Upload
others
View
12
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
GÜNEŞ IŞINIMI VE TERMOELEKTRİK MALZEMELER İLE ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ
Muhammet Murat YAMAN
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN
YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK – BİLGİSAYAR EĞİTİMİ ANABİLİM DALI
ISPARTA - 2009
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürlüğüne
Bu çalışma jürimiz tarafından Elektronik-Bilgisayar Eğitimi ANABİLİM DALI'nda
oy birliği/oy çokluğu ile YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Baskan : Yrd. Doç. Dr. Mustafa Reşit USAL
Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak. Makine Eğitimi A.B.D.
Üye : Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN
Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi A.B.D.
Üye : Yrd. Doç. Dr. Okan BİNGÖL
Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak. Elektrik Eğitimi A.B.D.
ONAY
Bu tez 30/10/2009 tarihinde yapılan tez savunma sınavı sonucunda, yukarıdaki jüri
üyeleri tarafından kabul edilmiştir.
..../...../20...
Prof. Dr. Mustafa KUŞCU
Enstitü Müdürü
i
İÇİNDEKİLER
Sayfa
İÇİNDEKİLER……………………………………………………………..…………i
ÖZET …………………………………………………………………......................iii
ABSTRACT………………………………………………………………...……….iv
TEŞEKKÜR………………………...……………………………………….....…......v
ŞEKİLLER DİZİNİ……………….…………………………………………...….....vi
ÇİZELGELER DİZİNİ …………………………………………………………….viii
SİMGELER VE KISALTMALAR………………………………………….………ix
1.GİRİŞ…………………………………………………………………………….…1
2.KAYNAK ÖZETLERİ…………………………………………………………..…3
2.1. Atıl Isının Termoelektrik Dönüşümü…………………………………...………..3
2.2. Elektrik Gücü’nün Çevre Dostu Kaynağı Termoelektrikler……………...……...3
2.3. Esnek İki Fazlı Termoelektrik CPU Soğutucusu……………..………………….4
2.4.Termoelektrik Kaynaklı Isıtma ve Havalandırma Sistemi……….……………….5
2.5. Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi,
Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma ………………..............................5
2.6. Fotovoltaik Sistemler İçin Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını
İzleyen Bir Konvertörün Gerçekleştirilmesi……………………………………..6
2.7. Mikrodenetleyici Temelli Maksimum Güç Nokta İzleyicisi İle Bir Termoelektrik
Pil Şarjının Geliştirilmesi…………..………………………..……………………7
3. MATERYAL VE YÖNTEM………………………………………………………8
3.1. Güneş Işınımı………………………………………...…………………………..8
3.2. Türkiye’ de Güneş Işınımı……………………………...………………………11
3.3. Güneş Enerjisi Üretim Teknikleri………………………….…………………...15
3.3.1. Güneş Pilleri………………………………………………..…………………15
3.3.1.1. PV Hücre Elektriksel Modeli…………………………………………….…18
3.4. Stirling Motoru………………………………………………….……………...18
3.4.1. Stirling Motorlarında Güneş Enerjisi Uygulamaları……………...…………..20
3.5. Yoğunlaştırıcı Güneş Enerjisi Sistemleri……………………………………….22
3.5.1. Doğrusal Yoğunlaştırıcılar…………………………………………...……….22
3.5.2. Noktasal Yoğunlaştırıcılar……………………………………………………23
ii
3.6. Güneş Bacaları………………………………………………………...………..24
3.7. Termoelektrik Güç Üretimi……………………………………………………..25
3.7.1. Termolektrik Malzemeler……………………………………………......…...26
3.7.2. Terokupllar…………………………...…………………………………...…..27
3.7.3. Termistörler (Terminstans)………………………………...............................28
3.7.3.1. PTC Dirençler…………………………………………………………..…..29
3.7.3.2. NTC Dirençler……………………………………………………………...29
3.7.4. Peltier Element……………………………………………………..................30
3.7.4.1. Seeback Effect……………………………………………………………...30
3.7.4.2. Peltier Effect………………………………………………………………..32
3.7.5. Termoelektrik Jeneratörler..……………………………………………..........34
3.8. USB TC-08 Termokuppll Data Logger………………………………………...36
3.8.1. PicoLog Veri Kaydetme Yazılımının Kullanımı……………………………..37
4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA………………………………….41
4.1. Üç Mercekli Deney …………………………………………………………….41
4.2. Tek Mercekli Deney……………………………………………………………44
4.3. TEP1-1264-1.5 Termoelektrik Modül’ün Karakteristiği…………….…………46
4.4. A300 Güneş Pili Karakteristik Değerleri…………………………….…………51
4.5. Güneş pilleri ile Termoelektrik Malzemelerin Karşılaştırılması……………….51
4.6. Dokuz Mercekli Deney ………………………………………………………...53
5. SONUÇ…………………………………………………………………………...56
6. KAYNAKLAR…………………………………………………………………...57
ÖZGEÇMİŞ……………………………….…………………………………...……59
iii
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi GÜNEŞ IŞINIMI VE TERMOELEKTRİK MALZEMELER İLE ELEKTRİK
ENERJİSİ ÜRETİMİ
Muhammet Murat YAMAN
Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalı
Juri: Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN(Danışman) Yrd. Doç. Dr. Mustafa Reşit USAL Yrd. Doç. Dr. Okan BİNGÖL Bu çalışmada noktasal yoğunlaştırıcılar ve termoelektrik modüllerle güneş ışınımından faydalanarak elektrik enerjisi üretim metotları araştırılmıştır. Yapılan kaynak taramalarında güneşin yarattığı güneş enerjisinin dünya üzerindeki potansiyeli ve güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürme teknikleri araştırılmıştır. Bu teknikler içerisinde noktasal yoğunlaştırıcı ve termoelektrik modüllerin bir arada bulunduğu genel bir sisteme rastlanmamıştır. Geliştirilecek olan tekniklerle literatürdeki boşluğun kapatılması amaçlanmıştır. Oluşturulan deney düzeneklerinde noktasal yoğunlaştırıcı olarak farklı özelliklerde mercekler kullanılmıştır. Farklı mercek adediyle üç mekanik oluşturularak üç farklı termoelektrik modülün karakteristiği incelenmiştir. Elde edilen elektriksel karakteristikler a300 model güneş pilinin karakteristikleri ile karşılaştırılmıştır. Termoelektrik güç üretimi ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüşme şeklidir. Başka bir deyişle bir yarı iletkenin sıcak ve soğuk yüzeyleri arasında meydana gelen sıcaklığa bağlı olarak kaynaklanan ısının elektrik enerjisine dönüşümüdür. Deney düzenekleri bu tanıma göre tasarlanmıştır. Amaç termoelektrik modüller üzerinde maksimum sıcaklık farkını yakalayarak doğal şartlar altında çevre dostu alternatif bir sistem meydana getirmektir. Anahtar Kelimeler: Termoelektrik modül, güneş ışınımı, termoelektrik 2009, 59 sayfa
iv
ABSTRACT
M. Sc. Thesis
SOLAR AND THERMOELECTRIC POWER GENERATION
Muhammet Murat YAMAN
Süleyman Demirel University, Graduate School of Applied and Naturel Sciences Department of Electronics Computer
Thesis Committee: Asst. Prof. Dr. Tuncay AYDOĞAN(Supervisor) Asst. Prof. Dr. Mustafa Reşit USAL Asst. Prof. Dr. Okan BİNGÖL In this study had been explored electrical energy generate methods with optic system and thermoelectric module using solar radiation. In founded written materials had searched potantiel of the solar energy on the world and converting techniquies of the solar energy to electrical energy. In theese techniques we couldn’t find together the optic sytem and thermoelectric module system. Developed techniques in this thesis had aimed to fill emptiness in the literature about this subject. In the constituted mechanic systems for this thesis were used different optic lenses to make dense. Tests were made with three different mechanics. They had different optic lenses and different thermoelectric modules. In this way three thermoelectric modules had been investigated. Their electrical characteristics had been compared with a300 solar cell’s characteristics. Thermoelectric power generation means converting thermal energy into electric energy. Another mean, temperature difference between cold and hot surfaces of a semiconductor becomes heat energy and it converts into electric energy. The mechanisms had been planned as this definition. The aim is having the maximum temperature differences and creating an enviroment friendly alternative energy. Key Words: Thermoelectric module, solar radiation, thermoelectric. 2009, 59 pages
v
TEŞEKKÜR
Bu çalışmanın hazırlanmasında benden yardımlarını esirgemeyen eski danışmanım
Yrd. Doç. Dr. Ahmet KÜÇÜKKÖMÜRLER’e ve yeni danışmanım Yrd. Doç. Dr.
Tuncay AYDOĞAN’a, benden teknik imkanlarını esirgemeyen Ilgın Endüstri
Meslek Lisesi Makine ve Metal Bölümüne ve Ilgın Meslek Yüksek Okulu’na,
teşekkürü borç bilirim.
1643-YL-08 No’ lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel
Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı’na teşekkür
ederim.
