İÇİNDEKİLER
Giriş.......................................................................................................................................................... 3
1-
Seebeck Etkisi .............................................................................................................................. 4
2-
Peltier Etkisi ................................................................................................................................. 5
3-
Thomson Etkisi ............................................................................................................................ 7
Çalışma ve Modelleme Prensibi .............................................................................................................. 8
Yarı İletken Elemanların Isı Kontrolü ..................................................................................................... 11
Termoelektrik Modülün Jeneratör Olarak Kullanılması ........................................................................ 12
Termoelektrik Modülde Güç Üretim Hesaplamaları ............................................................................. 15
Termoelektrik Jeneratör Donanımı ....................................................................................................... 17
TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI ....................................................... 19
TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN DİĞER KULLANIM ALANLARI ............................................................... 23
1-
Termoelektrik Modüllerin Ölçüm Alanında Kullanımları ........................................................... 23
1.1 Termoelektrik Modüllerin Mikrofilm Kalorimetrede Kullanımı............................................... 23
1.2 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Termometresinde Kullanımı ................................ 23
1.3 Termoelektrik Modüllerin Siyah Gövdelerde Radyasyon Standardı İçin Kullanımı ................. 23
1.4 Termoelektrik Modüllerin Fototüp (photomultiplier) gövdesinde Kullanımı.......................... 23
1.5 Termoelektrik Modüllerin Yakıtların Nemini Alan Ünite Kullanılması..................................... 24
1.6 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Referans Odasında Kullanımı .............................. 24
1.7 Termoelektrik Modüllerin Yağ (Petrol) Bulanıklık Test Cihazında Kullanımı ........................... 24
1.8 Termoelektrik Modüllerin Kırılım Ölçer (refractometer) Olarak Kullanımı ............................. 24
2-
Termoelektrik Modüllerin Biyo-Teknoloji Alanında Kullanımı .................................................. 24
2.1 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktivite Monitörlü Kalorimetrede Kullanımı .......................... 24
2.2 Termoelektrik Modüllerin DNA Düzen Reaktöründe Kullanılması .......................................... 25
2.3 Termoelektrik Modüllerin Spektrometre Hücre Termo Programcısı Olarak Kullanımı ........... 25
2.4 Termoelektrik Modüllerin Programlanabilir Termal Kontrolörde Kullanımı ........................... 25
2.5 Termoelektrik Modüllerin Tıp Kiti Soğutucu Olarak Kullanımı ................................................ 25
2.6 Termoelektrik Modüllerin Fotosentez Analizerde Kullanımı ................................................... 25
2.7 Termoelektrik Modüllerin Osmometrede Kullanımı ............................................................... 25
2.8 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktif Analizer İçin Termoprogramcısı Olarak .......................... 26
Kullanımı ........................................................................................................................................ 26
3- Termoelektrik Modülün Medikal Alanda Kullanımı ...................................................................... 26
3.1 Termoelektrik Modüllerin Sıcak Soğuk Stimülatöründe Kullanımı.......................................... 26
3.2 Termoelektrik Modüllerin Cryo-Cerrahi Destroyerde Kullanımı ............................................. 26
3.3 Termoelektrik Modüllerin Mikroskop Safhası Soğutucusunda Kullanımı ............................... 26
3.4 Termoelektrik Modüllerin Mikrotome Safhası Soğutucusu Olarak Kullanımı ......................... 26
3.5 Termoelektrik Modüllerin Portatif Mini Soğutma Kutusu (İnsilün)’da Kullanımı .................... 27
3.6 Termoelektrik Modüllerin Diş Dolgusu İçin Soğuk Plaka Olarak Kullanımı.............................. 27
3.7 Termoelektril Modüllerin Soğuk Sıcak Tedavi Battaniyesinde Kullanımı ................................ 27
4-
Termoelektrik Modülün Endüstriyel Alanda Kullanımı ............................................................. 27
4.1 Yarı İletken Cihaz Üretimi İçin Dopant Soğutucu..................................................................... 27
4.2 Termoelektrik Modül ile Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Silisyum Katman Soğutma Plakası
....................................................................................................................................................... 27
4.3 Termoelektrik Modüllerin Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Kimyasal Sirkülasyon Sisteminde
Kullanımı ........................................................................................................................................ 27
5-
Termoelektrik Modülün Genel Kullanımı .................................................................................. 28
5.1 Termoelektrik Modüllerin Vakum Pompası Akış Düzenleyicisi Olarak Kullanımı .................... 28
5.2 Termoelektrik Modüllerin Daldırma soğutucusu Olarak Kullanımı ......................................... 28
5.3 Termoelektrik Modüllerin Soğuk plakada Kullanımı ............................................................... 28
5.4 Termoelektrik Modüllerin Sıvı sirkülasyon Cihazında Kullanımı.............................................. 28
5.5 Termoelektrik Modüllerin Havalandırma Kullanımı ................................................................ 28
5.6Termoelektrik Modüllerin Taşınabilir Soğutucusu (piknik kutusu)’da Kullanımı ..................... 29
5.7 Termoelektrik Modüllü Meşrubat Soğutucusu ....................................................................... 29
5.8 Termoelektrik Modüllü Hava Aracı İçme Suyu Soğutucusu .................................................... 29
5.9 Otomobiller İçin Termoelektrik Modüllü Mini Soğutucu (Buzdolabı) ..................................... 29
6-
Büyük Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları ................................................................ 29
6.1 ASEA’nın Yapmış Olduğu Termoelektrik Soğutma Sistemi ...................................................... 29
6.2 Termoelektrik Modülün Hava Endüstrisi -Demiryolu Uygulaması .......................................... 29
7-
Orta Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları ................................................................... 30
7.1 Amerikan Radyo Şirketi (RCA)’nin Termoelektrik Soğutma Uygulaması ................................. 30
7.2 Carrier Şirketinin Termoelektrik Soğutma Uygulaması ........................................................... 30
7.3 TECA Firmasının Termoelektrik Soğutma Uygulaması ............................................................ 30
7.4 Midwest Araştırma Enstitüsüsün Termoelektrik Soğutma Çalışması ...................................... 31
KAYNAKLAR ........................................................................................................................................... 32
Giriş
Termoelektriksel modüller 1960’lara kadar ticari gelişimi göstermemiş olmasına rağmen,
aslında modern termoelektrik soğutucular üzerindeki fizik kanunlarının temeli 1800’lü yılların
ilk yarısına dayanmaktadır.
Termoelektriğe ilişkin ilk bulgu, 1821 yılında, Alman bilim adamı Thomas Seebeck tarafından
ortaya konulan iki farklı tür metalin içerisinde bulunduğu kapalı bir devrede elektrik akımı
dolaştırıldığında, metal jonksiyonlarının iki farklı sıcaklık değeri tepkisini gösterdiği
bulgusudur. Aslında Seebeck bu keşfin temelini fark etmemiştir. Bununla beraber ne yazık ki
süregelen sıcaklık üretiminin, dolaşan elektrik akımı ile aynı etkiyi yarattığını farzetmiştir.
1834’lere gelindiğinde, Fransız saat üreticisi ve aynı zamanda part-time fizikçi olan Jean
Peltier, Seebeck Etkisi’ni araştırırken, elektrik akımının kapalı bir döngüde dolaştığı sırada
termal enerjinin farklı jonksiyonlardan birinde absorbe edilirken, diğerinde deşarj olduğunu
fark ederek, teoriye bambaşka bir bakış açısı getirmiştir. Bundan 20 yıl sonra William
Thomson ( Lord Kelvin olarak da bilinir), Seebeck ve Peltier etkilerini kapsayan ve bunların
ilişkilerini açıklayan bildiri yayımlamıştır. Bununla beraber, o zamanlarda bu öngörülerin hala
daha fazla laboratuar çalışmalarına konu olması gerektiği ve pratik uygulamalardan yoksun
olduğu düşünülüyordu.
1930’larda ise Rus bilim adamları, bazı termoelektrik çalışmaları kullanarak, ülkeleri boyunca
uzak yerleşim yerlerinde kullanılmak üzere güç jenaratörleri kurma girişimi ile araştırmalarına
başladılar. Rusların termoeletrik üzerine yoğunlaşan bu ilgisi nihayetinde dünyanın diğer
ülkelerine de yansıdı ve daha pratik termoelektrik modüllerin gelişimini daha da
yaygınlaştırdı. Bugün daha önceki deneylerde kullanılan farklı metal jonksiyonları yerine,
termoelektrik soğutucularda modern yarı iletken materyaller teknolojisinin kullanımı
sağlanmıştır. Seebeck, Peltier ve Thomson etkileri ile birlikte diğer bulgular da, işlevsel
termoelektrik modülün temellerini oluşturmaktadırlar. (Cairo University, Faculty of
Engineering)
Termoelektrik soğutucular, sıcaklık dengesi, sıcaklık döngüsü veya ortam altında soğutma
gerektiren uygulamalarda kullanılan katı haldeki ısı pompalarıdır. CCD kameralar (charge
coupled device), lazer diyotlar, mikro denetleyiciler, kan analizatörleri ve ayarlanabilir ve
taşınabilir soğutucular gibi bir çok yerde termoelektrik soğutucu ürünleri kullanılırlar. Bu
dökümanda termoelektrik soğutucuların termal ve elektriksel etkilerinin denklemsel ve
pratik teorilerini inceleyeceğiz.
