için α değeri ise pozitiftir. Meydana gelen seebeck etki yarı iletkenlerde jeneratör gibi, metallerde ise termokupl veya ısı sensörü gibi kullanılır (Rowe ve Bhandari, 1983). 14

24 Çizelge 3.1. Bazı maddelerin seebeck katsayıları (Efunda, 2010) Madde Seebeck Madde Seebeck Madde Seebeck Katsayısı Katsayısı Katsayısı Alüminyum 3,5 Altın 6,5 Germanyum 300 Antimon 47 Demir 19 Potasyum -9 Bizmut -72 Kurşun 4 Selenyum 900 Kadmiyum 7,5 Cıva 0,6 Silikon 440 Karbon 3 Nikrom 25 Sodyum -2 Konstantan -35 Platin 0 Tellür 500 Seebeck katsayısının çıkış gerilimi ile doğru orantılı olduğu denklem 3.4. de görülmektedir. Çizelge 3.1. de verilen Seebeck katsayıları büyük olan maddelerden yapılan termoelementlerin daha yüksek çıkış gerilimi sağlayacağı anlaşılmaktadır Peltier etkisi 1834 yılında Fransız fizikçi Jean Charles Athanasa Peltier tarafından iki farklı yarıiletken malzeme üzerinden DC akım geçirilmesi ile akımın hareket ettiği yönde ısı hareketi oluşmasıyla keşfedilmiştir. Bu olaya Peltier etkisi denilmektedir. Birleştirilen iki farkı yarıiletken malzemeden oluşturulan devre üzerinden doğru akım geçtiğinde, Jolue ısısı ile birlikte birleşme noktasından ısı emilirken, diğer birleşme noktasından ısı açığa çıkmaktadır. Denklem 3.7. den anlaşılacağı gibi açığa çıkan ısı miktarı, devreden geçirilen doğru akımla doğru orantılıdır Qp: Peltier ısısı (Watt), π: Peltier sabiti (Volt), I: Devreden geçen akım(amper) ifade etmektedir. denklem 3.8. de α: Seebeck katsayısı (Volt/K), T: Sıcaklık gradyenini ifade etmektedir. (Lau ve Buist, 1997). Q I (3.7) P T (3.8) Dışarıdan verilen elektriksel güç, elektronların sistem içinde hareket etmeleri için gerekli enerjiyi sağlamakta ve böylece hareketlenen elektronlar değişen enerji 15

25 düzeyleri arasında ilerlerken ısı transfer etmekte, başka bir deyişle ısı taşımaktadır. Dışardan verilen elektriksel güç arttırılırsa, hareketli elektron sayısı da artacağından soğuk yüzey ile sıcak yüzey arasındaki ısı transfer miktarı da artacaktır. Eğer akım yönü ters çevrilirse, bu işlem tersine işleyecek ve sıcak yüzeyle, soğuk yüzey kendi arasında yer değiştirecektir. Joule etkisi ve Fourier Etkisi den dolayı soğuk yüzey ile sıcak yüzey arasındaki sıcaklık değişimi aynı oranda olmamaktadır. Devre kararlı hale geldiğinde soğuk yüzeyden soğurabilen ısı miktarı denklem 3.9. da ifade edilmiştir. Q T I (3.9) P Buna ters yöndeki istenmeyen ısı kazançları denklem daki eşitlikle bulunur. Buradaki R, K ve T denklem 3.11, denklem, 3.12 ve denklem 3.13 de verilmiştir. (Lau ve Buist, 1997). Q= α T H I 21 I 2 R + K T (3.10) R=R 1 +R 2 (3.11) K=K 1 +K 2 (3.12) T= T H - T C (3.13) Burada kullanılan yarıiletken malzemelerin elektriksel direnci denklem 3.14 ve denklem 3.15 deki formüller ile hesaplanır. R 1 L A 1 1 (3.14) 1 R 2 L A 2 2 (3.15) 2 Kullanılan yarıiletken ısıl iletkenliği ise denklem 3.16 ve denklem 3.17 deki formüller ile hesaplanır. 16