Muhammet Murat YAMAN
ISPARTA, 2009
vi
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 3.1. Dünyaya gelen ışını…………………………………….……………….....8
Şekil 3.2. Atmosfer tarafından gönderilen güneş ışınları…………….……………....9
Şekil 3.3. Atmosferi geçerek Dünya’ya gelen güneş ışınları………………………....9
Şekil 3.4. Atmosfer ve bulutlarda tutulan güneş ışınları…………………..………...10
Şekil 3.5. Güneş ışınları fotosentezde kullanılır……………………………….……10
Şekil 3.6. Uzaya geri verilen enerji…………………………………………….........11
Şekil 3.7. Türkiye’nin yıllık güneş ışınımı haritası………………………………….13
Şekil 3.8. Türkiye’nin aylara göre ışınımı şiddeti…………………………………...14
Şekil 3.9. Türkiye’nin aylara göre elektriksel güç potansiyeli………………..........14
Şekil 3.10. Türkiyede farklı güneş pil çeşitleriyle yılda elde edilebilecek güç
potansiyelleri ............................................................................................15
Şekil 3.11. Güneş pili modülü………...……………………………………………..16
Şekil3.12. Çatısı güneş pili kaplı ev ………..……………………………………….17
Şekil3.13. Güneş pilleri ile sokak aydınlatması…………..…………………………17
Şekil3.14. Şebekeye elektrik veren güneş pili (PV) sistemi…………...……………18
Şekil 3.15. Güneş pili elektriksel eşdeğer modeli………………………...…………18
Şekil 3.16. Stirling Motoru’nun adım adım çalışma şekli…………..………………19
Şekil 3.17. Prototip Stirling motoru ve güneş kolektörü………………….………...21
Şekil 3.18. Doğrusal yoğunlaştırıcı kolektör……………….……………………….23
Şekil 3.19. Parabolik çanak kolektörler………………..……………………………23
Şekil 3.20. Solar I merkezi alıcılı güneş ısıl elektrik santralı…………….…………24
Şekil 3.21. Termoelektrik modülü…………………...……………………………...25
Şekil-3.22. Lineerize edilmiş termokupple sinyaller………………………………..28
Şekil 3.23. Peltier element prensip çalışma şeması………………...……………….30
Şekil 3.24. Seebeck effect prensip çalışma şeması……………...…………………..31
Şekil 3.25. Peltier effect prensip çalışma şeması………………….………………...33
Şekil 3.26. Peltier element prensip çalışma şeması……………..…………………..33
Şekil 3.27. Peltier modül ve soğutma sistemi……………………………………….34
Şekil 3.28. Örnek termoelektrik modülü ve prensip çalışma şeması………………..35
vii
Şekil 3.29. Termoelektrik jeneratorler ile ısınan soba borusunda 20 wattlık enerji
elde edilebilir………………………………………………………...…..35
Şekil 3.30. Termoelektrik jeneratorler ile diesel motor eksozundan 1Kw’lık
enerji üretilmektedir……………………………………………………...36
Şekil 3.31. USB TC-08 Termokuppll Data Logger ………………………………...36
Şekil 3.32. Recording diyalog kutusu……………………………………………….37
Şekil 3.33. Sampling Rate diyalog kutusu…………………………………………..37
Şekil 3.34. Converter details diyalog kutusu………………………………………..38
Şekil 3.35. TC08 diyalog kutusu…………………………………………………….39
Şekil 3.36. Edit TC08 diyalog kutusu……………………………………………….39
Şekil 3.37. PicoLog programının ana formu………………………………………...40
Şekil 3.38. PicoLog programında verilerin grafik ve liste pencereleri……………...41
Şekil 4.1. Üç mercekli deney düzeneğinin önden ve yandan görünüşü……………..41
Şekil 4.2. Bakır parçanın merceğin odak noktasına yerleştirilmesi………………....42
Şekil 4.3. Merceğin odak noktasına yerleştirilen bakır parçasına gelen güneş
ışınları…………………………………………………………..…………42
Şekil 4.4. Gerilim ve sıcaklık farkı ölçerler…………………………………………43
Şekil 4.5. Üç mercekli düzeneğin gerilim ve sıcaklık fark değerleri grafiği………..44
Şekil 4.6. Tek mercekli deney düzeneğin yandan ve alttan görünümü……………..45
Şekil 4.7. Birbirine seri bağlanmış TEP-1264-1.5ler………………………………..47
Şekil 4.8. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği…...47
Şekil 4.9. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı akım gerilimi grafiği…..48
Şekil 4.10. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği….48
Şekil 4.11. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken akım-gerilim grafiği……………………….49
Şekil 4.12. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde
edilen sıcaklık değerleri grafiği…………………………………………50
Şekil 4.13. A300 model güneş pilinin boyutları, önden ve arkadan görünümleri…..51
Şekil4.14. Bakır ve alüminyum levhalar…………………………………………….53
Şekil4.15. Mika içerisine yerleştirilmiş mercek…………………………………….54
Şekil4.16. İlk oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği…………………………54
Şekil4.17. İkinci kez oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği………………….55
viii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 3.1. Türkiye’nin toplam güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı.12
Çizelge 3.2. Türkiye’nin yıllık potansiyel güneş enerjisinin bölgelere göre dağılımı12
Çizelge 3.3. Bazı materyallerin Seeback katsayıları …………….…………..……...32
Çizelge 4.1. Üç mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim
ve sıcaklık fark değerleri……………………………………………….43
Çizelge 4.2. TMG-450-0.8-1.0’a ait karakteristik değerler…………………………45
Çizelge 4.3. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim
ve sıcaklık fark değerleri……………………………………………….46
Çizelge 4.4. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken TEP-1264-1.5’in sıcaklık değişimine bağlı
elektriksel değerleri……………………………………………………...49
Çizelge 4.5. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde
edilen gerilim ve sıcaklık değerleri…...…………………………………50
Çizelge 4.6. Termoelektrik modüllerin ve güneş pilin elektriksel
karekteristiklerinin karşılaştırılması …………………………………….52
Çizelge 4.7. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim
ve sıcaklık fark değerleri………………………………………………...55
ix
SİMGELER VE KISALTMALAR
A Amper
cm Santimetre
cm2 Santimetrekare
CO2 Karbondioksit
CPU İşlemci
DA Doğru akım
EİE Elektrik İşleri Etüt İdaresi
Ghz GigaHertz
Hz Hertz
I D Diyot akımı
IH Güneş pili çıkış akımı
ISC Kısa devre akımı
I-V Akım-Gerilim
J Joule
Kcal Kilokalori
km Kilometre
KW Kilowatt
KWh Kilowatt Saat
KWh/m2 Metrekare başına düşen kilowatt saat cinsinden enerji
mm Milimetre
m/sn Metre/saniye
mV Milivolt
MPPT Maximum Power Point Tracking
MW Megawatt
PV Photovoltaik
Q Isı
Rint İç direnç
RL Yük direnci
RP Güneş pili eşdeğer paralel direnci
SA ve SB Seeback Katsayıları
x
t1 ve t2 A ve B yüzeylerindeki sıcaklık değeri
Tc Soguk Yüzey Sıcaklıgı
Th Sıcak Yüzey Sıcaklıgı
TEJ Termoelektrik Jeneratör
VD Diyot gerilimi
W/m2 Metrekare başına düşen güç
Watt Elektriksel güç birimi
ΠA ve ΠB Materyallerin peltier sabitleri
ΠAB Isıl çiftlerin sabiti
Ω Ohm
µV Mikrovolt
µV/ C Birim sıcaklığa düşen mikrovolt gerilim
∆T Sıcaklık farkı
°C Santigrat derece
°F Fahrenayt derece
1
1.GİRİŞ
Günümüzde gelişmiş olan ülkeler doğal enerji kaynaklarına önem vermektedirler.
Çünkü dünyamız fosil ve nükleer yakıtların her gün havaya bıraktıkları zehirli gazlar
nedeniyle küresel ısınma tehdidiyle karşı karşıyadır. Bu yüzden de bu ülkeler
alternatif enerji kaynaklarına yönelmişlerdir. Alternatif enerji kaynakları için önemli
bütçeler ayırmakta ve yasalar çıkarmaktadır.
Alternatif enerji kaynaklarından en verimlisi güneştir. Aslında güneş dünyamızın en
önemli enerji kaynağıdır. Günümüzde ülkemizde de yenilenebilir enerji kaynakları
ve nükleer enerji ile ilgili tartışmalar devam etmektedir. Güneş dünyamızın en büyük
nükleer santralidir. Çünkü güneşin yaydığı ısı ve ışığın kaynağı, içerisinde meydana
gelen nükleer tepkimelerdir.
Dünya güneşten yaklaşık 150 milyon km uzaklıkta bulunmaktadır. Dünya hem kendi
çevresinde dönmekte, hem de güneş çevresinde eliptik bir yörüngede dönmektedir.
Bu yönüyle, dünyaya güneşten gelen enerji günlük olarak değişmekte, hem de yıl
boyunca değişmektedir (EİE, 2007).
Güneşin ışınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen
başlıca enerji kaynağıdır. Dünyadaki madde ve enerji akışları güneş enerjisi
sayesinde mümkün olabilmektedir. Rüzgâr, deniz dalgası, okyanusta sıcaklık farkı
ve biokütle enerjileri, güneş enerjisini değişim geçirmiş biçimleridir. Güneş enerjisi,
doğadaki su döngüsünün gerçekleşmesinde de rol oynayarak, akarsu gücünü
yaratmaktadır. Fosil yakıtların da, biokütle niteliğindeki materyallerde birikmiş
güneş enerjisi olduğu kabul edilmektedir. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun
kökeni olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan
yararlanılmaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006).
Yeryüzüne her sene düşen güneş ışınım enerjisi, yeryüzünde şimdiye kadar
belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca
yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceğinden 15.000
2
kat kadar daha fazladır. Bu bakımdan güneş enerjisinin bulunması sorun değildir.
Asıl sorun bunun insan faaliyetlerine uygun kullanılabilir bir enerji türüne
dönüştürülebilmesindedir (Varınca ve Gönüllü, 2006).
Güneş enerjisi hem bol, hem sürekli ve yenilenebilir hem de bedava bir enerji
kaynağıdır. Bunların yanı sıra geleneksel yakıtların kullanımından kaynaklanan
çevresel sorunların çoğunun güneş enerjisi üretiminde bulunmayışı bu enerji türünü
temiz ve çevre dostu bir enerji yapmaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006).
Yakıt sorununun olmaması, işletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması, modüler
olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi (azami bir yıl), uzun yıllar sorunsuz
olarak çalışması, temiz bir enerji kaynağı olması vb gibi nedenlerle dünya genelinde
fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Avrupa Birliği 2010
yılında fotovoltaik elektriğin elektrik üretimi içindeki payının %0,1 olmasını
hedeflemiştir (Varınca ve Gönüllü, 2006).
3
2.KAYNAK ÖZETLERİ
2.1. Atıl Isının Termoelektrik Dönüşümü
Atıl ısının, termoelektrik güç üretimi için enerji kaynağı olarak kullanımı, bu
teknolojinin dönüşüm verimliğinin düşük olmasının geniş ölçekli kullanımlarının
sınırlandırılmalarını ortadan kaldırır. Paradoksal olarak, bazı parazit uygulamalarda
düşük dönüşüm verimliliği belirgin avantajlar gösterebilir. Fakat ticari olarak
erişilebilen termoelektrik modüller, öncelikleri olarak uygulamaları soğutmak ve
yükseltilen ısılarda daha az güvenilir olan uygulamalar için kullanılır. Sonuç olarak
bu uygulamada bir atılın ekonomik gelişimi, sıcak suda meydana gelen atıl ısıdan
termoelektrik jeneratör aracılığıyla üretilen elektrik enerjisi olarak kullanılabileceği
anlatılmıştır. Bu teknolojideki bir çalışmanın örnek durumları, merkezi bir ısıtma
sistemi için üretilen elektrik gücü, aktif ve parazit modların işletilmesi olarak kabul
edilir. Uygulamalarda ısı kaynağındaki atıl ısı boşa gittiği düşünülürse, termoelektrik
gücü, geleneksel metodlarla üretilen elektrik gücüyle ekonomik olarak yarışabilir.
Ayrıca bu durumda üretim sistemi parazit modda olduğu zaman dönüşüm verimliliği
önemli bir öğe değildir (Rowe vd., 2006).
2.2. Elektrik Gücü’nün Çevre Dostu Kaynağı Termoelektrikler
Bir termoelektrik jeneratör eşsiz bir ısı motorudur. Sessiz çalışırlar ve güvenilirdirler.
Fakat oldukça düşük verimliktedirler. Geçen on senede termoelektrikler çevreci ve
esnek olmalarından dolayı elektrik kaynağı olarak bir cazibe haline gelmiştir.
Özellikle son zamanlarda atıl ısının, yani ısı kaynağının bedava olması verimliliğin
düşük olması dezavantajını ortadan kaldırmıştır. Atıl ısının enerji kaynağı olarak
özellikle 140 ºC altındaki kullanımı elektrik üretimindeki bu metodun ticari
rekabetini yeteri kadar artırmıştır. Sıcak su atılıyla desteklenen termoelektrik
sistemlerin performansının son zamanlardaki araştırma sonuçları gösteriyor ki üç
yılın üzerindeki işletim periyodunun elektrik gücü bu metodla üretilir ve fiyatı
geleneksel kaynaklarla eş değerdedir. Bu çalışmada çevre dostu olan termoelektrik
4
güç üretiminin geleneksel yöntemlere alternatif olabileceği anlatılmıştır (Rowe,
1999).
2.3. Esnek İki Fazlı Termoelektrik CPU Soğutucusu
Bu çalışmada iki fazlı ısı transfer sistemli termoelektrik CPU soğutucusunun
özellikleri araştırılmıştır. Testler boyutları 3,1cm x 3,1cm olan 1.70Ghz INTEL
Pentium 4 CPU’nun bulunduğu bilgisayar üzerinde yapılmıştır ki fazlı sistem, tek
fazlı ve fanlı sistemlerle kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre tek fazlı sistem
termoelektrik modülde 37,6 ºC sıcaklık farkı yaratırken, iki fazlı sistem 50,6 ºC fark
meydana getirmiştir. Testler esnasında iki fazlı termoelektrik soğutucunun CPU’nun
sıcaklığını 9 ºC kadar düşürdüğü görülmüştür. Bu da iki fazlı sistemin fanlı sisteme
kıyasla yaklaşık 5 kat daha fazla soğutma sağladığını göstermektedir (Ahıska
ve Ahıska, 2007).
Bilgisayarların merkezi işlemci birimi olan CPU’lar ısıl yükün dışarı atılmaması
nedeniyle bozulabilir. Ayrıca CPU’ların üzerindeki ısıl yük onların çalışma
performanslarını da olumsuz etkiler. CPU’ları soğutabilmek için çeşitli sistemler
kullanılmaktadır. Bunlardan biri alüminyum fanlı soğutma sistemidir. Fakat bu
sistem aldığı ısıyı kasanın içine dağıttığından soğutma kapasitesi sınırlıdır. Bir başka
sistem ise tek fazlı su dönüşümlü sistemdir. Ancak bu sistem de montajı sırasında
yarattığı mekanik gerilimlerle tehlikelidir. Ayrıca bu sistemin uygulanabilmesi için
bir pompaya ihtiyaç vardır. Termoelektrik modülerin birçok küçük hacimli
soğutucuda kullanıldığı bilinmektedir. Bu cihazlardaki termoelektrik modülerin
verimli çalışması için kullanılan ısı transfer sistemleri çok önemlidir. iki fazlı ısı
transfer sistemlerinin; büyük boyutlarda, ısı dönüşümlerinde ve küçük boyutlarda,
elektrik ve elektronik elemanların soğutulmasında kullanılması tavsiye edilmektedir.