1- Seebeck Etkisi
İki farkı yarıiletken malzemelerin birbirine seri olarak birleştirilerek oluşturulan devrede, farkı
sıcaklıklarda elektrik gerilimi ölçülür. Bu gerilim “ seebeck voltaji ” olarak da isimlendirilir.
Devreden ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru
orantılıdır.
İki farkı yarıiletken malzemeden oluşturulan devrede ölçülen voltaj;
V = α ΔT
V: Devreden ölçülen Voltaj ( Volt )
0
ΔT= T2 – T1 Yarıiletken malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ( C )
0
α= α2 - α1 Seebeck katsayısı veya termo emk ( V / C) dır.
α ’nın değeri; devreyi oluşturan malzemelerin özelliklerine bağlıdır. Örneğin bakır konstantan
0
0
’dan yapılan bir termokupl için α= 40 μV / C ’dır. Yani her 1 C sıcaklık farkı için 40 μV ’luk
0
voltaj üretir. α ’nın değeri 100 μV / C ’dan büyük olan yarıiletkenlere, termoelektrik
yarıiletkenler denir. N tipi yarıiletken için α değeri negatif, P tipi yarıiletken için α değeri ise
pozitiftir. Meydana gelen seebeck etki yarıiletkenlerde jeneratör gibi, metallerde ise
termokupl veya ısı sensörü gibi kullanılır .
Şekil 1 : Seebeck Voltajının ölçümü
2- 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.
Açığa çıkan ısı miktarı, devreden geçirilen doğru akımla doğru orantılıdır;
QP= π I
QP: Birim zamanda transfer edilen ısı miktarı ( W ),
I: Devre üzerinden geçen doğru akım ( A ),
π: Peltier sabiti ( V ) dir.
π= α T
0
α: Seebeck katsayısı ( V / C),
T: Mutlak sıcaklık’ dır.
QP= α T I
Dışarıdan verilen elektriksel güç, elektronların sistem içinde hareket etmeleri için gerekli
enerjiyi sağlamakta ve böylece hareketlenen elektronlar değişen enerji düzeyleri arasında
ilerlerken ısı transfer etmekte, başka bir deyişle ısı taşımaktadır.
Dışarıdan 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, QP= α T I eşitliği ile bulunmaktadır. Buna ters yöndeki istenmeyen ısı
kazançları aşağıdaki eşitlikle bulunur.
2
Q= α TH I – I R + K ΔT
Q: Birim zamandaki ısı kazancı ( W ),
0
TH: Sıcak yüzey sıcaklığı ( C ),
0
TC: Soğuk yüzey sıcaklığı ( C ),
0
α= α2 - α1, Seebeck katsayısı ( V / C),
I: Devre üzerinden geçen akım şiddeti ( A ),
R= R1 + R2, Elektriksel direnç, ( ohm ),
0
K= K1 + K2, Isıl iletkenlik ( W / C),
0
ΔT= TH - TC, Sıcaklık farkı ( C ) dır.
Burada kullanılan yarıiletken malzemelerin elektriksel direnci aşağıdaki formül ile hesaplanır.
ρ: Malzemenin elektriksel iletkenliği (Ω cm ),
L: Malzemenin uzunluğu (m ),
2
A: Malzemenin alanı ( m ) dır.
Kullanılan
yarıiletken
ısıl
iletkenliği
ise
aşağıdaki
formül
ile
hesaplanır:
0
λ: Malzemenin iletkenlik katsayısı ( W/m C ) dır . Akımın yönüne göre birleşme noktalarının
birinde ısınma, diğerinde de soğuma meydana gelmektedir.
Şekil 2: Peltier Etkisi Devresi
3- Thomson Etkisi
1856 yılında bulunan Thomson etkisi şöyle açıklanabilir. Akım taşıyan bir iletkenin uçları
arasında sıcak farkı varsa akım yönüne göre jolue ısısına ek olarak Thomson ısısı açığa
çıkmaktadır. Thomson ısısı akım şiddeti, sıcaklık farkı ve zamanla doğru orantılıdır . Ortaya
çıkan Thomson ısısı;
QT= ι ΔT I
QT: Thomson ısısı ( W ),
0
ΔT: İletkenin uçları arasındaki sıcaklık farkı ( C ),
I : İletken üzerinden geçen akım şiddeti ( A ),
0
ι : Thomson katsayısı ( V / C) dır.
(Termoelektrik Etkiler ve Soğutma Etkinliğinin Uygulanması, Hüseyin Usta - Volkan Kırmacı,
G.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi)
Çalışma ve Modelleme Prensibi
Termoelektrik ısı pompaları, öncelikli olarak farklı yarı iletken materyaller (P-tipi ve N tipi)
kullanımı dolayısıyla üretilen bir katı halde ısı transferi metodu olarak tanımlanır.
Şekil 3: Peltier etkili ısı pompasının elektriksel ve mekanik kurulumu
Şekil bize Peltier etkili ısı pompasının tipik bir mekaniksel ve elektriksel kurulumunu
göstermektedir. Tıpkı geleneksel soğutmada olduğu gibi, Peltier modülleri termodinamik
kanunlarına göre hareket ederler. Temel olarak hem sıvı hem de buhar formdaki
soğutucunun iki farklı iletken tarafından yerleri değişmektedir. Katı conksiyon (buharlaştırıcı
yüzey), elektronların düşük enerji düzeyinden yüksek enerji düzeyine doğru hareketi
sürecinde oluşan enerji absobsiyonu nedeniyle soğumaktadır. Elektronları bir yarı iletkenden
diğer yarı iletkene doğru pompalayan bir DC güç kaynağı ile compressor yer değiştirmiştir.
Sistemdeki sıcaklığı deşarj ve ekümüle eden geleneksel yoğuşturucu kanatları bir ısı kabini ile
yer değiştirmiştir. Aşağıdaki tablo termoelektrik müdülle sıradan soğutucu arasındaki farkları
ortaya koymaktadır.
Buharlaştırıcı
Basınçlı
soğutucunun Elektronların
genişlemesine, kaynamasına seviyeden
düşük
(P-tipi) yüksek
ve buharlaşmasına izin verir. enerji
seviyesine
(N-tipi)
(
esnasında,
soğuk
Katı
halden
gaz
hale geçişi
geçişler boyunca ısı absorbe conksiyonda ısı depolanır.
edilir)
Kompresör
Soğutucunun üzerinde çalışır Güç kaynağı elektronların
ve
gazı
sıvıya
çevirir. hareket etmesi için enerji
Soğutucu kompresörü buhar sağlar.
olarak terk eder.
Yoğuşturucu
Buhalaştırıcıda depolanan ve Elektronlar
yüksek
enerji
buna ilave olarak püskürtme düzeyinden
düşük
enerji
geçerken
sıcak
esnasında
üretilen
ısıyı düzeyine
ortama verir. Aynı zamanda conksiyondaki
soğutucu sıvı hale geçer.
ısı
,
ısı
kabinine salınır.
Tablo 1: Sıradan soğutucu ile katı hal soğutucusu arasındaki farklar
Depolanan ısı qa, yayılan ısı qe ve girişteki elektriksel güç P olmak üzere modülleri
tanımlayan denklem:
Peltier etkisinin sonucu olarak pompalanan ısı terimi (αm.T.I),ısı iletim terimi (ΔT/Θm) ve
Joule etki terimi ( I²Rm). Genellikle Thomson teoreminin etkisi, değerin önemsenmeyecek
kadar küçük olması sebebiyle ihmal edilir. Aynı zamanda, genel olarak pratikte tek boyutlu
enerji transferi problemlerindeki elektriksel şekillerde bu eşitlik uygulanır.