26 K 1 A L 1 1 (3.16) 1 K 2 A L 2 2 (3.17) 2 Şekil da görüldüğü gibi akımın yönüne göre birleşme noktalarının birinde ısınma, diğerinde de soğuma meydana gelmektedir (Lau ve Buist, 1997). Şekil Peltier devresi (Usta ve Kırmacı, 2002) Thomson etkisi 1856 yılında bulunan Thomson etkisi söyle açıklanabilir. Akım taşıyan bir iletkenin uçları arasında sıcaklık farkı varsa akım yönüne göre Jolue ısısına ek olarak Thomson ısısı açığa çıkmaktadır. Thomson ısısı akım şiddeti, sıcaklık farkı ve zaman doğru orantılıdır (Rowe ve Bhandari, 1983). Ortaya çıkan Thomson ısısı; QT= ι T I (3.18) 17

27 QT: Thomson ısısı ( W ), T: İletkenin uçları arasındaki sıcaklık farkı ( C ), I : İletken üzerinden geçen akım şiddeti ( A ), ι : Thomson katsayısı ( V / C) dır Araç üzerinde şarj Araç üzerindeki şarj; alternatör ve regülâtörden meydana gelen şarj sistemi ile yapılır. Araç üzerindeki şarj işlemi, sabit voltajla yapılan işlemdir. Şarj voltaj değeri 13,8 volt ile 14,2 volt değerleri arasında olmalıdır. Şarj akımı akü kapasitesinin 1/10 ile 1/20 si arasında seçilir. Örnek olarak kapasitesi 60 Ah olan aküde şarj akımı 3 6 amper arasında olmalıdır (MEGEP, 2010) Yöntem Deney düzeneği Bu çalışmada 2000W ısıtıcı yardımıyla laboratuar ve 1994 model 2000 cc 72Hp Ford Taunus motor egzoz çıkışına 50mm x 60mm DKP saç profil üzerine modüller bağlanarak oluşturulan iki farklı deney, ölçüm düzeneğinde gerçekleştirilmiştir. Şekil de laboratuarda yapılan birinci deney düzeneği görülmektedir. 2000W ısıtıcı Voltmetre Sıcaklık ölçer Ampermetre Isınacak Alüminyum metal Peltier modül Bakır Soğutucu ve Fan Şekil Birinci deney düzeneği 18

28 Şekil den görüldüğü gibi birinci deney düzeneği ısınacak alüminyum, termoelektrik modül, bakır soğutucu ve fanı, 2000W ısıtıcı, yük dirençleri, ampermetre, voltmetre, sıcaklık ölçerden oluşmaktadır. Birinci deney düzeneğinde peltier modülünün ısınması gereken yüzeyine bir alüminyum metal konularak ısıtılmış, soğuması gereken yüzeyde ise bakır soğutucu ile 12Vgerilim ve 0,15A akım ile çalışan işlemci soğutucusu fanı kullanılmıştır. Bu fanı çalıştırmak için simetrik güç kaynağı gereksiniminden dolayı ayrı bir bilgisayar güç kaynağı kullanılmıştır. Sıcak ve soğuk yüzeylerin ısı iletkenliğini arttırmak için her iki yüzeye de ısı iletken macun uygulanmıştır. Birinci deney düzeneğinde TEP ve TMG modüllerinin değişen sıcaklığa göre farklı yük dirençlerindeki gerilim, akım ve güç değerleri ölçülerek izlenmiştir. Şekil de Isparta Merkez Endüstri Meslek Lisesi Motor Teknolojisi Alanı laboratuarında kurularak gerçekleştirilen ikinci deney düzeneği görülmektedir. Deney düzeneği; 1994 model 2000 cc 72Hp Ford Taunus motor, DKP saç profil, sıcaklık ölçer, bakır soğutucu ve fan, peltier modül, güç kaynağı, avometre ve yük dirençlerinden oluşmaktadır. Soğutma için 12Vgerilim ve 0,15A akım ile çalışan işlemci soğutucusu ve fanı kullanılmıştır. Bu fanı çalıştırmak için simetrik güç kaynağı gereksiniminden dolayı ayrı bir bilgisayar güç kaynağı kullanılmıştır Peltier modülün sıcak ve soğuk yüzeylerindeki ısı iletkenliğini arttırmak için her iki yüzeye de ısıl iletken macun uygulanmıştır 19

