GÜNEŞ ENERJİSİ İLE PELTİER MADDE KULLANARAK ELEKTRİK ENERJİSİ ELDE ETMEK

Transkript

1 TÜBİTAK BİDEB LİSE ÖĞRETMENLERİ (FİZİK, KİMYA, BİYOLOJİ, MATEMATİK) PROJE DANIŞMANLIĞI EĞİTİMİ ÇALIŞTAYLARI LİSE 3 (Çalıştay 2013) FİZİK PROJE RAPORU GRUP PELTE GÜNEŞ ENERJİSİ İLE PELTİER MADDE KULLANARAK ELEKTRİK ENERJİSİ ELDE ETMEK PROJE EKİBİ Şeyda TAN Sevil KÜNBET PROJE DANIŞMANLARI Prof. Dr. Salih ATEŞ Doç. Dr. Vildan BİLGİN ÇANAKKALE 02 ŞUBAT 10 ŞUBAT 2013

2 İÇİNDEKİLER 1. PROJENİN AMACI GİRİŞ 3 3. KURAMSAL TEMELLER MATERYAL VE YÖNTEM 6 5.BULGULAR SONUÇLAR TARTIŞMA VE YORUM KAYNAKÇA TEŞEKKÜR ÖZGEÇMİŞ.15

3 PROJENİN AMACI Akım verildiğinde, iki farklı iletkenin arasındaki sınır tabakanın çevresinde ısı absorbsiyonunu oluşturan peltier maddeyi, ters çalıştırılarak sıcaklık farkı ile elektrik enerjisi elde etmektir. GİRİŞ Günümüzde, küresel ısınma ve kirlilik, enerji elde etmek için fosil madde esaslı yakıtların ağırlıklı olarak kullanılmasının da etkisiyle, dünyadaki yaşamsal faaliyetleri tehdit edecek bir boyuta ulaşmıştır. Bu nedenle, bugün, günlük hayatta ve sanayide kullanılması zorunlu elektrik enerjisinin, çevreye en az zarar verecek biçimde üretimi, iletimi ve tüketiminin gerçekleştirilmesi konusu çözülmesi gereken en önemli sorunlardan biri haline gelmiştir. Yenilenebilir ve temiz enerji teknolojileri arasında belki de en fazla dikkat çekenlerden bir tanesi, sınırsız güneş enerjisini kullanarak elektrik enerjisi üretilmesini sağlayan termoelektrik teknolojisidir [1]. Son yıllarda, dünya genelinde, ticaret ve üretim sektörleri yapısının değişmesi ile Türkiye de diğer Avrupa ülkeleri gibi katma değeri yüksek ve farklı fonksiyonlara sahip ürünlerin üretimi ve geliştirilmesine yönelmiştir. Uzay uygulamalarında, bina dış yüzey kaplamalarında veya çatılarda, çadır, ceket gibi tekstil malzemelerinde, trafik sinyalizasyon ve haberleşme sistemlerinde, yoğunlaştırıcılarda farklı kapasitelerde enerji üretimi gerçekleştiren fotovoltaik yapılar kullanılmaktadır [2-3]. Yaptığımız literatür çalışmalarında Peltier maddenin kullanıldığı bazı uygulama alanlarını aşağıdaki gibi bulunmuştur: Mikroişlemci soğutucusu Lazerler, kızılötesi dedektörler ve CCD matrisler için soğutucu Elektronik cihaz parçalarının farklı sıcaklık testleri için soğutma odasında Yarıiletken endüstrisi için su soğutucular Medikal aletler için seyyar ve kompakt soğutucu