Rm modülün direnci olsun. αm P-N jonksiyonunun Seebeck etkisi, Θm termal direnç, Te
ortama verilen toplam ısının sıcaklığı, Ta depolanan kesin sıcaklık ve ΔT=Te-Ta. qa ve qe
modülden yayılan ve emilen ısı miktarı olsun. Sonuç olarak V ve I girişteki güç kaynağından
sağlanan voltaj ve akım olduğuna göre, kısa formuyla COP olarak bilinen tesir katsayısı (the
Coefficient of Performance) soğutma ve ısıtma esnasında çalışan ısı pompasının verimi olarak
tanımlanabilir. COP aşağıdaki eşitlikle açıklanmaktadır
COP= qa/P
Aynı zamanda soğutma modüllerinin ısıtma ve soğutma tesir katsayıları COP, konvansiyonel
soğutma makinalarına ve ısı pompalarına benzer olarak aşağıdaki denklemlerde olduğu gibi
tanımlanır:
COPh =
COPc=
İki tip termoelektrik soğutucu ile soğutucuların performans değerlerini tespiti için yapılan bir
deneyde hava-hava soğutmalı sistemde 24 Volt 57 Watt gücünde modül ve sıvı hava
soğutmalı sistemde ise 24 Volt 67 Wattlık modüller kullanılmıştır. Soğutucuları kullanmak
üzere 50 litrelik yalıtımlı bir dolap yapılmıştır. Soğutulan hacim 20 mm kalınlığında stropor ve
3mm kalınlığında PVC ile kaplanmıştır. Deneyler sonucunda hava- hava soğutmalı sistemin
COP değeri en iyi soğutma olduğu anda hesaplanmış ve COP değeri 0.37 bulunmuştur. Sıvı–
hava soğutmalı sistemde ise 67 Wattlık modül kullanılmış ve COP değeri 0.40 olarak
hesaplanmıştır. (Termoelektrik Soğutucuların Çalışma kriterlerine Etki Eden Faktörlerin Ve
Endüstrideki kullanım Alanların Tespiti, Dikmen 2002).
Yine 40mm x 40mm x 4mm ölçülerinde bir termoelektrik modül, boyutları 50mm x 60mm x
50mm olan yalıtılmış bir dikdörtgen prizma kutu monte edilmiş ve içerisine konan suyun
sıcaklığı düşülerek, akım ve gerilim arasındaki ilişki incelenmiştir. Deneyde kullanılan 150
cm3’ lük hacim 1 mm kalınlığında galvanizli saç ile kaplanmış ve iç kısmı 5 mm kalınlığında
stroporla kaplanmıştır. Deney sırasında hacim içerisine 125 g su konulmuş ve sistem fanlı ve
fansız olarak çalıştırılmıştır. Deneyler sonucunda fansız deneylerde COP’ en düşük ve en
yüksek değerleri COPmin : 0088, COPmax : 0.22’dir. Fanlı sistemde ise COPmin : 0.094,
COPmax : 0.358 olarak bulunmuştur.( Termoelektrik Soğutma Etkisinin Soğutmada
Kullanılması, Kırmacı 2002).
Yarı İletken Elemanların Isı Kontrolü
Teorik olarak bir yarı iletken elemanın, temel ısı (Ti ) olarak adlandırılan iç ısısının üst limiti,
yani yarı iletken elemanın hafifçe macunlanmış bölgesindeki ısı yoğunluğu, bu ısı
yoğunluğunun büyük bir bölümünü taşır. Örneğin verici yoğunluğunun 1014 cm³ olduğu
yerdeki silikon diyodun hafifçe macunlanmış bölgesinde temel ısı 280 C civarındadır. Eğer bu
ısı aşılırsa jonksiyon noktasının karakteristiği bozulur. Çünkü temel taşıyıcı yoğunluğu,
macunlanmış bölgedeki yoğunluğu büyük ölçüde aşar ve termal bölge potansiyel farkı
kaybolur yarı iletkenlik bozulur ve kısa devre olur. Bununla beraber, veri tabakaları üzerinde
tanımlanmış maksimum iç ısı bu limitten daha azdır. Güç yarı iletkenlerinde güç kaybı
normalde iç ısıyla yükselir ve bu kayıplar 200 C sıcaklıkta bile oldukça yüksektir. Yarı iletken
üreticileri bir elemandan diğerine değişiklik gösterebilen ve genellikle 125 C olan, sabit iletim
voltajı, anahtarlama süresi, tanımlanmış maksimum ısıda anahtarlama kayıpları gibi
maksimum değerdeki eleman parametrelerini garantilerler. Dizayn süresince, birinci dizayn
girdimiz jonksiyon sıcaklığının en kötü durumudur. Yüksek güvenirliğe ulaşması hedeflenen
bir sistem 125 C’nin altındaki 20-40 C’de yarı iletken elemanların an kötü jonksiyon sıcaklığı
için dizayn edilecektir. Aksi takdirde, 125 C’deki değeri genellikle dizayn yapılırken en kötü
koşul girdisi olarak kullanılır. Bu durumda bir istisna, 125 C’nin altında tutulmak istenen
maksimum transistör jonksiyon sıcaklığıdır. Maksimum izin verilebilir dv/dt elemana
uygulanırken aynı zamanda jonksiyon sıcaklığı 125 C’nin üzerine çıkarsa, tristörler yeniden
harekete geçebilir ya da yanabilirler.
Bazı güç yarı iletken elemanları ve sinyal seviye transistörleri ve IC ler 200 C’nin biraz
üzerinde çalışabilirler. Bununla birlikte güvenilirlikleri (beklenen çalışma ömürleri) düşüktür
ve performans özellikleri 125 C’deki çalışmaya kıyaslandığında yetersiz olabilir. Ayrıca üretici
veri bilgisi olarak verilmiş maksimum ısı üzerindeki parametreleri garantilemeyecektir. Eğer
bir güç elektroniği devresinde yarı iletken elemanı yüksek ısılarda kullanmak istiyorsak bunun
için ayrı bir dizayn yapmalı ve eleman üzerinde biriken ısıyı atmayı hedeflemeliyiz aksi
takdirde kullandığımız yarı iletken eleman yanar ve garanti kapsamında sayılmaz. Güç
elektroniği donanımını dizaynlarken, özellikle yüksek sıcaklıktaki ortamlar için, termal evre
hesaba katılmalıdır. Soğutucu (heat sink) boyu, ağırlığı, elemanların konulacağı yerler ve
çevre sıcaklığı ile ilgili bilgiler hesaplanmalıdır. Soğutucu ile soğutucu kanatlarının montajı,
geniş odalı dikey pozisyonda olması fansız doğal konveksiyon hava geçişi için çok önemlidir.
Güneş tarafından ısınma olasılığı en kötü durum olarak dizayn yapılırken hesaba katılmalıdır.
Kötü tasarlanmış termal dizayn ekipmanların güvenirliğini azaltır. Unutulmaması gereken bir
husus da yarı iletken eleman çiftleri her 10-15 C sıcaklıkta 50 C üzerine çıkar ve bunun oranı
yetersiz kalabilir. Doğru seçim (en ekonomik veya en ucuz üretim için) soğutucu güç
elektroniği sitemi için sadece termal dizayn sürecinin bir bölümüdür. Dizayn yapılmadan
önce tasarlanır büyük veya küçük soğutucu ile doğal konveksiyonla, fan yardımıyla (AC motor
fan kontrol küçük güç elektroniği inverterleri ile DC motor fanlarından daha güvenilirdir) veya
gaz soğutma ile sistemi tasarlamakta özgürdür
Adı
Kullanım Yeri
Germanyum (Ge) (Basit Eleman)
Diyot, Transistör, Entegre, Devre
Silikon (Si) (Basit Element)
Diyot, Transistör, Entegre, Devre
Selenyum (Se) (Basit Element)
Diyot
Bakır
Oksit
(Kuproksit)
(CuO)(
Bileşik Diyot
Element)
Galiyum Arsenid ( GaAs) (Bileşik Element)
Tünel Diyot, Lazer, Fotodiyot, Led
İndiyum Fosfur (InP) (Bileşik Element)
Diyot, Transistör
Kurşun Sülfür (pbS) (Bileşik Element)
Güneş Pili (Fotosel)
Tablo 2 : Yarı iletkenler ve Kullanımları
Termoelektrik Modülün Jeneratör Olarak Kullanılması
Şekil 4’te görüldüğü gibi, bir termoelektrik soğutucu, iki seramik tabaka arasında elektriksel
olarak birbirine seri, termal olarak birbirine paralel olarak bağlantılı çeşitli P ve N-tipi yarı
iletkenlerinden oluşmaktadır. Uygun kutba DC akımın uygulanmasıyla üst tabakadan alt
tabakaya ısı pompalanarak sonuçta üst yüzey soğur. DC kutupları ters uygulanarak üst yüzey
ısı kaynağı durumuna getirilebilir.
