TERMOELEKTRİK JENERATÖRLER İÇİN DÜŞÜK GÜÇLÜ DC-DC BOOST KONVERTÖR UYGULAMASI

Transkript

1 TERMOELEKTRİK JENERATÖRLER İÇİN DÜŞÜK GÜÇLÜ D-D BOOST KONVERTÖR UYGULAMASI THE APPLIATION OF LOW-POWER D-D BOOST ONVERTER FOR THERMOELETRI GENERATORS Raşit AHISKA *, Hayati MAMUR ** ve Metin ULİŞ *** * Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü, 06500, Teknikokullar, Ankara ** Çankırı Karatekin Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Elektronik ve Otomasyon Bölümü, 800, Taşmescit Çankırı *** Mümin Erkunt Mesleki Eğitim Merkezi, Sincan I. Organize Sanayi Bölgesi, Ankara ÖZET Bu çalışmada, termoelektrik jeneratörlerden üretilen elektrik enerjisinin son kullanım cihazlarına standart gerilim değerinde iletilebilmesi için düşük güçlü 5 W lık bir D-D boost konvertör uygulaması gerçekleştirilmiştir. Yapılan D-D konvertör yaklaşık W gücündeki termoelektrik jeneratör üzerinde denenmiş, D-D konvertörün giriş gerilimi V ve çıkış gerilimi de 4 V a sabitlendiğinde maksimum verim elde edilmiş ve %75 verimle D-D konvertör çalıştırılmıştır. Konvertör yaklaşık V luk giriş geriliminde çıkış gerilimini sabitlemeye başlamıştır. Anahtar Kelimeler: Termoelektrik jeneratör, D-D boost konvertör, yenilenebilir enerji, jeotermal ABSTRAT In this study, the application of 5 W low power D-D boost convertor has been carried out to conduct the electricity generated by the thermoelectric generators to devices in standard voltage values. The produced D-D converter was applied on a W Thermoelectric generator, and the maximum efficiency was obtained when the voltage was kept in input voltage as V and output voltage as 4 V and the D-D convertor was run with 75% efficiency. The convertor was regulated to the output voltage in about V input voltage. Keywords: Thermoelectric generator, D-D boost converter, renewable energy, geothermal. GİRİŞ Geçmişten günümüze kadar fosil yakıtların kontrolsüz ve vazgeçilemez kullanımları çevre kirliliğini ve O salınımlarını arttırmıştır. Kullanılan bu fosil yakıtların sınırlı olması ve enerji ihtiyacının giderek artması yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının yaygınlaştırılması çabalarını kuvvetlendirmiştir. Enerji verimliliğini arttıran, çevre dostu enerji kaynaklarından biri de jeotermal enerjidir. Jeotermal enerjinin elektrik enerjisine çevrilmesinde değişik yöntemler kullanılmıştır. Bunlardan biri de termoelektrik modüllerin (TEM)

