T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ

FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

GÜNEŞ IŞINIMI VE TERMOELEKTRİK MALZEMELER İLE ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ

Muhammet Murat YAMAN

Danışman: Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN

YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRONİK – BİLGİSAYAR EĞİTİMİ ANABİLİM DALI

ISPARTA - 2009

Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürlüğüne

Bu çalışma jürimiz tarafından Elektronik-Bilgisayar Eğitimi ANABİLİM DALI'nda

oy birliği/oy çokluğu ile YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Baskan : Yrd. Doç. Dr. Mustafa Reşit USAL

Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak. Makine Eğitimi A.B.D.

Üye : Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN

Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak. Elektronik-Bilgisayar Eğitimi A.B.D.

Üye : Yrd. Doç. Dr. Okan BİNGÖL

Süleyman Demirel Üni. Teknik Eğitim Fak. Elektrik Eğitimi A.B.D.

ONAY

Bu tez 30/10/2009 tarihinde yapılan tez savunma sınavı sonucunda, yukarıdaki jüri

üyeleri tarafından kabul edilmiştir.

..../...../20...

Prof. Dr. Mustafa KUŞCU

Enstitü Müdürü

i

İÇİNDEKİLER

Sayfa

İÇİNDEKİLER……………………………………………………………..…………i

ÖZET …………………………………………………………………......................iii

ABSTRACT………………………………………………………………...……….iv

TEŞEKKÜR………………………...……………………………………….....…......v

ŞEKİLLER DİZİNİ……………….…………………………………………...….....vi

ÇİZELGELER DİZİNİ …………………………………………………………….viii

SİMGELER VE KISALTMALAR………………………………………….………ix

1.GİRİŞ…………………………………………………………………………….…1

2.KAYNAK ÖZETLERİ…………………………………………………………..…3

2.1. Atıl Isının Termoelektrik Dönüşümü…………………………………...………..3

2.2. Elektrik Gücü’nün Çevre Dostu Kaynağı Termoelektrikler……………...……...3

2.3. Esnek İki Fazlı Termoelektrik CPU Soğutucusu……………..………………….4

2.4.Termoelektrik Kaynaklı Isıtma ve Havalandırma Sistemi……….……………….5

2.5. Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi,

Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma ………………..............................5

2.6. Fotovoltaik Sistemler İçin Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını

İzleyen Bir Konvertörün Gerçekleştirilmesi……………………………………..6

2.7. Mikrodenetleyici Temelli Maksimum Güç Nokta İzleyicisi İle Bir Termoelektrik

Pil Şarjının Geliştirilmesi…………..………………………..……………………7

3. MATERYAL VE YÖNTEM………………………………………………………8

3.1. Güneş Işınımı………………………………………...…………………………..8

3.2. Türkiye’ de Güneş Işınımı……………………………...………………………11

3.3. Güneş Enerjisi Üretim Teknikleri………………………….…………………...15

3.3.1. Güneş Pilleri………………………………………………..…………………15

3.3.1.1. PV Hücre Elektriksel Modeli…………………………………………….…18

3.4. Stirling Motoru………………………………………………….……………...18

3.4.1. Stirling Motorlarında Güneş Enerjisi Uygulamaları……………...…………..20

3.5. Yoğunlaştırıcı Güneş Enerjisi Sistemleri……………………………………….22

3.5.1. Doğrusal Yoğunlaştırıcılar…………………………………………...……….22

3.5.2. Noktasal Yoğunlaştırıcılar……………………………………………………23

ii

3.6. Güneş Bacaları………………………………………………………...………..24

3.7. Termoelektrik Güç Üretimi……………………………………………………..25

3.7.1. Termolektrik Malzemeler……………………………………………......…...26

3.7.2. Terokupllar…………………………...…………………………………...…..27

3.7.3. Termistörler (Terminstans)………………………………...............................28

3.7.3.1. PTC Dirençler…………………………………………………………..…..29

3.7.3.2. NTC Dirençler……………………………………………………………...29

3.7.4. Peltier Element……………………………………………………..................30

3.7.4.1. Seeback Effect……………………………………………………………...30

3.7.4.2. Peltier Effect………………………………………………………………..32

3.7.5. Termoelektrik Jeneratörler..……………………………………………..........34

3.8. USB TC-08 Termokuppll Data Logger………………………………………...36

3.8.1. PicoLog Veri Kaydetme Yazılımının Kullanımı……………………………..37

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA………………………………….41

4.1. Üç Mercekli Deney …………………………………………………………….41

4.2. Tek Mercekli Deney……………………………………………………………44

4.3. TEP1-1264-1.5 Termoelektrik Modül’ün Karakteristiği…………….…………46

4.4. A300 Güneş Pili Karakteristik Değerleri…………………………….…………51

4.5. Güneş pilleri ile Termoelektrik Malzemelerin Karşılaştırılması……………….51

4.6. Dokuz Mercekli Deney ………………………………………………………...53

5. SONUÇ…………………………………………………………………………...56

6. KAYNAKLAR…………………………………………………………………...57

ÖZGEÇMİŞ……………………………….…………………………………...……59

iii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi GÜNEŞ IŞINIMI VE TERMOELEKTRİK MALZEMELER İLE ELEKTRİK

ENERJİSİ ÜRETİMİ

Muhammet Murat YAMAN

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Anabilim Dalı

Juri: Yrd. Doç. Dr. Tuncay AYDOĞAN(Danışman) Yrd. Doç. Dr. Mustafa Reşit USAL Yrd. Doç. Dr. Okan BİNGÖL Bu çalışmada noktasal yoğunlaştırıcılar ve termoelektrik modüllerle güneş ışınımından faydalanarak elektrik enerjisi üretim metotları araştırılmıştır. Yapılan kaynak taramalarında güneşin yarattığı güneş enerjisinin dünya üzerindeki potansiyeli ve güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürme teknikleri araştırılmıştır. Bu teknikler içerisinde noktasal yoğunlaştırıcı ve termoelektrik modüllerin bir arada bulunduğu genel bir sisteme rastlanmamıştır. Geliştirilecek olan tekniklerle literatürdeki boşluğun kapatılması amaçlanmıştır. Oluşturulan deney düzeneklerinde noktasal yoğunlaştırıcı olarak farklı özelliklerde mercekler kullanılmıştır. Farklı mercek adediyle üç mekanik oluşturularak üç farklı termoelektrik modülün karakteristiği incelenmiştir. Elde edilen elektriksel karakteristikler a300 model güneş pilinin karakteristikleri ile karşılaştırılmıştır. Termoelektrik güç üretimi ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüşme şeklidir. Başka bir deyişle bir yarı iletkenin sıcak ve soğuk yüzeyleri arasında meydana gelen sıcaklığa bağlı olarak kaynaklanan ısının elektrik enerjisine dönüşümüdür. Deney düzenekleri bu tanıma göre tasarlanmıştır. Amaç termoelektrik modüller üzerinde maksimum sıcaklık farkını yakalayarak doğal şartlar altında çevre dostu alternatif bir sistem meydana getirmektir. Anahtar Kelimeler: Termoelektrik modül, güneş ışınımı, termoelektrik 2009, 59 sayfa

iv

ABSTRACT

M. Sc. Thesis

SOLAR AND THERMOELECTRIC POWER GENERATION

Muhammet Murat YAMAN

Süleyman Demirel University, Graduate School of Applied and Naturel Sciences Department of Electronics Computer

Thesis Committee: Asst. Prof. Dr. Tuncay AYDOĞAN(Supervisor) Asst. Prof. Dr. Mustafa Reşit USAL Asst. Prof. Dr. Okan BİNGÖL In this study had been explored electrical energy generate methods with optic system and thermoelectric module using solar radiation. In founded written materials had searched potantiel of the solar energy on the world and converting techniquies of the solar energy to electrical energy. In theese techniques we couldn’t find together the optic sytem and thermoelectric module system. Developed techniques in this thesis had aimed to fill emptiness in the literature about this subject. In the constituted mechanic systems for this thesis were used different optic lenses to make dense. Tests were made with three different mechanics. They had different optic lenses and different thermoelectric modules. In this way three thermoelectric modules had been investigated. Their electrical characteristics had been compared with a300 solar cell’s characteristics. Thermoelectric power generation means converting thermal energy into electric energy. Another mean, temperature difference between cold and hot surfaces of a semiconductor becomes heat energy and it converts into electric energy. The mechanisms had been planned as this definition. The aim is having the maximum temperature differences and creating an enviroment friendly alternative energy. Key Words: Thermoelectric module, solar radiation, thermoelectric. 2009, 59 pages

v

TEŞEKKÜR

Bu çalışmanın hazırlanmasında benden yardımlarını esirgemeyen eski danışmanım

Yrd. Doç. Dr. Ahmet KÜÇÜKKÖMÜRLER’e ve yeni danışmanım Yrd. Doç. Dr.

Tuncay AYDOĞAN’a, benden teknik imkanlarını esirgemeyen Ilgın Endüstri

Meslek Lisesi Makine ve Metal Bölümüne ve Ilgın Meslek Yüksek Okulu’na,

teşekkürü borç bilirim.

1643-YL-08 No’ lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel

Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı’na teşekkür

ederim.

Muhammet Murat YAMAN

ISPARTA, 2009

vi

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil 3.1. Dünyaya gelen ışını…………………………………….……………….....8

Şekil 3.2. Atmosfer tarafından gönderilen güneş ışınları…………….……………....9

Şekil 3.3. Atmosferi geçerek Dünya’ya gelen güneş ışınları………………………....9

Şekil 3.4. Atmosfer ve bulutlarda tutulan güneş ışınları…………………..………...10

Şekil 3.5. Güneş ışınları fotosentezde kullanılır……………………………….……10

Şekil 3.6. Uzaya geri verilen enerji…………………………………………….........11

Şekil 3.7. Türkiye’nin yıllık güneş ışınımı haritası………………………………….13

Şekil 3.8. Türkiye’nin aylara göre ışınımı şiddeti…………………………………...14

Şekil 3.9. Türkiye’nin aylara göre elektriksel güç potansiyeli………………..........14

Şekil 3.10. Türkiyede farklı güneş pil çeşitleriyle yılda elde edilebilecek güç

potansiyelleri ............................................................................................15

Şekil 3.11. Güneş pili modülü………...……………………………………………..16

Şekil3.12. Çatısı güneş pili kaplı ev ………..……………………………………….17

Şekil3.13. Güneş pilleri ile sokak aydınlatması…………..…………………………17

Şekil3.14. Şebekeye elektrik veren güneş pili (PV) sistemi…………...……………18

Şekil 3.15. Güneş pili elektriksel eşdeğer modeli………………………...…………18

Şekil 3.16. Stirling Motoru’nun adım adım çalışma şekli…………..………………19

Şekil 3.17. Prototip Stirling motoru ve güneş kolektörü………………….………...21

Şekil 3.18. Doğrusal yoğunlaştırıcı kolektör……………….……………………….23

Şekil 3.19. Parabolik çanak kolektörler………………..……………………………23

Şekil 3.20. Solar I merkezi alıcılı güneş ısıl elektrik santralı…………….…………24

Şekil 3.21. Termoelektrik modülü…………………...……………………………...25

Şekil-3.22. Lineerize edilmiş termokupple sinyaller………………………………..28

Şekil 3.23. Peltier element prensip çalışma şeması………………...……………….30

Şekil 3.24. Seebeck effect prensip çalışma şeması……………...…………………..31

Şekil 3.25. Peltier effect prensip çalışma şeması………………….………………...33

Şekil 3.26. Peltier element prensip çalışma şeması……………..…………………..33

Şekil 3.27. Peltier modül ve soğutma sistemi……………………………………….34

Şekil 3.28. Örnek termoelektrik modülü ve prensip çalışma şeması………………..35

vii

Şekil 3.29. Termoelektrik jeneratorler ile ısınan soba borusunda 20 wattlık enerji

elde edilebilir………………………………………………………...…..35

Şekil 3.30. Termoelektrik jeneratorler ile diesel motor eksozundan 1Kw’lık

enerji üretilmektedir……………………………………………………...36

Şekil 3.31. USB TC-08 Termokuppll Data Logger ………………………………...36

Şekil 3.32. Recording diyalog kutusu……………………………………………….37

Şekil 3.33. Sampling Rate diyalog kutusu…………………………………………..37

Şekil 3.34. Converter details diyalog kutusu………………………………………..38

Şekil 3.35. TC08 diyalog kutusu…………………………………………………….39

Şekil 3.36. Edit TC08 diyalog kutusu……………………………………………….39

Şekil 3.37. PicoLog programının ana formu………………………………………...40

Şekil 3.38. PicoLog programında verilerin grafik ve liste pencereleri……………...41

Şekil 4.1. Üç mercekli deney düzeneğinin önden ve yandan görünüşü……………..41

Şekil 4.2. Bakır parçanın merceğin odak noktasına yerleştirilmesi………………....42

Şekil 4.3. Merceğin odak noktasına yerleştirilen bakır parçasına gelen güneş

ışınları…………………………………………………………..…………42

Şekil 4.4. Gerilim ve sıcaklık farkı ölçerler…………………………………………43

Şekil 4.5. Üç mercekli düzeneğin gerilim ve sıcaklık fark değerleri grafiği………..44

