Termoelektrik Atık Isı Jeneratör Tasarımı

Transkript

1 EEB 016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, Mayıs 016, okat ÜRKİYE ermoelektrik Atık Isı Jeneratör asarımı A.akan YAVUZ 1 Oğuzhan SÖNMEZ Oktay AI 3 1 Gaziosmanpaşa Ünv., Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fak., Elektrik Elektronik Müh. Bölümü Gaziosmanpaşa Ünv., Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fak., Mekatronik Müh. Bölümü 3 Gaziosmanpaşa Ünv., Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fak., Mekatronik Mühendisliği Bölümü 1 hakan.yavuz@gop.edu.tr oguzhan.sonmez@gop.edu.tr 3 tatlioktay60@gmail.com Özet Bu çalışmada atık ısısnın doğrudan elektrik enerjise çevrilerek değerlendirilmesi amacıyla termoelektrik atık ısı jeneratör tasarımı yapıldı ve laboratuvar ortamında test edildi. 1 adet modül kullanılarak tasarlanan jeneratörle 6,6 W güç elde edildi. 0,19 m lik bir alana sahip olan jeneratör ile 57,1 Ω yük direnci bağlandığında maksimum güç transferi elde edildi. Modüler bir yapıya sahip olan jerneratör ile verimleri düşük olmasına rağmen atık ısının geri kazanımı açısından termoelektriğ en önemli alternatif olduğu görüldü. 1. Giriş Endüstriyel alanlarda, başta çimento sektörü olmak üzere, demir-çelik ve cam sanayi gibi, ısıtmanın söz konusu olduğu proseslerde, genellikle üretilen ısının ancak belli bir bölümü, proses gerçekleşmesi iç kullanılabilmektedir. Kalan bölüm ise, değişik yollarla ve çoğunlukla da baca gazları vasıtasıyla atılmaktadır. Waste eat Recovery sistemi ile, atmosfere atılan bu sıcak gazlar kullanılmak suretiyle elektrik enerjisi üretimi mümkün olmaktadır. Böylece, hem doğaya atılan ısı kullanılarak elektrik üretilip ekonomik fayda tem edilmekte hem de çevre duyarlılığı açısından önemli katkı sağlanmaktadır. Atık ısı endüstriyel anlamda olduğu kadar san faaliyetleri neticesde de oluşmaktadır. Isınma ve barınma gibi gündelik faaliyetler neticesde atık ısılar meydana gelmektedir. Enerji verimliliği açısından bu ısıların değerlendirilmesi önemlidir. ermoelektrik Jeneratörler (EJ giriş kaynağı olarak, atık ısı kullandığı iç elektrik üretimde tamamen çevre dostudur ve enerj verimli kullanılmasına olanak sağlarlar [1]. EJ lerden elektrik enerjisi üretimi Seebeck etkiye dayanır. EJ yüzeyleri arasında ne kadar yüksek sıcaklık farkı olursa o oranda elektrik enerjisi üretimi artar. Bu sıcaklık farkı kullanılan kaynağa göre değişkenlik gösterdiğden sabit gerilim elde edebilmek amacıyla gerilim düzenlemese ihtiyaç duyarlar []. EJ ler dezavantajları arasında; diğer yenilenebilir enerji teknolojileriyle karşılaştırıldığında, EJ lerde kullanılan yarıiletkenler kalite faktörünün küçüklüğü ve buna bağlı olan çevrim verimliliğ %10 dan düşük düzeyde olmasıdır [3]. Son yıllara kadar, E uygulamalar EM ler üretimde kullanılan yarıiletkenler Z değerler 1 den küçük olmasından dolayı sınırlı iken, 1990 ların başlarından itibaren, Z ler 1 den değerlere yaklaşmasıyla ilgili raporlar yayınlanmıştır. Buna bağlı olarak, EM uygulamaları hızla artmış ve artacağı da anlaşılmıştır [4]. Fakat bu dezavantajının yanında, E enerji üretim sistemlerde kullanılan ısı kaynağının atık, jeotermal ve güneş enerjisi ısıları gibi, yenilenebilir olduğu düşünüldüğünde bu çevrim sistemlerdeki verimliliğ göz ardı edilebileceği görülmektedir [5]. EJ verim düşük olmasına karşın, enerji giriş kaynağının yenilenebilir olması bu sistemler ekonomikliği arttırmaktadır ve uygulamalar bunu göstermiştir. Son yıllarda, EJ lerle elektrik enerjisi üretimi üzere yapılan çalışmalar endüstriyel fabrikalar, jeotermal alanlar, otomobil