2 termoelektrik jeneratör (TEJ) olarak kullanılmasıdır. TEJ ler fabrikaların veya çalışan cihazların dış ortama yaydıkları tüm sıcaklık kaynaklarını kullanarak elektrik enerjisine çevirebilmektedir. Bu sayede enerji verimliliğini arttırmakta ve enerji üretimine katkıda bulunmaktadır. TEJ ler NASA nın roketlerinde ve uzay robotlarında da elektrik enerjisi elde etmede ve enerjinin verimli kullanılmasına katkı sağlamak için kullanılmaktadır []. TEJ lerin hareketli parçaları yoktur, yapıları basittir, bakım gerektirmezler, uzun ömürlüdürler, sıcaklık kontrolüne olanak sağlarlar, elektrik enerjisini doğrudan çevirirler, sessiz çalışırlar, güvenilirdirler ve kararlı çalışırlar. Bu avantajlarının yanı sıra en büyük dezavantajı da verimlerinin yaklaşık %5 0 düzeyinde olmasıdır. TEJ lerin atık enerjiyi elektrik enerjisine çevirdiği dikkate alınırsa bu verimlilik değeri de ihmal edilebilir. TEM ler elektrik üretiminde ve soğutma-ısıtmada (termoelektrik soğutucular - TES) olmak üzere iki çalışma şeklinde kullanılırlar. Tipik bir TEJ in temel yapısını termoelement (TE) oluşturur. Termoelement (TE) p ve n-tip yarıiletkenlerin bir uçlarını birleştirilmesinden meydana gelir. Çok sayıda TE in üretilen gerilimi arttırmak için elektriksel olarak seri, termal genişlemeyi arttırmak için de seramik plakalar yardımıyla termal olarak paralel bağlanmasından TEM ler meydana getirilir. TEM ler TEJ olarak kullanıldığında Seebeck etki ile çalışırlar. Seebeck etki Thomas Seebeck tarafından 8 de bulunmuştur. TEM in TEJ olarak çalışma prensibi Şekil de verilmiştir. TEM in iki yüzeyi arasında bir sıcaklık farkı meydana getirilir ve TEM uçlarına bir yük bağlanırsa, yük üzerinden elektrik akımı geçişi olur ve bir elektrik gücü elde edilir []. T H ısı p/n yarıiletkenler P N P N P N Elektriksel yalıtım seramik katman Elektriksel iletken bakır T ısı I L P L, R L Şekil. TEJ modda bir TEM. TEJ den elde edilen açık devre gerilimi yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkıyla ( T=T H -T ) doğrusal olarak Eş. de verildiği gibi değişir. V O T T N () p n H Burada; V O TEJ in açık devre gerilimi, N TEJ i oluşturan TE lerin sayısı, α p p-tip yarıiletken materyalin Seebeck sabiti, α n n-tip yarıiletken materyalin Seebeck sabiti, T H TEJ in sıcak yüzey sıcaklığı ve T TEJ in sıcak yüzey sıcaklığıdır [3]. Bir TEJ den alınabilecek olan maksimum güç bağlanan yükün direnci ile TEJ in iç direncinin eşitlendiği zamandır. TEJ den alınacak maksimum güç kısa devre akımı ve açık devre gerilimiyle de Eş. deki gibi ifade edilebilir [4]. V O I P S () max 4

3 Burada; P max TEJ den alınabilecek maksimum güç ve I S TEJ kısa devre akımıdır.. DENEYSEL KURULUM Deneysel kurulum Şekil deki gibi gerçekleştirilmiştir. Üç bölümden meydana gelmektedir: () TEJ, () D-D konvertör ve (3) elektrik yükü... TEJ Şekil. Deneysel kurulum. Şekil de görüldüğü gibi TEJ olarak iki tane TES Ltd. şirketinden temin edilen TEM kullanılmıştır. Üretilen elektik enerjisinin gerilimini arttırmak için bunlar seri bağlanmıştır. TEJ ler sandviç şeklinde aralarına 500 W lık bir elektrikli ısıtıcı konularak iki tane 5,5x5,5x0,8 cm ebatlarındaki pirinçten yapılma radyatörlerin arasına sıkıştırılmıştır. Elektrikli ısıtıcı TEJ lerin sıcak taraf sıcaklığını sağlamaktadır. TEJ lerin soğuk tarafının sıcaklığı ise içinden şebeke suyu geçirilen ve seri olarak bağlanmış iki radyatörler sağlamaktadır. Elektrikli ısıtıcının sıcaklığı Artes Elektronik firmasına ait kva lık oto trafosuyla arttırılmıştır. Şekil deki ayarlı direnç D-D konvertöre değişik yükleri bağlayabilmek amacıyla 0,8 mm kalınlığında krom-nikel telden yapılarak kullanılmıştır. Bir tane TEJ e ait değişik sıcaklık farklarındaki TEJ performans ölçümleri Şekil 3 de verilmiştir. TEJ lerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı değişimiyle birlikte akım-gerilim değerlerindeki değişim doğrusal olmuştur. Sisteme D-D konvertör bağlanmadan TEJ çıkışlarından değişik sıcaklık farklarında yaklaşık Ω luk yükte 4,5 V luk gerilim ve yaklaşık A lik akım elde edilmiştir. Şekil 3. Bir tane TEJ e ait akım-gerilim ve güç eğrileri. 3