Buna uygun olarak iki fazlı sistemler termoelektrik soğutucularda da
kullanılmaktadır.
Bilgisayarın, en ağır sıcaklık şartları olan çöl şartlarında çalıştığı düşünülerek ısı
transfer sisteminde iç basınç suyun 45 °C’ de kaynayacağı kadar düşürülmüştür. Bu
5
sisteminde CPU termoelektrik modülle soğutulmakta, suyun kaynaması için gerekli
olan ısı termoelektrik modülün sıcak tarafından alınmakta, bu ısının tamamı da suyun
tekrar yoğunlaşmasıyla çevreye yayılmaktadır iki fazlı sistemin üretimi kolay,
maliyeti düşük ve malzemeleri her yerde bulunabilir (Ahıska ve Ahıska, 2007).
2.4. Termoelektrik Kaynaklı Isıtma ve Havalandırma Sistemi
(Bernard ve Spano, 1966) Bu çalışmanın temel amacı aşırı iklimsel ortamlarda ya da
tehlikelere maruz kalmış hava degişikliklerinde çalışan insanlar için ısınma veya
havalandırmayı sağlayan ve kendinden kaynaklı bir sistem geliştirmektir. Bu işlevi
gerçekleştirmek için gereken elektriksel güç termoelektrik enerji dönüştürücü ile
sağlanmaktadır. Termoelektrik güç, konveksiyon soğumaya zorlandığı, tamamen
kendinden kaynaklı olduğu, sıvı yakıtla çalıştığı ve termoelektrik enerji dönüşüm
materyali ile bizmut-tellurit olarak kullanıldığı için benzersizdir. Tüm sistem insan
tarafından taşınabilir olup elden basınçlı yakıt tankında sekiz saatlik çalışmayı
sağlayacak kadar yakıt içerdiğinden her durumda çalışmayı sağlar. Sistem tarafından
dağıtılan hava çevresel koşulların üzerindeyken 150 °F’ten 5 °F’e kadar ısı
düzenleyici olma özelliğine sahiptir (Eruğaslan, 2008).
2.5. Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi,
Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma
Enerji bugün sahip olduğumuz medeniyetin temel taşlarından birini oluşturmaktadır.
Kalkınmanın ve gelişmişliğin bir göstergesi durumundadır. Ancak son dönem enerji
üretim ve tüketim yöntemleri ile yerine yenisi konulamayacak enerji kaynaklarımız
tüketilmekte bunun sonucunda da tabiat üzerinde geri dönüşsüz bir tahribata sebep
olunmakta ve çevre kirliliği meydana getirilmektedir. Hem fosil kaynakların kısıtlılığı
hem de üretimde meydana getirilen çevre kirliliği ile enerji üretiminde hem
yenilenebilir ve sınırsız hem de çevreyle uyumlu kaynakların araştırılması ve
geliştirilmesi gerekmektedir. Aralarında Güneş enerjisinin de bulunduğu yenilenebilir
enerji kaynakları bu fırsatları içlerinde barındırmakta ve geliştirilmeyi bekleyen
yegâne enerji kaynaklarıdır. Güneş enerjisi, sahip olduğu potansiyel ve kullanım
6
kolaylığı ile diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına kıyasla daha kolay bir
şekilde yaygınlaşabilecek bir fırsata sahiptir. Türkiye ise hâlihazırda Güneş
kuşağında olmasına rağmen sahip olduğu potansiyeli yeterli derecede etkin ve
yaygın bir şekilde kullanamamaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006).
Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynakları arasında hem sahip olduğu mevcut
potansiyel hem de üretim teknolojileri bakımından farklı ve önemli bir yeri olan
güneş kaynaklı enerji üretim sistemleri, Türkiye’nin güneş enerji potansiyeli ve
bu potansiyeli kullanma derecesi ve yöntemi araştırılmıştır. Sonuçta Türkiye için
güneş enerjisinden etkin ve yaygın bir şekilde faydalanmak için önerilerde
bulunulmuştur (Varınca ve Gönüllü, 2006).
2.6. Fotovoltaik Sistemler İçin Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını
İzleyen Bir Kovertörün Gerçekleştirilmesi
Fotovoltaik kaynaklı enerji üretim sistemlerinden mümkün olabilecek en yüksek
gücü elde edebilmek ancak en yüksek güç noktası takibi (MPPT) yöntemleri ile
mümkün olabilmektedir. Yüksek frekanslı anahtarlama elemanları ile manyetik
malzemelerdeki güç sınırları ise, MPPT işleminin gerçekleştirildiği güç dönüştürücü
katı tasarımına önemli sınırlamalar getirmektedir. Ayrıca, çeviricinin güç bölgesinin
tamamında sabit frekans değerinde çalıştırılması, verim düşüklüğünün yanında
çevresel bozucu etkiler de oluşturmaktadır. Yapılan bu çalışmada, faz kaydırma
etkisiyle toplam anahtarlama frekansını doğal olarak ikiye katlayan ve gerekli olduğu
kadar paralel çalışabilen faz kaydırmalı sıralı-artıran (interleaved-boost) çevirici
yapısı MPPT tekniği ile birlikte uygulanmıştır. Böylece, düşük maliyetli manyetik
devre elemanları ile güç anahtarlarının kullanılabilmesiyle yüksek güç
uygulamalarında maliyetin düşürülmesi de mümkün olabilmiştir. Denetleyici olarak
yine düşük maliyetli ve ihtiyaçları karşılayan PIC18F452 mikro denetleyicisi
kullanılmıştır. Tasarlanan devre, DA baraya bağlı ve mikro denetleyici tarafından
denetlenen ikinci bir bağımsız anahtar yardımı ile akü grubunu önceden ayarlanan bir
akım değerinde şarj edebilecek yapıdadır. Benzetim ve uygulamadan elde edilen
7
sonuçlar geleneksel artıran yapısı ile karşılaştırılarak önerilen yapı ve denetim
tekniğinin üstünlükleri açıklanmıştır (Özdemir, 2007).
2.7. Mikrodenetleyici Temelli Maksimum Güç Nokta İzlayicisi İle Bir
Termoelektrik Pil Şarjının Geliştirilmesi
Bu çalışmada termoelektrik güç modülleriyle gerçekleştirilmiş bir pil şarjı
anlatılmıştır. Bu sistemde termoelektrik modüller ısı enerjisini elektrik enerjisine
dönüştürerek bir pilin şarjı için kullanılmışlardır. Farklı sıcaklıklarda termoelektrik
modüllerin karakteristikleri test edilmiştir. Bir sepic DA-DA konverter devresi bir
mikrodenetleyici tarafından kontrol edilerek maksimum güç nokta izleyici meydana
getirilmiştir. Gerçekleştirilen sistem maksimum 7.99 Watt’lık enerjide şarj edilmiştir.
Bu çalışmada prensip olarak termoelektrik güç üretimi ile atıl ısı elektriksel bir güce
dönüştürülmüştür (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006).
8
3.MATERYAL VE YÖNTEM
3.1. Güneş Işınımı
Güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir,
güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden
kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit
ve 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzünde 0–1100 W/m2 değerleri arasında
değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın
mevcut enerji tüketiminden kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki
çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri
teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak
temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir (EİE, 2007).
Dünyaya güneşten saniyede, yaklaşık 1.7 X 1017J’ lük enerji, (170 milyar mega-
watt) ışınımlar gelmektedir. Güneşin saldığı toplam enerji göz önüne alındığında, bu
çok küçük bir kesirdir. Ancak bu tutar, dünyada insanoğlunun bugün için kullandığı
toplam enerjinin 15-16 bin katıdır. Dünyaya gelen güneş enerjisi çeşitli dalga
boylarındaki ışınımlardan oluşur ve güneş-dünya arasını yaklaşık 8 dakika aşarak
dünyaya ulaşır. Dünyanın dışına, yani hava kürenin dışına güneş ışınlarına dik bir
metre kare alana bir saniyede gelen güneş enerjisi, 1357J dür. Bu değer, tanım
gereği, yıl boyunca değişmez varsayılabilir. Bu sayı Güneş Değişmezi olarak
bilinir (EİE, 2007).
Şekil 3.1. Dünyaya gelen ışını (EİE, 2007)
9
· Dünya ile Güneş arasındaki mesafe 150 milyon km’dir.
· Dünya’ya güneşten gelen enerji, Dünya’da bir yılda kullanılan enerjinin 20 bin
katıdır.
· Güneş, 5 milyar yıl sonra tükenecektir.
Şekil 3.2. Atmosfer tarafından gönderilen güneş ışınları (EİE, 2007)
Güneş ışınımının tamamı yer yüzeyine ulaşmaz, %30 kadarı dünya atmosferi
tarafından geriye yansıtılır (EİE, 2007).
Şekil 3.3. Atmosferi geçerek Dünya’ya gelen güneş ışınları (EİE, 2007)
10
Güneş ışınımının %50’si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Bu enerji ile
Dünya’nın sıcaklığı yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur. Rüzgar
hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur (EİE, 2007).
Şekil 3.4. Atmosfer ve bulutlarda tutulan güneş ışınları (EİE, 2007)
Güneşten gelen ışınımının %20’si atmosfer ve bulutlarda tutulur (EİE, 2007).
Şekil 3.5. Güneş ışınları fotosentezde kullanılır (EİE, 2007)
Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının %1’den azı bitkiler tarafından fotosentez
olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş ışığıyla birlikte karbondioksit
ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez, yeryüzünde bitkisel yaşamın
kaynağıdır (EİE, 2007).
11
Şekil 3.6. Uzaya geri verilen enerji (EİE, 2007)
Dünya’ya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir
(EİE, 2007).
3.2. Türkiye’ de Güneş Işınımı
Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli
açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel
Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme
süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılan çalışmaya
göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam
7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 KWh/m²-yıl (günlük toplam 3,6
KWh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye, 110 gün gibi yüksek bir güneş enerjisi
potansiyeline sahiptir ve gerekli yatırımların yapılması halinde Türkiye yılda birim
metre karesinden ortalama olarak 1.100 KWh’lik güneş enerjisi üretebilir. Tablo
3.2.1'de Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri aylara göre
dağılımı verilmiştir (Varınca ve Gönüllü, 2006).
12
Çizelge 3.1. Türkiye’nin toplam güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı (Varınca ve Gönüllü, 2006)
AYLAR
AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ
(Kcal/cm2-ay) (KWh/m2-ay)
GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/ay)
OCAK 4,45 51,75 103,0 ŞUBAT 5,44 63,27 115,0 MART 8,31 96,65 165,0 NİSAN 10,51 122,23 197,0 MAYIS 13,23 153,86 273,0
HAZİRAN 14,51 168,75 325,0 TEMMUZ 15,08 175,38 365,0 AĞUSTOS 13,62 158,40 343,0
EYLÜL 10,60 123,28 280,0 EKİM 7,73 89,90 214,0
KASIM 5,23 60,82 157,0 ARALIK 4,03 46,87 103,0 TOPLAM 112,74 1311 2640
ORTALAMA 308,0 cal/cm2-gün
3,6 KWh/m2-gün
7,2 saat/gün
Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güneydoğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Tablo 3.2' de Türkiye güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı verilmiştir.
Çizelge 3.2. Türkiye’nin yıllık potansiyel güneş enerjisinin bölgelere göre dağılımı (Varınca ve Gönüllü, 2006).