motorları, tümleşik devreler, bilgisayarlar ve san vücudundan atılan atık ısıların geri kazanımı üzere odaklanmıştır [6]. Dünyada enerji ihtiyacının devamlı artış gösterdiği, hali hazırda kullanılan enerji kaynakları nedeniyle çevre kaygıları devam ettiği müddetçe ve enerj verimli kullanımı dikkate alındığı sürece yenilenebilir enerji kaynaklarından olan EJ lere ihtiyaç sürekli olacak ve sıcak araştırma konuları arasında yer almayı sürdürecektir. Bu çalışmada odun sobalarında kullanılmak üzere 1 adet termoelektrik modül kullanılarak bir jeneratör tasarlandı. 300 C ye kadar sıcak yüzey sıcaklığına dayanabilen modüller kullanıldı. Deneysel olarak yapılan çalışmada elektirikli ısıstıcı kullanılarak sıcak yüzey ısıtıldı ve su soğutmalı bir devir daim sistemi ile soğuk yüzey soğutuldu. EJ çıkışına değişik yükler bağlanarak sıcaklıklar, akımlar ve gerilimler ölçülerek kaydedildi.. ermoelektik Jeneratörler.1. ermoelektrik Modül ermoelektrik modüller (EM temelde elektriksel 366

2 EEB 016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, Mayıs 016, okat ÜRKİYE yönden seri, termal yönden paralel bağlantılı n ve p tipi yarıiletkenler oluşturduğu termoelementler yer almaktadır. ermoelementler seramik iki plaka arasına ye aynı şekilde elektriksel yönden seri, termal yönden paralel olacak şekilde paketlenmişlerdir. Şekil 1 de temel yapısı görülen bu pakete EM adı verilmektedir. EM ler paketlenmesde seramik plakalar; mekanik gerilim, elektriksel direnç ve termal iletkenlik arasında en iyi uyumu sağladığından endüstri standardı olmuştur. Seramiğ dış yüzeyleri, dış dünya ve EM arasında termal arabirim olarak kullanılmaktadır. EJ de Z ve EM yüzeyleri arası sıcaklık farkının Δ bir fonksiyonudur. Son yıllarda üretilen EJ ler Z leri yüksektir ve buna bağlı olarak verimlerde de kayda değer bir artış olmuştur [7]. Şekil 1: EM ün yapısı..ermoelektrik Modülün Jeneratör Olarak Kullanılması Çok sayıda E birleşmesden EM oluşturulur. EM ler, Seebeck etkis kullanılmasıyla jeneratör olarak çalışabilmektedirler. Şekil de EM ün EJ modunda kullanıldığı E devre görülmektedir. Bir EJ sistemi temelde üç parçadan meydana gelir; (1 ısıtıcı blok, ( soğutucu blok ve (3 EM. EM ün yüzeyleri arasında bir sıcaklık farkı oluşturulduğunda; ermodamiğ II. Kanunu gereğce ısı sıcak yüzeyden soğuk yüzeye doğru transfer edilecek ve bu durumda EJ uçlarında bir DC gerilim düşümü olacaktır. EJ uçlarına harici bir yük bağlanırsa, yük üzerden bir I akımı geçişi olur. EJ den elde edilen P gücü veya I akımı; sıcaklık farkına, yarıiletken materyaller özelliklere ve harici R yük direnc değerlere bağlıdır. Elektrik enerjisi, ısı transfere bağlı olarak E yarıiletkenler boyunca elektriksel yük taşıyıcıların hareketden üretilmektedir...1.ermoelektrik jeneratör verimi EJ ün verimi; alınan gücün (PA verilen güce (PV oranı olarak aşağıdaki gibi tanımlanır: η P A P V Bir EJ de kullanılan yarıiletken güç ölçümü, kalite faktörü (Z olarak da verilmektedir. Yarıiletken güç ölçümü kalite faktörü Z aşağıdaki gibidir: α Z KR Burada; sıcaklık (Kelv, α (α = αpn = αp + αn Seebeck sabiti (V/K, K termal iletkenliktir (W/mK. Bir Şekil : ermoelektrik modüller jeneratör olarak kullanılması EJ verimliliği Carnot verimliliği terimleriyle de ifade edilmektedir. Carnot verimliliği EJ ler iç aşağıdaki gibi ifade edilir: η max ( C 1 Z 1 Z ave ave 1 Burada; EJ sıcak taraf sıcaklığı, C EJ soğuk taraf sıcaklığı ve ave EJ ortalama ( + C / sıcaklığıdır [7 8]. EJ tarafından üretilen gerilim en yüksek değeri uçlarının açık olduğu zamandır. Açık devre gerilimi VOC aşağıdaki gibi ifade edilir: V OC N(α p α n ( EJ açık devre gerilimi doğrudan doğruya termoelementler sayısı N, EJ sıcak taraf yüzey sıcaklığı ve soğuk taraf yüzey sıcaklığı C arasındaki sıcaklık farkı Δ ve kullanılan p tip yarıiletken materyal Seebeck sabiti αn ve n tip yarıiletken materyal Seebeck sabitiyle αp orantılıdır [8].... ermoelektrik jeneratör çıkış karakteristiği ek bir termoelemente bağlı yük R üzerde üretilen güç P aşağıdaki gibi ifade edilir: C C 367