Şekil 4.6. Tek mercekli deney düzeneğin yandan ve alttan görünümü……………..45

Şekil 4.7. Birbirine seri bağlanmış TEP-1264-1.5ler………………………………..47

Şekil 4.8. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği…...47

Şekil 4.9. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı akım gerilimi grafiği…..48

Şekil 4.10. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği….48

Şekil 4.11. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken akım-gerilim grafiği……………………….49

Şekil 4.12. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde

edilen sıcaklık değerleri grafiği…………………………………………50

Şekil 4.13. A300 model güneş pilinin boyutları, önden ve arkadan görünümleri…..51

Şekil4.14. Bakır ve alüminyum levhalar…………………………………………….53

Şekil4.15. Mika içerisine yerleştirilmiş mercek…………………………………….54

Şekil4.16. İlk oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği…………………………54

Şekil4.17. İkinci kez oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği………………….55

viii

ÇİZELGELER DİZİNİ

Çizelge 3.1. Türkiye’nin toplam güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı.12

Çizelge 3.2. Türkiye’nin yıllık potansiyel güneş enerjisinin bölgelere göre dağılımı12

Çizelge 3.3. Bazı materyallerin Seeback katsayıları …………….…………..……...32

Çizelge 4.1. Üç mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim

ve sıcaklık fark değerleri……………………………………………….43

Çizelge 4.2. TMG-450-0.8-1.0’a ait karakteristik değerler…………………………45

Çizelge 4.3. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim

ve sıcaklık fark değerleri……………………………………………….46

Çizelge 4.4. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken TEP-1264-1.5’in sıcaklık değişimine bağlı

elektriksel değerleri……………………………………………………...49

Çizelge 4.5. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde

edilen gerilim ve sıcaklık değerleri…...…………………………………50

Çizelge 4.6. Termoelektrik modüllerin ve güneş pilin elektriksel

karekteristiklerinin karşılaştırılması …………………………………….52

Çizelge 4.7. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim

ve sıcaklık fark değerleri………………………………………………...55

ix

SİMGELER VE KISALTMALAR

A Amper

cm Santimetre

cm2 Santimetrekare

CO2 Karbondioksit

CPU İşlemci

DA Doğru akım

EİE Elektrik İşleri Etüt İdaresi

Ghz GigaHertz

Hz Hertz

I D Diyot akımı

IH Güneş pili çıkış akımı

ISC Kısa devre akımı

I-V Akım-Gerilim

J Joule

Kcal Kilokalori

km Kilometre

KW Kilowatt

KWh Kilowatt Saat

KWh/m2 Metrekare başına düşen kilowatt saat cinsinden enerji

mm Milimetre

m/sn Metre/saniye

mV Milivolt

MPPT Maximum Power Point Tracking

MW Megawatt

PV Photovoltaik

Q Isı

Rint İç direnç

RL Yük direnci

RP Güneş pili eşdeğer paralel direnci

SA ve SB Seeback Katsayıları

x

t1 ve t2 A ve B yüzeylerindeki sıcaklık değeri

Tc Soguk Yüzey Sıcaklıgı

Th Sıcak Yüzey Sıcaklıgı

TEJ Termoelektrik Jeneratör

VD Diyot gerilimi

W/m2 Metrekare başına düşen güç

Watt Elektriksel güç birimi

ΠA ve ΠB Materyallerin peltier sabitleri

ΠAB Isıl çiftlerin sabiti

Ω Ohm

µV Mikrovolt

µV/ C Birim sıcaklığa düşen mikrovolt gerilim

∆T Sıcaklık farkı

°C Santigrat derece

°F Fahrenayt derece

1

1.GİRİŞ

Günümüzde gelişmiş olan ülkeler doğal enerji kaynaklarına önem vermektedirler.

Çünkü dünyamız fosil ve nükleer yakıtların her gün havaya bıraktıkları zehirli gazlar

nedeniyle küresel ısınma tehdidiyle karşı karşıyadır. Bu yüzden de bu ülkeler

alternatif enerji kaynaklarına yönelmişlerdir. Alternatif enerji kaynakları için önemli

bütçeler ayırmakta ve yasalar çıkarmaktadır.

Alternatif enerji kaynaklarından en verimlisi güneştir. Aslında güneş dünyamızın en

önemli enerji kaynağıdır. Günümüzde ülkemizde de yenilenebilir enerji kaynakları

ve nükleer enerji ile ilgili tartışmalar devam etmektedir. Güneş dünyamızın en büyük

nükleer santralidir. Çünkü güneşin yaydığı ısı ve ışığın kaynağı, içerisinde meydana

gelen nükleer tepkimelerdir.

Dünya güneşten yaklaşık 150 milyon km uzaklıkta bulunmaktadır. Dünya hem kendi

çevresinde dönmekte, hem de güneş çevresinde eliptik bir yörüngede dönmektedir.

Bu yönüyle, dünyaya güneşten gelen enerji günlük olarak değişmekte, hem de yıl

boyunca değişmektedir (EİE, 2007).

Güneşin ışınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen

başlıca enerji kaynağıdır. Dünyadaki madde ve enerji akışları güneş enerjisi

sayesinde mümkün olabilmektedir. Rüzgâr, deniz dalgası, okyanusta sıcaklık farkı

ve biokütle enerjileri, güneş enerjisini değişim geçirmiş biçimleridir. Güneş enerjisi,

doğadaki su döngüsünün gerçekleşmesinde de rol oynayarak, akarsu gücünü

yaratmaktadır. Fosil yakıtların da, biokütle niteliğindeki materyallerde birikmiş

güneş enerjisi olduğu kabul edilmektedir. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun

kökeni olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan

yararlanılmaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006).

Yeryüzüne her sene düşen güneş ışınım enerjisi, yeryüzünde şimdiye kadar

belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca

yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceğinden 15.000

2

kat kadar daha fazladır. Bu bakımdan güneş enerjisinin bulunması sorun değildir.

Asıl sorun bunun insan faaliyetlerine uygun kullanılabilir bir enerji türüne

dönüştürülebilmesindedir (Varınca ve Gönüllü, 2006).

Güneş enerjisi hem bol, hem sürekli ve yenilenebilir hem de bedava bir enerji

kaynağıdır. Bunların yanı sıra geleneksel yakıtların kullanımından kaynaklanan

çevresel sorunların çoğunun güneş enerjisi üretiminde bulunmayışı bu enerji türünü

temiz ve çevre dostu bir enerji yapmaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006).

Yakıt sorununun olmaması, işletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması, modüler

olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi (azami bir yıl), uzun yıllar sorunsuz

olarak çalışması, temiz bir enerji kaynağı olması vb gibi nedenlerle dünya genelinde

fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Avrupa Birliği 2010

yılında fotovoltaik elektriğin elektrik üretimi içindeki payının %0,1 olmasını

hedeflemiştir (Varınca ve Gönüllü, 2006).

3

2.KAYNAK ÖZETLERİ

2.1. Atıl Isının Termoelektrik Dönüşümü

Atıl ısının, termoelektrik güç üretimi için enerji kaynağı olarak kullanımı, bu

teknolojinin dönüşüm verimliğinin düşük olmasının geniş ölçekli kullanımlarının

sınırlandırılmalarını ortadan kaldırır. Paradoksal olarak, bazı parazit uygulamalarda

düşük dönüşüm verimliliği belirgin avantajlar gösterebilir. Fakat ticari olarak

erişilebilen termoelektrik modüller, öncelikleri olarak uygulamaları soğutmak ve

yükseltilen ısılarda daha az güvenilir olan uygulamalar için kullanılır. Sonuç olarak

bu uygulamada bir atılın ekonomik gelişimi, sıcak suda meydana gelen atıl ısıdan

termoelektrik jeneratör aracılığıyla üretilen elektrik enerjisi olarak kullanılabileceği

anlatılmıştır. Bu teknolojideki bir çalışmanın örnek durumları, merkezi bir ısıtma

sistemi için üretilen elektrik gücü, aktif ve parazit modların işletilmesi olarak kabul

edilir. Uygulamalarda ısı kaynağındaki atıl ısı boşa gittiği düşünülürse, termoelektrik

gücü, geleneksel metodlarla üretilen elektrik gücüyle ekonomik olarak yarışabilir.

Ayrıca bu durumda üretim sistemi parazit modda olduğu zaman dönüşüm verimliliği

önemli bir öğe değildir (Rowe vd., 2006).

2.2. Elektrik Gücü’nün Çevre Dostu Kaynağı Termoelektrikler

Bir termoelektrik jeneratör eşsiz bir ısı motorudur. Sessiz çalışırlar ve güvenilirdirler.

Fakat oldukça düşük verimliktedirler. Geçen on senede termoelektrikler çevreci ve

esnek olmalarından dolayı elektrik kaynağı olarak bir cazibe haline gelmiştir.

Özellikle son zamanlarda atıl ısının, yani ısı kaynağının bedava olması verimliliğin

düşük olması dezavantajını ortadan kaldırmıştır. Atıl ısının enerji kaynağı olarak

özellikle 140 ºC altındaki kullanımı elektrik üretimindeki bu metodun ticari

rekabetini yeteri kadar artırmıştır. Sıcak su atılıyla desteklenen termoelektrik

sistemlerin performansının son zamanlardaki araştırma sonuçları gösteriyor ki üç

yılın üzerindeki işletim periyodunun elektrik gücü bu metodla üretilir ve fiyatı

geleneksel kaynaklarla eş değerdedir. Bu çalışmada çevre dostu olan termoelektrik

4

güç üretiminin geleneksel yöntemlere alternatif olabileceği anlatılmıştır (Rowe,

1999).

2.3. Esnek İki Fazlı Termoelektrik CPU Soğutucusu

Bu çalışmada iki fazlı ısı transfer sistemli termoelektrik CPU soğutucusunun

özellikleri araştırılmıştır. Testler boyutları 3,1cm x 3,1cm olan 1.70Ghz INTEL

Pentium 4 CPU’nun bulunduğu bilgisayar üzerinde yapılmıştır ki fazlı sistem, tek

fazlı ve fanlı sistemlerle kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre tek fazlı sistem

termoelektrik modülde 37,6 ºC sıcaklık farkı yaratırken, iki fazlı sistem 50,6 ºC fark

meydana getirmiştir. Testler esnasında iki fazlı termoelektrik soğutucunun CPU’nun

sıcaklığını 9 ºC kadar düşürdüğü görülmüştür. Bu da iki fazlı sistemin fanlı sisteme

kıyasla yaklaşık 5 kat daha fazla soğutma sağladığını göstermektedir (Ahıska

ve Ahıska, 2007).

Bilgisayarların merkezi işlemci birimi olan CPU’lar ısıl yükün dışarı atılmaması

nedeniyle bozulabilir. Ayrıca CPU’ların üzerindeki ısıl yük onların çalışma

performanslarını da olumsuz etkiler. CPU’ları soğutabilmek için çeşitli sistemler

kullanılmaktadır. Bunlardan biri alüminyum fanlı soğutma sistemidir. Fakat bu

sistem aldığı ısıyı kasanın içine dağıttığından soğutma kapasitesi sınırlıdır. Bir başka

sistem ise tek fazlı su dönüşümlü sistemdir. Ancak bu sistem de montajı sırasında

yarattığı mekanik gerilimlerle tehlikelidir. Ayrıca bu sistemin uygulanabilmesi için

bir pompaya ihtiyaç vardır. Termoelektrik modülerin birçok küçük hacimli

soğutucuda kullanıldığı bilinmektedir. Bu cihazlardaki termoelektrik modülerin

verimli çalışması için kullanılan ısı transfer sistemleri çok önemlidir. iki fazlı ısı

transfer sistemlerinin; büyük boyutlarda, ısı dönüşümlerinde ve küçük boyutlarda,

elektrik ve elektronik elemanların soğutulmasında kullanılması tavsiye edilmektedir.

Buna uygun olarak iki fazlı sistemler termoelektrik soğutucularda da

kullanılmaktadır.