29 Motor Egzoz çıkışı Avometre Güç Kaynağı Bakır soğutucu ve Fan Peltier modül DKP saç profil Isı farkı ölçer Şekil İkinci deney düzeneği İkinci deney düzeneğinde TEG ve TEP modüllerinin değişen sıcaklığa göre farklı yük dirençlerindeki gerilim, akım ve güç değerleri ölçülerek izlenmiştir. DKP saç profil Peltier terminalleri Alüminyum soğutucu Şekil TEP peltier modül montaj düzeneği Şekil 3.13 de bağlantı resmi görülen TEP modülünün ikinci deney düzeneğinde yapılan ölçümlerde, birbirine paralel bağlı iki kolda beş grup seri bağlı modüllerden toplam on adet peltier modül kullanılmıştır. Soğutma için alüminyum soğutucu üzerine 12V gerilim ve 0,14A akım ile çalışan bilgisayar kasası soğutma 20

30 fanlarından altı adet kullanılmıştır. Şekil 3.13 de görüleceği gibi beş adet peltier modül DKP profilin altında, beş adet peltier modül üzerinde konumlandırılmış, her iki yüzeylerine de ısıl iletken macun uygulanmıştır Ölçüm sistemi Şekil ve de deney düzeneklerinin ölçüm sistemlerinin prensip şeması görülmektedir. Şekil Birinci deney düzeneği ölçüm sistemi prensip şeması 21

31 Şekil İkinci deney düzeneği ölçüm sistemi prensip şeması Bu çalışmada akım ve gerilim ölçümleri için iki adet Avometre, sıcaklık ölçümleri için bir adet Omega DP26-TC sıcaklık ölçer ve bir adet kızılötesi sıcaklık ölçer kullanılmıştır. Yük olarak 5W gücünde 0.5 Ω, 1 Ω, 2.2 Ω, 3.3Ω, 3.9Ω, 4.7Ω, 10Ω değerlerinde taş dirençler kullanılmıştır. 22

32 4. ARAŞTIRMA BULGULARI Bu bölümde Termoelektrik modüllerin araç egzoz gazında oluşan ısıdan faydalanarak termoelektrik enerji üretimine yönelik hazırlanan araştırma sisteminin donanımsal ve teknik detayları verilerek, elde edilen sonuçlar sunulmaktadır Çalışmada Kullanılan Termoelektrik Modüllerin Özellikleri Bu çalışmada TEG , TMG ve TEP olmak üzere üç farklı peltier modülü kullanılmış ve başarım değerleri alınmıştır. a) TEG modülü TEG modülün sıcaklığa bağlı iç direncinin değişim grafiği Şekil 4.1. de ve ısı farkına bağlı gerilim ve güç değişim grafiği Şekil 4.2. de görülmektedir. Şekil 4.1. TEG iç direnç sıcaklık grafiği (TEG, 2010) Sıcaklığın 50 C ile 230 C arasındaki değişikliğinde R i iç direnci 0,7Ω ile 1,2Ω arasında değiştiği görülmektedir. 23

33 16 14 Sıcaklık Farkına Bağlı Gerilim - Güç Eğrileri Güç Watt 12 Gerilim - Güç Gerilim Volt Sıcaklık Farkı C Şekil 4.2. TEG modül karakteristik eğrisi (TEG, 2010) Sıcaklık farkının 110 C ile 210 C arasındaki artan değerlerinde gerilim ve güç eğrilerinin de arttığı Şekil 4.2. de görülmektedir. Çizelge 4.1 de Farklı sıcaklık ve yük dirençlerinde elde edilen çıkış gerilim ve güç değerleri verilmiştir. Çizelge 4.1. TEG modülün karakteristik değerleri (TEG, 2010) Sıcaklık Farkı ( C derece) Yük Direnci (Ohm) Çıkış Gerilimi (Volt) Çıkış Gücü (Watt) ,3 5, ,7 7, , , , ,4 15,6 24

