Termoelektrik modüllerin performansına etki eden faktörlerin incelenmesi
Investigation of factors affecting the performance of thermoelectric modules
Yazar: BABAK MAMMADOV
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ NEVRA BAYHAN ; PROF. DR. SEDAT BALLIKAYA
Milli Savunma Üniversitesi / Atatürk Stratejik Araştırmalar ve Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Termoelektrik (TE) malzemeler, ısı enerjisini doğrudan elektrik enerjisine yada tersine elektrik enerjisini ısı enerjisine dönüştüren yapılardır ve bu özelliklerinden dolayı son yıllarda atık ısıdan elektrik enerjisi kazanma yada kritik elektronik komponentlerin soğutulması gibi teknolojik uygulamaları ile öne çıkmışlardır. Bu çalışmada TE modülün enerji üretim ve ısıtma-soğutma kapasitesini ortaya koyacak bir TE cihaz geliştirilmiş ve farklı bacak sayısından oluşan TE modüllerin performansları test edilmiştir. TE cihaz toplam 4 adet 4x4 cm alüminyum blok ve bunlara bağlı ısıtma elemanları, soğutma kanalları, termo çiftler ile elektronik kontrol ünitesinden oluşmaktadır. Geliştirilen sistemle bir TE modülün yaklaşık 100 oC sabit sıcaklık farkına kadar TE güç değerleri ölçülebilirken; aynı sistemle 5A kadar akım uygulanarak modüllerin peltier etkisi incelenebilmektedir. Geliştirilen sistemle farklı sayıda TE bacaktan (31, 40 ve 58 çift) oluşan TE modülün enerji üretim kapasitesi test edilmiştir. Modüller 22x35 mm2 alana sahip olup; sadece içinde birim alandaki bacak sayısı değiştirilmiştir. Yaklaşık 2, 5, 7 ve 10 oC olmak üzere farklı sıcaklık farklarında modüller test edilmiştir. Sıcaklık farkı artıkça tüm modüllerde üretilen enerji artmıştır. sıcaklık farkı için yapılan testlerde en yüksek Seebeck voltajı, 50 mV ile 58 çiftt bacaktan oluşan TE modülden elde edilmesine karşın; en yüksek çıkış güç değeri ise 120 mW ile 40 çift bacaktan oluşan TE modülden elde edilmiştir. Maksimum çıkış gücü (~10 oC sıcaklık farkında), Modül 1 de 982 µWatt, Modül 2 de 1492 µWatt, ve Modül 3 de 270 µWatt, olarak elde edilmiştir. Bacak sayısının artması ile üretilen çıkış gücü arasında doğrusal bir ilişki olmamasının nedeni, bacak sayısının artması ile modülün iç direncinin artması ve böylece ürettiği akımın azalması ile ilişkilendirilmiştir. Bir diğer neden ise bacak sayısının artması ile TE bacakların yüzeysel ısı kayıplarından dolayı sıcaklık farkının azalması olarak yorumlanmıştır. Elde edilen tüm sonuçlar, geliştirdiğimiz cihazla TE modüllerin enerji üretim kapasitelerinin ve soğutma performanslarının etkin şekilde ölçülebildiğini, bilinenin aksine TE modüllerin performansını bacak sayısının sınırladığını ve birim alan başına düşen TE bacak sayısı için bir optimizasyon yapılması gerektiğini göstermiştir.

Abstract:
Thermoelectric (TE) materials can convert heat energy directly into electrical energy or vice versa. Owing to these features, technological applications, such as obtaining electrical energy from waste heat or cooling critical electronic components, have come to the fore in recent years. In this study, a TE device was developed to reveal the energy production and heating-cooling capacity of a TE module, and the performances of TE modules with different leg numbers were tested. TE device consists of 4 pieces of 4x4 cm aluminum blocks, heating elements connected to them, cooling channels, thermocouples, and electronic control unit. With the developed system, TE power values of a TE module can be measured up to a constant temperature difference of approximately 100 oC, while the Peltier effect of the modules can be examined by applying a current of up to 5 A with the same system. With the developed system, the energy production capacity of a TE module consisting of different numbers of TE legs (31, 40 and 58 pairs) was tested. The modules are 22x35 mm wide and only the number of legs per unit area has been changed. At a temperature difference of approximately ~10 oC, the highest Seebeck voltage of 50 mV was obtained from the TE module with the highest number of legs, that is, the TE module with 58 pairs of legs, while the highest output voltage of 120 mV was obtained from the TE module with 40 pairs of legs. The maximum output power (~10 oC temperature difference) was obtained as 982 µWatt, 1492 µWatt and 270 µWatt, for Module 1, Module 2 and Module 3 respectively.  All these results indicate that there is no linear relationship between the increase in the number of TE legs and output power. It is also known that as the number of legs increases, the internal resistance of the module increases, thereby decreasing the current generated. Another reason could be the decrease in the temperature difference owing to the superficial heat losses of the TE legs with the increase in the number of legs. All the results obtained showed that with the newly developed device, the energy production capacities and cooling performances of the TE modules can be measured effectively. However, contrary to what is known, the performance of TE modules is limited by the number of legs, and the number of TE legs per unit area should be optimized.