4 4 GND V...6V ID V IPK MKT0,Proje Tabanlı Mekatronik Eğitim Çalıştayı, 5-7 Mayıs 0, Çankırı-Ilgaz, TÜRKİYE.. D-D konvertör TEJ lerden elde edilen elektrik enerjisi yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı değiştikçe buna bağlı olarak çıkış gerilimi değişkenlik gösterir. TEJ in uçlarına bağlanan yüklere standart gerilim vermesi istenir. Bu standardı sağlamak amacıyla D-D konvertörlere ihtiyaç duyulur [5]. D- D konvertörü çalıştıracak yeterli gerilimin elde edilmesi için iki TEJ seri bağlanmıştır. TEJ den değişik sıcaklık farklarında sabit gerilim elde edebilmek amacıyla Şekil 4 deki 5 W lık D-D boost konvertör kurulmuştur. Giriş gerilimi yaklaşık 3,5 V olduğunda çıkış gerilimi 4 V a sabitlenmiştir. R 47k. devre L L D3 448 R BT TEG k 0uH R 4.7k 5 3 n U9 OMP TAP M34063A ISW ISWE D3 448 Q3 R bc k 0uH MOSFET N Q R 0. BT TEG inv erter n R k n 3 4 U0 IN- IN+ TIMAP GND VIN URLIM LM3979 OLL EMIT. devre L 0uH R D ,7V AKIM SABITLEME 0. A ile 800mA arasi ayar Şekil 4. 5W lık D-D boost konvertör. Şekil 4 teki TEJ için gerçekleştirilmiş olan D-D boost konvertör devresi geleneksel boost konvertör temeline dayanmaktadır. Boost konvertör temel olarak üç parçadan meydana gelir; anahtarlama elemanı, bobin ve diyot. Verimleri bu elemanlara bağlıdır ve genelde yüksektir. Çıkış gerilimi her zaman giriş geriliminden büyüktür. Buna bağlı olarak giriş akımı da çıkış akımından büyüktür. TEJ in bu akımı sağlayabilmesi gerekir. Aynı zamanda çıkış her zaman yüksek olmaya çalışacağı için girişten yüksek akım çekecektir ve TEJ in bozulması söz konusu olabilir. Bu nedenle ikinci devreye bir akım kontrol devresi eklenmiştir. Hem batarya şarjını istenilen akım seviyesinde tutmak hem de girişten yüksek akım çekilmesini sınırlamak amaçlı kullanılmıştır. TEJ için D-D boost konvertör geleneksel iki ayrı konvertörden oluşturulmuştur. Birinci devre,8 V ta çalışmaya başlamış ve ikinci devrenin çalışma gerilimini ve akım kontrol devresi gerilimlerini sağlamıştır. Birinci devre çıkışı yaklaşık 5-6V arasında ve -,7 V vermiştir. İkinci devre, TEJ gerilimini,5v tan itibaren yükseltmeye başlamıştır. Çıkıştan 3V dan başlanarak V a kadar değişik bataryaların şarj edilmesi ve besleme gerilimi elde edilmesi düşünülmüştür. 3. DENEYSEL SONUÇLARIN DEĞERLENDİRİLMESİ 4

5 Konvertörün tetikleme sinyallerinin ölçümü ve alınmasında Tektronix TPS04 00MHz Gs/s osilaskop, TPA300 A/D akım probu, anlık akım gerilim değerlerinin ölçümünde de iki tane Fluke marka 45 Dual Display Multimetre kullanılmıştır. Devrenin çalışma verimi anahtarlama elemanına bağlıdır. Devrede standart ve iç direnci (R dson ) düşük olan Motorola MTD 330 Wave FET kullanılmış ve verimleri Çizelge de verilmiştir. Bu mosfetlere sayesinde devrenin verimi %0 arttırılmıştır. Devrenin giriş akımı denetlenerek çıkış akımı kontrolü yapılmış ve bu sayede maksimum güç elde etme yöntemine uygun hale getirilmiştir. Çizelge de 65 khz lik darbe genişlik modülasyonunda konvertörün giriş gerilimlerine bağlı olarak elde edilen akım, gerilim, güç ve verim değerleri verilmiştir. Çizelge. D-D boost konvertör akım gerilim çıkış değerleri (f=65 khz) V çıkış (V) V çıkış (V) I giriş (A) I çıkış (A) P giriş (W) P çıkış (W) Verim 3,8,4 0, ,3 0, ,4, 0, ,4 3, V giriş =V, V giriş =5V ve R yük =0Ω iken D-D konvertörün osilaskoptan alınan bobinin akım eğrisi, MOSFET üzerindeki gerilim, gate gerilimi, çıkış gerilimi ve çıkış akımı değerlerinin eğrileri Şekil 5 ve 6 da verilmiştir. Şekil 5. V giriş =V ve R yük =0Ω iken D-D konvertör bobininin akım, MOSFET üzerindeki gerilim, gate gerilimi, çıkış gerilimi ve çıkış akımı eğrileri. 5