34 Çizelge 4.2. TEG modülün karakteristik özellikleri (TEG, 2010) Boyut: 56mmx56mm Yüksüz Gerilim: 8,4 V İç Direnç: 1,2 Ω Uygun yükte çıkış gerilimi: 4,2V Uygun yükte çıkış akımı: 3,4A Uygun yükte çıkış gücü: 14,1W Yaklaşık modüle Isı Akışı 320 watts Isı Akışı 10watts/cm 2 Sıcak Yüzey = +250 C Soğuk Yüzey =+50 C Sıcaklık Farkı = +200 C Çizelge 4.2. deki modülün karakteristik özelliklerini incelendiğinde 210 C sıcaklık farkında en çok 4,2V gerilim ve 3,5A akım sağladığı görülmektedir. Bu değerler sıcaklık farkının 210 C olduğundaki değerleridir. dört modülün seri bağlantısı ile 4,2x4=16,8V ve 3,5A elde edilebileceği görülmektedir ancak araç üzerinde sürekli 210 C lik ısı farkı elde edilemeyeceğinden Çizelge 4.2. deki grafikten görüldüğü gibi sıcaklık farkının 120 C olduğunda 2,7V gerilim ve 2,6A akım sağlayabilmektedir. Altı modülün seri bağlantısı ile 2,7x6=16,2V şarj gerilimini, buna paralel bir altı modül bağlantısı ile 2,6x2=5,2A şarj akımı elde edilebilmektedir. DC-DC dönüştürücünün de kullanılmasıyla oniki modülün seri/paralel bağlantısı ile 12V-60Ah lik bir araç aküsünün ideal şarj akımı elde edilebilmektedir. b) TMG modülü Çizelge 4.3. TMG modülün karakteristik özellikleri (Sctbnord, 2010) Boyut 54,4mm x 57mm Yüksüz Gerilim 23,4 V Uygun yükte gerilim 11,7 V Yük Direnci 20 Ω Uygun yükte çıkış gücü 6,8W İç direnç 20 Ω Sıcak Yüzey = +175 C Soğuk Yüzey =+50 C Sıcaklık Farkı = +125 C 25

35 Şekil 4.3. TMG modülün karakteristik eğrisi (Sctbnord, 2010) Çizelge 4.3 de TMG modülünün karakteristik özellikleri ve Şekil 4.3 de yük direncine göre gerilim, akım, ve güç eğrileri görülmektedir. Termoelektrik modülün iç direnci 20Ω olduğundan yük direncinin değeri bu değere kadar artarken, güç eğrisinin de arttığını bu değerden sonra azaldığı görülmektedir. İç dirençten daha büyük bir yük bağlandığında ise akımın düşmesiyle çıkış gücünde de azalma gözlemlenmektedir. Bu değerler göz önünde bulundurularak maksimum güç transferinde 11,7V gerilim, 0,581A akım ve 6,8W güç elde edilmektedir. 60Ah lik bir araç aküsü şarj edebilmek için On adet paralel bağlı iki grup modülün seri bağlanması ile toplam yirmi modülden 23,4V gerilim ve 5,81A akım elde edilebilmektedir. 26

36 c) TEP modülü Çizelge 4.4. te TEP modülünün karakteristik özellikleri ve Şekil 4.4. de yük direnci değişimine göre gerilim, akım ve güç eğrileri görülmektedir. Çizelge 4.4. TEP modülün karakteristik özellikleri (Sitechina,2010) Boyut: 40mmx40mm Yüksüz Gerilim: 8,6 V İç Direnç: 3 Ω Uygun yükte çıkış gerilimi: 4,2V Uygun yükte çıkış akımı: 1,4A Uygun yükte çıkış gücü: 5,9W Yaklaşık modüle Isı Akışı 140 watts Isı Akışı 8,8watts/cm 2 Sıcak Yüzey = +230 C Soğuk Yüzey =+50 C Sıcaklık Farkı = +180 C Gerilim (V) - Akım (A) -Güç (W) Gerilim - Akım Güç - Yük direnci grafiği Gerilim Güç Akım ( t=130 C) Yük Direnci (ohm) 10 Şekil 4.4. TEP modülün karakteristik eğrisi (Sitechina,2010) 27

37 Çizelge 4.5. de detayları verilen grafiğe göre en fazla 3,21V gerilim, 1,15A akım ve 3,7W güç elde edildiği görülmektedir. 60Ah lik bir araç aküsünü şarj etmek için seri bağlı beş grup modülün beş kol paralel bağlantısından toplam yirmibeş adet modülden 16,05V gerilim ve 5,75A akım sağlamaktadır. Çizelge 4.5. TEP modülün karakteristik değerleri (Sitechina,2010) Sıcaklık Farkı t=130 C Yük Direnci(Ohm) Çıkış Gerilimi(V) Çıkış Akımı(A) Çıkış Gücü(Watt) 0,9 1,44 1,60 2,3 1,4 2,04 1,46 3,0 1,8 2,53 1,4 3,5 2,3 2,88 1,25 3,6 2,6 3,08 1,18 3,65 2,8 3,21 1,15 3,7 3,0 3,28 1,09 3,6 3,2 3,40 1,06 3,6 3,6 3,55 0,99 3,5 3,8 3,61 0,95 3,43 4,4 3,85 0,88 3,4 5,0 4,01 0,80 3,2 5,6 4,19 0,75 3,14 6,4 4,43 0,69 3,06 8,4 4,7 0,56 2, ,94 0,49 2, Deneysel Bulgular a) Birinci deney düzeneğinde TEP modülü bulguları Şekil 4.5 de t=200 C deki R y nin 1Ω 10Ω arasındaki kademeli değişimlerinde gerilimin 0,7V ile 3,48V arasında, akımın 1,3A ile 0,3A arasında ve gücün 0,94W ile 1,91W arasında değiştiği görülmektedir. Deneyde kullanılan peltier modülün iç direnci 5Ω olarak ölçülmüştür. 28

