Atık ısı-elektrik enerjisi dönüşümü sağlayan farklı tip termoelektrik sistemlerin deneysel ve teorik analizi
Experimental and theoretical analysis of different thermoelectric systems providing waste heat-electrical energy conversion
Yazar: AMINU YUSUF
Danışman: PROF. DR. SEDAT BALLIKAYA
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Temas direnci = Faying resistance ; Termoelektrik = Thermoelectric

Özet:
Teknolojinin gelişmesine bağlı olarak enerji tüketimi her geçen gün artmaktadır. Veriler dünya üzerinde tüketilen enerjinin 2026 yılında 720 katrilyon BTU değerine ulaşağını göstermektedir. Bugün kullanılan enerjinin büyük bir bölümü fosil bazlı yakıt ürünlerinden (petrol, doğal gaz kömür vs) karşılanmaktadır. Ancak bu yakıt kaynaklarının çıkarılması ve işlenmesinin maliyetli olması, çevre ve doğaya verdiği zararların yanı sıra sürdürülebilir olmamaları nedeniyle, yakın gelecekte kullanımları önemli oranda sınırlı olacaktır. Bu nedenle giderek artan enerji tüketimini karşılayacak, çevreci sürdürülebilir enerji kaynaklarının bulunması kaçınılmazdır. Son çalışmalar, Termoelektrik (TE) malzeme bazlı jeneratörlerin (TEJ), çevreci sürdülebilir enerji kaynakları olarak enerji ihtiyacının karşılanmasında önemli rol oynayabileceğini göstermiştir. TEJ' leri enerji üretiminde önemli kılan husus onların atık ısıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilme kapasitesinden kaynaklanmaktadır. Şöyle ki dünya da kullanılan enerjinin yaklaşık %70 i hiç bir dönüşüme tabi tutulmadan atık ısı olarak doğrudan atmosfere karışmaktadır. TEJ'ler ile bu enerjinin bir kısmı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülebilir. TEJ' lerin mevcut sürdürülebilir enerji kaynaklarına göre (güneş panelleri, rüzgar gülleri vb) ,bakım gerektirmeme, kurulum maliyetleri ve işletme maliyetlerinin düşük olması, mekanik bir hareket barındırmadığı için binlerce saat aralıksız ve sessiz çalışabilmeleri, enerji üretiminde mevsimsel ve coğraik koşullara bağlı olmamaları, ölçeklenebilir olmaları gibi üstünlükleri bulunmaktadır. Ancak bu önemli üstünlüklerine karşı TEJ' lerin yaygın olarak kullanılmasının önünde halen mevcut bazı kısıtlamalar bulunmaktadır. Bunların başında verimliliklerinin henüz istenen seviyede olmaması gelmektedir. TEJ lerin yapısı elektriksel olarak seri ya da parelel bağlı belli sayıda TE modüllerden oluşur. TE modüller ise içerisinde elektriksel olarak seri ısısal olarak parelel bağlı belirli sayıda n tipi ve p tipi TE bacaktan oluşur. Bir TE modül aynı zamanda küçük bir TEJ olarak da değerlendirilebilir. Bir TEJ in verimliliğini belirleyen parametreler arasında modül yapısında kullanılan TE bacakların verimliliği, bağlantı elemanları ve lehimlerin elektriksel ve termal dirençleri gibi parametreleri saymak mümkündür. Bunların dışında TE modül yapısında kullanılan TE bacakların bazılarının toksit elementleri içermesi bazılarınında maliyeti yüksek elementlerden oluşması TEJ üretim maliyetini ve performansını etkileyen diğer faktörler olarak ele alınabilir. 
Son 20 yılda TE teknolojiye dair yapılan çalışmalar ağırlıklı olarak TEJ lerin verimliliğini doğrudan belirleyen en önemli parametre olan TE malzemeler ile ilgili olmuştur. Yeni TE malzemelerin keşfedilmesi ya da var olan TE malzemelerin verimliliklerinin artırılması bu çalışmaların ağırlıklı noktasını oluşturmuştur. Ancak malzeme verimliliği dışında modül performansını dolayısıyla da TEJ lerin verimliliklerini doğrudan etkileyen TE bacak boyutu, geometrik yapısı, bağlantı elemanlarının elektriksel ve termal dirençleri ya da Thomson etkisi gibi fiziksel olayların teorik ve deneysel yapısı yeterince irdelenmemiştir. Yine benzer şekilde esnek ya da rijit modüllerde doldurma yalıtım elemanlarının modül verimliliğine etkisi termoelektrik literatüründe yeterince tartışılmayan bir diğer husustur. Ayrıca TE modüllerin farklı enerji kaynakları ile beraber hibrit olarak kullanılma potansiyeline yönelik de literatürde oldukça kısıtlı çalışmalar bulunmaktadır. Yine farklı olarak modül performans ve maliyet ilişkisini ortaya koyan çalışmaların sayısıda literatürde oldukça kısıtlı olduğu görülmüştür.
