Oksit termoelektrik modülün üretimi, analizi ve güç üretim performansının incelenmesi
Production, analysis and investigation of power generation performance of oxide thermoelectric module
Yazar: FURKAN KILIÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENES KILINÇ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Akış analizi = Flow analysis ; Güç üretim sistemleri = Power production systems ; Oksitler = Oxides ; Termal analiz = Thermal analysis ; Termoelektrik = Thermoelectric ; Termoelektrik jeneratör = Thermoelectric generator

Özet:
Bu çalışmada, yenilikçi yaklaşımlar kullanılarak figure of merit (zT) değeri yüksek yeni TE yarıiletken malzemelerden yüksek sıcaklıklarda çalışabilen termoelektrik modül (TEM) tasarımı ve üretimi gerçekleştirilerek yüksek çıkış gücü elde edilmesi amaçlanmıştır. Farklı oranlarda katkılama işlemi yapılmış olan p- tipi Ca3Co4O9- ve n-tipi CaMnO3-esaslı bileşiklerin termoelektrik özellikleri belirlenmiş, en uygun zT değerine sahip p-tipi Ca2,5Ag0,3Eu0,2Co4O9 ve n-tipi Ca0,96Dy0,02Ho0,02MnO3 bileşikleri kullanılarak TEM üretimi gerçekleştirilmiştir. Dairesel kesitli 4 çift ayağa sahip olarak üretilen TEM'in güç üretim performansı deneysel olarak belirlenmiş, ayrıca TEM'in ısıl, ısıl-elektrik ve Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) analizleri yapılarak sıcaklık dağılımları belirlenmiş ve sonuçlar karşılaştırılmıştır.
v
Deneysel ölçümler sonucunda TEM'in I-V ve I-P eğrileri incelendiğinde 340 °C sıcaklık farkı ve 540 °C sıcak yüzey sıcaklığı için maksimum açık devre voltajı 513,79 mV, maksimum çıkış gücü ise 2,2 mW olarak elde edilmiştir. HAD analizleri sonucunda 15 m/s akış hızında TEM'in sıcak taraf alümina plaka üzerinde oluşan maksimum sıcaklık 274,9 °C, alümina plaka yüzeyleri arasında oluşan sıcaklık farkı 70,4 °C ve sıcak yüzeydeki ortalama ısı transfer hızı 33,77 W olarak elde edilmiş ve akış hızının sıcak dağılımına etkisi incelenmiştir. TEM'in akışkan giriş hızları 15 m/s'de sabit tutularak, 800 °C sıcak hava giriş sıcaklığında sıcak taraf alümina plaka üzerinde oluşan maksimum sıcaklık 432,8 °C, alümina plaka yüzeyleri arasında oluşan sıcaklık farkı 114,9 °C ve sıcak yüzeydeki ortalama ısı transfer hızı 55,09 W olarak analiz edilmiş ve sıcak hava giriş sıcaklığının sıcaklık dağılımına etkisi incelenmiştir.
Anahtar Sözcükler : Termoelektrik, oksit termoelektrik modül, termoelektrik güç üretimi, ısıl-elektrik analiz, akış analizi.

Abstract:
In this study, it is aimed to achieve high output power by designing and producing thermoelectric module (TEM) that can operate at high temperatures from new TE semiconductor materials with high figure of merit (zT) using innovative approaches. Thermoelectric properties of p-type Ca3Co4O9- and n-type CaMnO3-based compounds, which were doped at different doping ratios, were specified and TEM production was carried out using p-type Ca2,5Ag0,3Eu0,2Co4O9 and n-type Ca0,96Dy0,02Ho0,02MnO3 compounds having the most appropriate zT values. Power generation performance of the TEM, which has 4 pairs of circular legs, was experimentally investigated, temperature distribution of the TE module were determined by performing thermal, thermal-electrical and CFD analyzes and the results were compared.
vii
As a result of the experimental measurements, when the I-V and I-P curves of the TEM were examined, maximum open circuit voltage and maximum output power were obtained as 513.79 mV and 2.2 mW, respectively for a temperature difference of 340 °C and a hot side temperature of 540 °C. According to the CFD analysis, at a flow rate of 15 m/s, maximum temperature on the hot side alumina plate of the TEM, temperature difference between the alumina plate surfaces and average heat transfer rate on the hot side were obtained as 274.9 °C, 70.4 °C, and 33.77 W, respectively, and effect of the flow rate on the heat distribution was investigated. By keeping the fluid inlet velocities of the TEM constant at 15 m/s, at 800 °C hot air inlet temperature, the maximum temperature formed on the hot side alumina plate, the temperature difference between the alumina plate surfaces, and the average heat transfer rate on the hot side were analyzed as 432.8 °C, 114.9 °C and 55.09 W, respectively and the effect of the hot air inlet temperature on the temperature distribution was investigated.
Keywords : Thermoelectrics, oxide thermoelectric module, thermoelectric power generation, thermal-electric analysis, flow analysis.