TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR

Transkript

1 ISSN: Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2006 (3) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Makale Kemal ATİK, Hakkı ÇAKIR Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Karabük Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitim Bölümü / Karabük ÖZET Bu çalışmada, elektrik enerjisinin bulunmadığı yerlerde soğutma yapabilmek için elektrik enerjisi ihtiyacını güneş pilinden alan termoelektrik soğutucu imal edilmiştir. Dış ölçüleri 29x29x29 cm ebatlarında olan kabinin ısı kazancını karşılayan termoelektrik modül ve bu termoelektrik modülün elektrik enerjisi ihtiyacını sağlayabilen fotovoltaik sistem (güneş pili) seçimi yapılmıştır. Yapılan sistem farklı dış şartlarda deneysel olarak çalıştırılmış, rejim haline gelmesi gözlemlenmiştir. Termoelektrik soğutucunun soğutma tesir katsayısı (STK) ve güneş pilinin verimini bulmak için; kabin iç ve dış sıcaklıkları, termoelektrik modülün sıcak ve soğuk yüzey sıcaklıkları, güneş pilinden çekilen akım ve gerilim ile güneş ışınım şiddeti değerleri ölçülmüştür. Yapılan deneylerde; C dış sıcaklık ve 775 W/m 2 ışınım şiddetinde kabin içi sıcaklık 4.90 C ye kadar düşmüştür. Termoelektrik soğutucu için STK 0.90 ve güneş pilinin verimi ise % 10 dolaylarında olmuştur. Sistem maliyeti oldukça yüksektir. Burada en büyük payı enerji maliyeti, yani güneş pili almaktadır. Bu sistem şebeke geriliminin olmadığı yerler için uygundur. Ayrıca ülkemizde yaygın olmayan güneş pilleri ve termoelektrik soğutma için örnek bir uygulamadır. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik Soğutma, Termoelektrik 1.GİRİŞ İlerleyen teknoloji ile birlikte enerji tüketimide hızla artmaktadır. Yakın bir gelecekte kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil yakıtlı enerji kaynaklarının ihtiyacı karşılayamayacağı düşünülürse, yeni enerji kaynaklarına (hidrojen, rüzgar, biomas, güneş enerjisi vb.) yönelmek, aynı zamanda enerji kullanımındaki verimliliği arttırmak kaçınılmaz olmaktadır. Diğer bir önemli nokta ise, fosil yakıtların ve nükleer enerji kaynaklarının dünyamızın ekolojik ve klimatolojik dengesini bozucu etkileridir. Dolayısıyla yeni enerji kaynakları aynı zamanda "temiz" olmalıdırlar [1]. Yeni ve temiz bir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi üzerinde önemle durulmalıdır. Çünkü güneş enerjisinden doğrudan ısı kaynağı olarak da yararlanılabileceği gibi fotovoltaik dönüşümle elektrik enerjisi de üretilebilmektedir. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmenin en büyük dezavantajı yüksek maliyetidir [2]. Ancak bu yüksek maliyetin büyük ölçüde üretim azlığından kaynaklandığı söylenebilir. Bu sebeple güneş pili uygulamaları arttığı oranda maliyetlerde düşecektir. Günümüzde güneş pilleri; güneşten elektrik elde etmede, güneş izleme sistemlerinde, güneşten hidrojen elde etmede, elektrik olmayan yerlerde elektrikle çalışan cihazları çalıştırmada ve benzeri diğer alanlarda kullanılmaktadır. Ömürleri yıldır. Maliyetleri düşmesi halinde üretimleri artacağı ve çok alanda kullanılacağı tahmin edilmektedir [3]. Termoelektrik soğutucular (Peltier modülleri) genellikle küçük hacimlerin soğutulması uygulamalarında (Tıbbi ve askeri amaçlar, piknik eşyalarının depolanması vb.) kullanılırlar [4]. Güvenilir, sessiz ve düzgün