Bilgisayarın, en ağır sıcaklık şartları olan çöl şartlarında çalıştığı düşünülerek ısı

transfer sisteminde iç basınç suyun 45 °C’ de kaynayacağı kadar düşürülmüştür. Bu

5

sisteminde CPU termoelektrik modülle soğutulmakta, suyun kaynaması için gerekli

olan ısı termoelektrik modülün sıcak tarafından alınmakta, bu ısının tamamı da suyun

tekrar yoğunlaşmasıyla çevreye yayılmaktadır iki fazlı sistemin üretimi kolay,

maliyeti düşük ve malzemeleri her yerde bulunabilir (Ahıska ve Ahıska, 2007).

2.4. Termoelektrik Kaynaklı Isıtma ve Havalandırma Sistemi

(Bernard ve Spano, 1966) Bu çalışmanın temel amacı aşırı iklimsel ortamlarda ya da

tehlikelere maruz kalmış hava degişikliklerinde çalışan insanlar için ısınma veya

havalandırmayı sağlayan ve kendinden kaynaklı bir sistem geliştirmektir. Bu işlevi

gerçekleştirmek için gereken elektriksel güç termoelektrik enerji dönüştürücü ile

sağlanmaktadır. Termoelektrik güç, konveksiyon soğumaya zorlandığı, tamamen

kendinden kaynaklı olduğu, sıvı yakıtla çalıştığı ve termoelektrik enerji dönüşüm

materyali ile bizmut-tellurit olarak kullanıldığı için benzersizdir. Tüm sistem insan

tarafından taşınabilir olup elden basınçlı yakıt tankında sekiz saatlik çalışmayı

sağlayacak kadar yakıt içerdiğinden her durumda çalışmayı sağlar. Sistem tarafından

dağıtılan hava çevresel koşulların üzerindeyken 150 °F’ten 5 °F’e kadar ısı

düzenleyici olma özelliğine sahiptir (Eruğaslan, 2008).

2.5. Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi,

Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma

Enerji bugün sahip olduğumuz medeniyetin temel taşlarından birini oluşturmaktadır.

Kalkınmanın ve gelişmişliğin bir göstergesi durumundadır. Ancak son dönem enerji

üretim ve tüketim yöntemleri ile yerine yenisi konulamayacak enerji kaynaklarımız

tüketilmekte bunun sonucunda da tabiat üzerinde geri dönüşsüz bir tahribata sebep

olunmakta ve çevre kirliliği meydana getirilmektedir. Hem fosil kaynakların kısıtlılığı

hem de üretimde meydana getirilen çevre kirliliği ile enerji üretiminde hem

yenilenebilir ve sınırsız hem de çevreyle uyumlu kaynakların araştırılması ve

geliştirilmesi gerekmektedir. Aralarında Güneş enerjisinin de bulunduğu yenilenebilir

enerji kaynakları bu fırsatları içlerinde barındırmakta ve geliştirilmeyi bekleyen

yegâne enerji kaynaklarıdır. Güneş enerjisi, sahip olduğu potansiyel ve kullanım

6

kolaylığı ile diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına kıyasla daha kolay bir

şekilde yaygınlaşabilecek bir fırsata sahiptir. Türkiye ise hâlihazırda Güneş

kuşağında olmasına rağmen sahip olduğu potansiyeli yeterli derecede etkin ve

yaygın bir şekilde kullanamamaktadır (Varınca ve Gönüllü, 2006).

Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynakları arasında hem sahip olduğu mevcut

potansiyel hem de üretim teknolojileri bakımından farklı ve önemli bir yeri olan

güneş kaynaklı enerji üretim sistemleri, Türkiye’nin güneş enerji potansiyeli ve

bu potansiyeli kullanma derecesi ve yöntemi araştırılmıştır. Sonuçta Türkiye için

güneş enerjisinden etkin ve yaygın bir şekilde faydalanmak için önerilerde

bulunulmuştur (Varınca ve Gönüllü, 2006).

2.6. Fotovoltaik Sistemler İçin Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını

İzleyen Bir Kovertörün Gerçekleştirilmesi

Fotovoltaik kaynaklı enerji üretim sistemlerinden mümkün olabilecek en yüksek

gücü elde edebilmek ancak en yüksek güç noktası takibi (MPPT) yöntemleri ile

mümkün olabilmektedir. Yüksek frekanslı anahtarlama elemanları ile manyetik

malzemelerdeki güç sınırları ise, MPPT işleminin gerçekleştirildiği güç dönüştürücü

katı tasarımına önemli sınırlamalar getirmektedir. Ayrıca, çeviricinin güç bölgesinin

tamamında sabit frekans değerinde çalıştırılması, verim düşüklüğünün yanında

çevresel bozucu etkiler de oluşturmaktadır. Yapılan bu çalışmada, faz kaydırma

etkisiyle toplam anahtarlama frekansını doğal olarak ikiye katlayan ve gerekli olduğu

kadar paralel çalışabilen faz kaydırmalı sıralı-artıran (interleaved-boost) çevirici

yapısı MPPT tekniği ile birlikte uygulanmıştır. Böylece, düşük maliyetli manyetik

devre elemanları ile güç anahtarlarının kullanılabilmesiyle yüksek güç

uygulamalarında maliyetin düşürülmesi de mümkün olabilmiştir. Denetleyici olarak

yine düşük maliyetli ve ihtiyaçları karşılayan PIC18F452 mikro denetleyicisi

kullanılmıştır. Tasarlanan devre, DA baraya bağlı ve mikro denetleyici tarafından

denetlenen ikinci bir bağımsız anahtar yardımı ile akü grubunu önceden ayarlanan bir

akım değerinde şarj edebilecek yapıdadır. Benzetim ve uygulamadan elde edilen

7

sonuçlar geleneksel artıran yapısı ile karşılaştırılarak önerilen yapı ve denetim

tekniğinin üstünlükleri açıklanmıştır (Özdemir, 2007).

2.7. Mikrodenetleyici Temelli Maksimum Güç Nokta İzlayicisi İle Bir

Termoelektrik Pil Şarjının Geliştirilmesi

Bu çalışmada termoelektrik güç modülleriyle gerçekleştirilmiş bir pil şarjı

anlatılmıştır. Bu sistemde termoelektrik modüller ısı enerjisini elektrik enerjisine

dönüştürerek bir pilin şarjı için kullanılmışlardır. Farklı sıcaklıklarda termoelektrik

modüllerin karakteristikleri test edilmiştir. Bir sepic DA-DA konverter devresi bir

mikrodenetleyici tarafından kontrol edilerek maksimum güç nokta izleyici meydana

getirilmiştir. Gerçekleştirilen sistem maksimum 7.99 Watt’lık enerjide şarj edilmiştir.

Bu çalışmada prensip olarak termoelektrik güç üretimi ile atıl ısı elektriksel bir güce

dönüştürülmüştür (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006).

8

3.MATERYAL VE YÖNTEM

3.1. Güneş Işınımı

Güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir,

güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden

kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit

ve 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzünde 0–1100 W/m2 değerleri arasında

değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın

mevcut enerji tüketiminden kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki

çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri

teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak

temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir (EİE, 2007).

Dünyaya güneşten saniyede, yaklaşık 1.7 X 1017J’ lük enerji, (170 milyar mega-

watt) ışınımlar gelmektedir. Güneşin saldığı toplam enerji göz önüne alındığında, bu

çok küçük bir kesirdir. Ancak bu tutar, dünyada insanoğlunun bugün için kullandığı

toplam enerjinin 15-16 bin katıdır. Dünyaya gelen güneş enerjisi çeşitli dalga

boylarındaki ışınımlardan oluşur ve güneş-dünya arasını yaklaşık 8 dakika aşarak

dünyaya ulaşır. Dünyanın dışına, yani hava kürenin dışına güneş ışınlarına dik bir

metre kare alana bir saniyede gelen güneş enerjisi, 1357J dür. Bu değer, tanım

gereği, yıl boyunca değişmez varsayılabilir. Bu sayı Güneş Değişmezi olarak

bilinir (EİE, 2007).

Şekil 3.1. Dünyaya gelen ışını (EİE, 2007)

9

· Dünya ile Güneş arasındaki mesafe 150 milyon km’dir.

· Dünya’ya güneşten gelen enerji, Dünya’da bir yılda kullanılan enerjinin 20 bin

katıdır.

· Güneş, 5 milyar yıl sonra tükenecektir.

Şekil 3.2. Atmosfer tarafından gönderilen güneş ışınları (EİE, 2007)

Güneş ışınımının tamamı yer yüzeyine ulaşmaz, %30 kadarı dünya atmosferi

tarafından geriye yansıtılır (EİE, 2007).

Şekil 3.3. Atmosferi geçerek Dünya’ya gelen güneş ışınları (EİE, 2007)

10

Güneş ışınımının %50’si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Bu enerji ile

Dünya’nın sıcaklığı yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur. Rüzgar

hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur (EİE, 2007).

Şekil 3.4. Atmosfer ve bulutlarda tutulan güneş ışınları (EİE, 2007)

Güneşten gelen ışınımının %20’si atmosfer ve bulutlarda tutulur (EİE, 2007).

Şekil 3.5. Güneş ışınları fotosentezde kullanılır (EİE, 2007)

Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının %1’den azı bitkiler tarafından fotosentez

olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş ışığıyla birlikte karbondioksit

ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez, yeryüzünde bitkisel yaşamın

kaynağıdır (EİE, 2007).

11

Şekil 3.6. Uzaya geri verilen enerji (EİE, 2007)

Dünya’ya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir

(EİE, 2007).

3.2. Türkiye’ de Güneş Işınımı

Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli

açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel

Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme

süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılan çalışmaya

göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam

7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 KWh/m²-yıl (günlük toplam 3,6

KWh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye, 110 gün gibi yüksek bir güneş enerjisi

potansiyeline sahiptir ve gerekli yatırımların yapılması halinde Türkiye yılda birim

metre karesinden ortalama olarak 1.100 KWh’lik güneş enerjisi üretebilir. Tablo

3.2.1'de Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri aylara göre

dağılımı verilmiştir (Varınca ve Gönüllü, 2006).

12

Çizelge 3.1. Türkiye’nin toplam güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı (Varınca ve Gönüllü, 2006)

AYLAR

AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ

(Kcal/cm2-ay) (KWh/m2-ay)

GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/ay)

OCAK 4,45 51,75 103,0 ŞUBAT 5,44 63,27 115,0 MART 8,31 96,65 165,0 NİSAN 10,51 122,23 197,0 MAYIS 13,23 153,86 273,0

HAZİRAN 14,51 168,75 325,0 TEMMUZ 15,08 175,38 365,0 AĞUSTOS 13,62 158,40 343,0

EYLÜL 10,60 123,28 280,0 EKİM 7,73 89,90 214,0

KASIM 5,23 60,82 157,0 ARALIK 4,03 46,87 103,0 TOPLAM 112,74 1311 2640

ORTALAMA 308,0 cal/cm2-gün

3,6 KWh/m2-gün

7,2 saat/gün

Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güneydoğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Tablo 3.2' de Türkiye güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı verilmiştir.

Çizelge 3.2. Türkiye’nin yıllık potansiyel güneş enerjisinin bölgelere göre dağılımı (Varınca ve Gönüllü, 2006).

BÖLGE TOPLAM GÜNEŞ

ENERJİSİ (KWh/m2-yıl)

GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/yıl)

G.DOĞU ANADOLU

1460 2993

AKDENİZ 1390 2956 DOĞU

ANADOLU 1365 2664

İÇ ANADOLU 1314 2628 EGE 1304 2738

MARMARA 1168 2409 KARADENİZ 1120 1971

13

Buna göre genel olarak Türkiye’nin en çok ve en az güneş enerjisi üretilecek ayları

sırası ile Haziran ve Aralık olmaktadır. Bölgeler arasında ise öncelikle

Güneydoğu Anadolu ve Akdeniz sahilleri gelmektedir. Güneş enerjisi üretiminin

yok denecek kadar az olduğu Karadeniz bölgesi dışında yılda birim metre

kareden 1.100 KWh’lik enerji üretilebilir ve toplam güneşli saat miktarı ise 2.640

saattir. Buna göre Türkiye’de toplam olarak yıllık alınan enerji miktarı ise yaklaşık

1015 KWh kadardır (Varınca ve Gönüllü, 2006).

Bununla birlikte EİE, son yıllar ortalamasının bu değerden % 20–25 daha fazla

olduğunu da belirtmektedir. Avrupa Birliği tarafından aday ülkelerin güneş enerjisi

ve PV potansiyelinin tespit edildiği çalışmada Türkiye ortalamasının yaklaşık 1500

KWh/m2 olduğu, uydu verileri ve Türkiye’nin coğrafik durumu itibariyle

belirlenmiştir. Türkiye’nin tüm yüzeyine bir yılda düşen güneş enerjisi miktarı

977.000 TWh’dir. Dolayısıyla Türkiye 80 milyar Ton Eşdeğer Petrol (TEP) teorik

güneş enerjisi potansiyeline sahip olup, bu değer 2000 yılı birincil enerji tüketiminin

900 katıdır (Varınca ve Gönüllü, 2006).