38 3.5 Yükte Gerilim - Akım - Güç eğirleri Gerilim (V) Akım (A) Güç(W) Gerilim Güç Akım ( t=200 C) Yük Direnci Şekil 4.5. TEP modülü ölçüm grafiği Çizelge 4.6. TEP modülü birinci.deney düzeneği ölçüm değerleri ( t=200 C) Yük Direnci (ohm) Gerilim (V) Akım (A) Güç (W) 0,5 0,7 1,355 0,94 1 1,16 1,157 1,34 2,2 1,92 0,872 1,67 3,3 2,33 0,722 1,68 3,9 2,44 0,633 1,54 4,7 3 0,637 1, ,48 0,349 1,21 Çizelge 4.6. den görüldüğü gibi t=200 C ulaştığında 5Ω yük direnci ile tek modülden maksimum 1,91W güç elde edildiğine göre 10 adet bağlantısından 19,1W elde edilebilecektir. Ancak bu değerlerle 60Ah kapasiteli bir araç aküsünü şarj edebilmek için beş grup seri bağlı modülün sekiz paralel kol bağlantısı ile toplam kırk adet peltier modülden araç aküsünü şarj edebilecek 15V gerilim ve 5,1A akım elde edilebilecektir. 29

39 b) Birinci deney düzeneğinde TMG modülü bulguları Şekil 4.6 da modül yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkının 22 C den 200 C ye kadar artan değerlerinde R y nin 21Ω da sabit tutularak gerilimin 1,28V ile 8,97V arasında, akımın 0,059A ile 0,417A arasında ve gücün 0,76W ile 3,742W arasında değiştiği görülmektedir. Deneyde kullanılan peltier modülün iç direnci 21Ω olarak ölçülmüştür. Çıkış Gerilimi (V)- Güç (W) Çıkış Gerilimi - Güç - Sıcaklık farkı eğrileri Yüksüz Çıkış Gerilimi Yükte Çıkış Gerilimi (R=21,5 ohm) Çıkış Gücü Sıcaklık Farkı C Şekil 4.6. TMG modülü ölçüm grafiği Çizelge 4.7. TMG modül çıkış gerilimi sıcaklık farkı değerleri Sıcaklık Farkı C Çıkış Gerilimi (Yüksüz) Volt Çıkış Gerilimi (R=21 ohm da) Volt Çıkış Akımı (R=21 ohm da) Amper Çıkış Gücü Watt 22,0 2,68 1,28 0,0595 0,076 33,0 3,86 2,04 0,0948 0,193 42,1 5,23 2,53 0,117 0,297 50,3 6,36 3,01 0,140 0,421 30