2 Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) çalışır, çevre dostudur ve sıcaklık kontrolünün önemli olduğu çalışmalar için uygundurlar [5]. Termoelektrik soğutucuların en önemli sakıncaları STK larının kompresörlü soğutma sistemlerinden düşük olması ve pahalı olmalarıdır. Teknolojideki gelişmelerle termoelektrik modül fiyatlarında azalma görülmektedir. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. Materyal Soğutulacak Hacim Z.K.Ü. K.T.E.F. Makine Eğitimi Bölümü atölyelerinde yapılan deney düzeneği Şekil.1 de gösterilmektedir. Soğutulacak kabin 29x29x29 cm dış ölçülerindedir. Kabin suntadan yapılmış ve içi straforla yalıtılmış, strafor üzeri alüminyum folyo ile kapatılmıştır. Kabinin arka yüzeyi modülün yerleştirilmesi için 4x4 cm ölçüsünde boş bırakılmıştır. Kabinin yalıtım işlemleri yapıldıktan sonra kalan soğutulacak hacim 15x15x15cm ölçülerindedir. Kabin ısı kazancı Q = 0,7089. T olarak hesaplanmıştır. Kabin için dış sıcaklık 30 o C ve iç sıcaklık 2 o C kabul edildiğinde kabinin ısı kazancı 19,85 W olarak hesaplanmaktadır Termoelektrik Soğutucu Şekil.1 Deney düzeneği Soğutma işlemini yapmak için termoelektrik modül olarak TEC T125 kodlu modül kullanılmıştır. Bu eleman için üretici firmanın verdiği değerler Çizelge 1 de görülmektedir [6]. 40x40x5.4 mm ölçülerindeki bu modül 127 çiftten oluşmakta, maksimum uygulanacak gerilim 15.2 Volt, maksimum akım 3 Amper ve maksimum sıcaklık farkında 29.7 Watt soğutma gücüne sahiptir. Optimum çalışma şartlarında gerilim ve akım değeri maksimum değerin yaklaşık %50 sine karşılık gelmektedir. Bu özellikleri ile kabini istenilen sıcaklığa soğutabileceği düşünülmüştür. Sistemin sıcaklık ölçümleri için 4 adet termokupl, gerilim ve akım ölçümleri için 1 adet avometre ve güneş ışınım şiddeti ölçüm cihazı kullanılmıştır. Çizelge.1 Kullanılan termoelektrik modülün parametreleri Model Çift sayısı U max I max T max Q max LxWxH (mm) R(Ω) TEC T x40x Bazı Termoelektrik modül üreticileri ise termoelektrik modülün gerilimi ve soğutma gücü, T 'nin bir fonksiyonu olarak vermektedirler. Bu eğriler "perfomans egrisi" olarak isimlendirilirler. Herhangi bir 34

3 Atik, K. Çakır, H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) sıcaklık farkı ve akım değerine karşılık olan soğutma gücü ve gerilim degerleri bu eğriler üzerinden okunabilir [7]. Bu eğriler termoelektrik soğutucu tasarımında, çalışma noktasının belirlenmesi, modül seçimi gibi amaçlarla kullanılmaktadır. Bazı üreticiler ise performans değerlerini bulmaya yarayan eşitlikler vermişlerdir Güneş Pili Termoelektrik soğutucunun enerji ihtiyacını karşılamak için 27 W gücünde ve 535x449x25 mm ölçülerinde #894 TGM V model güneş pili kullanılmıştır. Güneş pillerinin performans değerleri 1000 W/m 2 ışınım şiddeti için verilmektedir [8]. Gerçek şartlarda ışınım şiddetinin daha düşük olması durumunda da bu güneş pili termoelektrik soğutucunun elektrik ihtiyacını karşılayabilecektir. Güneş ışınımından en iyi şekilde yararlanmak için güneş piline istenilen açıyı verebilecek ayaklar üzerine yerleştirilmiştir. Kabinin içindeki ısı geçişini sağlamak için termoelektrik modülün iç yüzeyi üzerinde 40x40x10 mm ölçülerinde bakır, üzerinde kanatlı alüminyum parça ve fan bulunmaktadır. Kabin kesiti Şekil.2 de görülmektedir. Modülün dış yüzeyinden ısıyı atmak için bakır borulardan sulu doğal sirkülasyonlu sistem yapılmıştır. (1. Fan, 2.Sunta, 3. Strafor, 4.Alüminyum plaka, 5.Vida, 6. Isı değiştirici, 7.Termoelektrik modül, 8.Bakır plaka) Şekil.2 Soğutulacak kabin kesit görünüşü 2.2 Metot Soğutulacak kabinin ısı kazancı hesaplandıktan sonra gerekli soğutma gücüne göre termoelektrik modül seçilmiştir. Termoelektrik modülün elektrik enerjisi ihtiyacına göre de güneş pili seçilmiştir. Yapılan uygulamada soğutma cihazının değişik sıcaklıklarda gösterdiği performansı, güneş pilinden elde edilen akım, gerilim tespit edilmektedir. Bu değerler kullanılarak termoelektrik soğutucunun STK sı ve güneş pilinin verimi hesaplanmıştır. Güneş pilinin ürettiği ve termoelektrik modülün çalışması sırasında harcanan güç (W) ; W = V I (1) Burada : V Volt, I Amper ve W Watt tır. Termoelektrik modülün soğutma tesir katsayısı (STK) ise; STK = Q c /W (2) Burada : Soğutma gücü (Watt), W harcanan güçtür (Watt). 35