N-P tipi atkılanmış
Bismuth Telluride
Elementler
SOĞUK
T soğuk
P
N
P
T sıcak
N
P
N
Elektriksel Yalıtkan
( Seramik Tabaka )
SICAK
Elektriksel İletken
( Bakır )
I
_
+
V
Şekil 4: Soğutucu modunda termoelektrik modül
Aynı ünite sadece DC kaynak yerine yük konulup, termoelektrik modülün üst yüzeyine ısı
uygulanmasıyla Şekil 5’de görüldüğü gibi termoelektrik güç jeneratörü yapılabilir. Elektrik
enerjisi termoelektrik yarı iletkenler boyunca ısı akışıyla elektriksel taşıyıcıların hareketinden
türetilmiştir. Delikler ya da pozitif taşıyıcılar, P tipi yarı iletken parçanın soğutucu yüzeyine
hareket ederler. Benzer şekilde, N tipi yarıiletken parçalarda elektron akışı, N tipi yarı iletken
parçanın soğutucu yüzeyinde açıkça negatif şarj ile sonuçlanır.
N-P tipi atkılanmış
Bismuth Telluride
Elementler
SICAK
T sıcak
P
N
P
N
P
N
T soğuk
Elektriksel İletken
( Bakır )
SOĞUK
I
_
+
Yük
Şekil 5: Jeneratör modunda termoelektrik modül
Elektriksel Yalıtkan
( Seramik Tabaka )
Teknolojik olarak çok ticari termoelektrik jeneratörü, termoelektrik soğutucularda olduğu
gibi genelde azdır. Soğutucular küçük sıcaklık farklarında (T), maksimum COP (Coefficient of
Performance-Performans verimi) ya da soğutma verimine sahiptirler. Oysa jeneratörler
büyük sıcaklık farklarında (T) maksimum verime sahiptirler. Termoelektrik jeneratörlerin
yüksek işletim sıcaklıkları sonucunda, Pb Te ve Si/Ge alaşımları gibi farklı maddeler ve tipik
soğutucularınkinden farklı derleyici teknolojiler talep eder.
Termoelektrik soğutucular, 180K-400K sıcaklık arasında çalışma için en uygun Bi, Sb, Te ve
Se alaşımlarından oluşur. Bu maddeler belirtilen sıcaklık aralığında en yüksek termoelektrik
etkiye sahiptirler. Ayrıca bu maddeler, aygıtların soğutma, ısı pompalama ve güç üretmek için
kullanılıp kullanılmamasına aldırmadan yüksek verime sahiptirler.
Sonuç olarak, normalde soğutma için tasarlanmış aygıtlar, maksimum 500 K sıcaklığıyla
düşük düzey enerji kaynaklarına dönüştürmede teorik olarak en etkin termoelektrik
jeneratörlerdir.
Termoelektrik modüllerin, jeneratör modunda kullanılmasında dikkat edilecek önemli bazı
pratik konular vardır. Bunlardan biri, modülün beklenen maksimum sıcaklıkta bozulmadan
kalması durumudur. Birçok standart termoelektrik modül, yaklaşık olarak 138 C’ de eriyen
Eutectic Bi/Sb lehimleme ile imal edilmiştir. Ancak, 200 C üzeri sıcaklıklara dayanıklı kalması
için yüksek sıcaklık lehim tasarımı sunan bazı modüller vardır.
Herhangi bir durumda, yüksek sıcaklıklara maruz kalan bir termoelektrik modülün işlevsel
ömrüne dikkat edilmelidir. Lehim birleşimleri, yüksek sıcaklıklarda termoelektrik materyalin
içine hızla yayılabilir ve performans düşer ve başarısızlığa sebep verebilir. Bu işlem
termoelektrik modül üzerine bir yayılma engelleyici uygulamasıyla kontrol edilebilir. Bazı
üreticiler, termoelektrik soğutucuları engelleyici materyal olmadan sağlarlar. Bir engelleyici
materyal uygulaması genellikle yüksek sıcaklıkta termoelektrik modül üretiminde standarttır.
Termoelektrik modüller, düşük düzey enerji kaynaklarının kullanılmasıyla güç jeneratörleri
olarak kullanılabilirler. Yüksek performanslı materyaller kullanılırsa 500K altındaki
sıcaklıklarda en yüksek verim oranlı termoelektrikler sağlanabilir.
Termoelektrik Modülde Güç Üretim Hesaplamaları
Güç üretimi için kullanılan bir termoelektrik modülün temelini mikromodül-termoçift
oluşturmaktadır. Şekil 6’da mikromodülün ayrı yüzeylerine biribirinden farklı Th ve Tc
sıcaklıklarının uygulandığı görülmektedir.
Qh
Th>Tc
Th
Tc
P
N
Qc
a
Rl
b
I
Şekil 6 : Tek bir termoelektrik mikromodül
Mikromodülde, RL yükü olmadan a ve b noktaları arasındaki ölçülen açık devre gerilimi;
V= . T ‘ dir.
V

T
: Volt değerinde mikromodül çıkış gerilimi
: Volt / K şeklinde ortalama Seebeck katsayısıdır
: Th – Tc, K biriminde mikromodül üzerindeki sıcaklık farkıdır
Termoelektrik mikromodüle bir yük bağlandığında yükten geçen akım;
 . T
I=
RC + RL
I = Jeneratör çıkış akımı (amper)
RC = Termoelektrik mikromodülün ortalama iç direnci (ohm)
RL =Yük direnci (ohm)
Termoelektrik mikromodüle toplam ısı (Qh) girişi :
Qh =  . Th .I – ½ .I2.RC + KC.T
Qh = Isı girişi (watt)
Kc = Termoelektrik mikromodülün ısı iletkenliği (Watt / K)
Th = Termoelektrik mikromodülün sıcak tarafı(K)
Jeneratörün verimi(Eg);
Eg=
V .I
Qh
Tam bir modül bir sıra termoelektrik mikromodülden meydana geldiğinden, gerçek bir
modülle ilgili formül aşağıdaki gibidir;
Vo = M . T = I . (RM + RL)
Formülde;
Vo : Jeneratör çıkışı (volt olarak)
M : Modülün ortalama seebeck katsayısı (Volts/K)
RM : Modülün ortalama direnci
Ortalama modül sıcaklığı :
Tavg =
Th  Tc
2
Modülün güç çıkışı (Po) (watt olarak)
PO= RL . [ (M . T) / ( RM + RL ) ]2
Sonuçta, termoelektrik jeneratörlerin büyük bir kısmı elektriksel olarak seri, paralel veya
seri/paralel düzende bağlı olabilecek bir sıra bireysel modülü içermektedir. Tipik bir jeneratör
düzeni Şekil 7‘de görüldüğü gibi Pn adet paralel ve her paralel kolda Sn adet seri modülden
oluşmaktadır.
P2
P1
Pn
I
S1
S2
Vo
Rl
Sn
Şekil 7 : Modüllerin Seri – Paralel Düzenlenmesiyle Tipik Termoelektrik Jeneratör
Termoelektrik Jeneratör Donanımı
Termoelektrik jeneratörler ile termal sular kullanarak ısı akışı ile doğrudan elektrik enerjisi
elde edilmektedir. Bu işlem için temelde termoelektrik modüller kullanılmaktadır. Şekil 8’de
termoelektrik jeneratör donanımı görülmektedir.
Termal sulardan elde edilen ısıyı kullanabilmek için, içinden su dolaşımına izin veren ızgara
şeklinde bir alüminyum blok kullanılmaktadır. Termal suyu bu blok içerisinde dolaştırarak
onun ısınmasına, dolayısıyla da bu bloktan ısı termoelektrik modüle aktarılmaktadır. Diğer
yüzden de bu ısının alınıp dağıtılması gerekmektedir. Bu nedenle yine ısıtıcı blok yapısında
soğutucu blok kullanılmaktadır. Böylelikle de termoelektrik modüldeki ısı, soğutucu blok ile
alınıp dışarıya yayılmaktadır.
Isı akışı neticesinde, termoelektrik modül uçlarında bir potansiyel farkı oluşmaktadır. Bu elde
edilen potansiyel çok küçük volt seviyesindedir. Bu düşük potansiyeli kullanılabilir duruma
getirmek için çeviriciler kullanılır. Öncelikle DC/DC çevirici kullanarak belirli bir seviye DC
gerilim yükseltilerek kullanılabilir duruma getirilmektedir. Ayrıca burada elde edilen
yükseltilmiş DC gerilimden, DC/AC çeviriciler ile günlük hayatımızda kullanabileceğimiz 220 V
AC gerilim elde edilmektedir.
Isıtıcı blok ve soğutucu blok üzerinde A ve B ısı ölçümleri ile sıcaklık değerleri alınmaktadır.