4 Biyomalzeme ve ilaç taşımasında kullanılan taşıma kapları için sıcaklık kontrolörlü [4]. Bu çalışmalardan yola çıkarak, elektrik enerjisi ile sıcaklık farkı oluşturan peltier madde, ters çalıştırılarak sıcaklık farkı ile elektrik enerjisi elde edilebilir mi? sorusuna cevap aradık. Deneyde; açık hava ortamında, ısı kaynağı kullanılarak peltier maddenin alt ve üst tabakaları arasında 50 0 C lik sıcaklık farkı sağlanarak maksimum 2,46 voltluk gerilim farkına ulaşılmıştır. Bu gerilim değeri ile bir LED lamba çalıştırılmıştır. Peltierin alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile elde edilen gerilim değerinin doğru orantılı olduğu gözlenmiştir. KURAMSAL TEMELLER Isı enerjisi ile elektrik enerjisinin birbirlerine doğrudan dönüşümünü tanımlayan termoelektrik 1821 yılında Thomas Johann Seeback, tarafından keşfedilmiş fakat o zamanda tam olarak anlaşılmamıştır. Seeback in keşfinden 12 yıl sonra 1834 de Peltier Fransız Bilim akademisinde, iki farklı iletken arasındaki birleşme yerinde sıcaklık anormalikleriyle ilgili bir makale yayınlandı. Peltier etkisi akım verildiğinde bir üretimi veya iki farklı iletkenin arasındaki sınır tabakanın çevresindeki ısı absorbsiyonunu içerir. Absorbe edilen yada üretilen sıcaklık miktarı akımla orantılıdır ve orantı katsayısı Peltier katsayısı olarak bilinir [6]. Termoelektrik enerji özellikle ısının atıl durumunda geri dönüşümünün yapılmadığı durumlarda kullanımı ön plandadır. Termoelektrik enerjisi pil ve akülerin şarj edilmesinde aydınlatma elemanlarının çalıştırılmasında, araçlarda yakıt tasarrufu sağlamada kullanılmaktadır [7].

5 Termoelektrik Madde Peltier Nedir Nasıl Çalışır? Şekil 1: peltier madde fotoğrafı 1834 de Peltier iki metalin ekleminde bir akım geçirildiğinde, akım bir yönde aktığında eklemde ısının yutulduğunu, akımın yönü ters çevrildiğinde ise ısının açığa çıktığını bulmuştur. Yarı iletken halinde elektron enerji farkı daha büyük olabilir ve eklemde daha yüksek e.m.k meydana getirir. Bu e.m.k in boyutu sadece eklemi meydana getiren malzemeye değil, eklemin sıcaklığına da bağlıdır. Peltier etkisinde faydalanarak Peltier effect p-n eklemlerininin seri olarak bağlanmasıyla TEC Termo elektrik soğutucu modül oluşturulur. TEC özellikle yeni nesil bilgisayar işlemcilerinin soğutulmasında ve araç tipi buzdolaplarının yapımında kullanılır. Bağlantı uçlarına DC akım uygulandığı zaman, bir yüzey soğurken diğer yüzey ısınır. Watt olarak güçlerine ve boyutlarına göre çeşitli tip ve modellerde üretilir. Şekil 2: Peltier CPU Soğutucu üzerinde Kullanımı

6 TEC modülün iki yüzünün faklı sıcaklıklarda olması ve akımın yönünün değiştirilmeyle yüzey sıcaklıklarının da değişmesi, katılarda ısı iletim katsayısını hesaplanmasında kullanılabilecek bir özelliktir. Üzerinde çalışılan TEC-12706T125 TEC modülünün boyutları 4 x 4 cm boyutlarındadır. Modüle Vmax 15.4 Volt DC gerilim ve Imax=6 Amper akım uygulandığında modül Q=51.4 watt ısı enerjisi elde edilir. Oda şartlarında T=70 C sıcaklık ortaya çıkar. Termo elektrik modülün bilinen Q değeri ve üzerine verilen DC gerilim ile T=70 C kadar ısınması, katı cisimle rin ısı iletim katsayısının bulunmasında kullanılacak deney cihazının temelini oluşturur. Bu cihazların hareketli parçalarının olmayışı seyyar uygulamalarda bu cihazları uygun kılmaktadır [5]. MATERYAL VE YÖNTEM Düzenekte kullanılan malzemeler; TEC V 45W Termoelektrik Peltier Soğutucu Modülü TEC V 60W Termoelektrik Peltier Soğutucu Modülü LED lamba Voltmetre Dijital termometre Isıtıcı Deney yöntemi kullanılmıştır.

7 Deneyin Yapılışı: Deney 1: Materyal ve yöntem kısmında belirtilen malzemeler kullanılarak şekil 3a ve şekil 3b deki deney düzeneği hazırlanmıştır. Düzenekte, TEC V 60W termoelektrik Peltier soğutucu modülü kullanılmıştır. Şekil 3a: deney düzeneği fotoğrafı Şekil 3b: deney düzeneği fotoğrafı