Şekil 3.7. Türkiye’nin yıllık güneş ışınımı haritası (EİE, 2007)

Şekil 3.7.’de Türkiye’nin yıllık güneş ışınımı haritası verilmiştir. Mavi ile gösterilen

yerler güneş ışınımının en az olduğu yerlerdir. Sırasıyla Koyu mavi, mavi, açık mavi,

yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı ile gösterilen yerler, ışınım yoğunluğunu azdan-çoka

14

doğru sıralamaktadır. Haritaya göre ülkemiz güneş ışınımı bakımından oldukça

şanslı bir ülkedir. Işınım şiddeti kuzeyden güneye doğru indikçe artmaktadır.

Şekil 3.8. Türkiye’nin aylara göre ışınımı şiddeti (EİE, 2007)

Şekil 3.9. Türkiye’nin aylara göre elektriksel güç potansiyeli (EİE, 2007)

15

Şekil 3.10. Türkiyede farklı güneş pil çeşitleriyle yılda elde edilebilecek güç potansiyelleri (EİE, 2007)

3.3. Güneş Enerjisi Üretim Teknikleri

3.3.1. Güneş Pilleri

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik

enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire

şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında,

kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır (EİE, 2007).

Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü

zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı,

yüzeyine gelen güneş enerjisidir (EİE, 2007).

Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle

elektrik enerjisine çevrilebilir (EİE, 2007).

Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri

bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da

16

fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya

da paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan MegaWatt'lara kadar sistem oluşturulur (EİE,

2007).

Şekil 3.11. Güneş pili modülü (EİE, 2007)

Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok

kullanılan maddeler şunlardır:

Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar

halinde dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde

laboratuvar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde

edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal

Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük

olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14

civarındadır (EİE, 2007).

Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik

yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan

çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay

uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır (EİE, 2007).

Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu silisyum pillerden elde edilen

verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha

17

çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş

pilinin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam

yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin

edilmektedir (EİE, 2007).

Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çokkristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili

maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuar tipi küçük

hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir (EİE,

2007).

Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar şartlarında

%17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2

verim elde edilmiştir (EİE, 2007).

Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran

mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, pil verimi ise %30'un

üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden

yapılmaktadır (EİE, 2007).

Şekil3.12. Çatısı güneş pili kaplı ev

Şekil3.13. Güneş pilleri ile sokak aydınlatması

18

Şekil3.14. Şebekeye elektrik veren güneş pili (PV) sistemi (EİE, 2007)

3.3.1.1. PV Hücre Elektriksel Modeli

Güneş pilleri p-n yarı iletkenlerinin ince bir katman haline getirilerek

birleştirilmesinden oluşur. Karanlıkta PV hücre çıkış I-V karakteristiği diyot

karakteristiğine çok benzer. Işığa maruz kaldığında fotonlar sayesinde elektron

hareketi dolayısı ile akım sağlanır. PV panel kısa devre edildiğinde bu akım harici

yük üzerinden, açık devre halinde bırakıldığında ise bu akım karakteristik p-n

bileşimli diyot üzerinden devresini tamamlar (Özdemir, 2007).

Güneş pilleri Şekil 3.15’deki gibi bir akım kaynağı, akım kaynağına paralel bağlı

direnç ve diyot, oluşan yapıya seri bağlı bir direnç ile ifade edilirler (Özdemir, 2007).

Şekil 3.15. Güneş pili elektriksel eşdeğer modeli (Özdemir, 2007) 3.4. Stirling Motoru

Stirling motoru, sıcak hava motoru olarak da bilinir. Dıştan yanmalı motorlu bir ısı

makinesi tipidir. Isı değişimi prosesi, ısının mekanik harekete dönüşümünün ideal

19

verime yakın olmasına izin verir (Carnot çevriminin pratik olarak uygulanması ile)

(Wikipedia online sözlük, 2007).

1816 yılında İskoç rahip Reverent Robert Stirling tarafından icat edilmiştir. Motoru

geliştirme işini daha sonra mühendis olan kardeşi James Stirling devam ettirmiştir.

Mucitler, zamanın buhar makinelerine güvenilir bir alternatif oluşturmayı

öngörmüştür. Buhar makinelerinin kazanları sık sık yetersiz malzeme kullanımı ve

buharın yüksek basıncı nedeniyle patlıyordu. Stirling motorları sıcaklık farkını direkt

olarak harekete dönüştürecekti (Wikipedia online sözlük, 2007).

Stirling motoru, yalıtılmış olarak bir miktar çalışma gazının (genellikle hava veya

helyum, hidrojen gibi gazlar) ısıtılma ve soğutulma işleminin tekrar edilmesi ile

çalışır (Wikipedia online sözlük, 2007).

Gaz, gaz kanunları (basınç, sıcaklık ve hacimle ilgili olarak) ile tanımlanmış

davranışları gösterir. Gaz ısıtıldığında, yalıtılmış bir alan içinde olduğundan, basıncı

yükselir ve güç pistonunu etkileyerek güç stroku üretir. Gaz soğutulduğunda basınç

düşer ve bunun sonucunda piston dönüş strokunda gazı tekrar sıkıştırmak için oluşan

işin bir kısmını kullanır. Ortaya çıkan net iş mil üzerinde güç oluşturur. Çalışma gazı

sıcak ve soğuk ısı eşanjörleri arasında periyodik olarak akar. Çalışma gazı piston

silindirleri içinde yalıtılmıştır. O yüzden burada egsoz gazı yoktur. Diğer tip pistonlu

motorlardan farklı olarak valflere ihtiyaç yoktur (Wikipedia online sözlük, 2007).

Adım-1 Adım-2 Adım-3 Adım-4 Şekil 3.16. Stirling Motoru’nun adım adım çalışma şekli (Wikipedia online sözlük,

2007)

Bazı Stirling motorları soğuk ve sıcak depolar arasında geri ve ileri çalışma gazı

hareketi için bir ayırıcı piston kullanır. Çoklu silindirlerin güç pistonlarının birbirine

20

bağlı olması sayesinde silindirlerin farklı sıcaklıklarda tutulması ile çalışma gazı

hareket eder.

Gerçek Stirling motorlarında bir rejeneratör, depolar arasına yerleştirilmiştir. Sıcak

ve soğuk taraf arasında gaz çevrimi olurken, rejeneratörden bu ısı transfer edilir. Bazı

tasarımlarda, ayırıcı piston rejeneratörün kendisidir. Bu rejenaratör Stirling

çevriminin verimine katkı sağlar (Wikipedia online sözlük, 2007).

3.4.1. Stirling Motorlarında Güneş Enerjisi Uygulamaları

Stirling motorlarında, çalışma gazının ısıtılması için kullanılacak enerji kaynağının

türü çok çeşitli olabilir. Çalışma gazının sıcaklığını sıcak kaynak sıcaklığına

yükseltmek için herhangi bir yakıt ya da enerji türü kullanılabilir. Örneğin odun,

kömür gibi katı yakacaklar kullanılabileceği gibi petrol ürünleri veya diğer sıvı

yakıtlar ve gaz yakıtlar (LPG, Doğal gaz) çalışma gazının ısıtılmasında kullanılabilir.

Stirling motorlarında kullanılması planlanan ve kollektör sisteminin kurulması

dışında enerji maliyeti için hiç bir masraf gerektirmeyen diğer bir enerji türü de

güneş enerjisidir. Güneşten gelen direk güneş ışınları bir toplayıcı ile Stirling

motorunun ısıtıcısına odaklanarak ısıtıcıdan geçen çalışma gazının ısıtılması sağlanır.

William Beale tarafından serbest pistonlu Stirling motorunun yapılması ile özellikle

güneş enerjisi uygulamalarında önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Güneş enerjisi

kollektör tarafından toplanarak Stirling motoru ısıtıcısına verilir. Burada ısı enerjisi

doğrudan Stirling motoru ısıtıtıcısına aktarılabileceği gibi güneş ışınları bir kaynama

hücresine odaklanarak buradaki bir sıvı metal ile (genellikle potasyum ya da

sodyum) ısı enerjisi ısıtıcı borularına aktarılabilir (OBİTET, 2007).

21

Şekil 3.17. Prototip Stirling motoru ve güneş kolektörü (OBİTET, 2007)

Stirling programı çerçevesinde Stirling motoru için tasarlanan ve yapılan tam

parabolik kollektör düzlem parça aynalardan oluşmuş ve güneş enerjisini çizgisel

olarak ısıtıcı üzerine odaklamaktadır. Kollektörün gövdesi fiberden yapılmış olup,

gövdeyi kuvvetlendirmek amacıyla içerisine demir çubuktan yapılmış kafes

yerleştirilmiştir. Yapılan araştırmada bu çaplı bir ayna yapma imkanı

bulunmadığından güneş ışınlarının toplanması için düzlem parça aynalar

kullanılmıştır. Şekil 3.17’ de görüldüğü gibi dört kademeli bir küreden oluşmaktadır.

Bu küre alt kısmından kesilmiş ve motorun ısıtıcısı buradan kollektörün içerisine

yerleştirilmiştir. Kollektörün çapı 1.6 metre olup toplam alıcı yüzeyi 2m2

civarındadır. Yaz aylarında güneşin etkili olduğu saatlerde birm alana düşen güneş

enerjisi miktarı 750 Watt/m2 civarında olup, ayna verimi de %95 olarak belirlenmiş

ve kollektörün topladığı enerji miktarı da 1,4 KW civarındadır. Güneş ışınlarının

Stirling motoru ısıtıcısına odaklanmasından kısa bir süre sonra ısıtıcı yüzey sıcaklığı

750 °C civarına ulaşmaktadır (OBİTET, 2007).

22

3.5. Yoğunlaştırıcı Güneş Enerjisi Sistemleri

Güneş enerjisi uygulamalarında düzlemsel güneş kollektör sistemlerinin yanı sıra

daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak için yoğunlaştırıcı kollektör sistemleri

kullanılmaktadır. Düzlemsel güneş kollektörleri için kullanılan kavram ve tarifler,

yoğunlaştırıcı kollektörler için de geçerlidir. Bununla birlikte yoğunlaştırıcı kollektör

teknolojisinin daha karmaşık olması nedeniyle, yeni tariflerin yapılması gereklidir

(EİE, 2007).

Kollektörlerde güneş enerjisinin düştüğü net alana "açıklık alanı" ve güneş

enerjisinin yutularak ısı enerjisine dönüştürüldüğü yüzeye "alıcı yüzey" denir.

Düzlemsel güneş kollektörlerinde açıklık alanı ile alıcı yüzey alanı birbirine eşittir.

Yoğunlaştırıcı kollektörlerde ise güneş enerjisi, alıcı yüzeye gelmeden önce optik

olarak yoğunlaştırıldığı için alıcı yüzey, açıklık alanından daha küçük olmaktadır

(EİE, 2007).

Güneş enerjisini yoğunlaştıran kollektörlerde en önemli kavramlardan biri

"yoğunlaştırma oranı" dır. Yoğunlaştırma oranı; açıklık alanının alıcı yüzey alanına

oranı şeklinde tarif edilir. Yoğunlaştırma oranı, iki boyutlu yoğunlaştırıcılarda

(parabolik oluk) 300, üç boyutlu yoğunlaştırıcılarda (parabolik çanak) 40000

mertebesindedir (EİE, 2007).

Bu tür kollektörlerde güneş enerjisi, yansıtıcı veya ışın kırıcı yüzeyler yardımı ile

doğrusal ya da noktasal olarak yoğunlaştırılabilir (EİE, 2007).

3.5.1. Doğrusal Yoğunlaştırıcılar

Parabolik oluk kollektörler, doğrusal yoğunlaştırma yapan ve kesiti parabolik olan

dizilerden oluşur. Oluğun iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneş enerjisini

paraboliğin odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah bir absorban boruya

yansıtır (EİE, 2007).

23

Orta derecede sıcaklık isteyen uygulamalarda kullanılan bu sistemlerde, güneş

enerjisi bir doğru üzerinde yoğunlaştırılacağından tek boyutlu hareket ile güneşi

izlemek yeterlidir (EİE, 2007).

Şekil 3.18. Doğrusal yoğunlaştırıcı kolektör (EİE, 2007)

3.5.2. Noktasal Yoğunlaştırıcılar

İki boyutta güneşi izleyip noktasal yoğunlaştırma yapan ve daha yüksek sıcaklıklara

ulaşan bu tür sistemler, parabolik çanak ve merkezi alıcı olmak üzere iki gruba

ayrılır.