40 Çizelge 4.7. (devam) 60,4 8,13 3,56 0,165 0,589 72,1 9,14 4,24 0,197 0,836 79,2 9,82 4,61 0,214 0,988 91,4 10,87 5,29 0,246 1,301 99,1 11,61 5,76 0,267 1, ,0 12,93 6,23 0,289 1, ,2 13,35 6,57 0,305 2, ,4 14,39 6,80 0,316 2, ,1 15,20 7,06 0,328 2, ,8 15,95 7,54 0,350 2, ,0 16,76 7,78 0,361 2, ,6 17,03 8,14 0,378 3, ,2 17,64 8,41 0,391 3, ,0 18,3 8,61 0,400 3, ,2 18,76 8,71 0,405 3, ,0 19,03 8,97 0,417 3,742 Şekil 4.6 ve Çizelge 4.7 de görüldüğü gibi yük direnci olarak TMG peltier modül iç direncine eşit bir direnç bağlanarak ölçümler kaydedilmiştir. Maksimum 3,72W güç elde edilmiştir. Araç üzerinde ortalama sıcaklık farkının 144,8 C olduğunda bir modülden 7,54V gerilim ve 0,35A akım elde edildiğine göre araç akü şarjı için seri bağlı iki grup modülün, ondört paralel kol bağlantısı ile toplam yirmisekiz adet modül kullanılarak 15,8V gerilim ve 4,9A akım elde edilir. c) İkinci deney düzeneğinde TEG modülü bulguları İkinci deney düzeneğinde bir adet TEG modülü ile yapılan deney sonuçları Şekil 4.7 de görüldüğü gibi t=180 C deki R y nin 0,5Ω 10Ω arasındaki kademeli değişimlerinde gerilimin 0,66V ile 2,5V arasında, akımın 1,365A ile 0,254A arasında ve gücün 0,9W ile 1,319W arasında değiştiği görülmektedir. Deneyde kullanılan peltier modülün iç direnci 4Ω olarak ölçülmüştür. 31

41 2.5 Gerilim Akım Güç - Yük Direnci Eğrileri Gerilim Gerilim(V) - Akım(A) - Güç(W) Güç Akım t=180 C Yük Direnci (ohm) Şekil 4.7. TEG modülü ölçüm grafiği Şekil 4.2. deki karakteristik eğrileri, görüldüğü gibi TEG peltier modülünün ölçüm değerlerinden çok yüksektir. Yapılan ölçümlerde ortalama 1Watt güç elde edilmektedir. En fazla 1,53V gerilim ve 0,776A akım sağladığı göz önüne alınarak 60Ah gücünde bir araç akümülatörünün şarjı için seri bağlı on grup modülün sekiz paralel kol bağlantısı ile toplam seksen adet peltier modülden 15,3V gerilim ve 4,872A akım elde edilir. Çizelge 4.8. TEG modülü Gerilim, Akım, Güç Değerleri Yük Direnci (ohm) Gerilim (V) Akım(A) Güç(W) 0,5 0,66 1,365 0, ,08 1,043 1,126 2,2 1,53 0,696 1,064 3,3 1,86 0,565 1,050 4,7 2,19 0,462 1, ,5 0,254 0,635 32

42 Çizelge 4.8. den de görüldüğü gibi maksimum 1,3W güç elde edilmektedir. d) İkinci deney düzeneğinde TEP modülü bulguları Bu deney düzeneğinde on adet TEP modülün seri bağlı beş modül grubun iki kol paralel bağlantısı ile gerçekleştirilen deney ölçüm sonuçları Şekil 4.8. de görüldüğü gibi Sıcaklık farkının ortalama 100 C deki R y nin 0,5Ω 10Ω arasındaki kademeli değişimlerinde gerilimin 0,47V ile 5,6V arasında, akımın 0,95A ile 0,56A arasında ve gücün 0,446W ile 3,136W arasında değiştiği görülmektedir. 6 5 Yükte Gerilim - Akım - Güç Değerleri Gerilim Gerilim - Akım - Güç Güç 1 Akım (Ort. t=100 C) Yük Direnci 10 Şekil 4.8. TEP modülü ölçüm grafiği Şekil 4.8. de görülen değerlerin, karakteristik eğrisinden daha düşük değerlerde olmasının en temel sebebi sıcaklık farkının yeterince yükseltilememesidir. Deney düzeneğinde egzoz çıkışına bağlanan DKP profilin ucu açık olduğundan ısı kaybı yaşanmaktadır. Çizelge 4.9. dan da görüldüğü gibi maksimum 3,136W güç elde edilmiştir. 33

43 Çizelge 4.9. TEP modülü ikinci deney düzeneği ölçüm değerleri Sıcaklık Farkı ( C) Yük Direnci (Ω) Akım (A) Gerilim (V) Güç (W) 96 0,5 0,95 0,47 0, ,94 0,98 0, ,2 0,85 1,86 1, ,3 0,8 2,59 2, ,9 0,76 2,94 2, ,7 0,73 3,4 2, ,56 5,6 3,136 Bu deneyde modülün sıcak yüzeyi 2000W gücünde ısıtıcı ile 260 C ye kadar ısıtılarak motor egzoz çıkışında yapılan deneyden daha yüksek sonuçlar elde edilmiştir. 34

