Termoelektrik modül ile atık ısıdan elektrik üreten bir sistem uygulaması
Application of a system generating electricity from waste heat with thermoelectric module
Yazar: GÜLDEN BOLATLI
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KARABEKTAŞ
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Günümüzde enerji ihtiyacının artmasıyla birlikte bu ihtiyacın büyük bir bölümünü karşılayan fosil yakıtların tüketimi de artmaktadır. Yanması sonucunda CO2 gibi zararlı gazlar açığa çıkaran fosil yakıtlar, küresel ısınma sorunu gibi çevreye ciddi zararlar vermektedir. Çevrenin korunması ve gelecekteki enerji kaynakları üzerindeki belirsizlik göz önünde bulundurulduğunda, sürdürülebilir enerji kaynakları ve enerji tasarrufu metodolojilerinin kullanımına yönelik çalışmalara yoğunlaşılmıştır. Atık ısının geri kazanımı da bu çalışmalarda önemli bir yere sahiptir. 

Bu çalışmada, içten yanmalı motorla çalışan otomobillerde yanma sonucunda açığa çıkan enerjinin egzozdan ısı olarak atmosfere verilen atık ısısından termoelektrik jeneratörle elektrik enerjisi elde etmek amaçlanmıştır. Böylelikle üretilen elektrik enerjisi otomobilin elektrikle çalışan elemanlarının bir kısmının ihtiyaçlarını karşılamasını sağlayabilecek, dolayısıyla aracın yakıt tüketimi ve CO2 emisyonu ile çevreye vereceği zararlar azaltılabilecektir. Bu amaçla ilk etapta egzoz atık ısı enerjisini kullanmak üzere termoelektrik modüllerin yerleştirileceği ısı eşanjörü tasarımı yapılmıştır. Daha sonra bu eşanjör birtakım parametreler göz önünde bulundurularak ANSYS Fluent modülünde analiz edilmiş ve analiz sonuçları kıyaslanarak optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon çalışmasına göre eşanjör içerisinde egzoz gazının da akışına engel olmayarak ısıyı en iyi tutabilen kanat yapısına sahip tasarım olan 14 kanatçıklı ısı eşanjörü imal edilmiştir. Deney sistemi ana hatlarıyla deney motoru, eşanjör ünitesi, soğutma ünitesi ve kontrol ünitesinden oluşmaktadır.

Deneysel çalışmalarda, deney motoru ile yüksüz-değişken devir, tam yük-değişken devir ve sabit devir değişken yük olmak üzere üç farklı çalışma yapılmıştır. Buna göre tam yük-değişken devir deneylerinde egzoz çıkış sıcaklığı 285°C'de 23,1 V gerilim elde edilmiştir.

Anahtar kelimeler: Enerjinin geri kazanımı, termoelektrik, termoelektrik jeneratör, egzoz atık ısısı, içten yanmalı motor.

Abstract:
Nowadays, with the increase in energy demand, the consumption of fossil fuels that satisfy most of this need has been increasing. Fossil fuels that emit harmful gases such as CO2 as a result of combustion cause serious damage to the environment such as global warming. Considering the environmental protection and the uncertainty over future energy sources, studies have been focused on the sustainable energy resources and use of energy saving methodologies. The waste heat recovery is also an important part of these studies.

In this study, it has been aimed to obtain electric energy with thermoelectric generator from waste heat which is given from exhaust to atmosphere as a result of combustion in internal combustion engines. The generated electrical energy can then be provided to the car to meet the needs of some electrically operated components, thus reducing the vehicle's fuel consumption and CO2 emissions and damages to the environment.

For this purpose, a heat exchanger design in which the thermoelectric modules will be installed has been made in order to use the exhaust waste heat energy. Then, this heat exchanger has been analyzed in ANSYS Fluent module by considering some parameters and optimization has been made by comparing the results. According to the optimization work, the14 fin heat exchanger with a wing structure that can hold the best heat without hindering the flow of the exhaust gas in the heat exchanger has been manufactured. The test system consists of test engine, heat exchanger unit, cooling unit and control unit. 
 
In the experimental studies, three different studies have been carried out with the test engine as unloaded-variable speed, full load-variable speed and constant speed variable load. Accordingly, in the full load-variable speed tests, the exhaust output temperature at 285 °C yielded 23,1 V voltage.

Keywords: Energy recovery, thermoelectric, thermoelectric generator, exhaust waste heat, internal combustion engine.