TE literatürüne ait bu önemli problemlere dikkat çekmek ve bunlara yönelik çözüm önerileri üretmek bu tez çalışmasının amacını oluşturmaktadır. Özetle bu tez çalışmasında atık ısı elektrik enerji dönüşümü sağlayacak bazı TE sistemlerin teorik ve deneysel çalışmaları detaylı olarak yapılmış sonuçları ortaya konulmuştur. Yapılan bu çalışmaların bir kısmı ve sonuçları kısaca şu şekildedir.
Tez kapsamında yapılan çalışmalardan biri, katmanlı TE bacak tasarımı yapılarak modül performansı test edilmiştir. TE modüller genellikle içinde barındırdığı bileşiklerden dolayı sadece belirli bir sıcaklık aralığı için uygun olabilmektedir. Buda çalışma aralıklarını sınırlamaktadır. Ancak yapılan çalışmada iki farklı TE bileşik grubu (BiSbTe chalgonedies ve CoSb3 bazlı skutterudite) bileşiklerinden oluşan katmanlı TE bacak yapısı oluşturularak daha geniş bir sıcaklık aralığında enerji üretiminin mümkün olduğu ve enerji çıkış gücünün de bu oranda arttığı bu çalışma ile ortaya konulmuştur. Böylece geniş bir sıcaklık farkında (500 ˚C ) gibi atık ısı kaynaklarından daha fazla enerji üretimi sağlayabilecek modül tasarımı ve performans analizi yapılmıştır. 500 ˚C'lik bir sıcaklık gradyanında, katmanlı TEJ için 45 W'lık maksimum çıkış gücü ve buna karşılık gelen %15,7'lik enerji verimliliği elde edilmiştir. Katmanlı TEJ'in enerji verimliliği, katmansız TEJ'den %71 daha yüksek olduğu böylece  katmanlı TEJ daha başarılı olduğu bu çalışma ile ortaya konulmuştur. 
Bir başka çalışmada Thomson etkisi ve temas dirençlerinin modül performansı ve çıkış gücü üzerindeki etkisi incelenmiştir. TE modüllerin gerçek ve teorik performans sonuçları arasında genelde fark oluşmaktadır. Bu farkın genel kaynağının modülde kullanılan bağlantı elemanlarının elektriksel ve termal dirençlerinden kaynaklı olduğu düşünülür, ve genel olarak üç TE olaydan biri olan Thomson etkisi zayıf olduğu için bu karşılaştırmalarda ihmal edilir. Ancak bu tez kapsamında yapılan çalışmada Thomson etkisinin yüksek sıcaklık farklarında ihmal edilemeyecek derecede modül performansına etkisi olduğu görülmüştür. Benzer olarak bağlantı elemanlarının temas direncinin ise modül performansı üzerinde çok düşük sıcaklıklarda dahi etkisinin olduğu bu çalışma ile ortaya konulmuş. Sonuç olarak Thomson etkisi dikkate alınmadan elde yapılan hesaplarda, çıkış gücü ve enerji verimliliği sırasıyla %2,66 ve %5,67 daha fazlahatalı (yüksek tahmin edildiği) olduğu görülmüştür. Temas dirençleri dikkate alınmadan aynı maksimum güç noktasındayken, çıkış gücü ve enerji verimliliğinde ise sırasıyla %19,4 ve %11,65 hatalı (yüksek değer) tahmin edildiği görülmüştür. Dolayısıyla modül performansının doğru hesaplanmasında hatalardan kaçınmak için, bu iki faktörün her zaman analize dahil edilmesi gerektiği bu çalışmanın önemli sonuçlarından biri olmuştur. 
