Termoelektrik jeneratörlerin termal ve elektriksel performansının deneysel ve nümerik incelenmesi
Experimental and numerical investigation of thermal and electrical performance of thermoelectric generators
Yazar: SEYDA ÖZBEKTAŞ
Danışman: PROF. DR. BAHİTTİN TOPALOĞLU ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BİLAL SUNGUR
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde dünya nüfusunun artması ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte enerjiye olan talep de artmaktadır. Artan enerji talebiyle birlikte odun, kömür, petrol ve doğal gaz gibi fosil yakıtların kullanımı da artmakta ve enerji kaynakları giderek azalmaktadır. Enerji kaynaklarının yoğun olarak kullanıldığı endüstriyel alanlardan çevreye önemli miktarda atık ısı salınması hem enerji kaynağının verimsiz kullanılmasına hem de küresel ısınmayı hızlandırarak çevreye zarar verilmesine sebep olmaktadır. Bu gelişmeler bilim insanlarını doğaya zarar vermeyen, yenilenebilir alternatif enerji kaynaklarını araştırmaya yöneltmiştir. Bu amaçla atık ısının elektrik enerjisine dönüşmesini sağlayan termoelektrik jeneratörler (TEJ) üzerine çalışmalar yoğunlaşmıştır. 
TEJ'in verimi ve elektriksel çıktıları, yüzeyleri arasında oluşan sıcaklık farkıyla orantılıdır. Bu tez çalışması iki kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda kanatçıklı bir yapıya sahip alüminyum ısı alıcıların hava soğutmalı bir TEJ üzerindeki ısı transferi ve elektrik üretimi performansına etkileri deneysel ve nümerik olarak incelenmiştir. Nümerik modelleme çalışması için gerekli parametreler ve sınır koşulları gerçekleştirilen deneyler referans alınarak oluşturulmuştur. Nümerik model sonuçları deneysel sonuçlarla kıyaslanmış ve sonuçların iyi bir uyum içinde olduğu gözlemlenmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında ise, geliştirilen nümerik model kullanılarak farklı hava hızları (Reynolds 5000, 7500, 10000, 12500, 15000) ve sıcak yüzey sıcaklıklarında (50℃, 100℃, 150℃) düz, kare, altıgen, daire, elips kanatçıklı ve ısı alıcısız TEJ sistemleri yalnızca nümerik olarak modellenmiştir. Bu modellerin termal ve elektriksel performansları nümerik olarak karşılaştırılmış ve optimum geometri ve parametreler belirlenmeye çalışılmıştır.
Çalışmanın sonucunda hava hızının ve sıcak yüzey sıcaklığının artmasıyla tüm modellerdeki elektriksel çıktıların arttığı tespit edilmiştir. En yüksek elektriksel çıktılar 150℃ sıcak yüzey sıcaklığında ve 15000 Reynolds sayısında elde edilirken, en düşük elektriksel çıktılar 50℃ sıcak yüzey sıcaklığında ve 5000 Reynolds sayısında elde edilmiştir. En iyi termal ve elektriksel performans düz kanatçıklı TEJ sisteminde, en kötü termal ve elektriksel performans ısı alıcısız TEJ sisteminde elde edilmiştir. Düz kanatçıklı ve ısı alıcısız TEJ sisteminin en yüksek güç çıktıları sırasıyla 6.42 W ve 1.12 W, en yüksek dönüşüm verimleri sırasıyla %14.94 ve %5.54 bulunmuştur.
Yapılan bu çalışmayla termoelektrik enerjiden faydalanılan uygulamalarda, ısı transferi ve elektrik performansı bakımından uygun olan ısı alıcının seçilmesinde literatüre bir katkı sağlanmıştır.

Abstract:
Today, with the increase in the world population and the development of technology, the demand for energy also increases. With the increasing energy demand, the use of fossil fuels such as wood, coal, oil and natural gas increases and energy resources decrease gradually. The release of a significant amount of waste heat to the environment from industrial areas where energy resources are used intensively causes both inefficient use of energy resources and harming the environment by accelerating global warming. These developments lead scientists to search for renewable alternative energy sources that do not harm nature. For this purpose, studies on thermoelectric generators (TEG), which enable the conversion of waste heat into electrical energy, have intensified. 
The efficiency and electrical outputs of the TEG are proportional to the temperature difference that occurs between its surfaces. This thesis study consists of two parts. In the first part, the effects of finned aluminum heat sinks on the heat transfer and electricity generation performance of an air-cooled TEG were investigated experimentally and numerically. The necessary parameters and boundary conditions for the numerical modeling were created by reference to the experiments carried out. The numerical model results were compared with the experimental results and it was observed that the results were in good agreement. In the second part of the study, TEGs with heat sink having flat, square, hexagon, circle, ellipse fin geometries and without heat sink at different air velocities (Reynolds 5000, 7500, 10000, 12500, 15000) and hot surface temperatures (50℃, 100℃, 150℃) were modeled only numerically by using the developed numerical model. The thermal and electrical performances of these models were compared numerically and the optimum geometry and parameters were tried to be determined.
As a result of the study, it was determined that the electrical outputs of all models increased with the increase of air velocity and hot surface temperature. The highest electrical outputs were obtained at 150°C hot surface temperature and 15000 Reynolds number, while the lowest electrical outputs were obtained at 50°C hot surface temperature and 5000 Reynolds number. The best thermal and electrical performance was obtained in the flat finned TEG system, the worst thermal and electrical performance was obtained in the TEG system without heat sink. The highest power outputs of the flat finned TEG system and the TEG system without heat sink were found 6.42 W and 1.12 W, respectively, and their highest conversion efficiencies were found 14.94% and 5.54%, respectively.
With this study, a contribution was made to the literature in the selection of the suitable heat sink in terms of heat transfer and electrical performance in applications using thermoelectric energy.