6 Şekil 6. V giriş =5V ve R yük =0Ω iken D-D konvertör bobininin akım, MOSFET üzerindeki gerilim, gate gerilimi, çıkış gerilimi ve çıkış akımı eğrileri. Şekil 6 ve 7 deki akım eğrileri incelendiğinde konvertör düşük gerilimlerde sürekli akım durumunda, giriş gerilim değeri yükseldiğinde konvertör süreksiz akım durumunda çalıştırılmıştır. Çıkış akım değeri arttıkça verim düşmüştür. Bunun sebebi güç anahtarının drain-kaynak arasındaki R DS direncidir. Aynı zamanda çıkış diyotu ve bobin de verimi düşürmektedir. Standart FET ler kullanıldığında verimin daha düşük çıkmıştır. Bu durumda boost konvertör ile gerilimin yükseltilmesi giriş akımını çok artırdığı için akım sabitleme devresi önemli olmuştur. Çünkü bataryalar şarj esnasında boş olduklarında en yüksek akımı çekmek ister. Bu da devrede güç anahtarının bozulması ya da TEJ in bozulmasına neden olabilir. 4. SONUÇ TEJ lerden elde edilen gerilim yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkıyla doğru orantılı olarak değiştiği için çıkışına sabit gerilim isteyen algılayıcıları bağlamak mümkün olmamaktadır. Bu tür algılayıcıları bağlayabilmek için dc-dc konvertörlere ihtiyaç duyulur. Yaklaşık 00 sıcaklık farkında W alınabilen TEJ için bir D-D boost konvertör uygulaması gerçekleştirilmiştir. Konvertörün giriş gerilimi yaklaşık V olduğunda çıkış gerilimi vermeye başlamıştır. Konvertörün verimi maksimum %75 olarak ölçülmüştür. Yeni teknoloji ürünleri olan mosfetlerin kullanılmasıyla konvertör veriminde artış sağlanmıştır. Konvertör TEJ den darbeli akım çekmiş ve TEJ performansı buna cevap verebilmiştir. Daha sonraki çalışmalarda yaklaşık 3 kw gücünde bir TEJ gerçekleştirilecek ve bundan elde edilecek gerilim düzenlemesinin yapılması için maksimum güç izleyicili bir dc-dc buck-boost konvertör tasarımı gerçekleştirilecektir. TEŞEKKÜR Bu çalışma Türkiye umhuriyeti Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı tarafından STZ.0 SANTEZ nolu proje olarak desteklenmektedir. KAYNAKÇA [] Ahıska, R., Mamur, H. ve Uliş, M., Modeling and experimental study of thermoelectric module as generator, J Fac. Eng. Archit. Gaz. 6 (4), (0). [] Ahıska, R., Dişlitaş, S. ve Ömer, G., A new method and computer-controlled system for measuring the time constant of real thermoelectric modules, Energ. onvers. Manage. 53 (), 34 3 (0). [3] Ahıska, R., ve Dişlitaş, S., Microcontroller based thermoelectric generator application, J. Fac. Eng. Archit. Gaz. 9 (), 35 4 (006). [4] Ortiz-Rivera, E.I., Salazar-Llinas, A. ve Gonzalez-Llorente, J., A mathematical model for online electrical characterization of thermoelectric generators using the P-I curves at different temperatures, 5th Annual IEEE Applied Power Electronics onference and Exposition, - 5 Eylül 00, Palm Springs, A. [5] Lertsatitthanakorn,., Electrical performance analysis and economic evaluation of combined biomass cook stove thermoelectric (BITE) generator, Bioresource Technol. 98 (8), (007). 6