Tez kapsamında yapılan bir başka çalışmada güneş enerjisinden maksimum oranda enerji üretimi sağlayacak bir hibrit enerji üreteci tasarımı yapılmış TE modüllerin böyle bir sistemdeki etkisi analiz edilmiştir. Çalışma kapsamında bir TE modül ve fotovoltaik hücreden (TE+FV) den oluşan hibrit üreteç genetik algoritma yöntemi ile analiz edilmiştir. Elde edilen sonuçlar TE+FV hücreden oluşan bir sistemin enerji üretim kapasitesinin bu sistemlerin tek başına kullanılmasından çok daha verimli olduğu görülmüştür.Sonuç olarak optimum parametrelerde 461,12 W ile en yüksek çıkış gücü ve %11,45 en yüksek enerji verimliliği elde edilmiştir. Ayrıca hibrit bir sistemde çalışan bir TEJ'nin optimum yük direncinin iç direncinden daha az olduğu yine bu çalışma ile  ortaya çıkarılan önemli sonuçlardan bazılarıdır.
Bir başka çalışmada ise yoğunlaştırılmış fotovoltaik ve TE modülden oluşan bir hibrit enerji üretecinde (KFV+TE), TE modül ve PV hücre arasında kullanılacak temas elemanının performans üzerindeki etkisi incelenmiştir. Analiz sonuçlarında PV ve TE modülden oluşan hibrit sisteminde KFV ve TE modül arasında ısı transferinin çıkış gücünde ve sistemin veriminde kritik rol oynadığı, ideal temas elemanının bakır metalinden ve yamuk geometride (minimum termal kayıp için) olması gerektiği ortaya konulmuştur. Souç olarak FV'nin farklı yüzey alanları için 6 ve 240'lık optimum konsantrasyon oranları belirlenmiş, TE bacak uzunluğunun mümkün olduğu kadar kısa (1mm) olması gerektiği bulunmuştur. Optimum konsantrasyon oranı 6 olan modelin maksimum çıkış gücü 12 W, optimum konsantrasyon oranı 240 olan modelin ise maksimum çıkış gücü 2,4 W olduğu ortaya konulmuştur.Bu sonuçlarla, konsantrasyon oranı ne kadar yüksek olursa, yüzey alanının o kadar küçük olması gerektiği sonucu ortaya konulmuştur. 
Tez kapsamında yapılan bir başka çalışma ise TE modüllerin içerisinde hem izolasyon hem de modül mekanik özelliklerini güçlendirmek için kullanılan doldurma malzemelerinin TE modül performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Hava, PDMS ve poliüretan köpük gibi malzemeler doldurma malzemesi olarak kullanılmış bunların TE modülün verimliliği ve çıkış gücü üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çalışmanın sonuçları, havanın mevcut malzemeler içerisinde en ideal doldurma elamanı olarak kullanılacabileceğini göstermiştir. Havanın diğer malzemelere göre çok daha düşük termal iletkenliğe sahip olması nedeniyle bu modülün verimliliği daha yüksek çıkmıştır. Aynı şekilde, TE modüldeki bağlantı sayısının azaltılması, modülün performansını artırdığı anlaşılmıştır. 10,8 °C'lik bir sıcaklık gradyanında, hava dolgulu esnek TEJ için 155 μW/cm2'lik en yüksek güç yoğunluğu elde edildi. Hava dolgulu rijit TEJ ise, 10,3 °C'lik bir sıcaklık gradyanında, en yüksek güç yoğunluğu 137,7 μW/cm2'lik elde edilmiştir.