Parabolik çanak kollektörler iki eksende güneşi takip ederek sürekli olarak güneşi

odak noktasına yoğunlaştırırlar (EİE, 2007).

Şekil 3.19. Parabolik çanak kolektörler (EİE, 2007)

24

Merkezi alıcı sistemde, tek tek odaklama yapan ve heliostat adı verilen düzlemsel

aynalardan oluşan bir alan, güneş enerjisini, bir kule üzerine monte edilmiş ve alıcı

denilen ısı eşanjörüne yansıtır. Heliostatlar bilgisayar tarafından kontrol edilerek,

alıcının devamlı güneş alması sağlanır (EİE, 2007).

Şekil 3.20. Solar I merkezi alıcılı güneş ısıl elektrik santralı (EİE, 2007)

3.6. Güneş Bacaları

Bu yöntemde güneşin ısı etkisinden dolayı oluşan hava hareketinden yararlanılarak

elektrik üretilir. Güneşe maruz bırakılan şeffaf malzemeyle kaplı bir yapının içindeki

toprak ve hava, çevre sıcaklığından daha çok ısınacaktır. Isınan hava yükseleceği

için, çatı eğimli yapılıp, hava akışı çok yüksek bir bacaya yönlendirilirse baca içinde

15 m/sn hızda hava akışı-rüzgar oluşacaktır. Baca girişine yerleştirilecek yatay

rüzgar türbini bu rüzgarı elektriğe çevirecektir. Bir tesisin gücü 30-100 MW arasında

olabilir. Deneysel bir kaç sistem dışında uygulaması yoktur (EİE, 2007).

3.7. Termoelektrik Güç Üretimi

Termoelektrik güç üretimi ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüşme şeklidir. Başka

bir deyişle sıcak ve soğuk yüzeyler arasında meydana gelen sıcaklığa bağlı olarak

kaynaklanan ısının elektrik enerjisine dönüşümüdür.

25

Aşağıdaki şekil 3.21’de N tipi ve P tipi yarı iletkenlerinden oluşan örnek bir

termoelektrik güç üretimi modülü gösterilmiştir. Bu birimin bir yüzü düşük sıcaklığa

bir yüzü ise düşük sıcaklığa maruz kaldığında sıcak taraftan soğuk yüzeyin olduğu

yere doğru bir ısı akışı meydana gelecektir. Başka bir deyişle ısı enerjisi sıcak

taraftan soğuk tarafa akacaktır. Bu noktada elementin arasına doğru akan ısı

enerjisinde herhangi bir enerji kaybı olmayacaktır. Çünkü bu enerji elektrik

enerjisine dönüşecektir (Fujitaka, 2005).

Şekil 3.21. Termoelektrik modülü (Fujitaka, 2005)

Termoelektrik güç temiz enerji kaynağıdır. Fosil fuelleri veya radyoaktif

izotoplardan oluşmaz. Sadece sıcaklık farkından enerji üretmektedir.

Isı kaynağı doğaldır(güneş gibi) veya insan kaynaklıdır (endüstriyel atık ısı, otomobil

atık ısısı gibi).

Birkaç dereceden kaynaklanan ısı farkından bile küçük çapta işe yarayan güç elde

edilebilir.

Termoelektrik güç üretim modülleri taşınması kolay ve uzun ömürlü malzemelerdir

(Fujitaka, 2005).

26

3.7.1. Termoelektrik Malzemeler Bir termoelektrik malzeme her iki termal ve elektrik etkilerini içine alan bir devre

üzerinde ısı enerjisini elektrik enerjisine veya elektrik enerjisini bir sıcaklık meyline

dönüştüren modüllerdir (Adams, 2001).

Termoelektrik malzemeler katı halde bulunurlar (Adams, 2001).

Termoelektrik modüller bir DA güç kaynağı tarafından çalıştırılabilen; küçük güçlü

ses yapmayan elementlerdir. 200.000 saat aralıksız çalışabilmektedirler. Çalıştıkları

zaman ısının emildiği yüzey sıcak, diğer tarafı ısının serbest bırakıldığı yüzey ise

soğuk olur. Termoelektrik malzemeler genelde sıcaklık ölçümü için (termokupl gibi)

veya elektriksel güç üretimi için kullanılırlar (Adams, 2001).

Termoelektrik malzemeler oldukça avantajlıdırlar. Çünkü güvenilir, ağırlıkları hafif,

küçük, ses yapmaz ve ucuzdurlar (Adams, 2001).

Onlarca termoelement, elektriksel olarak seri, termal olarak paralel bağlanarak çeşitli

amaçlar için çeşitli büyüklüklerde termoelektrik modüller elde edilmektedir.

Termoelektrik modüller, hareketli parçası olmayan küçük birer ısı pompasıdırlar.

Termoelektrik modüller genelde alan sınırlamasının olduğu, güvenilirliğin önemli

olduğu ve zararlı soğutucu gazların kullanılmasının istenmediği ortamlarda tercih

edilirler. Termoelektrik soğutucu, DA gerilimle çalışmakla beraber akım yönünün

değiştirilmesiyle soğutma veya ısıtma rejimine kolayca geçebilmektedir (Yavuz ve

Ahıska, 2006).

Bulunduğu ortamlarda konvansiyonel soğutmalar için son derece uygun, hassas ve

küçüktürler. Termoelektrik malzemeler kompressör tabanlı sistemlerin

uygulanamadığı soğutma işlemlerinde kullanılabilmektedirler (Adams, 2001).

27

3.7.2. Termokupllar

Termokupllar (ısıl çift), geniş bir şekilde kullanılan sıcaklık ölçüm araçlarıdır. Ucuz

ve değiştirilebilirdirler, standart bağlantı noktaları vardır. Çeşitli tipler ile -200 °C’

den +2300 °C’ ye kadar geniş bir sıcaklık aralığında ölçüm yapabilirler. Temel

sınırlamaları kesinliktir ki bunun sonucu olarak 1 °C’ den daha küçük ölçüm

hatalarına erişmek zor olabilir (Ordel, 2007).

Termokupllar, farklı iki metal alaşımın uçlarının birbiri ile kaynaklanması sonucu

elde edilir. Kaynatılan nokta sıcak nokta, açık kalan iki uç soğuk nokta veya referans

nokta olarak adlandırılır. Bu iki nokta arasındaki sıcaklık farkına orantılı olarak

oluşan ve termoelektrik voltaj ya da Seebeck voltajı da denen (1821’de bu etkiyi

keşfeden Estonyalı fizikçi Thomas Seebeck’in ismine atfen) mV seviyelerindeki bir

gerilimin varlığı termokuplların sıcaklık ölçümünde geniş bir şekilde kullanılmasını

sağlamıştır. Bu gerilim günümüzde kullanılan metal alaşımların türlerine göre 1 °C

başına 1 ile 70 µV (mikro volt) düzeylerinde olmaktadır (Ordel, 2007).

Termokupllarla ilgili bir önemli nokta da, termokuplların belli bir noktadaki kesin

sıcaklığı değil, iki nokta arasındaki sıcaklık farkını ölçmeleridir (Ordel, 2007).

Termokupllar, içinde bulundukları fiziksel ortamın (proses) özellikleri göz önüne

alınarak özel koruyucu kılıf içerisine yerleştirilir. Koruyucu kılıflar da yine fiziksel

ortamın özelliklerine göre farklı maddelerden yapılmaktadır. Eleman telleri de iki

farklı kutupta yer aldığından yalıtımları seramik izolatörlerle sağlanır (Ordel, 2007).

Termokupllarda oluşan gerilim değeri çok küçük olduğundan 50-60Hz’lik güç

kaynakları gibi cihazların oluşturduğu çevresel gürültü (noise) ölçülen değerleri

etkileyebilir. Bu durum göz önüne alınarak ölçümler değerlendirilmelidir (Ordel,

2007).

28

Termokupllardan elde edilen ve sıcaklık ölçümünde kullanılan sinyaller lineer

değildir. Bu nedenle analog ya da sayısal ölçüm yapan cihazlarda kullanılacak

sinyaller lineerize edilmelidir (Ordel, 2007).

Şekil-3.22. Lineerize edilmiş termokupple sinyaller(Ordel, 2007)

Geniş sıcaklık aralığını ölçebilmeleri, sağlamlıkları ve kolay kullanılabilirlikleri

sayesinde endüstride geniş şekilde kullanılan termokuplların seçiminde aşağıdaki

kriterler göz önüne alınmalıdır:

•Sıcaklık aralığı

• Termokuplun yâda koruyucu kılıf malzemesinin kimyasal maddelere karşı

dayanıklılığı

•Aşınmaya veya titreşimlere olan dirençleri

• Kurulum gereksinimleri (var olan bir cihazla uyumluluk gerekebilir, var olan

mekanik yapı dalma boyunu, kılıf çapını vb. belirleyebilir) (Ordel, 2007)

3.7.3. Termistörler (Terminstans)

Çevreden aldığı ısı veya içinden geçen akımın oluşturduğu ısı sonucu, sıcaklığının

değişimi-ne bağlı olarak, direnci değişen elamandır. Kısaca, sıcağa duyarlı direnç

olarak tanımlanabilir.

29

Termistörler, sıcaklığa bağlı olarak, direncinin artması veya azalması özelliğine göre

iki ana gruba ayrılırlar. Termistörler sıcaklık sabitine göre ikiye ayrılırlar.

Pozitif sıcaklık sabitine sahip dirençler (PTC).

Negatif sıcaklık sabitine sahip dirençler (NTC).

3.7.3.1. PTC Dirençler

Pozitif sıcaklık sabitine (PTC) sahip dirençler ısındığı zaman, direnç değeri büyür.

Metaller, özellikle de baryum titamat ve fungsten bu özelliğe sahiptir. Çok değişik

kullanım alanları vardır.

Örneğin: Röleye paralel bağlanan PTC direnç rölenin gecikmeli çekmesini sağlar.

Florasan lambalarda da starter yerine PTC direnç kullanılabilmektedir (Silisyum.net,

2007).

3.7.3.2. NTC Dirençler

NTC dirençler, ısındığı zaman direnç değerleri düşer, Germanyum, Silikon, ve metal

oksitler gibi maddelerden üretilir.

NTC Termistörünün örnek kullanım kullanım alanları aşağıda verilmiştir

Motor ve transformatör gibi aşırı ısınması istenmeyen sistemlere yerleştirilen NTC

termistörün direnci fazla ısınmadan dolayı küçülen bir alarm ve koruma devresini

harekete geçirir.

Bir su deposunda seviye kontrolü için yerleştirilen NTC direnci su seviyesi düşünce,

ısınarak pompa devresini çalıştırır.

Bir motora seri bağlanan NTC direnç önce küçük akım çekerek güvenli yol almasını

sağlar.

30

Röleye seri bağlanan NTC direnç rölenin gecikmeli çalışmasını sağlar (Silisyum.net,

2007).

3.7.4. Peltier Element

Termoelektrik bir modül olan Peltier Element isi pompası olarak çalışabilir. Bu

sebepten ısıtma ve soğutma için uygundur. Eğer modül doğru akim kaynağı ile

beslenirse modülün sıcak yüzeyinden soğuk yüzeyine doğru bir ısı transferi olacaktır.

Bunun tersine eğer modülün bir yüzeyi ısıya maruz kalırken diğer yüzeyi soğuk

tutulabilirse yani her iki yüzey arası sıcaklık farkı yaratılabilirse, bu seferde

terminallerinden doğru akim elde edilecektir. Yani modül iki yönlü (Reversible)

çalışabilmektedir. Sıcaklık farkı 73 °C ulasan modüller tek konumlu sıcaklık

farkının 100 °C ulaşabilen modüller ise iki durumludur. Şekil 3.23’de Peltier

Element prensip çalışma seması görülmektedir (Douglas, 2002).

Şekil 3.23. Peltier element prensip çalışma şeması (Douglas, 2002)

3.7.4.1. Seeback Effect

Seeback effect sıcaklık farkının direk olarak elektrik enerjisine dönüşmesidir. Bu etki

1821 yılında Alman fizikçi Thomas John Seeback tarafından bulunmuştur. Seeback

iki metal bar arasındaki sıcaklık fakından gerilimi (V) bulmuştur. Çünkü metaller

aralarındaki sıcaklık farkından dolayı bir akımın akışını yaratan manyetik alan etkisi

sağlamaktadır. Bu etki bir gerilimdir. İki metalin veya yarı metalin arasındaki

31

sıcaklık farkından meydana gelen gerilimdir. Bu durum bu iletkenin içerisine sürekli

bir akım akışı sağlayacaktır. Gerilim sıcaklık farkının her bir artışında mikro volt

cinsinden artacaktır (Wikipedia online sözlük, 2007).

