Termoelektrik jeneratörlerin verimi üzerinde farklı parametrelerin etkileri ve optimizasyonu
Effects and optimization of different parameters on the efficiency of thermoelectric generators
Yazar: AYTUĞ ÖNER
Danışman: PROF. DR. MEHMET ZOR
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı, termoelektrik jeneratörlerde kullanılan parçaların belirli mekanik ve termal malzeme özelliklerini ele alarak daha yüksek sıcaklarda, daha verimli bir şekilde çalışabilecek termoelektrik modüllerin belirlenmesidir. Termoelektrik modüller n ve p tipi yarı iletken dirsekler ve bunların bağlı olduğu alümina levhalardan oluşur. Dirsekler ile levhalar arasındaki bağlantıyı bakır parçalar sağlar. Bakır parçanın malzeme özellikleri literatürdeki değerlerinde alınmıştır. Geri kalan parçaların Elastiklik modülleri ve ısıl genleşme katsayıları belirli değerler arasında alınarak parametre olarak belirlenmiştir. Alümina dış yüzeyleri arasında ki sıcaklık farkı da değişken bir parametre olarak seçilmiştir. Belirlenen bu değişken parametrelerin kombinasyonundan 2187 farklı analiz yapılabileceği bulunmuştur. R programı kullanılarak D-optimal design metoduyla tüm kombinasyonlar arasından 176 tanesi seçilerek analizlerin yapılabileceği hesaplanmıştır. ANSYS programı ile sonlu elemanlar analiz yöntemi kullanılarak tüm parçalardaki ısıl gerilmeler hesaplanmıştır. Analizler sonucunda bulunan ısıl gerilme değerleri için regresyon analizleri yapılarak amaç fonksiyonları belirlenmiştir. Daha sonra belirlenen kısıtlar altında bu amaç fonksiyonları üzerinden optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Bu analizler dikdörtgen ve dairesel kesitli dirseklere ayrı ayrı uygulanmıştır. Elastiklik modülü, ısıl genleşme katsayısı ve sıcaklık değişken parametrelerinin termoelektrik modülde oluşan ısıl gerilmeleri nasıl etkilediği tespit edilmiştir. Sıcaklık farkı arttıkça dirseklerdeki ısıl gerilmelerin arttığı, dairesel kesitli dirseklerde dikdörtgen kesite göre daha düşük gerilme değerlerinin oluştuğu görülmüştür.

Abstract:
The aim of this study is to determine the thermoelectric modules that can operate more efficiently at higher temperatures by considering the specific mechanical and thermal material properties of the parts used in thermoelectric generators. Thermoelectric modules consist of n and p type semiconductor legs and alumina plates to which they are attached. Copper parts provide the connection between the legs and the plates. The material properties of the copper part are taken in the values in the literature. Elastic modules and thermal expansion coefficients of the remaining parts were determined as parameters by taking them between certain values.. It was found that 2187 different analyzes could be made from the combination of these variable parameters. By using the R program, it was calculated that 176 of all combinations could be selected and analyzed with the D-optimal design method. The thermal stresses in all parts were calculated using the finite element analysis method with the ANSYS program. For the thermal stress values found as a result of the analyzes, regression analyzes were performed and the objective functions were determined. Then, optimization studies were carried out on these objective functions under the determined constraints. These analyzes were applied to rectangular and circular section legs separately. It has been determined how the modulus of elasticity, coefficient of thermal expansion and temperature variable parameters affect the thermal stresses formed in the thermoelectric module. It has been observed that as the temperature difference increases, the thermal stresses on the elbows increase, and lower stress values occur in the circular section elbows compared to the rectangular section.