BÖLGE TOPLAM GÜNEŞ
ENERJİSİ (KWh/m2-yıl)
GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/yıl)
G.DOĞU ANADOLU
1460 2993
AKDENİZ 1390 2956 DOĞU
ANADOLU 1365 2664
İÇ ANADOLU 1314 2628 EGE 1304 2738
MARMARA 1168 2409 KARADENİZ 1120 1971
13
Buna göre genel olarak Türkiye’nin en çok ve en az güneş enerjisi üretilecek ayları
sırası ile Haziran ve Aralık olmaktadır. Bölgeler arasında ise öncelikle
Güneydoğu Anadolu ve Akdeniz sahilleri gelmektedir. Güneş enerjisi üretiminin
yok denecek kadar az olduğu Karadeniz bölgesi dışında yılda birim metre
kareden 1.100 KWh’lik enerji üretilebilir ve toplam güneşli saat miktarı ise 2.640
saattir. Buna göre Türkiye’de toplam olarak yıllık alınan enerji miktarı ise yaklaşık
1015 KWh kadardır (Varınca ve Gönüllü, 2006).
Bununla birlikte EİE, son yıllar ortalamasının bu değerden % 20–25 daha fazla
olduğunu da belirtmektedir. Avrupa Birliği tarafından aday ülkelerin güneş enerjisi
ve PV potansiyelinin tespit edildiği çalışmada Türkiye ortalamasının yaklaşık 1500
KWh/m2 olduğu, uydu verileri ve Türkiye’nin coğrafik durumu itibariyle
belirlenmiştir. Türkiye’nin tüm yüzeyine bir yılda düşen güneş enerjisi miktarı
977.000 TWh’dir. Dolayısıyla Türkiye 80 milyar Ton Eşdeğer Petrol (TEP) teorik
güneş enerjisi potansiyeline sahip olup, bu değer 2000 yılı birincil enerji tüketiminin
900 katıdır (Varınca ve Gönüllü, 2006).
Şekil 3.7. Türkiye’nin yıllık güneş ışınımı haritası (EİE, 2007)
Şekil 3.7.’de Türkiye’nin yıllık güneş ışınımı haritası verilmiştir. Mavi ile gösterilen
yerler güneş ışınımının en az olduğu yerlerdir. Sırasıyla Koyu mavi, mavi, açık mavi,
yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı ile gösterilen yerler, ışınım yoğunluğunu azdan-çoka
14
doğru sıralamaktadır. Haritaya göre ülkemiz güneş ışınımı bakımından oldukça
şanslı bir ülkedir. Işınım şiddeti kuzeyden güneye doğru indikçe artmaktadır.
Şekil 3.8. Türkiye’nin aylara göre ışınımı şiddeti (EİE, 2007)
Şekil 3.9. Türkiye’nin aylara göre elektriksel güç potansiyeli (EİE, 2007)
15
Şekil 3.10. Türkiyede farklı güneş pil çeşitleriyle yılda elde edilebilecek güç potansiyelleri (EİE, 2007)
3.3. Güneş Enerjisi Üretim Teknikleri
3.3.1. Güneş Pilleri
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik
enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire
şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında,
kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır (EİE, 2007).
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü
zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı,
yüzeyine gelen güneş enerjisidir (EİE, 2007).
Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle
elektrik enerjisine çevrilebilir (EİE, 2007).
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri
bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da
16
fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya
da paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan MegaWatt'lara kadar sistem oluşturulur (EİE,
2007).
Şekil 3.11. Güneş pili modülü (EİE, 2007)
Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok
kullanılan maddeler şunlardır:
Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar
halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde
laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde
edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal
Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük
olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14
civarındadır (EİE, 2007).
Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik
yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan
çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay
uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır (EİE, 2007).
Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu silisyum pillerden elde edilen
verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha
17
çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş
pilinin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam
yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin
edilmektedir (EİE, 2007).
Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çokkristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili
maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuar tipi küçük
hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir (EİE,
2007).
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar şartlarında
%17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2
verim elde edilmiştir (EİE, 2007).
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran
mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, pil verimi ise %30'un
üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden
yapılmaktadır (EİE, 2007).
Şekil3.12. Çatısı güneş pili kaplı ev
Şekil3.13. Güneş pilleri ile sokak aydınlatması
18
Şekil3.14. Şebekeye elektrik veren güneş pili (PV) sistemi (EİE, 2007)
3.3.1.1. PV Hücre Elektriksel Modeli
Güneş pilleri p-n yarı iletkenlerinin ince bir katman haline getirilerek
birleştirilmesinden oluşur. Karanlıkta PV hücre çıkış I-V karakteristiği diyot
karakteristiğine çok benzer. Işığa maruz kaldığında fotonlar sayesinde elektron
hareketi dolayısı ile akım sağlanır. PV panel kısa devre edildiğinde bu akım harici
yük üzerinden, açık devre halinde bırakıldığında ise bu akım karakteristik p-n
bileşimli diyot üzerinden devresini tamamlar (Özdemir, 2007).
Güneş pilleri Şekil 3.15’deki gibi bir akım kaynağı, akım kaynağına paralel bağlı
direnç ve diyot, oluşan yapıya seri bağlı bir direnç ile ifade edilirler (Özdemir, 2007).
Şekil 3.15. Güneş pili elektriksel eşdeğer modeli (Özdemir, 2007) 3.4. Stirling Motoru
Stirling motoru, sıcak hava motoru olarak da bilinir. Dıştan yanmalı motorlu bir ısı
makinesi tipidir. Isı değişimi prosesi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal
19
verime yakın olmasına izin verir (Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile)
(Wikipedia online sözlük, 2007).
1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir. Motoru
geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir.
Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı
öngörmüştür. Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve
buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu. Stirling motorları sıcaklık farkını direkt
olarak harekete dönüştürecekti (Wikipedia online sözlük, 2007).
Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya
helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile
çalışır (Wikipedia online sözlük, 2007).
Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış
davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı
yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda basınç
düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan
işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı
sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akar. Çalışma gazı piston
silindirleri içinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egsoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu
motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur (Wikipedia online sözlük, 2007).
Adım-1 Adım-2 Adım-3 Adım-4 Şekil 3.16. Stirling Motoru’nun adım adım çalışma şekli (Wikipedia online sözlük,
2007)
Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı
hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine
20
bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı
hareket eder.
Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak
ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir. Bazı
tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling
çevriminin verimine katkı sağlar (Wikipedia online sözlük, 2007).
3.4.1. Stirling Motorlarında Güneş Enerjisi Uygulamaları
Stirling motorlarında, çalışma gazının ısıtılması için kullanılacak enerji kaynağının
türü çok çeşitli olabilir. Çalışma gazının sıcaklığını sıcak kaynak sıcaklığına
yükseltmek için herhangi bir yakıt ya da enerji türü kullanılabilir. Örneğin odun,
kömür gibi katı yakacaklar kullanılabileceği gibi petrol ürünleri veya diğer sıvı
yakıtlar ve gaz yakıtlar (LPG, Doğal gaz) çalışma gazının ısıtılmasında kullanılabilir.
Stirling motorlarında kullanılması planlanan ve kollektör sisteminin kurulması
dışında enerji maliyeti için hiç bir masraf gerektirmeyen diğer bir enerji türü de
güneş enerjisidir. Güneşten gelen direk güneş ışınları bir toplayıcı ile Stirling
motorunun ısıtıcısına odaklanarak ısıtıcıdan geçen çalışma gazının ısıtılması sağlanır.
William Beale tarafından serbest pistonlu Stirling motorunun yapılması ile özellikle
güneş enerjisi uygulamalarında önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Güneş enerjisi
kollektör tarafından toplanarak Stirling motoru ısıtıcısına verilir. Burada ısı enerjisi
doğrudan Stirling motoru ısıtıtıcısına aktarılabileceği gibi güneş ışınları bir kaynama
hücresine odaklanarak buradaki bir sıvı metal ile (genellikle potasyum ya da
sodyum) ısı enerjisi ısıtıcı borularına aktarılabilir (OBİTET, 2007).
21
Şekil 3.17. Prototip Stirling motoru ve güneş kolektörü (OBİTET, 2007)
Stirling programı çerçevesinde Stirling motoru için tasarlanan ve yapılan tam
parabolik kollektör düzlem parça aynalardan oluşmuş ve güneş enerjisini çizgisel
olarak ısıtıcı üzerine odaklamaktadır. Kollektörün gövdesi fiberden yapılmış olup,
gövdeyi kuvvetlendirmek amacıyla içerisine demir çubuktan yapılmış kafes
yerleştirilmiştir. Yapılan araştırmada bu çaplı bir ayna yapma imkanı
bulunmadığından güneş ışınlarının toplanması için düzlem parça aynalar
kullanılmıştır. Şekil 3.17’ de görüldüğü gibi dört kademeli bir küreden oluşmaktadır.
Bu küre alt kısmından kesilmiş ve motorun ısıtıcısı buradan kollektörün içerisine
yerleştirilmiştir. Kollektörün çapı 1.6 metre olup toplam alıcı yüzeyi 2m2
civarındadır. Yaz aylarında güneşin etkili olduğu saatlerde birm alana düşen güneş
enerjisi miktarı 750 Watt/m2 civarında olup, ayna verimi de %95 olarak belirlenmiş
ve kollektörün topladığı enerji miktarı da 1,4 KW civarındadır. Güneş ışınlarının
Stirling motoru ısıtıcısına odaklanmasından kısa bir süre sonra ısıtıcı yüzey sıcaklığı
750 °C civarına ulaşmaktadır (OBİTET, 2007).
22
3.5. Yoğunlaştırıcı Güneş Enerjisi Sistemleri
Güneş enerjisi uygulamalarında düzlemsel güneş kollektör sistemlerinin yanı sıra
daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak için yoğunlaştırıcı kollektör sistemleri
kullanılmaktadır. Düzlemsel güneş kollektörleri için kullanılan kavram ve tarifler,
yoğunlaştırıcı kollektörler için de geçerlidir. Bununla birlikte yoğunlaştırıcı kollektör
teknolojisinin daha karmaşık olması nedeniyle, yeni tariflerin yapılması gereklidir
(EİE, 2007).
Kollektörlerde güneş enerjisinin düştüğü net alana "açıklık alanı" ve güneş
enerjisinin yutularak ısı enerjisine dönüştürüldüğü yüzeye "alıcı yüzey" denir.
Düzlemsel güneş kollektörlerinde açıklık alanı ile alıcı yüzey alanı birbirine eşittir.
Yoğunlaştırıcı kollektörlerde ise güneş enerjisi, alıcı yüzeye gelmeden önce optik
olarak yoğunlaştırıldığı için alıcı yüzey, açıklık alanından daha küçük olmaktadır
(EİE, 2007).
Güneş enerjisini yoğunlaştıran kollektörlerde en önemli kavramlardan biri
"yoğunlaştırma oranı" dır. Yoğunlaştırma oranı; açıklık alanının alıcı yüzey alanına
oranı şeklinde tarif edilir. Yoğunlaştırma oranı, iki boyutlu yoğunlaştırıcılarda
(parabolik oluk) 300, üç boyutlu yoğunlaştırıcılarda (parabolik çanak) 40000
mertebesindedir (EİE, 2007).
Bu tür kollektörlerde güneş enerjisi, yansıtıcı veya ışın kırıcı yüzeyler yardımı ile
doğrusal ya da noktasal olarak yoğunlaştırılabilir (EİE, 2007).
3.5.1. Doğrusal Yoğunlaştırıcılar
Parabolik oluk kollektörler, doğrusal yoğunlaştırma yapan ve kesiti parabolik olan
dizilerden oluşur. Oluğun iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneş enerjisini
paraboliğin odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah bir absorban boruya
yansıtır (EİE, 2007).
23
Orta derecede sıcaklık isteyen uygulamalarda kullanılan bu sistemlerde, güneş
enerjisi bir doğru üzerinde yoğunlaştırılacağından tek boyutlu hareket ile güneşi
izlemek yeterlidir (EİE, 2007).
Şekil 3.18. Doğrusal yoğunlaştırıcı kolektör (EİE, 2007)
3.5.2. Noktasal Yoğunlaştırıcılar
İki boyutta güneşi izleyip noktasal yoğunlaştırma yapan ve daha yüksek sıcaklıklara
ulaşan bu tür sistemler, parabolik çanak ve merkezi alıcı olmak üzere iki gruba
ayrılır.
Parabolik çanak kollektörler iki eksende güneşi takip ederek sürekli olarak güneşi
odak noktasına yoğunlaştırırlar (EİE, 2007).
Şekil 3.19. Parabolik çanak kolektörler (EİE, 2007)
24
Merkezi alıcı sistemde, tek tek odaklama yapan ve heliostat adı verilen düzlemsel
aynalardan oluşan bir alan, güneş enerjisini, bir kule üzerine monte edilmiş ve alıcı
denilen ısı eşanjörüne yansıtır. Heliostatlar bilgisayar tarafından kontrol edilerek,
alıcının devamlı güneş alması sağlanır (EİE, 2007).