Son olarak tez kapsamında yapılan diğer çalışmada ise modül yapısında kullanılan bileşiklerin maliyet ve performansları arasındaki ilişki ortaya konuşlmuş ideal bir modül tasarımı yapılmıştır. Yüksek verimli TE modüller genel olarak yüksek saflıkta bileşiklerden yada doğada az bulunan elementlerden oluşan  kompozisyonlardır. Buda maliyeti önemli oranda artırmaktadır. Buna karşın düşük maliyetli malzemelerden üretilen modüllerin ise verimlilikleri düşük olmaktadır. Yapılan bu çalışmada hem yüksek düşük maliyetli bileşik kombinasyonları bir araya getirilerek maliyet ve verim arasındaki avantaj ilişkisi ortaya konulmuştur. Tellür bileşiklerinin %50'sinin selenitlerle değiştirildiği yeni düşük maliyetli TEJ, maksimum 8,65 mW çıkış gücüne ve %1,8'lik optimum enerji verimliliğine ulaşılmıştır. Yeni TEJ'in çıkış gücü ve enerji verimliliği, ticari TEJ'den %17,46 ve %38,4 daha düşüktür. Bununla birlikte, tellürün toksisitesinden ve kıtlığından kaynaklanan tehlike %50 oranında azalmıştır. Benzer şekilde, yeni TEJ'in toplam maliyet düşüşü, ticari TEJ'e kıyasla %32,14'tür. Çalışmanın sonuçları, böyle bir kombinasyonun kullanılması ile modül performansında önemli bir kayıp yaşamadan maliyeti düşürmenin mümkün olduğunu göstermiştir. Böylece atık ısı enerji üretiminde alternatif düşük maliyetli modül üretiminin mümkün olduğu ortaya konulmuştur

Abstract:
Depending on the development of technology, energy consumption is increasing day by day. The world energy consumption is predicted to reach 720 quadrillions BTU in 2026. A large part of the energy used today is met by fossil-based fuel products (petroleum, natural gas, coal, etc.). However, their use will be considerably limited soon due to the cost of extracting and processing these fuel sources, their negative effects on the environment and nature, and their unsustainability. For this reason, it is inevitable to find environmentally friendly sustainable energy sources to meet the increasing energy consumption. Recent studies have shown that thermoelectric (TE) material-based generators (TEGs) can play an important role in meeting energy needs as environmentally friendly sustainable energy sources. What makes TEGs important in energy production is their capacity to directly convert waste heat into electrical energy. That is, approximately 70% of the energy used in the world is directly rejected into the atmosphere as waste heat without undergoing any transformation. With TEGs, some of this energy can be directly converted into electrical energy. Compared to existing sustainable energy sources (solar panels, wind turbines, etc.), TEGs have the advantages of not requiring maintenance, have low installation and operating costs, can work thousands of hours uninterruptedly and silently because they do not contain any mechanical gears, are not dependent on seasonal and geographical conditions in energy production, and are scalable. However, despite these major advantages, there are still some limitations that hinder the large-scale use of TEGs. The highest among these is that their conversion efficiency is not yet at the desired level. The TEGs consist of a certain number of n-type and p-type TE legs connected electrically in series and thermally in parallel. Among the parameters that determine the energy efficiency of a TEG are the structure of the TE legs, and the electrical and thermal resistances of the connectors and solders. Furthermore, the fact that some of the TE legs used in the TE module structure contain toxic elements and some of them are composed of costly elements can be considered as another factor that affects the large-scale application of the TEGs.
The studies on TE technology in the last 20 years have mainly been related to TE materials, which is the most important parameter that directly determines the efficiency of TEGs. The discovery of new TE materials or increasing the efficiency of existing TE materials have been the focus of these studies. However, the theoretical and experimental structure of physical phenomena such as TE leg size, geometric structure, electrical and thermal resistances, Thomson effect, which directly affect the module performance and thus the efficiency of TEGs, have not been adequately examined. Similarly, the effect of filling insulation elements on module efficiency in flexible or rigid modules is another issue that has not been sufficiently discussed in the thermoelectric literature. In addition, there are very limited studies in the literature on the potential of using TE modules as hybrids with different energy sources. And, studies relating the performance of a TEG and its cost are missing in the literature. 
The aim of this thesis is to draw attention to these important research gaps and propose solutions with a view to improving the performance of the TEG systems. In summary, in this thesis, the theoretical and experimental studies of some TE systems that will provide waste heat electrical energy conversion have been made in detail and the results have been revealed. Some of these studies and their results are briefly as follows:
In one of the studies carried out within the scope of this thesis, the module performance was tested by designing a segmented TE leg. TE modules can only be operated within a certain temperature range because the TE materials have a high performance within a small temperature range. While the larger the temperature gradient, the higher the energy conversion efficiency of the TEGs. To achieve high energy efficiency, a segmented TE module is analyzed. The TE module is composed of two different TE compounds BiSbTe chalcogenides and CoSb3-based skutterudites. Chalcogenides have high performance at low temperatures while the skutterudites have high performance at mid-range temperatures. Thus, chalcogenides are placed on the low-temperature side, while skutterudites are placed on the hot temperature side, and it is found that the TE module can be operated at a temperature gradient of up to 500 ˚C. At a temperature gradient of 500 ˚C, a maximum simulated output power of 45 W and energy efficiency of 15.7% were achieved for the segmented TEG. The energy efficiency of the segmented TEG is 71% higher than that of the unsegmented TEG. 