Alınan bu değerlerin bilgisayara aktarılabilmesi için analog dijital çevirici ile dijital veriye
dönüştürülmesi gerekmektedir. Böylelikle de bu veriler kullanılarak sıcak ve soğuk blok
sıcaklıklarına ait grafikler bilgisayarda incelenmektedir. Donanım işleyişi içerisinde sadece
sıcaklıklar değişebilir olduğundan elde edilebilecek olan enerji seviyesi hesaplanmakta ve
simüle edilmektedir. Ayrıca elde edilen verilere göre gerekli kontrol sinyalleri üretilecektir.
Termoelektrik modülden sürekli olarak belirli seviye içerisinde gerilim elde etmek için ısıtma
ve soğutma kontrol edilmektedir.
Şekil 8 : Termoelektrik Jeneratör Donanımı
TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI
Termoelektrik dönüştürücüler yardımıyla güneş enerjisinden elektrik elde tekniği, bu alanda
yeni bir yöntem olarak ele alınmaktadır. Termoelektrik dönüştürme elemanlarından oluşan
bir Peltier dizininin kullanımıyla güneş enerjisinden elektrik enerjisinin elde edilmesi
hedeflenmiştir. Parabolik bir yansıtıcının kullanımıyla gelen güneş ışınları yansıtılarak
soğurulmuş ve ısı enerjisine dönüştürülmelidir. Isıtma işlemi bu yöntemle sağlanırken,
soğutma işleminde ise akışkan olarak su ve hava kullanılabilir. Sonuç olarak termoelektrik
dönüştürücüler yardımıyla güneş enerjisinden beklenen elektrik enerjisi elde edilir.
Bu kısımda anlatılacak uygulamada mekatronik tabanlı parabolik yansıtıcı kullanılarak güneş
enerjisinden elektrik enerjisi eldesi hedeflenmiş ve sıcak suyla birlikte TEC aracılığıyla elektrik
enerjisi eldesi konu edilmiştir. Yansıtıcı yüzeye gelen güneş ışınları odaklanarak soğurulmalı
ve elde edilen ısı enerjisi termoelektrik jeneratörünü çalışır hale getirmelidir. Jeneratör
soğutma sistemiyle de soğutularak güç ünitesi için gerekli olan ΔT sıcaklık farkı sağlayarak
uygulamada başarılı olunabilir.
Bu uygulamada tarif edilen düzenek, mekanik ve elektriksel aksam olmak üzere iki ana
kısımdan oluşmuştur. Mekanik aksam parabolik yansıtıcı ile birlikte mekatronik kısımdan
oluşmaktadır. Parabolik yansıtıcı kısım Cr-Ni levhadan yapılmış olup; uzunluğu 100 cm, yay
uzunluğu 80 cm, yarıçapı ise 25,47 cm olan iç bükey bir yapıya sahiptir. Bu yansıtıcının
optimum düzeyde güneş ışını alabilmesi için yatayla yaptığı açı (eğim) olacak şekilde
tasarlanıp monte edilmelidir. Parabolik system, optoelektronik bir düzenek yardımıyla kendi
ekseninde belli Ø açısıyla hareket edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Sistemdeki sürtünmeyi
minimuma indirmek için her iki eksende rulman yataklar kullanılmıştır. Parabolik yansıtıcı
tarafından yansıtılarak gelen ışınlar, cam borudan geçerek boru içerisindeki emici siyah
yüzeyli bakır boruya yansıtılmıştır. Böylece soğurulma sonucu foton enerjileri ısı enerjisine
dönüştürülmüştür. Sistemde sıcak ve soğuk su depoları olmak üzere iki farklı su deposu
kullanılmıştır. Soğuk su deposu tek cidarlı olup, silindirik yapıdadır. Galvanizli saçtan imal
edilen su depolarının yarıçapı cm, boyu ise cm olup cm3 (37,78 lt) hacmindedir. Sıcak su
deposu ise iki cidarlı olup, iki yüzey arası cam yünü ile yalıtılmıştır. Termoelektrik güç
sisteminin çalışması için sıcak ve soğuk ısı kaynaklarına ihtiyaç duyulduğundan gerekli olan T1
sıcaklığı parabolik yansıtıcıyla soğurulan güneş enerjisinden, T2 sıcaklığı ise oda sıcaklığında
bulunan soğuk su deposundan sağlanmaktadır. Sistemin soğutulmasında soğutucu akışkan
olarak hava ve su kullanılmalıdır. Böylece, sistemden optimum verim sağlanabilmesi için her
iki akışkana dayalı soğutma sistemleri geliştirilmiştir. Düzenekte sıcak yüzey olarak; 49 cm, 50
cm ve 7 cm boyutlarında, termostatik kontrollü dikdörtgenler prizması şeklinde bakırdan
yapılmış ek bir depo kullanılmalıdır. Termoelektrik jeneratörün gerçekleştirilmesi için 60 cm X
60 cm boyutlarında bakır borudan imal edilen bir ısı eşanjörü kullanılmalıdır. Spiral halde
yapılan eşanjörle farklı iki sıcaklıktaki ısı enerjisinin peltierler üzerine aktarılması
hedeflenmiştir. Bakır boru 0,10 mm kalınlığındaki bakır levha üzerine yapıştırılmış ve simetrik
düzenekle bakır levhalar peltierler dizinin her iki yüzeyine sıkıca monte edilerek TE jeneratör
çalışır hale getirilmelidir. Akışkanın dolaşımı devridaim motoru ile sağlanmalı, jeneratör
yapımında TEC1-12708 marka termoelektrik dönüştürücüler kullanılmalıdır. Geliştirilen
düzenek aşağıdaki şekil’de görülmektedir.
Şekil : Uygulama düzeneği
Dinamik yapılı parabolik yansıtıcı yardımıyla güneş enerjisinden ısı enerjisi sağlanarak
termoelektrik jeneratör çalıştırılırsa ve buradan da elektrik enerjisi elde edilirse, geliştirilen
düzenekle deneysel sonuçlar eldesi ve ilgili tablo değerleri aşağıda verilmiştir.
Tablo 1 : Parabolik yansıtıcılı sistemdeki akışkanın sıcaklığı ile gelen ışık akısına bağlı tipik
deneysel veriler.
Çalışmada geliştirilen her iki tipteki jeneratörlerle sağlanan deneysel veriler Tablo 2 ve Tablo
3’de verilmiştir. Su soğutmalı ısı eşanjörlü jeneratörden sağlanan veriler Tablo 2’de
görülmektedir.
Tablo 2 : Su soğutmalı ısı eşanjörlü TE jeneratöründen sağlanan veriler.
Hava soğutmalı sisteme dayalı olarak gerçekleştirilen TE jeneratöründen sağlanan veriler
Tablo 3’de verilmektedir.
Tablo 3 : Hava soğutmalı sisteme dayalı TE jeneratörden sağlanan veriler.
Yapılan bu çalışma, 107M646 nolu TÜBİTAK projesi kapsamında gerçekleştirilmiş değerler
proje kapsamında temin edilmiştir. Çalışmada, mekatronik düzeneğe dayalı bir parabolik
yansıtıcı kullanılarak termoelektrik dönüştürücüler aracılığıyla güneş enerjisinden elektrik
enerjisinin eldesi hedeflenmiş ve çalışma hedeflendiği üzere gerçekleştirilmiştir. Çalışmada iki
farklı jeneratör tipi kullanılarak deneysel veriler elde edilmiştir. Bu verilere ait tablo değerleri
karşılaştırıldığında, hava soğutmalı sistemin sıvı akışkanlı sisteme göre daha verimli olduğu
gözlenmiştir. Bu durumun kullanılan iki farklı yöntemin özelliğinden kaynaklandığı
düşünülmektedir. Sonuç olarak, iki farklı yapıdaki termoelektrik jeneratör kullanılarak
geliştirilen düzenek aracılığıyla güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmiştir. Elde edilen
güç miktarı düşük olsada, çalışılan bu sistem geliştirilerek daha fazla gücün sağlanabilmesi ele
alınan sistemin önemini artıracaktır. Güneş pillerine göre potansiyel bir rakip olarak gözüken
termoelektrik dönüştürücülerin gelişen teknoloji ve malzeme bilimiyle birlikte yakın
gelecekte özellikle enerji dönüşüm sistemlerinde önemli ölçüde yaygınlık kazanacağı
beklenmektedir.
TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN DİĞER KULLANIM ALANLARI
1- Termoelektrik Modüllerin Ölçüm Alanında Kullanımları
1.1 Termoelektrik Modüllerin Mikrofilm Kalorimetrede Kullanımı
Boylerdeki oluşan çatlakları tespit eder. Bunu Peltier modülün izotermal kontrollüyle + veya 1% doğrulukta yapmaktadır. 100 µW ile 200 mW güç aralığında, dalga boyu 0,4 µm ile 1,8 m
arasında olan ışınların gücünü ölçmek için kullanılabilen Peltier kontrollü siyah gövdeli
(NiPkaplama) bir cihazdır (Çakır 2006).
1.2 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Termometresinde Kullanımı
Bu cihaz, hidrokarbon karışımlarının donma ve erime noktalarının tespiti için kullanılır. Test
edilecek numune, donma noktasını belirlemek için -60°C’ye kadar soğutulur ve erime
noktasını belirlemek için numune tekrar oda sıcaklığına döndürülür. Soğutma ve ısıtma, iki
adet üç basamaklı Peltier modülüyle sağlanır. En üsteki basamak 71 kupla (semikondüktörün
boyu 3 mm), orta basamak 71 kupla (semikondüktörün boyu 6 mm), en alttaki basamakta ise
127 kupla (semikondüktörün boyu 6 mm) sahip Peltier modül kullanılır. Peltier modüllerin
sıcak tarafını 20°C altında tutmak için su ve buz karışımı kullanılır (Mathiprakasam and Fiscus
1986).
1.3 Termoelektrik Modüllerin Siyah Gövdelerde Radyasyon Standardı İçin Kullanımı
50 x 50 mm ve yansıması >0,98 olan siyah yüzeyli bir plaka, Peltier modül tarafından sıcaklığı
–20°C ile 70°C arasında kontrol edilir. Siyah gövdeli yüzeyin radyasyonunu istenen sıcaklıkta
sabitlenmesini sağlar (Çakır 2006).
1.4 Termoelektrik Modüllerin Fototüp (photomultiplier) gövdesinde Kullanımı
Fototüpün gövdesi, sesi az olan ve düşük karanlık ortamda çalışan ve stabiliteyi bozmayan
Peltier modülle soğutma yapılır. Bu fototüplü ölçüm cihazlarında hassasiyet bakımından
gelişme sağlamıştır.
1.5 Termoelektrik Modüllerin Yakıtların Nemini Alan Ünite Kullanılması
Yakıtların enfraruj analize cihazında analiz ederken yakıt içindeki su (nem) yanlış sonuçlar
verebilir ve detektöre zarar verebilir. Peltier modül tarafından 1,5°C ile 3°C + veya - 0,1°C
arasında sıcaklıkta yakıt soğutulur. Yakıtın içinde bulunan nem soğukluğun etkisiyle su haline
gelir dışarı atılır (Çakır 2006).
1.6 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Referans Odasında Kullanımı
Bu odanın bir tarafı kapatılmış, diğer tarafı da esnek metal bir körük takılmış bakır bir
silindirden oluşan bir cihazdır. Saf suyun soğutma noktasının tespiti için cihazın odası
tamamen saf su ile hava doldurulur ve Peltier modül tarafından üç noktadan soğutulmuştur.
Sızdırmadan, su/buz veya su/hava/buz karışımını üç noktadan kontrol ederek 0,01°C
sapmayla otomatik kontrol edilerek suyun donma noktasını değerini gösterir. (Dikmen 2003)
1.7 Termoelektrik Modüllerin Yağ (Petrol) Bulanıklık Test Cihazında Kullanımı
Test edilen yağ (petrol), bulanıklık noktasını belirlemek için -34°C’ye kadar soğutulur.
Soğutma iki adet iki basamaklı Peltier modülle sağlanır. Bu Peltier modülün üsteki basamak
127 kupla (eleman uzunluğu 2,54 mm), alttaki basamakta 127 kupla (eleman uzunluğu 1,14
mm) sahiptir (Dikmen 2003).
1.8 Termoelektrik Modüllerin Kırılım Ölçer (refractometer) Olarak Kullanımı
Peltier modülleri kullanan refractometre için bir pompa ile dolaşan su çevredeki devreden
sıcaklığı kontrol eder. Peltier modül tarafından soğutulan su, refractometerin sıcaklığını
kontrol etmek için harici kontrollü bir pompayla refractometerin etrafında sirküle ettirilir.
2- Termoelektrik Modüllerin Biyo-Teknoloji Alanında Kullanımı
2.1 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktivite Monitörlü Kalorimetrede Kullanımı
Yaşayan organizmalardaki biyolojik olaylarla ilgili olan 25 ile 300 MV/ml’ye kadar çok küçük
sıcaklık etkisinin direkt ve sürekli izlenmesi Peltier modüllerin izotermal kontrolü ile
gerçekleşmektedir.
2.2 Termoelektrik Modüllerin DNA Düzen Reaktöründe Kullanılması
DNA reaktörü, Peltier modüllerinde şartlandırılmış pompayla sirkülasyon eden su 37°C’lik
sabit bir ısıda çalışması sağlanmış olur (Çakır 2006).
2.3 Termoelektrik Modüllerin Spektrometre Hücre Termo Programcısı Olarak
Kullanımı
Nükleik asit ve protein çalışmalarındaki DNA termal denatrasyon ve renatrasyon
uygulamaları için spektrometrenin hücre tutucularının sıcaklığı Peltier soğutma ünitesiyle
kontrol edilir. Bu olay 0 ile 99,9 + veya - 0,1°C sıcaklık aralığında spektrometre hücre içindeki
numune için programlanmış ısıtma ve soğutma sağlar olabilir. Hücreler arasındaki sıcaklık
uyuşması 40°C’de + veya - 0,2°C’den daha iyi, 99°C + veya - 0,5°C’den daha iyidir ve soğutma
oranı dakika başına maksimum 10°C’dir (Dikmen, 2003).
2.4 Termoelektrik Modüllerin Programlanabilir Termal Kontrolörde Kullanımı
Peltier soğutma üniteleri, 0–100°C arasında saniyede 1°C’ye kadar soğutma oranları ile ve
yaklaşık 5°C kesinlik ile test tüpünü tutan bloğa ve o bloktan ani ısı transferi sağlarlar. Bu,
DNA, RNA ve diğer numuneler için kesin ve uygun programlanabilir termal kontrolördür.
Sıcaklık kontrol sistemiyle, 100 kadar kullanıcısı tanımlanmış programları depolayabilen 2
kilobaytlık kalıcı hafızaya sahiptir (Dikmen 2003).
2.5 Termoelektrik Modüllerin Tıp Kiti Soğutucu Olarak Kullanımı
Kan, aşı ve birçok ilacın bozulmaması için belli bir sıcaklık koşullarında tutulması
gerekmektedir. Bu koşullar Peltier soğutucu modüllerle sağlanmaktadır. (Uçar ve Bardakçı
2005).
2.6 Termoelektrik Modüllerin Fotosentez Analizerde Kullanımı
Fotosentez analizerde oluşan sıcaklık, küçük bir Peltier modülüyle kontrol altında tutulur.
2.7 Termoelektrik Modüllerin Osmometrede Kullanımı
Bir solüsyon donma noktası tespit eder. Bu cihazda iki basamaklı Peltier modül ile 100 ml’lik
sıvı –11oC sıcaklığına indirmektedir. Peltier modülün üst basamağı 32 kupl, alt basamağı da
128 kupla sahiptir. Modül büyüklüğü 2,8 x 2,8 x 2 mm’dir (Dikmen 2003).
2.8 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktif Analizer İçin Termoprogramcısı Olarak
Kullanımı
Biyoaktif analizer kalorimetre için çevresinin sıcaklığı Peltier modülleri kullanarak pompayla
devreden su ile 25 + veya - 0,01°C’de kontrol altında tutulur (Çakır 2006).
3- Termoelektrik Modülün Medikal Alanda Kullanımı
3.1 Termoelektrik Modüllerin Sıcak Soğuk Stimülatöründe Kullanımı
Kalem-tipli bir sondanın ucundaki Peltier soğutma ısıtma ünitesi, belirlenmiş bir çevrimde
sıcaklık veya soğukluk sağlar. Bu durum verilen zaman periyodu için bazen sıcak veya soğuk
arasında değişerek bazen de ya sıcak ya da soğuk elde etme şeklinde meydana gelir. Aynı
zamanda bir hastanın soğuğa ya da sıcağa olan duyarlılığını teşhis etmek için de kullanılır.
3.2 Termoelektrik Modüllerin Cryo-Cerrahi Destroyerde Kullanımı
Cryo cerrahi destroyer, bir organizmadan atılan patolojik dokunun dondurulmasına dayanan
bir çeşit cryo-terapidir. Cihaz bir kontrol düzeneği ve yönetici cryo-sondadan oluşmaktadır.
Cryo-sondanın sıcaklığı –50˚C ya da –70˚C’dir. Bu durum için iki basamaklı su soğutmalı
Peltier modülü kullanılır (Dikmen 2003).
3.3 Termoelektrik Modüllerin Mikroskop Safhası Soğutucusunda Kullanımı
Peltier soğutmalı mikroskop safhası, bir mikroskop üzerine monte edilmiş numune için –20
°C ile 60°C + veya - 0,1°C arasında ısı kontrolü yapar (Dikmen 2003).
3.4 Termoelektrik Modüllerin Mikrotome Safhası Soğutucusu Olarak Kullanımı
Bir örnek doku Peltier soğutma safhası kullanılarak dondurulup, bir mikroskop için kolaylıkla
kesilir ve ince numunelere kolaylıkla ayrılabilir. Bu safha her türlü Mikrotome adapte
edilebilir. Dokunun sıcaklığı, Peltier modüllünün akımı kontrol edilerek istendiği zaman
azaltılabilir veya arttırılabilir. Akım ayarı kullanarak, donmuş plakaların hızlı bir şekilde
ısıtmak için kullanılır. Böylece örnek doku hızlı bir şekilde yerinden alınıp taşınabilir (Çakır
2006).
3.5 Termoelektrik Modüllerin Portatif Mini Soğutma Kutusu (İnsilün)’da Kullanımı
İnsilün, portatif Peltier soğutma kutusu ile 5°C ve 15°C arasındaki sıcaklıkta saklanır. Kutu
kendi güç kaynağına sahiptir ve iç haznesi 30 cm³’dür (Uçar ve Bardakçı 2005).
3.6 Termoelektrik Modüllerin Diş Dolgusu İçin Soğuk Plaka Olarak Kullanımı
Diş dolgu malzemesinin sıcaklığı Peltier soğutulmuş plakanın üzerinde kontrol edilir. Plaka,
diş dolgu malzemesi için katılaşma sürecini geciktirir (Dikmen 2003).
3.7 Termoelektril Modüllerin Soğuk Sıcak Tedavi Battaniyesinde Kullanımı
Peltier soğutma ünitesinin su gömleğinden su pompalanır ve battaniye içinden sirküle edilir.
Cihaz, sıcak ve soğuk terapi için kapalı bir spiral sistemdir (Dikmen 2003).
4- Termoelektrik Modülün Endüstriyel Alanda Kullanımı
4.1 Yarı İletken Cihaz Üretimi İçin Dopant Soğutucu
Peltier soğutma banyosu, 3oC seçilmiş sıcaklıkta semikondüktör ve fiberoptik endüstrisine
kimyasal dopant sağlayan fiskeye içindeki kimyasalın sıcaklığını regüle eder. Sonuç olarak
semikondüktör cihazın veya optik fiberlerin difüzyon bariyerinin kalınlığını, doğru kalite
kontrolünü sağlayarak muhafaza eder (Dikmen 2003).
4.2 Termoelektrik Modül ile Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Silisyum Katman
Soğutma Plakası
Cihaz üretim işlemindeki yarı iletken katmanlar için düz veya temiz bir plaka Peltier soğutma
ünitesiyle soğutulur ve kontrol edilir. 150oC fırın sıcaklığındaki katman, yaklaşık 35 saniye
içinde 20oC 0,3oC’ye kadar soğutulur (Dikmen 2003).
4.3 Termoelektrik Modüllerin Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Kimyasal Sirkülasyon
Sisteminde Kullanımı
Bir sirkülatör ve bir filtreden oluşan Peltier soğutma sistemi, silisyum katmanların yıkama ve
asitle kesme prosesi için gerekli olan kesin sabit sıcaklığı oluşturur. Kimyasal solüsyonla
temas halindeki malzemeler çalışma kimyasal solüsyonuna uyması için dikkatle seçilir (Çakır
2006).
5- Termoelektrik Modülün Genel Kullanımı
5.1 Termoelektrik Modüllerin Vakum Pompası Akış Düzenleyicisi Olarak Kullanımı
Peltier soğutmalı akış düzenleyicisi, difüzyon pompalı yüksek vakum sistemlerinde kullanım
için bir araya getirilmiştir ve diğer tekniklerin gereksinim duyduğu kompresör ve soğutma
bobinleri ihtiyacını ortadan kaldırır. “V” şeklindeki kanatçıkların sıcaklığı –35oC’ye kadar
düşük olmalıdır (Dikmen 2003).
5.2 Termoelektrik Modüllerin Daldırma soğutucusu Olarak Kullanımı
Peltier modüller ısı değiştirici metal bir kutunun içine konulurlar. Bu tip daldırma ısı pompası
ile izole edilmiş küçük laboratuar banyolarının sıcaklıklarının düşürülmesi sağlanır (Dikmen
2003).
5.3 Termoelektrik Modüllerin Soğuk plakada Kullanımı
Soğuk plakalar, peltier soğutma ünitesinin en temel tipleridir. Büyüklük arttıkça soğutma
kapasitesi ve enerji ihtiyacı da artar. Bunlar bir çok tipte sıvı devir aletlerinde, havalandırma
sistemlerinde ve özel amaçlarda kullanılabilirler (Çakır 2006).
5.4 Termoelektrik Modüllerin Sıvı sirkülasyon Cihazında Kullanımı
Peltier soğutma sistemi, sıvıyı sirkülasyonun sıcaklığının otomatik olarak kontrolü için veya
soğutma veya ısıtma için kolaylıkla çalıştırılırlar. Sıvı uygun ısı dağıtıcısına sahip Peltier modül
ile bağlantılı olan sıvı eşanjöründen geçecek şekilde pompalanır. Bu genel bir sıcaklık
kontrollü sıvı sistemidir (Çakır 2006).
5.5 Termoelektrik Modüllerin Havalandırma Kullanımı
Havaya ısı transfer eden kanatçık Peltier modül ile temas halindedir. Kanatçıklar arasından
geçen hava bir üfleyici ile sirküle eder. Isı havaya yada sıvıya nakledilebilir (Uçar ve Bardakçı
2005).
5.6Termoelektrik Modüllerin Taşınabilir Soğutucusu (piknik kutusu)’da Kullanımı
Taşınabilir Peltier soğutma kutusu 12 V’luk bir pil veya pil şarj cihazı ile çalışmak üzere dizayn
edilmiştir. Bu bir karavanda, yatta veya kampta 12 V’luk otomobil çakmaklığından alınan
enerjiyle ya da AC adaptörü ile her yerde kullanılabilir (Yerakum 2005).
5.7 Termoelektrik Modüllü Meşrubat Soğutucusu
Tüketicilerin kullanması amacıyla küçük güçteki Peltier modüllerin montajıyla oluşturulan
soğutucu tipleridir. (Uçar ve Bardakçı 2005).
5.8 Termoelektrik Modüllü Hava Aracı İçme Suyu Soğutucusu
Tüketicilerin kullanması amacıyla küçük güçteki Peltier modüllerin montajıyla oluşturulan
soğutucu tipleridir. (Uçar ve Bardakçı 2005).
5.9 Otomobiller İçin Termoelektrik Modüllü Mini Soğutucu (Buzdolabı)
Tüketicilerin kullanması amacıyla küçük güçteki Peltier modüllerin montajıyla oluşturulan
soğutucu tipleridir (Uçar ve Bardakçı 2005).
6- Büyük Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları
6.1 ASEA’nın Yapmış Olduğu Termoelektrik Soğutma Sistemi
Havalandırmaya dair bir ünite protopiti ve yolcu taşıyan demiryolu araçları için ısıtıcı ASEA
tarafından İsveç demiryolları için iki kişi tarafından tasarlanmıştır. Birisi Ridal diğeri de
Lundquist’dir. Dizayn Widakowich tarafından iki temele dayandırılmıştır. Birincisi
termoelektrik malzeme kullanan düzlemsel yapıyı anlatır, ikincisi ise basınç kontağı kullanan
ve termoelektrik malzemeyi bakır kaplanmasıyla ile ilgilidir. Üniteler sökülmeden önce birkaç
yıl çalıştırılmıştır (Mole et al. 1972).
6.2 Termoelektrik Modülün Hava Endüstrisi -Demiryolu Uygulaması
Hava endüstrisi, yolcu taşıyan demiryolu araçları için kompresörlü iklimlendirme sistemi
üreticisiydi. 1973 de J.P. Buffet Fransız, yolcu taşıyan demiryolu araçlarının termoelektrikli
iklimlendirme geliştirme programı sundu. Dizaynı Gaudel’in patentine dayanan sütün
yapısıydı.
Isı
değiştiricileri
Buffet’in
patentine
dayanır.
Program
1977’de
20
kW’lıkhavalandırma ünitesiyle donatılan bir otobüste uygulanmıştır. Bu otobüsün, 10 yıldan
fazla termoelektrik iklimlendirme sistemi problem olmadan çalışmıştır (Vian et al. 2001).
7- Orta Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları
7.1 Amerikan Radyo Şirketi (RCA)’nin Termoelektrik Soğutma Uygulaması
RCA termoelektrikte araştırmalar yapan ilk şirketlerden biridir. Bunlar birçok küçük kapasiteli
termoelektrik modüller imal etmişlerdir. Termoelektrik modüle dayanan bir 3 kW’lık
iklimlendirme sistemi U.S. deniz kuvvetleri için yapmışlardır (Dikmen 2003).
7.2 Carrier Şirketinin Termoelektrik Soğutma Uygulaması
Bu şirket, deniz uygulamaları için 3,5 kW’lık su soğutmalı iklimlendirme sistemi yapmışlardır.
Bu sistem her biri dört termoelektrik modül içeren altı alt sistemden oluşur. Her bir
termoelektrik modül 13,7
17,8 cm’dir ve 1,13 cm2 yer kaplayan ve 2,54 mm. yükseklikte
130 termoelektrik elemana sahiptir. Günümüzdeki ticari termoelektrik modüllerinden çok
daha büyüktür.
1960’ların ortalarında bu şirket bir termoelektrik iklimlendirme ve ısıtma sistemi yapmıştır.
Sistem, su soğutmalı iklimlendirme sistemi 30 kadar modül içeriyordu. 1973’te sistem
çalışmakta ve bu sistemin tek problem güç depoları ve kontrol sistemlerinin olmayışıydı.
Termoelektrik modüller Carrier tarafından yapılmıştır. Bunlar 12
12 ve 2,5 mm’lik kalınlıkta
64 elamanlıdır. Soğutma modunda maksimum elektrik akımı 80 A’dir. Carrier bu çalışmaları
tamamladıktan sonra termoelektrikle ilgili çalışmalarına son verdi (Çakır 2006).
7.3 TECA Firmasının Termoelektrik Soğutma Uygulaması
Günümüzde Chicago kuruluşu olan TECA, çok modüllü soğutma sistemleri üreten tek
şirkettir. Bu şirketin modeli: C4000 olan iklimlendirme sistem ürünü vardır. Bu sistem
havadan-havaya bir modeldir. Soğutma ve ısıtma taraflardaki giren havanın sıcaklığı 60oC’ye
eşit olunca 400 W’lık soğutma gücü elde etmektedir. Birbirine bağlı dört alt üniteden
meydana gelir. Bütün hava devreleri birbirine paraleldir. Alt ünitesi yaklaşık 15
30
24cm’dir ve soğutma mevcut ticari termoelektrik modellerin kullanılmasıyla sağlanır. Bir
Americool R 4000 serisinin ünitesinin fotoğrafı şekil 3.9.’da gösterilmiştir (Dikmen 2003).
7.4 Midwest Araştırma Enstitüsüsün Termoelektrik Soğutma Çalışması
Kansas City Midvest araştırma enstitüsü, helikopter pilotları için mikroklima termoelektrik
İklimlendirme sistemi geliştirmiştir. Sistem 1000 W’lık soğutma gücüne sahiptir. Her biri 254
termoelektrik elaman içeren 96 seramik ticari modülden oluşur. Yer araçları için bir sistem ve
aynı zamanda sıvı bir mikro-iklim şartlandırma sistemi geliştirmişlerdir (Dikmen 2003).
Son zamanlarda büyük güce sahip birçok uygulama incelenmiş, geliştirilmiş ve günümüzde
ticari amaç için üretilmiştir. Bunlar;
Park etmiş uçak; bir terminal girişinde park halinde bir uçağın iklimlendirilmesi için onlarca
kilowatt soğutma yüküne ihtiyaç vardır. Çalışan sistemler havadan-havayadır.
Trenler; Şuanda yolcu taşıyan demiryolu araçlarının iklimlendirilmesi yapılmış hala sürücü
kabini için iklimlendirme uygulamaları devam etmektedir. Soğutma gücü birkaç kilovattır
bundan dolayı soğutma gücü ve elektrik güç tüketim daha azdır. Bu sebepten dolayı yakın
zamanda demiryolu taşımacılığının iklimlendirilmesinde bu uygulamalar öne çıkacaktır.
Otomobiller; Termoelektrik soğutma otomobillerde özellikle elektrikli otomobillerde oldukça
ilginç bir konuma sahiptir. Arabaların içindeki ısıyı düşürmekten ziyade konfor şartlarının
sağlanması insanlar için daha önemlidir.
Deniz kuvvetleri; Deniz uygulamalarında direkt ve indirekt olarak geri çevrilebildiği için deniz
suyu daha etkilidir. Suya ısı transfer etmek, havaya transfer etmekten daha verimli şekildedir.
Büyük ölçekli sudan-suya soğutma uygulamaları mevcuttur. Geleneksel kompresörlü
sistemlerinin yerini aldığı için avantajlı sistemdir.
Başka bir uygulamada da direkt soğuk hava üreten merkezi olmayan termoelektrik
iklimlendirme sistemidir. Başka bir gelişme alanı da deniz konteynırların soğutulması
uygulamasıdır. Büyük iki kademeli modüllerin ticareti için soğuk odalar ve derin dondurucu
odalar gibi daha büyük ısı farkı gerektiren uygulamalar artmıştır.
Konteynırlar; Konteynır üreten ya da kullanan şirketler tarafından termoelektrik soğutmaya
yoğun ilgi vardır. Özellikle derin dondurma sıcaklığı gerektiği zaman termoelektrik sistemler,
kompresörlü çevrimli sistemlerden çok daha pahalıdır. + 4oC de saklamayı sürdürebilen özel
termoelektrik soğutma konteynırları gelecekte meydana çıkabilir (Uçar ve Bardakçı 2005).
KAYNAKLAR
1- ÖZTÜRK, H.H., Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen Yayınevi, İstanbul, (2008), Syf:52.
2- ÖZTÜRK, H.H., Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Kullanımı, Teknik Yayınevi, Ankara,
(2008), Syf:62.
3- ARCAKLIOGLU, E., EREL, S. ve EREL, G.K., “A thermodynamical study of a photovoltaic cell
having V-grooving the front surface”, Bulletin of Pure Applied Sciences, Vol.21D (No.2),
89-95 (2002).
4- EREL, S., AKÇİL, M., EREL, G. K., and ÇELİK, V., The behaviour of a typical single-crystal Si
solar cell under high intensity of electric field, Solar Energy Materials and Solar Cells, 90,
582-587(2006).
5- EREL, S., “The effect of electric and magnetic fields on the operation of the solar cell,”
Solar Energy Materials & Solar Cells,71, 273-280(2002).
6- KÜÇÜK, B., “Dinamik Yöntemle Fotovoltaik Pillerden Optimum Güç Eldesi”, Kırıkkale
Üniversitesi, FBE, Yüksek Lisans Tezi, 1999.
7- 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu, Cilt 1, 529-532, 09-10 Ekim 2008, Sakarya.
8- Yunus A. Çengel, Michael A. Boles “ Mühendislik Yaklaşımla TERMODİNAMİK ” s. 442,
(1996).
9- A. Mzerd, F. Tcheliebou, A. Sackda, ve A. Boyer, “Bi2 Te3, Sb2 Te3 ve Bi0.1 Sb0.9 Te3’ e dayalı
olarak termal sensörlerin iyileştirilmesi, sensörler ve işleticiler pp. 46 – 47 , (1995).
10- Sara Godfrey, Melcor Corporation “ An introduction to termoelectric coolers ” Articles
september (1996).
11- FidanU., “Mikrodenetleyici kontrollü taşınabilir termoelektrik tıp kiti cihazı tasarımı ve
uygulanması”, G.Ü Fen Bil. Enst. Yüksek Lisans Tezi, Ankara, 2000.
12- D. M. Rowe C. M. Bhandari “Modern Thermoelectrics” s.1-8 (1983).
13- Richard J. Buist and Paul G. Lau, “Calculation of Thermoelectric Power Generation
Performance Using Finite Element Analysis”, Proceedings of the XVI International
Conference on Thermoelectrics, August 26-29, Dresden, Germany, 1997.
14- ThomsonThomson, W., On a mechanical theory of thermoelectric currents,
Proc.Roy.Soc.Edinburgh, 91-98, 1851
Download

Yazının Tamamına Ulaşmak İçin Lütfen Tıklayınız