Birbirinden farklı iki yarıiletken malzemenin, birbirine seri olarak birleştirilmesi

ile oluşturulan devrede; bileşenlerin farklı sıcaklıklarda tutulmasıyla elektrik

gerilimi oluştuğu görülür. Bu gerilime “seebeck voltajı” denir. Devreden

ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır

(Olgun, 2007).

Şekil 3.24 Seebeck effect prensip çalışma şeması (Wikipedia online sözlük, 2007)

Denklem 3.1.‘de gerilimin denklemi verilmiştir.

(3.1)

SA ve SB seeback katsayılarıdır. t1 ve t2 de metal A ve B’ nin yüzeyindeki

sıcaklıklardır. Seeback katsayıları doğrusal değildirler. İletkenin sıcaklığına

materyaline ve moleküler yapısına bağlıdır. Eğer seebeck sabitleri sıcak ölçümlerine

göre belli bir değerleri var ise gerilim aşağıdaki gibi bir formüllen de belirlenebilir

(Wikipedia online sözlük, 2007). Denklem 3.2. gerilimin bir başka formülü

verilmiştir.

(3.2)

32

S ’ nin değeri 100 µV/ C ’dan büyük olan yarıiletkenlere, termoelektrik yarı

iletkenler denir (Olgun, 2007).

N tipi yarı iletken için S değeri negatif, P tipi yarıiletken için S değeri ise pozitiftir.

Meydana gelen seebeck etki yarı iletkenlerde jeneratör gibi metallerde ise

termokupl veya ısı sensörü gibi kullanılır (Olgun, 2007).

Çizelge 3.3. Bazı Materyallerin Seeback Katsayıları (Olgun, 2007)

MATERIAL SEEBACK

SABİTİ MATERIAL SEEBACK

SABİTİ MATERIAL SEEBACK SABİTİ

Aluminum 3.5 Gold 6.5 Rhodium 6 Antimony 47 Iron 19 Selenium 900 Bismuth -72 Lead 4 Silicon 440 Cadmium 7.5 Mercury 0.6 Silver 6.5 Carbon 3 Nichrome 25 Sodium -2

Constantan -35 Nickel -15 Tantalum 4.5 Copper 6.5 Platinum 0 Tellurium 500

Germanium 300 Potassium -9 Tungsten 7.5

3.7.4.2. Peltier Effect

Peltier effect, seeback effectin tam tersidir. Burada da gerilim farklarından ısı elde

edilmektedir.

İki farklı metal veya bir yarı iletken arasında bir akım akışı olduğunda meydan gelir.

Bir iletkenden diğerine akım sürülür. İletkenlerden biri soğurken diğeri ısınır. Sonuç

olarak bu etki termoelektrik soğutma amacıyla kullanılır. Bu etki Seeback’ ten 13 yıl

sonra 1834 yılında John Peltier tarafından bulunmuştur (Wikipedia online sözlük,

2007).

33

Şekil 3.25. Peltier effect prensip çalışma şeması (Wikipedia online sözlük, 2007)

Şekle göre bir akım akışı meydana geldiği zaman t2’nin olduğu yerde ısı değişimi

meydana gelir. t1’in olduğu yerde ise soğuma. Isı aşağıdaki uç nokta tarafından

emilmeye başlar(Wikipedia online sözlük, 2007). Denklem 3.3.’de elde edilen ısının

denklemi verilmiştir

(3.3)

Bütün ısıl çiftlerin sabiti ΠAB’dir. ΠA ve ΠB materyallerin peltier sabitleridir. P tipi

silikon pozitif peltier sabitine sahip iken N tipi silikon negatif peltier sabitine

sahiptir.

Şekil 3.26. bir ucu ısıtılan termoelektrik malzemenin diğer ucu botsa bırakıldığı

zaman oluşan sıcaklık farkından ötürü bir potansiyel fark oluşarak gecen akim

ampermetreden okunabilmektedir.

Şekil 3.26. Peltier element prensip çalışma şeması (Quick-ohm, 2006).

34

Yukarıda özet olarak verilen Peltier Element kullanılarak yüksek performanslı bir

mikroişlemcinin (Örneğin Pentium Processor) soğutulması işlemi hedeflenmektedir.

Peltier modülün sıcak yüzeyi mikroişlemcinin üst yüzeyine soğuk yüzeyi ise

alüminyum soğutucuya silikon sıcaklık transfer jeli ile tutturularak oluşan sıcaklık

farklılıklarından dolayı elde edilen potansiyel fark ile elektrik fan motorunun

beslenmesi sonucu mikroişlemci termal enerji sayesinde soğutmaya tabii tutulacaktır.

Eğer sıcaklık farkı sonucu potansiyel fark mikroişlemcinin soğumasına yeterli

olmazsa fan motorunun ikinci sargısı dışarıdan beslenerek soğutma işlemi

hızlandırılacaktır ki en azından fan motorunun birinci sargısı için gerekli olan

potansiyel enerji peltier modül tarafından sağlanacak ve enerji tasarrufu yoluna

gidilecektir. Bu projenin önemi daha çok taşınılabilir bilgisayarlarda (Notebook)

bilgisayar pil şarj ömrünü uzatacaktır. Bilgisayar içersinde en çok güç kaybı mekanik

sistemlerde olup bunlardan biriside fan motorlarıdır. Şekil 3.27’ de prototip bir

peltier modül ile yapılmış isi transferinin potansiyel enerjiye çevrilerek fan ile

yapılan soğutma sisteminin resmi verilmiştir (Quick-ohm, 2006).

Şekil 3.27. Peltier modül ve soğutma sistemi (Quick-ohm, 2006)

3.7.5. Termoelektrik Jeneratörler

Termoelektrik Jeneratorler (TEJ) uzun yıllardan beri bilinmesine rağmen, materyal

sınırlılığı ile gerçekleştirilen birçok uygulamada bu teknoloji çok pahalı ve verimsiz

kılınmıştır. TEJ modülleri iki tarafında sıcaklık farkı meydana geldiği zaman elektrik

akımı üreten n tipi ve p tipi yarı iletkenlerden oluşurlar. Yani yarı iletkenin uçlarında

35

meydana gelen sıcaklık farkıyla doğru orantılı olarak elektriksel gerilim meydana

gelmektedir. Bu modüller peltier elementler gibi reversble bir etkiye sahip değildirler

(Gustavo, 2002).

Şekil 3.28. Örnek termoelektrik modülü ve prensip çalışma şeması (Gustavo, 2006)

Derin uzay araştırmalarında radyoaktif tabancalarda meydana gelen ısı TEJ modülü

kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülmektedir Gaz hatlarında gaz yanıcılarında

meydana gelen ısılar da TEJ aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Bu

sistemler etkileyici ve güvenilir sistemlerdir (Gustavo, 2006).

Termoelektrik jeneratörler meydana gelen atık ısının yani herhangi bir sebeple ısıya

dönüşen enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürmektedirler. Böylelikle enerji israfının

önüne geçilmekte ve meydana gelen enerji kayıpları değerlendirilmektedir (Gustavo,

2006).

Şekil 3.29. Termoelektrik jeneratorler ile ısınan soba borusunda 20 wattlık enerji elde edilebilir (Hi-z, 2006)

36

Şekil 3.30. Termoelektrik jeneratorler ile diesel motor eksozundan 1Kw’lık enerji üretilmektedir (Hi-z, 2006) 3.8. USB TC-08 Termokuppll Data Logger

USB TC-08 sekiz termokuppll kanalından oluşan ve sıcaklık ölçümü için dizayn

edilmiş bir kaydedicidir. Bir pc veya dizüstü bilgisayara usb portundan bağlanabilir.

Çalışması için herhangi bir güç kaynağına ihtiyaç yoktur. Gücünü usb portu

üzerinden bilgisayardan alır Geniş sıcaklık ölçüm aralığına sahiptir. -270 ºC’ den

+1820 ºC’ ye kadar sıcaklık ölçümü yapabilir. Tüm bilinen termokuppllar ile

çalışabilir(B,E,J,K,N,R,S,T termokupplları ile çalışır). Otomatik soğuk temas

dengeleme özelliğine sahiptir. Hızlı örnekleme aralığı vardır. Cihaz PicoLog veri

kaydetme yazılımı üzerinden çalışır. Bu yazılımı Windows XP SP2, Windows Vista

ve Windows 7 işletim sistemleri desteklemektedir (Pico Technology, 2009).

Şekil 3.31. USB TC-08 Termokuppll Data Logger (Pico Technology, 2009)

37

3.8.1. PicoLog Veri Kaydetme Yazılımının Kullanımı

Önce program bilgisayara yüklenmeli ve daha sonra bilgisayar yeniden

başlatılmalıdır. USB TC-08 çalıştırılmadan önce bilgisayarın usb portuna bağlantısı

yapılmalıdır. Sonra termokuppllar cihazın termokuppll girişlerine yerleştirilmelidir.

Daha sonra picolog programı çalıştırılmalı ve cihazdaki dataların bilgisayara

kaydedilebilmesi için aşağıdaki adımlar takip edilmelidir (Pico Technology, 2009).

- Picolog kayıt programını çalıştırılır.

- File menüsünden new settings sekmesine tıklanır. Recoding diyalog kutusu belirir.

Şekil 3.32. Recording diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)

- OK butonuna tıklanır. OK butonuna tıklandıktan sonra sampling rate diyalog

kutusu belirir (Pico Technology, 2009).

Şekil 3.33. Sampling Rate diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)

38

Burada sampling interval sekmesinden veri örneklerini alma aralıkları belirlenir.

Maximum number of samples sekmesinden ise kaç adet örnekleme alınacağı

belirlenir. Verilen örnekte saniyede bir adet olmak üzere toplam 500 adet örnekleme

tercih edilmiştir (Pico Technology, 2009).

- Bu pencerede de gerekli ayarlamalar yapıldıktan sonra OK butonuna tıklanır.

Converter Details diyalog kutusu belirir (Pico Technology, 2009).

Şekil 3.34. Converter details diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)

- Converter Type açılır pencere menüsünden USB TC08 seçilir. Cihazın adı ve seri

numarası USB Devices panelinde belirir ve USB enumeration progress çubuğu %100

dolar. Eğer dolma işlemi gerçekleşmezse, sağ taraftaki Refresh butonuna basılır

(Pico Technology, 2009).

- OK butonuna tıklanır. TC08 Channels diyalog kutusu belirir.

39

Şekil 3.35. TC08 diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)

- Kullanılacak olan termokuppll kanalının üzerine fare ile çift tıklanır. Edit TC08

Channel diyalog kutusu belirir (Pico Technology, 2009).

Şekil 3.36. Edit TC08 diyalog kutusu (Pico Technology, 2009)

Thermocouple açılır menüsünden kullanılacak olan termokuppılın türü seçilir. OK

butonuna tıklanır. TC08 Channels diyalog kutusu yeniden belirir. Eğer birden fazla

kanal üzerinden veri almak istiyorsak madde 7 ve madde 8’deki işlemler tekrar edilir.

- OK butonuna tıklanır. Programın ana formunda seçmiş olduğumuz kanal veya

kanallardaki değerler belirir (Pico Technology, 2009).

40

Şekil 3.37. PicoLog programının ana formu (Pico Technology, 2009).

Elde edilen verilerin grafiğinin çizdirilmesi için ana formdaki view graph

butonuna tıklanır. Elde edilen verilerin listelenmesi istenirse ana formdaki View

spreadsheet butonuna tıklanır (Pico Technology, 2009).

Şekil 3.38. PicoLog programında verilerin grafik ve liste pencereleri (Pico

Technology, 2009)

41

4.ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA

4.1. Üç Mercekli Deney

Peltier element ile güneş enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Asıl

amaçlanan şey oluşacak olan sıcaklık farkı ile doğru orantılı olarak elektriksel güç

elde edebilmektir. Peltier elementin sıcak algılaması gereken yüzü alabileceği en

yüksek sıcaklığa, soğuk algılaması gereken yüzü ise alabileceği en düşük sıcaklığa

ulaşması gerekmektedir. Çünkü bu iki yüz arasındaki sıcaklık farkı ne kadar yüksek

olursa peltier element dışarıya o kadar fazla elektrik gücü verebilecektir.

Güneş ışığı ile peltier elementin seeback etkisinden faydalanılarak elektrik enerjisi

üretimi planlanmıştır. Bunun üzerine Şekil 4.1.’deki deney düzeneği oluşturulmuştur.

Şekil 4.1. Üç mercekli deney düzeneğinin önden ve yandan görünüşü.