8 Isıtıcı yardımı ile peltier maddenin alt ve üst tabakaları arasında sıcaklık farkı oluşturulmuştur. Bir dakika aralıklarda peltier maddenin ısıtıcıya dokunan yüzeyinin ve dış ortamın sıcaklık değerleri termometreler ile alınmıştır. Maddenin uçlarında oluşan gerilim farkı değerleri ise voltmetre ile alınmıştır. Alınan bu değerler ile tablo 1, 2, 3 oluşturulmuştur. Tablolardan yararlanılarak, gerilimin zamana bağlı değişim grafiği (grafik 1), sıcaklık değişiminin zamana bağlı değişim grafiği (grafik 2), gerilimin sıcaklık değişimine bağlı grafiği (grafik 3) çizilmiştir. Deney 2: TEC V 45W termoelektrik Peltier soğutucu modülü kullanılarak, alt ve üst yüzeyleri arasında ani sıcaklık farkı oluşturulmuştur. BULGULAR Deney sırasında peltier maddenin temas halinde olduğu dış ortamın sıcaklığı 12 0 C ölmüştür. Bu sıcaklık değeri deney boyunca sabit kabul edilmiştir. Peltier maddenin temas ettiği ısıtıcı yüzeyi sıcaklık değerleri 1 er dakikalık periyotlarla termometre yardımı ile ölçülüp, sıcaklık farkı değerleri tablo 2 ve tablo 3 doldurulmuştur. t (dakika) V (volt) 0,10 0,31 0,43 0,50 0,59 0,82 1,22 1,73 Tablo 1: zaman-gerim değerleri tablosu t (dakika) T ( 0 C) Tablo 2: zaman-sıcaklık farkı değerleri tablosu T ( 0 C) V (volt) 0,10 0,31 0,43 0,50 0,59 0,82 1,22 1,73 Tablo 3: zaman-sıcaklık farkı değerleri tablosu

9 Grafik 1: zamana bağlı gerilim grafiği 80 Sıcaklık Değişimi(C)-Zaman(dak.) Sicaklik Degisimi(C)- Zaman(dak.) Grafik 2: zamana bağlı sıcaklık değişimi grafiği

10 1,6 Sıcaklık Değişimi(C)-Gerilim(volt) 1,4 1,2 1 0,8 0,6 sicaklik degisimi(c)- gerilim(volt) 0,4 0, Grafik 3: sıcaklık değişimine bağlı gerilim grafiği Grafik 1 incelendiğinde peltier maddeden elde edilen gerilim, beklenildiği gibi zamanla artmıştır. Grafik 2 incelendiğinde peltier maddenin alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı, beklenildiği gibi zamanla artmıştır. Grafik 3 incelendiğinde peltier maddeden elde edilen gerilimin, alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı artışı ile arttığı gözlenmiştir. TEC V 45W termoelektrik Peltier soğutucu modülü kullanılarak, alt ve üst yüzeyleri arasında ani sıcaklık farkı 50 0 C olduğu anda voltmetrede 2,46 voltluk gerilim değeri okunmuştur. SONUÇLAR 1) Grafik 1 incelendiğinde peltier maddeden elde edilen gerilimin, beklenildiği gibi zamanla artmıştır. 2) Grafik 2 incelendiğinde peltier maddenin alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı, beklenildiği gibi zamanla artmıştır. 3) Grafik 3 incelendiğinde peltier maddeden elde edilen gerilimin, alt ve üst yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı artışı ile arttığı gözlenmiştir.

11 4) TEC V 45W termoelektrik Peltier soğutucu modülü kullanılarak, alt ve üst yüzeyleri arasında ani sıcaklık farkı 50 0 C olduğu anda voltmetrede 2,46 voltluk gerilim değeri okunmuştur. 5) Peltier maddeden elde edilen gerilim ile led lamba yakılmıştır ( Şekil 4, Şekil 5). Şekil4: Led lambanın sönük durumu Şekil5: Led lambanın ışık verdiği durumu Isı enerjisi ile yarı iletkendeki taşıyıcı konsantrasyonu artırılarak yoğunluk farkı oluşturulmuştur. Böylelikle bir taraftan diğer tarafa taşıyıcı difüzyon gerçekleştirilmiş ve peltier madde planlandığı gibi tersine işletilerek termoelektrik olarak elektrik enerjisi elde edilmiştir. Bu düzenek; Çalışmanın geliştirilebilir yönleri: TARTIŞMA VE YORUM Seri bağlanan peltier maddeler yada daha yüksek sıcaklık farkına dayanıklı peltier maddelerin kullanılmasıyla elde edilen verim artırılabilir. Güneş enerjisinden kaynaklanan ısı farkından yararlanılarak çalıştırılabilir. İklim sıcaklığının sıfır derecenin altında olduğu bölgelerde ocak ve soba çevresinde oluşan ısı farkından yararlanılarak çalıştırılabilir. Bacalarda oluşan ısı farkından yararlanılarak çalıştırılabilir.