3 EEB 016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, Mayıs 016, okat ÜRKİYE P I V I [αδ I R ] α Δ (R R R uçlarına K tipi termokupllar bağlandı ve 1 adet sıcak yüzeye 1 adet soğuk yüzeye olmak üzere toplam adet termokupl yerleştirildi. Oluşturulan EJ şekil 6 daki gibidir. Burada; P EJ yük üzerden elde edilen çıkış gücü, I EJ yük üzerden geçirdiği elektrik akımı, V EJ bağlanan yük üzerde oluşturduğu gerilimdir [9]. Yük direnci R EJ iç dirence R eşit olduğunda, EJ maksimum çıkış gücü ürettiği yük karşılaşma durumu oluşur ve alınacak maksimum güç Pmax değeri aşağıdaki gibi ifade edilir: P max α Δ 4R Şekil 4: ermolektrik modül özellikleri EJ uçları açık devre yapıldığında EJ den maksimum gerilim VOC, kısa devre yapıldığında ise maksimum akım ISC elde edilir. EJ den elde edilen güç P bağlanan yükün değere bağlı olarak değişim gösterir [9]. Bir EJ açık devre gerilim VOC kısa devre akımına ISC bölümünden (VOC/ISC elde edilebilen EJ iç dirence R sahip VOC gerilim kaynağı olarak modellenebilir. Burada açık devre gerilimi; VOC sıcaklık farkı ve Seebeck sabiti α ile orantılı açık devre gerilimidir. EJ kısa devre akımı ISC ise belirli bir sıcaklık farkında uçları kısa devre edilmiş EJ ün akımıdır. EM ün EJ olarak kullanılmasıyla ilişkili eşdeğer elektrik devresi Şekil 3 de verilmiştir. Yük direnc R değere bağlı olarak EJ den elde edilen güç miktarı değişir [10]. Şekil 5: Soğutucu blok üzere modüller yerleştirilmesi. EJ R R V OC Şekil 3: EJ eşdeğer elektrik devresi.3. EJ asarımı EJ tasarımında EG koduna sahip şekil 4 te gösterilen ithal modüller kullanıldı. 1 adet modül elektirksel olarak seri termal olarak paralel bağlandı. Modüller termal macun kullanılarak içden su kanalları geçen alümyum bir plakanın üzere şekil 5 deki gibi yerleştirldi. Bu plakanın optimal su akış oranı 1,8 lt/dakika dır. Sıcak yüzey plakası olarak termal iletkenliği 14 W/m-K olan siyah bir plaka kullanıldı. Siyah plaka ile modüller arasına da termal macun kullanılarak montajı yapıldı. Montaj esnasında 0.1 mm kalınlığında bakır plakalar kesilerek Şekil 6: EJ yapısı..4. Deneysel Kurulum Prensip olarak şekil 7 de verilen sistem üzerde duruldu.ej atık ısı üreten bir sistem üzere konulacak, soğuk tarafın soğutulması iç düşük güçlü bir pompa ile su dolaştırılacak EJ çıkışı bir aküyü şarj etmek üzere uygun şekilde bağlanacaktır. Akü şarjı iç EJ çıkışı sabit akım sabit gerilim verecek bir DC-DC çevirici devrese bağlanacaktır. Bu prensipleri laboratuvar ortamında sağlamak üzere oluşturulan deneysel kurulum resim 1 de gösterilmektedir. EJ, elektrikli ısıtıcı, dimmer, su soğutmalı devir daim sistemi ve ölçü aletlerden oluşmaktadır. 368