Şekil 3.20. Solar I merkezi alıcılı güneş ısıl elektrik santralı (EİE, 2007)
3.6. Güneş Bacaları
Bu yöntemde güneşin ısı etkisinden dolayı oluşan hava hareketinden yararlanılarak
elektrik üretilir. Güneşe maruz bırakılan şeffaf malzemeyle kaplı bir yapının içindeki
toprak ve hava, çevre sıcaklığından daha çok ısınacaktır. Isınan hava yükseleceği
için, çatı eğimli yapılıp, hava akışı çok yüksek bir bacaya yönlendirilirse baca içinde
15 m/sn hızda hava akışı-rüzgar oluşacaktır. Baca girişine yerleştirilecek yatay
rüzgar türbini bu rüzgarı elektriğe çevirecektir. Bir tesisin gücü 30-100 MW arasında
olabilir. Deneysel bir kaç sistem dışında uygulaması yoktur (EİE, 2007).
3.7. Termoelektrik Güç Üretimi
Termoelektrik güç üretimi ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüşme şeklidir. Başka
bir deyişle sıcak ve soğuk yüzeyler arasında meydana gelen sıcaklığa bağlı olarak
kaynaklanan ısının elektrik enerjisine dönüşümüdür.
25
Aşağıdaki şekil 3.21’de N tipi ve P tipi yarı iletkenlerinden oluşan örnek bir
termoelektrik güç üretimi modülü gösterilmiştir. Bu birimin bir yüzü düşük sıcaklığa
bir yüzü ise düşük sıcaklığa maruz kaldığında sıcak taraftan soğuk yüzeyin olduğu
yere doğru bir ısı akışı meydana gelecektir. Başka bir deyişle ısı enerjisi sıcak
taraftan soğuk tarafa akacaktır. Bu noktada elementin arasına doğru akan ısı
enerjisinde herhangi bir enerji kaybı olmayacaktır. Çünkü bu enerji elektrik
enerjisine dönüşecektir (Fujitaka, 2005).
Şekil 3.21. Termoelektrik modülü (Fujitaka, 2005)
Termoelektrik güç temiz enerji kaynağıdır. Fosil fuelleri veya radyoaktif
izotoplardan oluşmaz. Sadece sıcaklık farkından enerji üretmektedir.
Isı kaynağı doğaldır(güneş gibi) veya insan kaynaklıdır (endüstriyel atık ısı, otomobil
atık ısısı gibi).
Birkaç dereceden kaynaklanan ısı farkından bile küçük çapta işe yarayan güç elde
edilebilir.
Termoelektrik güç üretim modülleri taşınması kolay ve uzun ömürlü malzemelerdir
(Fujitaka, 2005).
26
3.7.1. Termoelektrik Malzemeler Bir termoelektrik malzeme her iki termal ve elektrik etkilerini içine alan bir devre
üzerinde ısı enerjisini elektrik enerjisine veya elektrik enerjisini bir sıcaklık meyline
dönüştüren modüllerdir (Adams, 2001).
Termoelektrik malzemeler katı halde bulunurlar (Adams, 2001).
Termoelektrik modüller bir DA güç kaynağı tarafından çalıştırılabilen; küçük güçlü
ses yapmayan elementlerdir. 200.000 saat aralıksız çalışabilmektedirler. Çalıştıkları
zaman ısının emildiği yüzey sıcak, diğer tarafı ısının serbest bırakıldığı yüzey ise
soğuk olur. Termoelektrik malzemeler genelde sıcaklık ölçümü için (termokupl gibi)
veya elektriksel güç üretimi için kullanılırlar (Adams, 2001).
Termoelektrik malzemeler oldukça avantajlıdırlar. Çünkü güvenilir, ağırlıkları hafif,
küçük, ses yapmaz ve ucuzdurlar (Adams, 2001).
Onlarca termoelement, elektriksel olarak seri, termal olarak paralel bağlanarak çeşitli
amaçlar için çeşitli büyüklüklerde termoelektrik modüller elde edilmektedir.
Termoelektrik modüller, hareketli parçası olmayan küçük birer ısı pompasıdırlar.
Termoelektrik modüller genelde alan sınırlamasının olduğu, güvenilirliğin önemli
olduğu ve zararlı soğutucu gazların kullanılmasının istenmediği ortamlarda tercih
edilirler. Termoelektrik soğutucu, DA gerilimle çalışmakla beraber akım yönünün
değiştirilmesiyle soğutma veya ısıtma rejimine kolayca geçebilmektedir (Yavuz ve
Ahıska, 2006).
Bulunduğu ortamlarda konvansiyonel soğutmalar için son derece uygun, hassas ve
küçüktürler. Termoelektrik malzemeler kompressör tabanlı sistemlerin
uygulanamadığı soğutma işlemlerinde kullanılabilmektedirler (Adams, 2001).
27
3.7.2. Termokupllar
Termokupllar (ısıl çift), geniş bir şekilde kullanılan sıcaklık ölçüm araçlarıdır. Ucuz
ve değiştirilebilirdirler, standart bağlantı noktaları vardır. Çeşitli tipler ile -200 °C’
den +2300 °C’ ye kadar geniş bir sıcaklık aralığında ölçüm yapabilirler. Temel
sınırlamaları kesinliktir ki bunun sonucu olarak 1 °C’ den daha küçük ölçüm
hatalarına erişmek zor olabilir (Ordel, 2007).
Termokupllar, farklı iki metal alaşımın uçlarının birbiri ile kaynaklanması sonucu
elde edilir. Kaynatılan nokta sıcak nokta, açık kalan iki uç soğuk nokta veya referans
nokta olarak adlandırılır. Bu iki nokta arasındaki sıcaklık farkına orantılı olarak
oluşan ve termoelektrik voltaj ya da Seebeck voltajı da denen (1821’de bu etkiyi
keşfeden Estonyalı fizikçi Thomas Seebeck’in ismine atfen) mV seviyelerindeki bir
gerilimin varlığı termokuplların sıcaklık ölçümünde geniş bir şekilde kullanılmasını
sağlamıştır. Bu gerilim günümüzde kullanılan metal alaşımların türlerine göre 1 °C
başına 1 ile 70 µV (mikro volt) düzeylerinde olmaktadır (Ordel, 2007).
Termokupllarla ilgili bir önemli nokta da, termokuplların belli bir noktadaki kesin
sıcaklığı değil, iki nokta arasındaki sıcaklık farkını ölçmeleridir (Ordel, 2007).
Termokupllar, içinde bulundukları fiziksel ortamın (proses) özellikleri göz önüne
alınarak özel koruyucu kılıf içerisine yerleştirilir. Koruyucu kılıflar da yine fiziksel
ortamın özelliklerine göre farklı maddelerden yapılmaktadır. Eleman telleri de iki
farklı kutupta yer aldığından yalıtımları seramik izolatörlerle sağlanır (Ordel, 2007).
Termokupllarda oluşan gerilim değeri çok küçük olduğundan 50-60Hz’lik güç
kaynakları gibi cihazların oluşturduğu çevresel gürültü (noise) ölçülen değerleri
etkileyebilir. Bu durum göz önüne alınarak ölçümler değerlendirilmelidir (Ordel,
2007).
28
Termokupllardan elde edilen ve sıcaklık ölçümünde kullanılan sinyaller lineer
değildir. Bu nedenle analog ya da sayısal ölçüm yapan cihazlarda kullanılacak
sinyaller lineerize edilmelidir (Ordel, 2007).
Şekil-3.22. Lineerize edilmiş termokupple sinyaller(Ordel, 2007)
Geniş sıcaklık aralığını ölçebilmeleri, sağlamlıkları ve kolay kullanılabilirlikleri
sayesinde endüstride geniş şekilde kullanılan termokuplların seçiminde aşağıdaki
kriterler göz önüne alınmalıdır:
•Sıcaklık aralığı
• Termokuplun yâda koruyucu kılıf malzemesinin kimyasal maddelere karşı
dayanıklılığı
•Aşınmaya veya titreşimlere olan dirençleri
• Kurulum gereksinimleri (var olan bir cihazla uyumluluk gerekebilir, var olan
mekanik yapı dalma boyunu, kılıf çapını vb. belirleyebilir) (Ordel, 2007)
3.7.3. Termistörler (Terminstans)
Çevreden aldığı ısı veya içinden geçen akımın oluşturduğu ısı sonucu, sıcaklığının
değişimi-ne bağlı olarak, direnci değişen elamandır. Kısaca, sıcağa duyarlı direnç
olarak tanımlanabilir.
29
Termistörler, sıcaklığa bağlı olarak, direncinin artması veya azalması özelliğine göre
iki ana gruba ayrılırlar. Termistörler sıcaklık sabitine göre ikiye ayrılırlar.
Pozitif sıcaklık sabitine sahip dirençler (PTC).
Negatif sıcaklık sabitine sahip dirençler (NTC).
3.7.3.1. PTC Dirençler
Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler ısındığı zaman, direnç değeri büyür.
Metaller, özellikle de baryum titamat ve fungsten bu özelliğe sahiptir. Çok değişik
kullanım alanları vardır.
Örneğin: Röleye paralel bağlanan PTC direnç rölenin gecikmeli çekmesini sağlar.
Florasan lambalarda da starter yerine PTC direnç kullanılabilmektedir (Silisyum.net,
2007).
3.7.3.2. NTC Dirençler
NTC dirençler, ısındığı zaman direnç değerleri düşer, Germanyum, Silikon, ve metal
oksitler gibi maddelerden üretilir.
NTC Termistörünün örnek kullanım kullanım alanları aşağıda verilmiştir
Motor ve transformatör gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere yerleştirilen NTC
termistörün direnci fazla ısınmadan dolayı küçülen bir alarm ve koruma devresini
harekete geçirir.
Bir su deposunda seviye kontrolü için yerleştirilen NTC direnci su seviyesi düşünce,
ısınarak pompa devresini çalıştırır.
Bir motora seri bağlanan NTC direnç önce küçük akım çekerek güvenli yol almasını
sağlar.
30
Röleye seri bağlanan NTC direnç rölenin gecikmeli çalışmasını sağlar (Silisyum.net,
2007).
3.7.4. Peltier Element
Termoelektrik bir modül olan Peltier Element isi pompası olarak çalışabilir. Bu
sebepten ısıtma ve soğutma için uygundur. Eğer modül doğru akim kaynağı ile
beslenirse modülün sıcak yüzeyinden soğuk yüzeyine doğru bir ısı transferi olacaktır.
Bunun tersine eğer modülün bir yüzeyi ısıya maruz kalırken diğer yüzeyi soğuk
tutulabilirse yani her iki yüzey arası sıcaklık farkı yaratılabilirse, bu seferde
terminallerinden doğru akim elde edilecektir. Yani modül iki yönlü (Reversible)
çalışabilmektedir. Sıcaklık farkı 73 °C ulasan modüller tek konumlu sıcaklık
farkının 100 °C ulaşabilen modüller ise iki durumludur. Şekil 3.23’de Peltier
Element prensip çalışma seması görülmektedir (Douglas, 2002).
Şekil 3.23. Peltier element prensip çalışma şeması (Douglas, 2002)
3.7.4.1. Seeback Effect
Seeback effect sıcaklık farkının direk olarak elektrik enerjisine dönüşmesidir. Bu etki
1821 yılında Alman fizikçi Thomas John Seeback tarafından bulunmuştur. Seeback
iki metal bar arasındaki sıcaklık fakından gerilimi (V) bulmuştur. Çünkü metaller
aralarındaki sıcaklık farkından dolayı bir akımın akışını yaratan manyetik alan etkisi
sağlamaktadır. Bu etki bir gerilimdir. İki metalin veya yarı metalin arasındaki
31
sıcaklık farkından meydana gelen gerilimdir. Bu durum bu iletkenin içerisine sürekli
bir akım akışı sağlayacaktır. Gerilim sıcaklık farkının her bir artışında mikro volt
cinsinden artacaktır (Wikipedia online sözlük, 2007).
Birbirinden farklı iki yarıiletken malzemenin, birbirine seri olarak birleştirilmesi
ile oluşturulan devrede; bileşenlerin farklı sıcaklıklarda tutulmasıyla elektrik
gerilimi oluştuğu görülür. Bu gerilime “seebeck voltajı” denir. Devreden
ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır
(Olgun, 2007).
Şekil 3.24 Seebeck effect prensip çalışma şeması (Wikipedia online sözlük, 2007)
Denklem 3.1.‘de gerilimin denklemi verilmiştir.
