Taşıt egzoz gazı atık ısı enerjisinden elektrik enerjisinin üretilmesi için termoelektrik jeneratörün modellenmesi
Modeling thermoelectric generator for electrical energy production from vehicle exhaust gas waste heat energy
Yazar: ÜMİT TOPALCI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. HABİB GÜRBÜZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Alternatif enerji kaynakları içerisinde atık ısı geri dönüşüm sistemleri günümüzde yaygınlaşmaktadır. İçten yanmalı motorlu (İYM) taşıtların egzozundan atılan atık ısı enerjisi ise termoelektrik jeneratör (TEJ) sistemleri ile kullanılabilir enerjiye dönüştürülebilmektedir. Bu sistemlerde eşanjör verimliliği, termoelektrik malzeme verimliliği, sistem optimizasyonu gibi parametreler kullanılarak sistemin toplam dönüşüm verimliliğini arttırmaya yönelik çalışmalar üzerinde yoğunlaşılmaktadır.
Bu çalışmada, 2 silindirli içten yanmalı bir motorun egzoz atık ısısı kullanılarak elektrik enerjisinin üretildiği TEJ'ün, Matlab/Simulink programında geliştirilen matematiksel modeli yardımı ile sistem optimizasyonu gerçekleştirilmiştir. Sistemin optimizasyon çalışmasında; TEJ sisteminin eşanjör ana boyutları, geometrik yapısı (kanatçık sayısı, malzeme kalınlığı vb.), yarıiletken termoelektrik modül (TEM) malzemesinin tipi, ısı yalıtım malzemesi kullanımı gibi parametrelerin kombinasyonları kullanılmıştır. Ayrıca, TEJ'de TEM üzerinden, sıcak ve soğuk katmanlar arasındaki ısı transferi bir katmandan diğerine geçiş için ayrı ayrı modellenerek TEM üzerindeki toplam ısıl dirençler hesaplanmıştır. Bununla birlikte, Matlab/Simulink programında geliştirilen matematiksel modelden elde edilen teorik sonuçlar ile literatürdeki deneysel sonuçlar kıyaslanarak 500 W çıkış gücüne sahip bir teorik TEJ modeli geliştirilmiştir.
Yapılan analizler sonucunda eşanjör yapısı ve malzeme tipine bağlı olarak, uzun kenarı egzoz hattı boyunca uzanan dikdörtgen TEJ geometrisi ile birlikte 16 adet modülün birbirine elektriksel olarak seri bağlandığı ve eşanjör yüzeylerine geometrik olarak 2x8 diziliminde yerleşim düzenine sahip modelin en yüksek TEJ çıkış gücü verdiği tespit edilmiştir. Bununla birlikte, kullanılan yarıiletken malzemeler arasında performans açısından en uygun malzeme çiftinin n-tipi için Bi2Te3 ve p-tipi için Bi0,5Sb1,5Te3 olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Waste heat recovery systems in alternative energy sources are becoming prevalent today. Waste heat energy discharged from the exhaust of vehicles with internal combustion engine (ICE) can be converted into energy that can be used with thermoelectric generator (TEG) systems. In these systems, concentrating on studies aiming to increase the total conversion efficiency of the system with using parameters such as heat exchanger efficiency, thermoelectric material efficiency, system optimization.
In this study, system optimization was performed with the help of mathematical model developed by Matlab/Simulink program of TEJ where electric energy is produced by using exhaust waste heat of a 2-cylinder internal combustion engine. In the optimization study of the system; the combinations of parameters such as heat exchanger main dimensions of TEG system, geometrical structure (number of fins, material thickness etc.), type of semi-conductor thermoelectric module's (TEM) material, use of heat insulation material were used. Furthermore, the total heat resistances on the TEM were calculated by modeling the heat transfer between the hot and cold layers separately from one layer to the other on the TEM in TEG. However, a theoretical TEJ model with 500 W output power was developed by comparing the theoretical results obtained from the mathematical model developed in the Matlab / Simulink program and the experimental results in the literature.
As a result of the analyzes made, it is found that 16 modules are electrically connected to each other in series with the rectangular TEG geometry extending along the long side of the exhaust line and the model with 2x8 arrangement geometrically on the exchanger surfaces gives the highest TEG output power depending on the type of exchanger structure and material. Along with that, it has been determined that the most suitable pair of materials for the semiconductor materials used is Bi2Te3 for n-type and Bi0,5Sb1,5Te3 for p-type.