4 Atık Isı Kaynağı Güç (W 1, 4,3 13,, ,5 43,4 47,7 49,5 5,8 54, 65 69,4 Vtej (V EEB 016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, Mayıs 016, okat ÜRKİYE Vtej EJ Depo Radyatör DC-DC Çevirici Batarya Şekil 8: -Vtej grafiği Δ ( C Şekil 7:Sistem blok diyagramı EJ ürettiği gücü bulmak üzere 100 Ω, 50 W değere sahip ve şekil 9 da gösterilen bir potansiyometre EJ çıkışına bağlandı. Resim 1: Deney düzeneği Şekil 9: Potansiyometre (Yük Varyak vasıtasıyla elektrikli ısıtıcının gerilimi kontrol edilirken, su devir daim sistemi ile soğuk taraf soğutuldu. Su soğutma işlemi iç termoelektrik soğutucu modüllerden oluşan soğutucu kullanıldı. EJ sıcak yüzey sıcaklığı, soğuk yüzey sıcaklığı, soğutma suyu giriş sıcaklığı ve çıkış sıcaklığı olmak üzere 4 noktada sıcaklıklar, EJ çıkışındaki akım ve gerilimler ölçülerek kaydedildi. Akım ve gerilim ölçümleri iç FUKE marka multimetreler kullanılırken, K tipi termokupl ölçümü iç M kanal digital termometre kullanıldı..5. Bulgular İlk deney ortam sıcaklığı C iken yapıldı. EJ içdirenci 17,6 Ω olarak ölçüldü. Su devir daim sistem debisi 4,35 lt/dakika olarak ölçüldü. EJ çıkışına bir DC-DC çevirici bağlanarak yapıılan deneyde şekil 8 deki sonuçlar elde edildi. Potansiyometre 30 Ω ile 90 Ω arasında değiştirilerek akım ve gerilim değerleri ölçüldü ve güç hesaplaması yapıldı. Şekil 10 daki sonuçlar elde edildi Güç (W Yük Direnci (Ω Şekil 10: Yük direnci Aktarılan güç grafiği 369

5 EEB 016 Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Sempozyumu, Mayıs 016, okat ÜRKİYE Yük direnci 57,1 Ω olduğunda maksimum güç transferi sağlandığı görüldü ve bu durumda 6,6 W lık bir güç elde edildi. 4*8 cm lik bir alanda (0,19 m 6,6 W elde edildiği iç m başına düşen güç 138,54 W olarak hesaplandı. 3. Sonuçlar Elde edilen veriler modüllere ait veri yaprakları ile karşılaştırıldığında çok yakın değerler elde edildiği görüldü. Sıcaklık farkına bağlı olarak elde edilen güç parabolik olarak arttığından sıcaklık farkının kat artırılması ile aynı alandan 6,6*4=106,4 W güç elde etmek mümkündür. Bu sonuç EJ ler verimleri düşük olsa bile her türlü atık ısının olduğu yerlerde kullanılabilirliği göstermektedir. Ayrıca EJ en büyük avantajlarından birisi 4 saat kestisiz olarak üretim yapabilmesidir. Atık ısı kaynağının sürekliliği olduğu müddetçe üretim devam edebilmektedir. 4. Kaynaklar [1] Dai, D., Zhou, Y. ve iu, J., iquid metal based thermoelectric generation system for waste heat recovery, Renewable Energy, 36(1: (011. [] Nagayoshi,., okimusu, K. ve Kajikawa,., Evaluation of multi MPP thermoelectric generator system, 6 th International Conference on hermoelectrics, Jeju, (007. [3] Karabetoğlu, S., Şişman, A., Öztürk, Z. F. ve Sah,., Characterization of a thermoelectric generator at low temperatures, Energy Conversion and Management, 6(1: (01. [4] Zhao,. D., Zhang, B. P., i, J. F., Zhou, M., iu, W. S. ve iu, J., hermoelectric and mechanical properties of nano SiC dispersed Bi e 3 fabricated by mechanical alloyg and spark plasma sterg, Journal of Alloys and Compounds, 455(1 : (008. [5] Xi,., uo,. ve Fraisse, G., Development and applications of solar based thermoelectric technologies, Renewable and Sustaable Energy Reviews, 11(5: (007. [6] Riffat, S. B. ve Ma, X., hermoelectrics: A review of present and potential applications, Applied hermal Engeerg, 3(8: (003. [7] Ahıska, R., Mamur,. ve Uliş, M., 011. Modelg and experimental study of thermoelectric module as generator, Journal of he Faculty of Engeerg and Architecture of Gazi University, (6(4: [8] Bierschenk, J., 008. Optimized thermoelectric for energy harvestg applications, 17th International Symposium on the Applications of Ferroelectrics ISAF 008, (1 4, Santa Re. [9] Ferrari, M., Ferrari, V., Guizzetti, M., Marioli, D. ve aroni, A., 007. Characterization of thermoelectric modules for powerg autonomous sensors, Instrumentation and Measurement echnology Conference, (1 3, Warsaw. [10] Champier, D., Bedecarrats, J. P., Rivaletto, M. ve Strub, F., hermoelectric power generation from biomass cook stoves, Energy, 35(: (