Sıcak algılayan yüze çabuk ısınabilen bakır parçası tutturulmuştur. Bakır hızlı olarak

ısınmaktadır. Bunun sayesinde hedeflenilen yüksek sıcaklığa ulaşılabilir. Peki, güneş

ışığını bakıra nasıl yansıtılmalıdır ki elde edilmesi gereken sıcaklık en yüksek

potansiyele çıkarabilsin? İşte bu sorun mercek ile çözüme kavuşturulmuştur. Bakır

parçası şekil 4.2. deki gibi merceğin odak noktasına konularak peltier elementin

sıcak yüzünde maksimum sıcaklık elde edilmiştir.

42

Şekil 4.2. Bakır parçanın merceğin odak noktasına yerleştirilmesi

Şekil 4.3. Merceğin odak noktasına yerleştirilen bakır parçasına gelen güneş ışınları

Peltier elementin soğuk olması gereken yüzüne ise alüminyum mekanik parça

konulmuştur. Alüminyum mekanik parçanın arka yüzeyi petek biçiminde ayarlanarak

üzerinde daha az ısı tutması sağlanmıştır. Bu durum, bilgisayarlarda kullanılan bazı

ekran kartlarının arkasında da soğutma amacıyla kullanılmaktadır.

Üç peltier element birbirine seri bağlanmıştır. Böylelikle daha fazla gerilim elde

edilmiştir. Elde edilen gerilim dijital avometre ile sıcak ve soğuk yüzeylerdeki

sıcaklık farkı ise sıcaklık ölçer ile ölçülmüştür.

43

Şekil 4.4. Gerilim ve sıcaklık farkı ölçerler

1 Haziran 2007 tarihinde 13:00 ve 15:00 saatleri arasında gerçekleştirilen deneyde

aşağıdaki gerilim ve sıcaklık fark değerleri gözlemlenmiştir.

Çizelge 4.1. Üç mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim

SAATLER Sıcaklık

Farkı(∆T)°C Çıkış

Gerilimi(Yüksüz)mV

Çıkış Gerilimi(Yüklü)m

V 13:00 7.5 783 547 13:15 12.4 846 670 13:30 13.3 880 700 13:45 13.6 902 703 14:00 16.2 910 722 14:15 16.9 890 702 14:30 17.2 800 616 14:45 15.8 607 480 15:00 14.5 555 410

44

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

1 2 3 4 5 6 7 8 9

sıcaklık farkı

yüksüz gerilim

yüklü gerilim

Şekil 4.5. Üç mercekli düzeneğin gerilim ve sıcaklık fark değerleri grafiği

4.2. Tek Mercekli Deney

Tek mercekli deneyde de üç mercekli deneydeki malzemelere benzer malzemeler

kullanılmıştır. Yine sıcak yüzeyin üzerine bakır soğuk yüzeyin üzerine alüminyum

yerleştirilmiş ve bakırın olduğu iç kısmın etrafı camekan gibi kapatılmıştır. Yalnız ısı

iletiminin daha hızlı gerçekleşmesi için bu sefer daha ince bakır parçası

kullanılmıştır. Tek mercekli deney düzeneğinde TMG-450-0.8-1.0 termoelektrik

modülü kullanılmıştır. Modüle ait karakteristik değerler çizelge 4.2’de verilmiştir.

45

Çizelge 4.2. TMG-450-0.8-1.0’a ait karakteristik değerler (Eruğaslan, 2008)

Sıcak Yüzey

°C

Soğuk Yüzey

°C

Çıkış Gerilimi

(Yüksüz) V

Gerilimi (Yüklü)V

Sıcaklık Farkı (∆T)°C Çıkış Yük Akımı

47.0 25.0 2.68 1.28 22.0 0.059535 58.5 25.5 3.86 2.04 33.0 0.094884 66.1 24.0 5.23 2.53 42.1 0.117674 75.5 25.2 6.36 3.01 50.3 0.140000 85.0 24.6 8.13 3.56 60.4 0.165581 97.1 25.0 9.14 4.24 72.1 0.197209

103.2 24.0 9.82 4.61 79.2 0.214419 116.5 25.1 10.87 5.29 91.4 0.246047 124.7 25.6 11.61 5.76 99.1 0.267907 135.9 24.9 12.93 6.23 111.0 0.289767 144.8 24.6 13.35 6.57 120.2 0.305581 153.1 25.7 14.39 6.80 127.4 0.316279 159.1 25.0 15.20 7.06 134.1 0.328372 169.8 25.0 15.95 7.54 144.8 0.350698 179.5 25.5 16.76 7.78 154.0 0.361860 194.0 25.4 17.03 8.14 168.6 0.378605 204.4 25.2 17.64 8.41 179.2 0.391163 211.2 24.2 18.3 8.61 187.0 0.400465 218.2 25.0 18.76 8.71 193.2 0.405116 225.2 25.2 19.03 8.97 200.0 0.417209

Şekil 4.6. Tek mercekli deney düzeneğin yandan ve alttan görünümü

46

Çizelge 4.3. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim ve sıcaklık fark değerleri

SAATLER Sıcaklık Farkı(∆T)°C

Çıkış Gerilimi(Yüksüz)V

Çıkış Gerilimi(Yüklü)V

15:00 14 0.59 0.52 15:05 15,4 0.61 0.54 15:10 13.2 0.58 0.51 15:15 7,2 0.51 0.47 15:20 9,3 0.54 0.49 15:25 8.9 0.52 0.48 15:30 12,1 0.56 0.51 15:35 12.8 0.56 0.51 15:40 17.7 0.63 0.55 15:45 14,8 0.6 0.53 15:50 13,9 0.59 0.52 15:55 13,5 0.58 0.51 16:00 12,7 0.57 0.51

Gözlemler sonucunda elde edilen elektrik geriliminin ortamlara, ışınım şiddetlerine,

mercek sayısına, peltier elementlerin sayısına ve karakteristik farklarına göre

birbirinden çok farklı değerler elde edilmiştir. Soğuk ve sıcak yüzeylerde meydana

gelen sıcaklık farkları birbirine yakın olmasına rağmen farklı tipte ve farklı adette

peltier element kullanılmasından dolayı farklı elektrik değerleri elde edilmiştir. Buna

göre üç mercekli sistemde daha fazla elektrik potansiyeli elde edilirken, tek mercekli

sistemde ise daha az elektrik potansiyeli elde edilmiştir. Bu karşılaştırmalar ışığında

Peltier element seçilirken ∆T’si daha düşük sıcaklıklarda daha yüksek elektriksel

potansiyel karakteristiğine sahip bir peltier element seçilirse ve daha fazla sayıda

mercek ve peltier element kullanılırsa daha yüksek elektrik gerilimi elde edilebilir.

4.3. TEP1-1264-1.5 Termoelektrik Modül’ün Karakteristiği

TEP-1264-1.5 termoelektrik modülü Taihuaxing Co. Ltd. firması tarafından

üretilmiştir. Termoelektrik modüle ait özellikleri aşağıda verilmiştir.

_ Boyutlar: 40 mm · 40 mm.

_ Açık devre Gerilimi: 8.6 V.

_ İç direnci: 3Ω

47

_ Eşik yük çıkış gerilimi: 4.2 V.

_ Eşik yük çıkış akımı: 1.4 A.

_ Eşik yük çıkış gücü: 5.9 W.

Gerçekleştirilen deneyde termoelektrik modülün soğuk yüzeyi 40 ºC’ de sabit

tutulmuş ve sıcak yüzeyi sürekli ısıtılmıştır. 6 adet termoelektrik modül şekil 4.7 deki

gibi birbirine seri bağlanarak elde edilebilecek olan akım ve gerilim değerleri

gözlemlenmiştir (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006).

Şekil 4.7. Birbirine seri bağlanmış TEP-1264-1.5’ ler (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)

Şekil 4.8. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği

(Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)

48

Şekil 4.9. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı akım gerilimi grafiği (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)

Şekil 4.10: Soğuk yüzey 40ºC’ de iken yük direncine bağlı çıkış gerilimi grafiği (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)

49

Şekil 4.11. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken akım-gerilim grafiği (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)

Çizelge 4.4. Soğuk yüzey 40ºC’ de iken TEP-1264-1.5’in sıcaklık değişimine bağlı elektriksel değerleri (Eakburanawat ve Boonyaroonate, 2006)

Sıcak Yüzey sıcaklığı Çıkış Gerilimi(V) Yük Akımı(A) İç Direnç(Ω)

90 13 0.55 13.63 100 14,20 0.60 13.67 110 16,50 0.70 13.57 120 18 0.75 14 130 19,80 0.80 14.75 140 21,20 0.85 14.94 150 23,20 0.90 15.78 160 24,90 0.95 16.21 170 26 0.98 16.53 180 27,80 1 17.80

TEP-1264-1.5 ile bölüm 4.1’deki tek mercekli deney düzeneğinde güneş ışığından

faydalanılarak elde edilebilecek elektriksel değerler incelenmiştir. Tek mercekli

deney düzeneğine TMG-450-0.8-1.0’a yerine TEP-1264-1.5 modülü yerleştirilmiştir.

Gözlemler sonucunda aşağıdaki değerler elde edilmiştir.

50

Çizelge 4.5. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim ve sıcaklık değerleri

Sıcak Yüzey °C

Soğuk Yüzey °C

Sıcaklık Farkı (∆T)°C

Çıkış Gerilimi(Yüksüz)

mV

Çıkış Gerilimi(

Yüklü)mV 54,59 40,74 13,842 167 163 55,78 43,22 12,556 181 174 56,37 43,51 12,858 180 175 54,38 43,56 10,819 171 166 55,89 43,44 12,454 179 175 55,71 43,58 12,132 177 172 56,60 44,80 11,798 172 169 57,56 46,43 11,134 169 165 57,31 46,36 10,957 170 167

Şekil 4.12. TEP-1264-1.5 ile tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen sıcaklık değerleri grafiği

Soğuk ve sıcak yüzeyler arasındaki sıcaklık farkları her ne kadar aynı olsa da

TEP-1264-1.5 modülünden elde edilen gerilim TMG-450-0.8-1.0’dan elde edilen

gerilimden daha az olmuştur.

51

4.4 A300 Güneş Pili Karakteristik Değerleri

2004 yılının başlarında Sun Power firması tarafından üretilmiştir. Verimliliği %20

civarındadır.

Şekil 4.13. A300 model güneş pilinin boyutları, önden ve arkadan görünümleri

Aşağıda A300 güneş pilinin karakteristik değerleri verilmiştir.

Açık devre gerilimi: 0.665 V

Kısa devre akımı: 5.75 A

Maksimum güç gerilimi: 0.560 V

Maksimum güç akımı: 5.35 A

Güç: 3.1 W

Verim: %20 (Üstün vd., 2007).

4.5. Güneş pilleri ile Termoelektrik Malzemelerin Karşılaştırılması

· Her ikisi de çevre dostu enerji kaynaklarıdır. Gürültü yapmazlar ve uzun

ömürlüdürler.

· Güneş pilleri sadece güneş ışınımından gelen ısıyı elektrik enerjisine

dönüştürürler. Termoelektrik modüller ise her çeşit atıl ısıyı elektrik enerjisine

52

dönüştürebilirler. Eğer güneş enerjili bir sistemde termoelektrik malzemenin

karekteristiğine uygun sıcaklık farkları elde edilebilirse güneş pillerinden daha

verimli elektrik potansiyeli üretilebilir. Gerçekleştirdiğimiz deney

düzeneklerinde bu durum gözlenememiştir.

· Termoelektrik modüller tek başlarına güneş pillerine oranla daha az yer

kaplarlar. Fakat oluşturmuş olduğumuz deney düzenekleri ile karşılaştırma

yaparsak(tek modül için) güneş pilleri daha az yer kaplarlar. Çünkü

oluşturduğumuz sistemde ideal düzeyde elektrik enerjisi üretebilmek için hacmi

güneş piline göre daha geniş olan mekanikler oluşturulmuştur. Yalnız çok sayıda

termoelektrik modül kullandığımızı düşünürsek kaplayacağı alan bakımından

termoelektrik sistem daha avantajlıdır.

· Her ikisi de hafiftir. Çalışmadaki deney düzeneklerimiz ile karşılaştırılırsa güneş

pili daha hafiftir.

· A300 güneş pilinden elde edilebilecek maksimum güç miktarı ve gerilim miktarı

bir TEP-1264-1.5 ve TMG-450-0.8-1.0 termoelektrik modüllerinden daha az

iken akım değeri ise daha fazladır. Deney düzeneklerimiz ile karşılaştırma

yaparsak A300 güneş pili akım ve güç bakımından daha avantajlıdır.