12 Katı yakıt ile çalışan kalorifer kazanlarının çevresinde oluşan ısı farkından yararlanılarak çalıştırılabilir. Yazın klimalı, iç dış sıcaklık farkı fazla olan ortamlarda pencere sistemi gibi tasarlanarak çalıştırılabilir. Bünyesinde soğuk hava deposu bulunduran mekanların duvarlarında oluşan ısı farkından yararlanılarak çalıştırılabilir. Düzenek taşınabilir hazırlanıp, yaz ve kış iklimlerine göre iç ve dış mekanlarda kullanılabilir. Çalışmanın eksik yönleri: Enerji kaynağı olarak güneş kullanıldığında ışınım gücünün yetersiz olduğu iklim şartlarında verim çok düşecektir. Elde edilen elektrik enerjini depolayacak ekonomik sistemler yoktur. Geleneksel yakıtlara göre maliyeti yüksek olabilir..

13 KAYNAKLAR 1-Green, M. A., 2000, Photovoltaics: technology overview Energy Policy, Cilt 28, No 14, Frankl, P., Masini, A., Gamberale, M. ve Toccaceli, D., 1998, Simplified life-cycle analysis ofpvsystems in buildings: present situation and future trends, Progress in Photovoltaics: Research andapplications, Cilt 6, No 2, Swanson, R.M., 2000, The Promise of Concentrators, Progress in Photovoltaics: Research andapplications, Cilt 8, No 1, wikipedia.org/wiki/peltier-so 5- volt.com/wp-content-uploads-2008/08/peltier-termoelektrik-sogutucunedir-nasil-çalışir.pdf 6-Pişkin M.B 2006 Yarı İletken Alaşımlarının Elektrik,Termoelektrik,Fiziksel ve Kimyasal Özelliklerinin İncelenmesi ve Sanayi Uygulamaları Y.T.Ü.Fenbilimleri Enstitüsü Doktara Tezi.İstanbul 7-Gönülşen B.Isıdan Doğrudan güce Teknoloji Dünyası,Mühendis ve Makine 49,587

14 TEŞEKKÜR May Çalıştayları koordinatörü Prof. Dr. Mehmet AY a, proje kapsamında engin bilgileriyle bize yardımcı olan danışmanlarımız Prof. Dr. Salih ATEŞ, Doç. Dr. Vildan BİLGİN e, tüm sabrıyla kişisel gelişimimize yardımcı olan sayın hocamız Uğur DEĞİRMENCİOĞLU na tüm çalıştay ekibine, konuk katılımcılara ve katkılarından dolayı TÜBİTAK a teşekkür ederiz. Bütün çalıştay boyunca saygısını, güler yüzünü ve yardımını esirgemeyen Arş. Gör. Sezen APAYDIN a teşekkür ederiz.

15 GRUP ÜYELERİNİN ÖZGEÇMİŞLERİ Şeyda TAN 1972 yılında Diyarbakır da doğdu. İlkokul, ortaokul Diyarbakır da liseyi İzmir de tamamladı. Üniversiteyi Dokuz Eylül Üniversitesi Buca Egitim Fakültesi Fizik Anabilimdalı da okudu ve 1993 yılında mezun oldu. Göreve 1994 yılında M.E.B bağlı olarak Ankara da İlkokul öğretmenliği ile başladı yılları arasında İzmir de özel dersanelerde Fizik Öğretmeni olarak, 2011 yılından itibaren M.E.B bağlı olarak Manisa ili Gölmarmara İlçesi Çok Programlı lisesinde göreve devam etmektedir. Sevil KÜNBET 1980 yılında Giresun ilinin Bulancak ilçesinde doğdu. İlkokul, ortaokul ve liseyi Giresun Bulancak ilçesinde tamamladı.üniversiteyi Gazi Üniversitesi Eğitim Fakültesi Fizik Öğretmenliği 2003 mezunu.gazi üniversitesi Eğitim Fakültesi Eğitim Bilimleri Enstitüsü 2010 Yüksek lisans mezunu. ITAP FOO 2011 M.E.B Bilim Olimpiyat danışmanı yılları arasında Ankara Özel Sınav Dergisi Dershanelerinde Fizik Öğretmenliği, yılları arasında Milli Eğitim Vakfı Koleji Özel Fen ve Anadolu Liseleri Fizik Öğretmenliği yapmıştır Ankara Üniversitesi Geliştirme Vakfı Özel Anadolu Meslek Lisesi Fizik Öğretmenliği yapmaktadır.