(3.1)
SA ve SB seeback katsayılarıdır. t1 ve t2 de metal A ve B’ nin yüzeyindeki
sıcaklıklardır. Seeback katsayıları doğrusal değildirler. İletkenin sıcaklığına
materyaline ve moleküler yapısına bağlıdır. Eğer seebeck sabitleri sıcak ölçümlerine
göre belli bir değerleri var ise gerilim aşağıdaki gibi bir formüllen de belirlenebilir
(Wikipedia online sözlük, 2007). Denklem 3.2. gerilimin bir başka formülü
verilmiştir.
(3.2)
32
S ’ nin değeri 100 µV/ C ’dan büyük olan yarıiletkenlere, termoelektrik yarı
iletkenler denir (Olgun, 2007).
N tipi yarı iletken için S değeri negatif, P tipi yarıiletken için S değeri ise pozitiftir.
Meydana gelen seebeck etki yarı iletkenlerde jeneratör gibi metallerde ise
termokupl veya ısı sensörü gibi kullanılır (Olgun, 2007).
Çizelge 3.3. Bazı Materyallerin Seeback Katsayıları (Olgun, 2007)
MATERIAL SEEBACK
SABİTİ MATERIAL SEEBACK
SABİTİ MATERIAL SEEBACK SABİTİ
Aluminum 3.5 Gold 6.5 Rhodium 6 Antimony 47 Iron 19 Selenium 900 Bismuth -72 Lead 4 Silicon 440 Cadmium 7.5 Mercury 0.6 Silver 6.5 Carbon 3 Nichrome 25 Sodium -2
Constantan -35 Nickel -15 Tantalum 4.5 Copper 6.5 Platinum 0 Tellurium 500
Germanium 300 Potassium -9 Tungsten 7.5
3.7.4.2. Peltier Effect
Peltier effect, seeback effectin tam tersidir. Burada da gerilim farklarından ısı elde
edilmektedir.
İki farklı metal veya bir yarı iletken arasında bir akım akışı olduğunda meydan gelir.
Bir iletkenden diğerine akım sürülür. İletkenlerden biri soğurken diğeri ısınır. Sonuç
olarak bu etki termoelektrik soğutma amacıyla kullanılır. Bu etki Seeback’ ten 13 yıl
sonra 1834 yılında John Peltier tarafından bulunmuştur (Wikipedia online sözlük,
2007).
33
Şekil 3.25. Peltier effect prensip çalışma şeması (Wikipedia online sözlük, 2007)
Şekle göre bir akım akışı meydana geldiği zaman t2’nin olduğu yerde ısı değişimi
meydana gelir. t1’in olduğu yerde ise soğuma. Isı aşağıdaki uç nokta tarafından
emilmeye başlar(Wikipedia online sözlük, 2007). Denklem 3.3.’de elde edilen ısının
denklemi verilmiştir
(3.3)
Bütün ısıl çiftlerin sabiti ΠAB’dir. ΠA ve ΠB materyallerin peltier sabitleridir. P tipi
silikon pozitif peltier sabitine sahip iken N tipi silikon negatif peltier sabitine
sahiptir.
Şekil 3.26. bir ucu ısıtılan termoelektrik malzemenin diğer ucu botsa bırakıldığı
zaman oluşan sıcaklık farkından ötürü bir potansiyel fark oluşarak gecen akim
ampermetreden okunabilmektedir.
Şekil 3.26. Peltier element prensip çalışma şeması (Quick-ohm, 2006).
34
Yukarıda özet olarak verilen Peltier Element kullanılarak yüksek performanslı bir
mikroişlemcinin (Örneğin Pentium Processor) soğutulması işlemi hedeflenmektedir.
Peltier modülün sıcak yüzeyi mikroişlemcinin üst yüzeyine soğuk yüzeyi ise
alüminyum soğutucuya silikon sıcaklık transfer jeli ile tutturularak oluşan sıcaklık
farklılıklarından dolayı elde edilen potansiyel fark ile elektrik fan motorunun
beslenmesi sonucu mikroişlemci termal enerji sayesinde soğutmaya tabii tutulacaktır.
Eğer sıcaklık farkı sonucu potansiyel fark mikroişlemcinin soğumasına yeterli
olmazsa fan motorunun ikinci sargısı dışarıdan beslenerek soğutma işlemi
hızlandırılacaktır ki en azından fan motorunun birinci sargısı için gerekli olan
potansiyel enerji peltier modül tarafından sağlanacak ve enerji tasarrufu yoluna
gidilecektir. Bu projenin önemi daha çok taşınılabilir bilgisayarlarda (Notebook)
bilgisayar pil şarj ömrünü uzatacaktır. Bilgisayar içersinde en çok güç kaybı mekanik
sistemlerde olup bunlardan biriside fan motorlarıdır. Şekil 3.27’ de prototip bir
peltier modül ile yapılmış isi transferinin potansiyel enerjiye çevrilerek fan ile
yapılan soğutma sisteminin resmi verilmiştir (Quick-ohm, 2006).
Şekil 3.27. Peltier modül ve soğutma sistemi (Quick-ohm, 2006)
3.7.5. Termoelektrik Jeneratörler
Termoelektrik Jeneratorler (TEJ) uzun yıllardan beri bilinmesine rağmen, materyal
sınırlılığı ile gerçekleştirilen birçok uygulamada bu teknoloji çok pahalı ve verimsiz
kılınmıştır. TEJ modülleri iki tarafında sıcaklık farkı meydana geldiği zaman elektrik
akımı üreten n tipi ve p tipi yarı iletkenlerden oluşurlar. Yani yarı iletkenin uçlarında
35
meydana gelen sıcaklık farkıyla doğru orantılı olarak elektriksel gerilim meydana
gelmektedir. Bu modüller peltier elementler gibi reversble bir etkiye sahip değildirler
(Gustavo, 2002).
Şekil 3.28. Örnek termoelektrik modülü ve prensip çalışma şeması (Gustavo, 2006)
Derin uzay araştırmalarında radyoaktif tabancalarda meydana gelen ısı TEJ modülü
kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülmektedir Gaz hatlarında gaz yanıcılarında
meydana gelen ısılar da TEJ aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Bu
sistemler etkileyici ve güvenilir sistemlerdir (Gustavo, 2006).
Termoelektrik jeneratörler meydana gelen atık ısının yani herhangi bir sebeple ısıya
dönüşen enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektedirler. Böylelikle enerji israfının
önüne geçilmekte ve meydana gelen enerji kayıpları değerlendirilmektedir (Gustavo,
2006).
Şekil 3.29. Termoelektrik jeneratorler ile ısınan soba borusunda 20 wattlık enerji elde edilebilir (Hi-z, 2006)
36
Şekil 3.30. Termoelektrik jeneratorler ile diesel motor eksozundan 1Kw’lık enerji üretilmektedir (Hi-z, 2006) 3.8. USB TC-08 Termokuppll Data Logger
USB TC-08 sekiz termokuppll kanalından oluşan ve sıcaklık ölçümü için dizayn
edilmiş bir kaydedicidir. Bir pc veya dizüstü bilgisayara usb portundan bağlanabilir.
Çalışması için herhangi bir güç kaynağına ihtiyaç yoktur. Gücünü usb portu
üzerinden bilgisayardan alır Geniş sıcaklık ölçüm aralığına sahiptir. -270 ºC’ den
+1820 ºC’ ye kadar sıcaklık ölçümü yapabilir. Tüm bilinen termokuppllar ile
çalışabilir(B,E,J,K,N,R,S,T termokupplları ile çalışır). Otomatik soğuk temas
dengeleme özelliğine sahiptir. Hızlı örnekleme aralığı vardır. Cihaz PicoLog veri
kaydetme yazılımı üzerinden çalışır. Bu yazılımı Windows XP SP2, Windows Vista
ve Windows 7 işletim sistemleri desteklemektedir (Pico Technology, 2009).
Şekil 3.31. USB TC-08 Termokuppll Data Logger (Pico Technology, 2009)
37
3.8.1. PicoLog Veri Kaydetme Yazılımının Kullanımı
Önce program bilgisayara yüklenmeli ve daha sonra bilgisayar yeniden
başlatılmalıdır. USB TC-08 çalıştırılmadan önce bilgisayarın usb portuna bağlantısı
yapılmalıdır. Sonra termokuppllar cihazın termokuppll girişlerine yerleştirilmelidir.
Daha sonra picolog programı çalıştırılmalı ve cihazdaki dataların bilgisayara
kaydedilebilmesi için aşağıdaki adımlar takip edilmelidir (Pico Technology, 2009).
- Picolog kayıt programını çalıştırılır.
- File menüsünden new settings sekmesine tıklanır. Recoding diyalog kutusu belirir.
Şekil 3.32. Recording diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)
- OK butonuna tıklanır. OK butonuna tıklandıktan sonra sampling rate diyalog
kutusu belirir (Pico Technology, 2009).
Şekil 3.33. Sampling Rate diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)
38
Burada sampling interval sekmesinden veri örneklerini alma aralıkları belirlenir.
Maximum number of samples sekmesinden ise kaç adet örnekleme alınacağı
belirlenir. Verilen örnekte saniyede bir adet olmak üzere toplam 500 adet örnekleme
tercih edilmiştir (Pico Technology, 2009).
- Bu pencerede de gerekli ayarlamalar yapıldıktan sonra OK butonuna tıklanır.
Converter Details diyalog kutusu belirir (Pico Technology, 2009).
Şekil 3.34. Converter details diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)
- Converter Type açılır pencere menüsünden USB TC08 seçilir. Cihazın adı ve seri
numarası USB Devices panelinde belirir ve USB enumeration progress çubuğu %100
dolar. Eğer dolma işlemi gerçekleşmezse, sağ taraftaki Refresh butonuna basılır
(Pico Technology, 2009).
- OK butonuna tıklanır. TC08 Channels diyalog kutusu belirir.
39
Şekil 3.35. TC08 diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)
- Kullanılacak olan termokuppll kanalının üzerine fare ile çift tıklanır. Edit TC08
Channel diyalog kutusu belirir (Pico Technology, 2009).
Şekil 3.36. Edit TC08 diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)
Thermocouple açılır menüsünden kullanılacak olan termokuppılın türü seçilir. OK
butonuna tıklanır. TC08 Channels diyalog kutusu yeniden belirir. Eğer birden fazla
kanal üzerinden veri almak istiyorsak madde 7 ve madde 8’deki işlemler tekrar edilir.
- OK butonuna tıklanır. Programın ana formunda seçmiş olduğumuz kanal veya
kanallardaki değerler belirir (Pico Technology, 2009).
40
Şekil 3.37. PicoLog programının ana formu (Pico Technology, 2009).
Elde edilen verilerin grafiğinin çizdirilmesi için ana formdaki view graph
butonuna tıklanır. Elde edilen verilerin listelenmesi istenirse ana formdaki View
spreadsheet butonuna tıklanır (Pico Technology, 2009).
Şekil 3.38. PicoLog programında verilerin grafik ve liste pencereleri (Pico
Technology, 2009)
41
4.ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA
4.1. Üç Mercekli Deney
Peltier element ile güneş enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Asıl
amaçlanan şey oluşacak olan sıcaklık farkı ile doğru orantılı olarak elektriksel güç
elde edebilmektir. Peltier elementin sıcak algılaması gereken yüzü alabileceği en
yüksek sıcaklığa, soğuk algılaması gereken yüzü ise alabileceği en düşük sıcaklığa
ulaşması gerekmektedir. Çünkü bu iki yüz arasındaki sıcaklık farkı ne kadar yüksek
olursa peltier element dışarıya o kadar fazla elektrik gücü verebilecektir.
Güneş ışığı ile peltier elementin seeback etkisinden faydalanılarak elektrik enerjisi
üretimi planlanmıştır. Bunun üzerine Şekil 4.1.’deki deney düzeneği oluşturulmuştur.
Şekil 4.1. Üç mercekli deney düzeneğinin önden ve yandan görünüşü.
Sıcak algılayan yüze çabuk ısınabilen bakır parçası tutturulmuştur. Bakır hızlı olarak
ısınmaktadır. Bunun sayesinde hedeflenilen yüksek sıcaklığa ulaşılabilir. Peki, güneş
ışığını bakıra nasıl yansıtılmalıdır ki elde edilmesi gereken sıcaklık en yüksek
potansiyele çıkarabilsin? İşte bu sorun mercek ile çözüme kavuşturulmuştur. Bakır
parçası şekil 4.2. deki gibi merceğin odak noktasına konularak peltier elementin
sıcak yüzünde maksimum sıcaklık elde edilmiştir.
42
Şekil 4.2. Bakır parçanın merceğin odak noktasına yerleştirilmesi
Şekil 4.3. Merceğin odak noktasına yerleştirilen bakır parçasına gelen güneş ışınları
Peltier elementin soğuk olması gereken yüzüne ise alüminyum mekanik parça
konulmuştur. Alüminyum mekanik parçanın arka yüzeyi petek biçiminde ayarlanarak
üzerinde daha az ısı tutması sağlanmıştır. Bu durum, bilgisayarlarda kullanılan bazı
ekran kartlarının arkasında da soğutma amacıyla kullanılmaktadır.
Üç peltier element birbirine seri bağlanmıştır. Böylelikle daha fazla gerilim elde
edilmiştir. Elde edilen gerilim dijital avometre ile sıcak ve soğuk yüzeylerdeki
sıcaklık farkı ise sıcaklık ölçer ile ölçülmüştür.
43
Şekil 4.4. Gerilim ve sıcaklık farkı ölçerler
1 Haziran 2007 tarihinde 13:00 ve 15:00 saatleri arasında gerçekleştirilen deneyde
aşağıdaki gerilim ve sıcaklık fark değerleri gözlemlenmiştir.
Çizelge 4.1. Üç mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim
SAATLER Sıcaklık
Farkı(∆T)°C Çıkış
Gerilimi(Yüksüz)mV
Çıkış Gerilimi(Yüklü)m
V 13:00 7.5 783 547 13:15 12.4 846 670 13:30 13.3 880 700 13:45 13.6 902 703 14:00 16.2 910 722 14:15 16.9 890 702 14:30 17.2 800 616 14:45 15.8 607 480 15:00 14.5 555 410
44
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
1 2 3 4 5 6 7 8 9
sıcaklık farkı
yüksüz gerilim
yüklü gerilim
Şekil 4.5. Üç mercekli düzeneğin gerilim ve sıcaklık fark değerleri grafiği
4.2. Tek Mercekli Deney
Tek mercekli deneyde de üç mercekli deneydeki malzemelere benzer malzemeler
kullanılmıştır. Yine sıcak yüzeyin üzerine bakır soğuk yüzeyin üzerine alüminyum
yerleştirilmiş ve bakırın olduğu iç kısmın etrafı camekan gibi kapatılmıştır. Yalnız ısı
iletiminin daha hızlı gerçekleşmesi için bu sefer daha ince bakır parçası
kullanılmıştır. Tek mercekli deney düzeneğinde TMG-450-0.8-1.0 termoelektrik
modülü kullanılmıştır. Modüle ait karakteristik değerler çizelge 4.2’de verilmiştir.
45
Çizelge 4.2. TMG-450-0.8-1.0’a ait karakteristik değerler (Eruğaslan, 2008)
Sıcak Yüzey
°C
Soğuk Yüzey
°C
Çıkış Gerilimi
(Yüksüz) V
Gerilimi (Yüklü)V
Sıcaklık Farkı (∆T)°C Çıkış Yük Akımı
47.0 25.0 2.68 1.28 22.0 0.059535 58.5 25.5 3.86 2.04 33.0 0.094884 66.1 24.0 5.23 2.53 42.1 0.117674 75.5 25.2 6.36 3.01 50.3 0.140000 85.0 24.6 8.13 3.56 60.4 0.165581 97.1 25.0 9.14 4.24 72.1 0.197209
103.2 24.0 9.82 4.61 79.2 0.214419 116.5 25.1 10.87 5.29 91.4 0.246047 124.7 25.6 11.61 5.76 99.1 0.267907 135.9 24.9 12.93 6.23 111.0 0.289767 144.8 24.6 13.35 6.57 120.2 0.305581 153.1 25.7 14.39 6.80 127.4 0.316279 159.1 25.0 15.20 7.06 134.1 0.328372 169.8 25.0 15.95 7.54 144.8 0.350698 179.5 25.5 16.76 7.78 154.0 0.361860 194.0 25.4 17.03 8.14 168.6 0.378605 204.4 25.2 17.64 8.41 179.2 0.391163 211.2 24.2 18.3 8.61 187.0 0.400465 218.2 25.0 18.76 8.71 193.2 0.405116 225.2 25.2 19.03 8.97 200.0 0.417209
Şekil 4.6. Tek mercekli deney düzeneğin yandan ve alttan görünümü
46
Çizelge 4.3. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim ve sıcaklık fark değerleri
SAATLER Sıcaklık Farkı(∆T)°C
Çıkış Gerilimi(Yüksüz)V
Çıkış Gerilimi(Yüklü)V
15:00 14 0.59 0.52 15:05 15,4 0.61 0.54 15:10 13.2 0.58 0.51 15:15 7,2 0.51 0.47 15:20 9,3 0.54 0.49 15:25 8.9 0.52 0.48 15:30 12,1 0.56 0.51 15:35 12.8 0.56 0.51 15:40 17.7 0.63 0.55 15:45 14,8 0.6 0.53 15:50 13,9 0.59 0.52 15:55 13,5 0.58 0.51 16:00 12,7 0.57 0.51
Gözlemler sonucunda elde edilen elektrik geriliminin ortamlara, ışınım şiddetlerine,
mercek sayısına, peltier elementlerin sayısına ve karakteristik farklarına göre
birbirinden çok farklı değerler elde edilmiştir. Soğuk ve sıcak yüzeylerde meydana
gelen sıcaklık farkları birbirine yakın olmasına rağmen farklı tipte ve farklı adette
peltier element kullanılmasından dolayı farklı elektrik değerleri elde edilmiştir. Buna
göre üç mercekli sistemde daha fazla elektrik potansiyeli elde edilirken, tek mercekli
sistemde ise daha az elektrik potansiyeli elde edilmiştir. Bu karşılaştırmalar ışığında
Peltier element seçilirken ∆T’si daha düşük sıcaklıklarda daha yüksek elektriksel
potansiyel karakteristiğine sahip bir peltier element seçilirse ve daha fazla sayıda
mercek ve peltier element kullanılırsa daha yüksek elektrik gerilimi elde edilebilir.
4.3. TEP1-1264-1.5 Termoelektrik Modül’ün Karakteristiği
TEP-1264-1.5 termoelektrik modülü Taihuaxing Co. Ltd. firması tarafından
üretilmiştir. Termoelektrik modüle ait özellikleri aşağıda verilmiştir.
_ Boyutlar: 40 mm · 40 mm.
_ Açık devre Gerilimi: 8.6 V.
_ İç direnci: 3Ω
47
_ Eşik yük çıkış gerilimi: 4.2 V.
_ Eşik yük çıkış akımı: 1.4 A.
_ Eşik yük çıkış gücü: 5.9 W.
Gerçekleştirilen deneyde termoelektrik modülün soğuk yüzeyi 40 ºC’ de sabit
tutulmuş ve sıcak yüzeyi sürekli ısıtılmıştır. 6 adet termoelektrik modül şekil 4.7 deki
gibi birbirine seri bağlanarak elde edilebilecek olan akım ve gerilim değerleri
gözlemlenmiştir (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006).
Şekil 4.7. Birbirine seri bağlanmış TEP-1264-1.5’ ler (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)
Şekil 4.8. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği
(Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)
48
Şekil 4.9. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı akım gerilimi grafiği (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)
Şekil 4.10: Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)
49
Şekil 4.11. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken akım-gerilim grafiği (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)
Çizelge 4.4. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken TEP-1264-1.5’in sıcaklık değişimine bağlı elektriksel değerleri (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)
Sıcak Yüzey sıcaklığı Çıkış Gerilimi(V) Yük Akımı(A) İç Direnç(Ω)
90 13 0.55 13.63 100 14,20 0.60 13.67 110 16,50 0.70 13.57 120 18 0.75 14 130 19,80 0.80 14.75 140 21,20 0.85 14.94 150 23,20 0.90 15.78 160 24,90 0.95 16.21 170 26 0.98 16.53 180 27,80 1 17.80
TEP-1264-1.5 ile bölüm 4.1’deki tek mercekli deney düzeneğinde güneş ışığından
faydalanılarak elde edilebilecek elektriksel değerler incelenmiştir. Tek mercekli
deney düzeneğine TMG-450-0.8-1.0’a yerine TEP-1264-1.5 modülü yerleştirilmiştir.
Gözlemler sonucunda aşağıdaki değerler elde edilmiştir.
50
Çizelge 4.5. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim ve sıcaklık değerleri
Sıcak Yüzey °C
Soğuk Yüzey °C
Sıcaklık Farkı (∆T)°C
Çıkış Gerilimi(Yüksüz)
mV
Çıkış Gerilimi(
Yüklü)mV 54,59 40,74 13,842 167 163 55,78 43,22 12,556 181 174 56,37 43,51 12,858 180 175 54,38 43,56 10,819 171 166 55,89 43,44 12,454 179 175 55,71 43,58 12,132 177 172 56,60 44,80 11,798 172 169 57,56 46,43 11,134 169 165 57,31 46,36 10,957 170 167
Şekil 4.12. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen sıcaklık değerleri grafiği
Soğuk ve sıcak yüzeyler arasındaki sıcaklık farkları her ne kadar aynı olsa da
TEP-1264-1.5 modülünden elde edilen gerilim TMG-450-0.8-1.0’dan elde edilen
gerilimden daha az olmuştur.
51
4.4 A300 Güneş Pili Karakteristik Değerleri
2004 yılının başlarında Sun Power firması tarafından üretilmiştir. Verimliliği %20
civarındadır.
Şekil 4.13. A300 model güneş pilinin boyutları, önden ve arkadan görünümleri
Aşağıda A300 güneş pilinin karakteristik değerleri verilmiştir.
Açık devre gerilimi: 0.665 V
Kısa devre akımı: 5.75 A
Maksimum güç gerilimi: 0.560 V
Maksimum güç akımı: 5.35 A
Güç: 3.1 W
Verim: %20 (Üstün vd., 2007).
4.5. Güneş pilleri ile Termoelektrik Malzemelerin Karşılaştırılması
· Her ikisi de çevre dostu enerji kaynaklarıdır. Gürültü yapmazlar ve uzun
ömürlüdürler.
· Güneş pilleri sadece güneş ışınımından gelen ısıyı elektrik enerjisine
dönüştürürler. Termoelektrik modüller ise her çeşit atıl ısıyı elektrik enerjisine
52
dönüştürebilirler. Eğer güneş enerjili bir sistemde termoelektrik malzemenin
karekteristiğine uygun sıcaklık farkları elde edilebilirse güneş pillerinden daha
verimli elektrik potansiyeli üretilebilir. Gerçekleştirdiğimiz deney
düzeneklerinde bu durum gözlenememiştir.
· Termoelektrik modüller tek başlarına güneş pillerine oranla daha az yer
kaplarlar. Fakat oluşturmuş olduğumuz deney düzenekleri ile karşılaştırma
yaparsak(tek modül için) güneş pilleri daha az yer kaplarlar. Çünkü
oluşturduğumuz sistemde ideal düzeyde elektrik enerjisi üretebilmek için hacmi
güneş piline göre daha geniş olan mekanikler oluşturulmuştur. Yalnız çok sayıda
termoelektrik modül kullandığımızı düşünürsek kaplayacağı alan bakımından
termoelektrik sistem daha avantajlıdır.
· Her ikisi de hafiftir. Çalışmadaki deney düzeneklerimiz ile karşılaştırılırsa güneş
pili daha hafiftir.
· A300 güneş pilinden elde edilebilecek maksimum güç miktarı ve gerilim miktarı
bir TEP-1264-1.5 ve TMG-450-0.8-1.0 termoelektrik modüllerinden daha az
iken akım değeri ise daha fazladır. Deney düzeneklerimiz ile karşılaştırma
yaparsak A300 güneş pili akım ve güç bakımından daha avantajlıdır.
Çizelge 4.6. Termoelektrik modüllerin ve güneş pilin elektriksel karakteristiklerinin karşılaştırılması
Maksimum A300 TEP-1264-1.5 TMG-450-0.8-1.0 Akım(A) 5.35 1.4 0.41
Gerilim(V) 0.560 4.2 9 Güç(W) 3.1 5.9 3.6
· Fiyat olarak a300 güneş pili daha ucuzdur. Güneş enerjisiyle geliştirilen
sistemler termoelektrik modüllerle gerçekleştirilen sistemlere göre daha
ucuzdurlar. Hem a300 güneş pili hem de deneylerde kullanıla termoelektrik
malzemeler ülkemizde mevcut değildir.
53
4.6. Dokuz Mercekli Deney
Üç mercekli ve tek mercekli deney düzeneklerinde olduğu gibi bu deney
düzeneğinde de termoelektrik modülün üst yüzeyine bakır alt yüzeyine alüminyum
gelecek şekilde hazırlanmıştır. Alüminyumun alt kısmı yine petek soğutucular
yerleştirilmiştir. Bu deneyde 9 adet TEP-1264-1.5 termoelektrik modülü
kullanılmıştır. Mercekler mikaların içerisine yerleştirilmiş ve alüminyum lamalara
yatak yapılarak düzeneğe tutturulmuştur. Bu deney düzeneği daha geniş bir alanda
düzenleneceği için alüminyum ve bakır parçaları önceki deneylere oranla daha
büyüktür.
Şekil 4.14. Bakır ve alüminyum levhalar
54
Şekil 4.15. Mika içerisine yerleştirilmiş mercek
Deney düzeneği şekil 4.16’daki gibi oluşturulmuştur. Fakat bu deney düzeneğinde
alüminyum levha ve bakır levha birbirine çok yakın oldukları için düşük düzeylerde
sıcaklık farkı elde edilmiştir. Bunun üzerine sistemden daha fazla verim alabilmek
için yine aynı malzemelerle farklı bir düzenek kurulmuştur. İlk kurulan düzenekte
alüminyum ve bakır birbirine çok yakın olduğu için alüminyum levha ters çevirilerek
yeni bir sistem oluşturulmuştur.
Şekil 4.16. İlk oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği
55
Şekil 4.17. İkinci kez oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği
Bu deney düzeneğinde bakırın dış yüzeyi dışarıdaki havayla sirkulasyona
uğramaması için yalıtkan malzemeyle kaplanmıştır. Bakırın iç yüzeyindeki sıcaklık
değerinin korunması içinde etrafı camlarla kapatılmıştır. Deneyde bakırın sağ, sol ve
orta yüzeylerine birer tana ve alüminyumun altında olan soğutucuya da bir tane
olmak üzere dört adet K tipi termokapll yerleştirilerek sıcaklık değerleri data logger
aracılığıyla bilgisayardan takip edilmiştir. Elde edilen sıcaklık ve gerilim değerleri
Çizelge 4.7.’ de gösterilmiştir.
Çizelge 4.7. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim ve sıcaklık fark değerleri
Sıcak Yüzey °C
Soğuk Yüzey °C
Sıcaklık Farkı (∆T)°C
Çıkış Gerilimi(Yüksüz)
mV
Çıkış Gerilimi(Yüklü)m
V 57,538 41,41 16,131 725 715 58,911 42,41 16,502 730 719 59,510 41,49 18,018 806 798 56,878 42,73 14,149 653 640 53,772 41,96 11,817 574 560 53,865 41,55 12,315 587 575 53,828 41,41 12,422 587 575
56
5. SONUÇ
Bu çalışmada noktasal yoğunlaştırıcı ve termoelektrik modüller bir arada kullanılarak
güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimi amaçlanmıştır. Elektrik enerjisi üretimi
için kullanılan termoelektrik modüllerin sıcak ve soğuk yüzeyleri arasındaki sıcaklık
farkı ve buna bağlı olarak artan veya azalan gerilim miktarı gözlemlenmiştir. Bu
gözlemlere göre sıcak ve soğuk yüzeyler arasındaki sıcaklık farkı arttıkça gerilim
artmış, sıcaklık farkı azaldıkça gerilim düşmüştür. Bu doğrultuda üç mercekli, tek
mercekli ve dokuz mercekli olmak üzere üç adet deney düzeneği kurulmuştur. Deney
düzeneklerinde farklı termoelektrik modüller farklı mercekler kullanılarak değişik
metotlar denenmiştir. Deney düzeneklerinden elde edilen elektriksel değerler
kullanılabilir düzeyde değildirler. Kullanılabilir olamamalarının sebebi sıcak ve
soğuk yüzeylerdeki sıcaklık farklılıklarının yeterli olmamasıdır.
Deneylerde elde edilen sonuçlara göre bu sistemler güneş pilleriyle yarışabilecek
seviyede değildirler. Böyle bir sistemle ihtiyaç duyulan elektriksel değerlerin elde
edilebilmesi için mekanik tasarımında değişiklikler yapılmalıdır. Bunlardan bir tanesi
güneş takibi olabilir. Güneş takibi ile merceklerin odaklarının sürekli termoelektrik
modüllerin sıcak yüzeylerine getirilmesi durumunda sıcak yüzey daha fazla ısıtılarak
sıcaklık farkı artırılabilir.
Çalışmada yeterli düzeyde elektrik elde edilemese de bir noktasal yoğunlaştırıcı ile
güneş ışınımı ve termoelektrik malzemelerle elektrik enerjisi üretimiyle ilgili
gözlemler gerçekleştirilmiş ve örnekler oluşturulmuştur.
57
6.KAYNAKLAR Ahıska, R., Ahıska, K., 2007. Esnek _ki Fazlı TE CPU Sogutucusu. Gazi
Üniversitesi Mühendislik Mimarlı Fakültesi Dergisi, 22(2), 347-351. Adams J. Thermoelectric Power Generation and Refrigeration Systems ME 372
Instructor: (march 2001). Basic explanation about Peltier Elements, 2006 internet sayfası http://www.quick-
ohm-thermoelectric.com/peltier/basicexplanation%20.html Erisim Tarihi : 01.06.2007.
Bernard, A.M., Spano, L.A., 1966. Thermoelectric Powered Heating and Ventilating
System. Electron Devices Meeting, 1966 International, 12, 26 – 26. Douglas M. C., (2002) Editor in Chief, “Process Instruments and Control Handbook”
McGraw Hill ISBN:0-07-012439-1 Eakburanawat, J., Boonyaroonate I., 2006. Development of a Thermoelectric
Battery-Charger with Microcontroller-based Maximum Power Point Tracking Technique. Applied Energy, 83(7), 687-704.
Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü internet sayfası, 2006
http://www.eie.gov.tr/ Erisim Tarihi : 06.02.2007 Eruğaslan E. Termal Elektrik Kaynaklı Kablosuz Yüksek Sıcaklık Duyum Devresi
Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik-Bilgisayar Eğitimi ABD, Yüksek Lisans Tezi, (Şubat 2008)
Gustavo J. R. Thermoelectric Recovery of Exhaust Waste Energy (2002)
http://www.swri.org/3pubs/IRD2002/03-9322.htm Olgun B. Termoelektrik Soğutma, 2007 Peltier Lab. Dokümanı Yıldız Teknik
Üniversitesi Makine Mühendislği Bölümü internet sayfası, http://www.yildiz.edu.tr/~bolgun/termoelektrik.pdf Erisim Tarihi: 31.05.2007
Özdemir Ş. Fotovoltaik Sistemler İçin Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını
İzleyen Bir Konvertörün Gerçekleştirilmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Eğitimi ABD,Yüksek Lisans Tezi,(Aralık 2007)
Peltier-Seeback Effect, Wikipedia Online Sözlük, 2007 internet sayfası,
http://en.wikipedia.org/wiki/Peltier-Seebeck_effect Erisim Tarihi 01.06.2007.
Rowe M. D.,1999 Thermoelectrics, An Environmentally-Friendly Source Of
Electrical Power Renewable Energy 16 (1999) 1251-1256
58
Rowe M. D., Simon G. M., Williams G.K., Aoune A., Matsuura K., Kuznetsov
V.L., Fu L. W. Thermoelectric Recovery of Waste Heat - Case Studies, 2006 Striling Motoru, Gazi Üniversitesi Otomotiv Bilim ve Teknoloji Topluluğu
(OBİTET) internet sayfası,2007http://www.obitet.gazi.edu.tr/obitet/ Stirling _Motoru/stiring.htm Erisim Tarihi : 01.06.2007.
Stirling Motoru, Wikipedia Online Sözlük, 2007 http://tr.wikipedia.org/ wiki/
Stirling_motoru Erisim Tarihi : 01.06.2007. Termistörler, Elektronik Eğitim internet sayfası, 2007 http://www.silisyum.net/ htm/
pasif_devre_elemanlari/termistor.htm Erisim Tarihi : 01.06.2007. Termokupllar, Ordel Ltd. Şti. İnternet sayfası.2007 http://www.ordel.com.tr/ page.
php ?id=30. Erisim Tarihi : 01.06.2007. Thermoelectric Power, 2007 internet sayfası http://www.fujitaka.com/pub/peltier/
english/ thermoelectric power.html Erisim Tarihi : 01.06.2007. Thin Film Thermoelectric Generator Systems, 2002. internet sayfası.
http://www.dtsgenerator.com/ Erisim Tarihi : 02.02.2006. USB TC-08 Thermocouple Data Logger, Pico Technology 2009 internet sayfası
http://www.picotech.com/thermocouple.html Erisim Tarihi : 04.04.2009. USB TC-08 Temperature Logger, Pico Technology 2009 internet sayfası
http://www.picotech.com/document/pdf/usbtc08_en.pdf Erisim Tarihi : 04.04.2009.
Üstün Ö, Yılmaz M, Tüysüz A, Titiz F.K.,Şahin A.,Tuncay R.N.,Gökçe C.,
Karakaya U., Yıldırım A. Güneş Enerjili Yarış Aracının Elektrik Tasarım Ölçütlerinin, Yol Performans Simülasyonun ve Enerji Yönetim Sisteminin Geliştirilmesi http://www.emo.org.tr/ekler/43739bba7cdb577_ek.pdf Erişim Tarihi:30.07.2009
Waste Heat Recovery Systems, 2006 internet sayfası http://www.hi-z.com/Hi-
Z.Brochure.2006.pdf Erişim Tarihi: 05.12.2008 Varınca K. B. & Gönüllü M. T. ,Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu
Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma. UGHEK’2006: I. Ulusal Güneş Ve Hidrojen Enerjisi Kongresi (21-23 HAZİRAN 2006) , ESOGÜ, ESKİŞEHİR
Yavuz A.H., Ahıska, R., Hakim M., 2006. Bulanık Mantık Kontrollü Termoelektrik
Beyin Soğutucusu.ELECO’2006 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar Mühendisliği sempozyumu, B8-07, Bursa.
59
ÖZGEÇMİŞ
Adı Soyadı: Muhammet Murat YAMAN
Doğum Yeri ve Yılı: Karaman - 1983
Medeni Hali: Bekar
Yabancı Dili: İngilizce
Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)
Lise : Konya Karatay Cemil Keleşoğlu Lisesi(Y.D.A), 1997-2001
Lisans : Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Bilgisayar
Sistemleri Öğretmenliği, 2002-2006
Yüksek Lisans : Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü, 2006-….
Çalıstığı Kurum / Kurumlar ve Yıl:
Konya Ilgın Ticaret Meslek Lisesi, Bilişim Teknolojileri Öğretmeni, 2007-……:
Selçuk Üni. Ilgın MYO, Misafir Öğretim Görevlisi, 2007-2008
Selçuk Üni. Ilgın MYO, Misafir Öğretim Görevlisi, 2008-2009
Yayınları (SCI ve diğer makaleler)
1. Albayrak M., Yaman M. M., Geçitlioğlu Y. "İki Ayaklı Yürüyen Robot Prototipi
Üzerinde Yazılım Geliştirme ve Hareket Öğretme" VI.Ulusal Öğrenci
Sempozyumu,30 Mayıs 2006, Isparta
2. Albayrak, M., Albayrak, Ü., Yaman, M.M., "KHR-1 İki Ayaklı Robot Mekaniği
Üzerinde Hareket Öğretme Yazılımı Geliştirilmesi", Teknolojik Araştırmalar:
MTED 2006 (4) 57-62, ISSN:1304-4141.
3. Yaman M.M., Küçükkömürler A. “Geri Kazanımlı Fren Sistemli PWM (Palse
Width Modulation) DC (Direct Current) Motor Kontrolü” Ulusal Mühendislik
ve Eğitim Sempozyumu, 20 Haziran 2007, Kocaeli.