44 5. TARTIŞMA VE SONUÇ Bu yüksek lisans tezinde araç egzoz gazında oluşan ısı kullanılarak çalıştırılan Termoelektrik sistemin deneysel incelemeleri yapılarak araç üzerinde bu enerjinin tekrar kullanılabilirliği araştırılmıştır. Laboratuar ortamında yapılan deneyler sonucunda bir TEP modülünün 200 C sıcaklık farkında en fazla 3V gerilim, 0,637A akım ve 1,91W güç ürettiği, bir TMG modülünün 200 C sıcaklık farkında en fazla 8,97V gerilim, 0,417A akım ve 3,742W güç ürettiği gözlemlenmiştir. Motor egzoz çıkışına bağlanan DKP profil üzerinde yapılan deneyler sonucunda bir TEG modülünün 180 C sıcaklık farkında en fazla 1,7V gerilim, 0,776A akım ve 1,319W güç ürettiği, on adet TEP modülün seri bağlı beş modül grubun iki kol paralel bağlantısı ile ortalama 100 C sıcaklık farkına ulaşılmış ve en fazla 5,6V gerilim, 0,56A akım ve 3,136W güç ürettiği gözlemlenmiştir. Buna bağlı olarak yukarıda belirtilen modüllerin karakteristik değerleri ve ölçüm değerlerine bağlı olarak araç üzerindeki 12V - 60Ah lik bir akümülatörü şarj edebilmesi için gereken modül sayıları ve maliyet bilgileri Çizelge5.1. de verilmiştir Çizelge 5.1.Araç akü şarjı için gerekli modül sayıları ve maliyetleri Karakteristik Özelliklerine Ölçüm Değerlerine Göre Modül Göre Modül Sayısı Maliyet Modül Sayısı Maliyet TEP Euro Euro TMG Euro Euro TEG Euro Euro Araç üzerinde bulunan aydınlatma elemanlarının tüketim değerleri daha düşük olduğundan daha az sayıda modül ile aydınlatma ihtiyacı karşılanabilmektedir. Çizelge 5.2. de araç üzerindeki aydınlatma elemanları güç değerleri verilmiştir. Buna göre gösterge lambaları, plaka, tepe, park ve iç lambaların birkaç modül bağlantısı ile sağlanabilmektedir. 35

45 Çizelge 5.2. Araç üzerindeki aydınlatma elemanları güç değerleri (MEGEP, 2010) Yük Gösterge Lambaları Plaka, tepe, park, iç lambaları Geri vites, sinyal, fren lambaları Güç 0,5 1,5 Watt 3 5 Watt Watt 36

46 KAYNAKLAR Atalay T Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Elektrik-2 Ders Notları. k)/elektrik%202.ppt Erişim Tarihi: Bass J.C., Kushch A.S., Elsner N.B Thermoelectric Generator (TEG) for Heavy Diesel Trucks. Erişim Tarihi: Berber, F.S., Küçükkömürler, A., Kendinden Termal Elektik Kaynaklı Mikroişlemci Soğutma Sistemi. UMES07 Sempozyumu Bildiri Kitabı , Kocaeli. Bildirmen, Yinelenebilir Enerji Kaynakları. yazi/yenilenebilir-enerji-kaynaklari/ Erişim Tarihi: Eakburanawat, J., Boonyaroonate I., Development of a Thermoelectric Battery-Charger with Microcontroller-based Maximum Power Point Tracking Technique. Applied Energy, 83(7), Efunda, Thermoelectric Sensivity. /sensors/thermocouples/thmcple_theory.cfm. Erişim Tarihi: Erşen A.K Termoelektrik Soğutucular. Erişim Tarihi: Euroactiv, AB Yenilenebilir Enerji politikası. Erişim Tarihi: Kayabaşı R., Jeotermal Enerji Kullanılarak Termoelektrik Jeneratör İle Elektrik Üretimi. Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 51 sayfa, Karabük. Lau, P.G., Buist, R.J., Calculation Of Thermoelectric Power Generation Performance Usingfinite Element Analysis. Proceedings of the XVI International Conference on Thermoelectrics, Maneewan S., Hirunlabh J.,Khedari J.,Zeghmati B.,Teekasap S., Heat gain reduction by means of thermoelectric roof solar collector, Solar Energy,78, MEGEP, Motorlu Araçlar Teknolojisi Akü ve Otomotiv Elektrik Tesisatı. Erişim Tarihi: