Yazının Tamamına Ulaşmak İçin Lütfen Tıklayınız
Transkript
Yazının Tamamına Ulaşmak İçin Lütfen Tıklayınız
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, 180K-400K 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 500K 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