4 Teknolojik Araştırmalar : MTED 2006 (3) ARAŞTIRMA BULGULARI Farklı dış sıcaklık ve ışınım değerleri için 15 gün boyunca deneyler yapılmıştır. Kabin içi sıcaklık yaklaşık 45 dakikada denge durumuna geldiği için yapılan deneylerden birinin yaklaşık 1 saatlik dilimi değerlendirme amacıyla yeterli görülmüştür. Yapılan deneylerden birinin sonuçları grafikler halinde verilmiştir. Deney süresince her dakika sıcaklık, akım ve gerilim değerleri ölçülmüştür. Deneyden elde edilen ölçümlerle Şekil 3 ve Şekil 4 deki grafikler oluşturulmuştur. Deneye başlandığında kabin iç sıcaklığı ve kabin dış sıcaklığı ile termoelektrik modül iç ve dış yüzey sıcaklıkları eşittir. Termoelektrik soğutucu ilk çalıştırıldığından itibaren kısa bir süre içinde soğutucu modülün yüzeyler arasındaki sıcaklık farkı 23 o C olduğu ve daha sonrada sıcaklık farkının çok fazla değişmediği Şekil 3 de görülmektedir.yaklaşık 1 saatlik deney süresince kabin iç sıcaklığı 4.9 o C ye kadar düşmüştür. Termoelektrik modülün iç yüzey sıcaklığı ise 2.7 o C ye kadar düşürülebilmiştir. Bu durumda iç-dış sıcaklık farkı o C olmuştur Sıcaklık (C) Dış sıcaklık Soğuk Yüzey İç Sıcak Sıcak yüzey Zaman (Dakika) Şekil.3 Termoelektrik soğutucuda sıcaklıkların zamanla değişimi Deney esnasında devredeki akım ve gerilim değerleri de ölçülerek her dakika kaydedilmiştir. Güneş ışınımı sabit tutulduğu için akım ve gerilim değerleri de dengeli bir şekilde kaldığı Şekil 4. te görülmektedir. Yapılan çalışmada güneş pilinden elde edilen enerji depolanmadan, doğrudan termoelektrik soğutucuya bağlanmıştır. Deney sırasında güneş pilinden gelen gerilimin optimum akımı sağlaması için hareketli ayaklar yardımıyla güneş pilinin açıları değiştirilerek en yüksek ışınım şiddeti ve gerilim elde edilmeye çalışılmıştır. Güneş pilini güneşe karşı istenilen açıda tutabilmek için ayarlanabilir ayaklarla o arasında açıyla tutulmuştur. Güneş radyasyonu 775 W/m 2 ölçülmüştür. 36

5 Atik, K. Çakır, H. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2006 (3) Şekil.4 Deney sırasında ölçülen Akım ve Gerilim değerleri 4. SONUÇ Yapılan doğrudan bağlantılı sistemden oldukça iyi sonuçlar alınmıştır. Örnek olarak verilen deneyde; dış sıcaklık C ve güneş ışınım şiddeti 775 W/m 2 ölçülmüştür. Kabin içerisi sıcaklık 4.90 C ye ulaşılmıştır. Yani sağlanan dış-iç sıcaklık farkı C dir. Bu esnada ölçülen gerilim 8.62 Volt, akım 2.23 Amperdir. Güneş pili verimi % 10, termoelektrik modül STK sı 0.90 olarak hesaplanmıştır. Daha düşük iç sıcaklıklar elde etmek için güneş pili ve termoelektrik modül sayılarını arttırmak gereklidir. Bu sistemin en önemli mahzuru pahalı olmasıdır. Elektrik bulunmayan yerler ve bazı özel uygulamalar için uygundur. KAYNAKLAR 1. Ültanır, M.Ö., 1998, Türkiye Açısından Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Yeri 21. Yüzyıla girerken Türkiye nin Enerji Stratejisinin Değerlendirilmesi, Tüsiad Raporu Yayın No:T/98-12/239, İstanbul 2. Mohamad A., 2004, Efficiency improvement of photo voltaic panels using a sun tracking system, Applied Energy, 79, pp Yıldız, M., Özdemir, A., Alaçakır, B., 1992, Güneş Pilleri ve Kullanım Alanları, EİE Bülteni ( ), Ankara 4. Yerakum, 2005, Güneş piliyle çalışan Termoelektrikli Soğutma cihazı, Süleyman Demirel Üniversitesi araştırma projesi, Isparta 5. Gao, M., Rowe, DM., 2000, Improved Model for Calculating The Coofficient of Ferformance of a Peltier Modüle, Energy Conversion & Management, 41, pp Aydın, M. Yeşilata, B., 2005, Pv Panel Güç Karakteristiklerinin Deneysel Yöntemle Belirlenmesi, Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, 25, 1, s