In another study, the influence of Thomson heat and the effect of contact resistances on the output performance of an unsegmented TE module were investigated. Generally, there is often a difference between the actual and theoretical performance of TE modules. The general source of this difference is thought to be the electrical and thermal contact resistances of the interfaces in the module. Likewise, most of the theoretical studies on TEGs neglect the effect of Thomson heat, this is because its influence in comparison to Joule heat and Fourier's heat is small. Herein, within the scope of this thesis, it has been revealed that the Thomson heat has a non-negligible effect on the module performance at high-temperature differences and must be considered in theoretical calculations. Similarly, it has been demonstrated that the electrical and thermal contact resistances at the interfaces have a negative effect on the module performance even at very low temperatures. At maximum output power without considering the Thomson heat, the output power and energy efficiency are over-estimated by 2.66% and 5.67%, respectively. While at the same maximum power point without considering contact resistances, the output power and energy efficiency are over-estimated by 19.4% and 11.65%, respectively. To avoid errors, these two factors should always be included in the analysis.
In another study conducted within the scope of this thesis, a hybrid energy generator designed to provide maximum energy production from solar energy was designed and the effect of TE modules in such a system was analyzed. Within the scope of this study, a TE module and a photovoltaic cell (TE+PV) hybrid system was analyzed and optimized via a multiobjective genetic algorithm. The results obtained show that the energy production capacity of a system consisting of TE+PV cells is much more efficient than the use of these systems alone. At the optimum parameters, the highest output power of 461.12 W and energy efficiency of 11.45% are obtained. The result also revealed that the optimum load resistance of a TEG operating in a hybrid system is less than its internal resistance. 
In another study, the effect of the contact element to be used between the TE module and the PV cell on the performance of a hybrid (CPV+TE) was investigated. The analysis reveals that the heat transfer between the PV and TE module plays a critical role in the output power and efficiency of the system, and the ideal contact element should be copper metal and trapezoidal geometry (for minimum thermal loss). Results also reveal optimum concentration ratios of 6 and 240 for different surface areas of PV; it was also found that the length of thermoelement should be as short as possible say 1 mm. The model with an optimum concentration ratio of 6 has a maximum output power of 12 W, while the model with an optimum concentration ratio of 240 has a maximum output power of 2.4 W. These results indicate that the higher the concentration ratio the smaller the surface area of a PV. 
In another study carried out within the scope of this thesis, the effect of filling materials used in TE modules to strengthen both insulation and module mechanical properties on TE module performance was investigated. Materials such as air, PDMS and polyurethane foam were used as filling materials and their effects on the efficiency and output power of the TE module were investigated. The results of the study showed that air can be used as the most ideal filling element among existing materials. The efficiency of this module is higher because air has much lower thermal conductivity than other materials. Likewise, reducing the number of junctions in the TE module enhances the performance of the module. At a temperature gradient of 10.8 °C, the highest power density of 155 μW/cm2 is obtained for the flexible TEG with air filler, while at a temperature gradient of 10.3 °C, the highest power density of 137.7 μW/cm2 is obtained for the rigid TEG with air filler.  
Finally, one of the studies carried out within the scope of this thesis examined the effects of the cost and performance of the TE compounds used in the module structure. High-efficiency TE modules generally consist of compositions of high purity compounds, this increases the cost significantly. On the other hand, the efficiency of the TE modules produced from low-cost materials is low. In this study, both high-cost and low-cost TE compounds were combined in a single TE module where a trade-off between cost reduction and performance reduction is obtained. The novel low-cost TEG where 50% of tellurium compounds are replaced with selenides has a maximum output power of 8.65 mW and optimum energy efficiency of 1.8%. The output power and energy efficiency of the novel TEG are 17.46% and 38.4% less than that of the commercial TEG. However, the danger due to the toxicity of tellurium and its scarcity has been reduced by 50%. Likewise, the overall cost reduction of the novel TEG is 32.14% in comparison to the commercial TEG. The results of the study showed that with the use of such a combination, it is possible to reduce the cost without any significant loss in the module performance. Thus, it has been demonstrated that alternative low-cost module production is possible in waste heat energy production