Çizelge 4.6. Termoelektrik modüllerin ve güneş pilin elektriksel karakteristiklerinin karşılaştırılması

Maksimum A300 TEP-1264-1.5 TMG-450-0.8-1.0 Akım(A) 5.35 1.4 0.41

Gerilim(V) 0.560 4.2 9 Güç(W) 3.1 5.9 3.6

· Fiyat olarak a300 güneş pili daha ucuzdur. Güneş enerjisiyle geliştirilen

sistemler termoelektrik modüllerle gerçekleştirilen sistemlere göre daha

ucuzdurlar. Hem a300 güneş pili hem de deneylerde kullanıla termoelektrik

malzemeler ülkemizde mevcut değildir.

53

4.6. Dokuz Mercekli Deney

Üç mercekli ve tek mercekli deney düzeneklerinde olduğu gibi bu deney

düzeneğinde de termoelektrik modülün üst yüzeyine bakır alt yüzeyine alüminyum

gelecek şekilde hazırlanmıştır. Alüminyumun alt kısmı yine petek soğutucular

yerleştirilmiştir. Bu deneyde 9 adet TEP-1264-1.5 termoelektrik modülü

kullanılmıştır. Mercekler mikaların içerisine yerleştirilmiş ve alüminyum lamalara

yatak yapılarak düzeneğe tutturulmuştur. Bu deney düzeneği daha geniş bir alanda

düzenleneceği için alüminyum ve bakır parçaları önceki deneylere oranla daha

büyüktür.

Şekil 4.14. Bakır ve alüminyum levhalar

54

Şekil 4.15. Mika içerisine yerleştirilmiş mercek

Deney düzeneği şekil 4.16’daki gibi oluşturulmuştur. Fakat bu deney düzeneğinde

alüminyum levha ve bakır levha birbirine çok yakın oldukları için düşük düzeylerde

sıcaklık farkı elde edilmiştir. Bunun üzerine sistemden daha fazla verim alabilmek

için yine aynı malzemelerle farklı bir düzenek kurulmuştur. İlk kurulan düzenekte

alüminyum ve bakır birbirine çok yakın olduğu için alüminyum levha ters çevirilerek

yeni bir sistem oluşturulmuştur.

Şekil 4.16. İlk oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği

55

Şekil 4.17. İkinci kez oluşturulan dokuz mercekli deney düzeneği

Bu deney düzeneğinde bakırın dış yüzeyi dışarıdaki havayla sirkulasyona

uğramaması için yalıtkan malzemeyle kaplanmıştır. Bakırın iç yüzeyindeki sıcaklık

değerinin korunması içinde etrafı camlarla kapatılmıştır. Deneyde bakırın sağ, sol ve

orta yüzeylerine birer tana ve alüminyumun altında olan soğutucuya da bir tane

olmak üzere dört adet K tipi termokapll yerleştirilerek sıcaklık değerleri data logger

aracılığıyla bilgisayardan takip edilmiştir. Elde edilen sıcaklık ve gerilim değerleri

Çizelge 4.7.’ de gösterilmiştir.

Çizelge 4.7. Tek mercekli düzenekteki gözlemler sonucunda elde edilen gerilim ve sıcaklık fark değerleri

Sıcak Yüzey °C

Soğuk Yüzey °C

Sıcaklık Farkı (∆T)°C

Çıkış Gerilimi(Yüksüz)

mV

Çıkış Gerilimi(Yüklü)m

V 57,538 41,41 16,131 725 715 58,911 42,41 16,502 730 719 59,510 41,49 18,018 806 798 56,878 42,73 14,149 653 640 53,772 41,96 11,817 574 560 53,865 41,55 12,315 587 575 53,828 41,41 12,422 587 575

56

5. SONUÇ

Bu çalışmada noktasal yoğunlaştırıcı ve termoelektrik modüller bir arada kullanılarak

güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimi amaçlanmıştır. Elektrik enerjisi üretimi

için kullanılan termoelektrik modüllerin sıcak ve soğuk yüzeyleri arasındaki sıcaklık

farkı ve buna bağlı olarak artan veya azalan gerilim miktarı gözlemlenmiştir. Bu

gözlemlere göre sıcak ve soğuk yüzeyler arasındaki sıcaklık farkı arttıkça gerilim

artmış, sıcaklık farkı azaldıkça gerilim düşmüştür. Bu doğrultuda üç mercekli, tek

mercekli ve dokuz mercekli olmak üzere üç adet deney düzeneği kurulmuştur. Deney

düzeneklerinde farklı termoelektrik modüller farklı mercekler kullanılarak değişik

metotlar denenmiştir. Deney düzeneklerinden elde edilen elektriksel değerler

kullanılabilir düzeyde değildirler. Kullanılabilir olamamalarının sebebi sıcak ve

soğuk yüzeylerdeki sıcaklık farklılıklarının yeterli olmamasıdır.

Deneylerde elde edilen sonuçlara göre bu sistemler güneş pilleriyle yarışabilecek

seviyede değildirler. Böyle bir sistemle ihtiyaç duyulan elektriksel değerlerin elde

edilebilmesi için mekanik tasarımında değişiklikler yapılmalıdır. Bunlardan bir tanesi

güneş takibi olabilir. Güneş takibi ile merceklerin odaklarının sürekli termoelektrik

modüllerin sıcak yüzeylerine getirilmesi durumunda sıcak yüzey daha fazla ısıtılarak

sıcaklık farkı artırılabilir.

Çalışmada yeterli düzeyde elektrik elde edilemese de bir noktasal yoğunlaştırıcı ile

güneş ışınımı ve termoelektrik malzemelerle elektrik enerjisi üretimiyle ilgili

gözlemler gerçekleştirilmiş ve örnekler oluşturulmuştur.

57

6.KAYNAKLAR Ahıska, R., Ahıska, K., 2007. Esnek _ki Fazlı TE CPU Sogutucusu. Gazi

Üniversitesi Mühendislik Mimarlı Fakültesi Dergisi, 22(2), 347-351. Adams J. Thermoelectric Power Generation and Refrigeration Systems ME 372

Instructor: (march 2001). Basic explanation about Peltier Elements, 2006 internet sayfası http://www.quick-

ohm-thermoelectric.com/peltier/basicexplanation%20.html Erisim Tarihi : 01.06.2007.

Bernard, A.M., Spano, L.A., 1966. Thermoelectric Powered Heating and Ventilating

System. Electron Devices Meeting, 1966 International, 12, 26 – 26. Douglas M. C., (2002) Editor in Chief, “Process Instruments and Control Handbook”

McGraw Hill ISBN:0-07-012439-1 Eakburanawat, J., Boonyaroonate I., 2006. Development of a Thermoelectric

Battery-Charger with Microcontroller-based Maximum Power Point Tracking Technique. Applied Energy, 83(7), 687-704.

Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü internet sayfası, 2006

http://www.eie.gov.tr/ Erisim Tarihi : 06.02.2007 Eruğaslan E. Termal Elektrik Kaynaklı Kablosuz Yüksek Sıcaklık Duyum Devresi

Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektronik-Bilgisayar Eğitimi ABD, Yüksek Lisans Tezi, (Şubat 2008)

Gustavo J. R. Thermoelectric Recovery of Exhaust Waste Energy (2002)

http://www.swri.org/3pubs/IRD2002/03-9322.htm Olgun B. Termoelektrik Soğutma, 2007 Peltier Lab. Dokümanı Yıldız Teknik

Üniversitesi Makine Mühendislği Bölümü internet sayfası, http://www.yildiz.edu.tr/~bolgun/termoelektrik.pdf Erisim Tarihi: 31.05.2007

Özdemir Ş. Fotovoltaik Sistemler İçin Mikrodenetleyicili En Yüksek Güç Noktasını

İzleyen Bir Konvertörün Gerçekleştirilmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Eğitimi ABD,Yüksek Lisans Tezi,(Aralık 2007)

Peltier-Seeback Effect, Wikipedia Online Sözlük, 2007 internet sayfası,

http://en.wikipedia.org/wiki/Peltier-Seebeck_effect Erisim Tarihi 01.06.2007.

Rowe M. D.,1999 Thermoelectrics, An Environmentally-Friendly Source Of

Electrical Power Renewable Energy 16 (1999) 1251-1256

58

Rowe M. D., Simon G. M., Williams G.K., Aoune A., Matsuura K., Kuznetsov

V.L., Fu L. W. Thermoelectric Recovery of Waste Heat - Case Studies, 2006 Striling Motoru, Gazi Üniversitesi Otomotiv Bilim ve Teknoloji Topluluğu

(OBİTET) internet sayfası,2007http://www.obitet.gazi.edu.tr/obitet/ Stirling _Motoru/stiring.htm Erisim Tarihi : 01.06.2007.

Stirling Motoru, Wikipedia Online Sözlük, 2007 http://tr.wikipedia.org/ wiki/

Stirling_motoru Erisim Tarihi : 01.06.2007. Termistörler, Elektronik Eğitim internet sayfası, 2007 http://www.silisyum.net/ htm/

pasif_devre_elemanlari/termistor.htm Erisim Tarihi : 01.06.2007. Termokupllar, Ordel Ltd. Şti. İnternet sayfası.2007 http://www.ordel.com.tr/ page.

php ?id=30. Erisim Tarihi : 01.06.2007. Thermoelectric Power, 2007 internet sayfası http://www.fujitaka.com/pub/peltier/

english/ thermoelectric power.html Erisim Tarihi : 01.06.2007. Thin Film Thermoelectric Generator Systems, 2002. internet sayfası.

http://www.dtsgenerator.com/ Erisim Tarihi : 02.02.2006. USB TC-08 Thermocouple Data Logger, Pico Technology 2009 internet sayfası

http://www.picotech.com/thermocouple.html Erisim Tarihi : 04.04.2009. USB TC-08 Temperature Logger, Pico Technology 2009 internet sayfası

http://www.picotech.com/document/pdf/usbtc08_en.pdf Erisim Tarihi : 04.04.2009.

Üstün Ö, Yılmaz M, Tüysüz A, Titiz F.K.,Şahin A.,Tuncay R.N.,Gökçe C.,

Karakaya U., Yıldırım A. Güneş Enerjili Yarış Aracının Elektrik Tasarım Ölçütlerinin, Yol Performans Simülasyonun ve Enerji Yönetim Sisteminin Geliştirilmesi http://www.emo.org.tr/ekler/43739bba7cdb577_ek.pdf Erişim Tarihi:30.07.2009

Waste Heat Recovery Systems, 2006 internet sayfası http://www.hi-z.com/Hi-

Z.Brochure.2006.pdf Erişim Tarihi: 05.12.2008 Varınca K. B. & Gönüllü M. T. ,Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu

Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma. UGHEK’2006: I. Ulusal Güneş Ve Hidrojen Enerjisi Kongresi (21-23 HAZİRAN 2006) , ESOGÜ, ESKİŞEHİR

Yavuz A.H., Ahıska, R., Hakim M., 2006. Bulanık Mantık Kontrollü Termoelektrik

Beyin Soğutucusu.ELECO’2006 Elektrik – Elektronik – Bilgisayar Mühendisliği sempozyumu, B8-07, Bursa.

59

ÖZGEÇMİŞ

Adı Soyadı: Muhammet Murat YAMAN

Doğum Yeri ve Yılı: Karaman - 1983

Medeni Hali: Bekar

Yabancı Dili: İngilizce

Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)

Lise : Konya Karatay Cemil Keleşoğlu Lisesi(Y.D.A), 1997-2001

Lisans : Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Bilgisayar

Sistemleri Öğretmenliği, 2002-2006

Yüksek Lisans : Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Elektronik-Bilgisayar Eğitimi Bölümü, 2006-….

Çalıstığı Kurum / Kurumlar ve Yıl:

Konya Ilgın Ticaret Meslek Lisesi, Bilişim Teknolojileri Öğretmeni, 2007-……:

Selçuk Üni. Ilgın MYO, Misafir Öğretim Görevlisi, 2007-2008

Selçuk Üni. Ilgın MYO, Misafir Öğretim Görevlisi, 2008-2009

Yayınları (SCI ve diğer makaleler)

1. Albayrak M., Yaman M. M., Geçitlioğlu Y. "İki Ayaklı Yürüyen Robot Prototipi

Üzerinde Yazılım Geliştirme ve Hareket Öğretme" VI.Ulusal Öğrenci

Sempozyumu,30 Mayıs 2006, Isparta

2. Albayrak, M., Albayrak, Ü., Yaman, M.M., "KHR-1 İki Ayaklı Robot Mekaniği

Üzerinde Hareket Öğretme Yazılımı Geliştirilmesi", Teknolojik Araştırmalar:

MTED 2006 (4) 57-62, ISSN:1304-4141.

3. Yaman M.M., Küçükkömürler A. “Geri Kazanımlı Fren Sistemli PWM (Palse

Width Modulation) DC (Direct Current) Motor Kontrolü” Ulusal Mühendislik

ve Eğitim Sempozyumu, 20 Haziran 2007, Kocaeli.