İÇİNDEKİLER

Giriş .......................................................................................................................................................... 3

1- Seebeck Etkisi .............................................................................................................................. 4

2- Peltier Etkisi ................................................................................................................................. 5

3- Thomson Etkisi ............................................................................................................................ 7

Çalışma ve Modelleme Prensibi .............................................................................................................. 8

Yarı İletken Elemanların Isı Kontrolü ..................................................................................................... 11

Termoelektrik Modülün Jeneratör Olarak Kullanılması ........................................................................ 12

Termoelektrik Modülde Güç Üretim Hesaplamaları ............................................................................. 15

Termoelektrik Jeneratör Donanımı ....................................................................................................... 17

TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI ....................................................... 19

TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN DİĞER KULLANIM ALANLARI ............................................................... 23

1- Termoelektrik Modüllerin Ölçüm Alanında Kullanımları ........................................................... 23

1.1 Termoelektrik Modüllerin Mikrofilm Kalorimetrede Kullanımı ............................................... 23

1.2 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Termometresinde Kullanımı ................................ 23

1.3 Termoelektrik Modüllerin Siyah Gövdelerde Radyasyon Standardı İçin Kullanımı ................. 23

1.4 Termoelektrik Modüllerin Fototüp (photomultiplier) gövdesinde Kullanımı.......................... 23

1.5 Termoelektrik Modüllerin Yakıtların Nemini Alan Ünite Kullanılması ..................................... 24

1.6 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Referans Odasında Kullanımı .............................. 24

1.7 Termoelektrik Modüllerin Yağ (Petrol) Bulanıklık Test Cihazında Kullanımı ........................... 24

1.8 Termoelektrik Modüllerin Kırılım Ölçer (refractometer) Olarak Kullanımı ............................. 24

2- Termoelektrik Modüllerin Biyo-Teknoloji Alanında Kullanımı .................................................. 24

2.1 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktivite Monitörlü Kalorimetrede Kullanımı .......................... 24

2.2 Termoelektrik Modüllerin DNA Düzen Reaktöründe Kullanılması .......................................... 25

2.3 Termoelektrik Modüllerin Spektrometre Hücre Termo Programcısı Olarak Kullanımı ........... 25

2.4 Termoelektrik Modüllerin Programlanabilir Termal Kontrolörde Kullanımı ........................... 25

2.5 Termoelektrik Modüllerin Tıp Kiti Soğutucu Olarak Kullanımı ................................................ 25

2.6 Termoelektrik Modüllerin Fotosentez Analizerde Kullanımı ................................................... 25

2.7 Termoelektrik Modüllerin Osmometrede Kullanımı ............................................................... 25

2.8 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktif Analizer İçin Termoprogramcısı Olarak .......................... 26

Kullanımı ........................................................................................................................................ 26

3- Termoelektrik Modülün Medikal Alanda Kullanımı ...................................................................... 26

3.1 Termoelektrik Modüllerin Sıcak Soğuk Stimülatöründe Kullanımı .......................................... 26

3.2 Termoelektrik Modüllerin Cryo-Cerrahi Destroyerde Kullanımı ............................................. 26

3.3 Termoelektrik Modüllerin Mikroskop Safhası Soğutucusunda Kullanımı ............................... 26

3.4 Termoelektrik Modüllerin Mikrotome Safhası Soğutucusu Olarak Kullanımı ......................... 26

3.5 Termoelektrik Modüllerin Portatif Mini Soğutma Kutusu (İnsilün)’da Kullanımı .................... 27

3.6 Termoelektrik Modüllerin Diş Dolgusu İçin Soğuk Plaka Olarak Kullanımı.............................. 27

3.7 Termoelektril Modüllerin Soğuk Sıcak Tedavi Battaniyesinde Kullanımı ................................ 27

4- Termoelektrik Modülün Endüstriyel Alanda Kullanımı ............................................................. 27

4.1 Yarı İletken Cihaz Üretimi İçin Dopant Soğutucu ..................................................................... 27

4.2 Termoelektrik Modül ile Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Silisyum Katman Soğutma Plakası

....................................................................................................................................................... 27

4.3 Termoelektrik Modüllerin Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Kimyasal Sirkülasyon Sisteminde

Kullanımı ........................................................................................................................................ 27

5- Termoelektrik Modülün Genel Kullanımı .................................................................................. 28

5.1 Termoelektrik Modüllerin Vakum Pompası Akış Düzenleyicisi Olarak Kullanımı .................... 28

5.2 Termoelektrik Modüllerin Daldırma soğutucusu Olarak Kullanımı ......................................... 28

5.3 Termoelektrik Modüllerin Soğuk plakada Kullanımı ............................................................... 28

5.4 Termoelektrik Modüllerin Sıvı sirkülasyon Cihazında Kullanımı .............................................. 28

5.5 Termoelektrik Modüllerin Havalandırma Kullanımı ................................................................ 28

5.6Termoelektrik Modüllerin Taşınabilir Soğutucusu (piknik kutusu)’da Kullanımı ..................... 29

5.7 Termoelektrik Modüllü Meşrubat Soğutucusu ....................................................................... 29

5.8 Termoelektrik Modüllü Hava Aracı İçme Suyu Soğutucusu .................................................... 29

5.9 Otomobiller İçin Termoelektrik Modüllü Mini Soğutucu (Buzdolabı) ..................................... 29

6- Büyük Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları ................................................................ 29

6.1 ASEA’nın Yapmış Olduğu Termoelektrik Soğutma Sistemi ...................................................... 29

6.2 Termoelektrik Modülün Hava Endüstrisi -Demiryolu Uygulaması .......................................... 29

7- Orta Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları ................................................................... 30

7.1 Amerikan Radyo Şirketi (RCA)’nin Termoelektrik Soğutma Uygulaması ................................. 30

7.2 Carrier Şirketinin Termoelektrik Soğutma Uygulaması ........................................................... 30

7.3 TECA Firmasının Termoelektrik Soğutma Uygulaması ............................................................ 30

7.4 Midwest Araştırma Enstitüsüsün Termoelektrik Soğutma Çalışması ...................................... 31

KAYNAKLAR ........................................................................................................................................... 32

Giriş

Termoelektriksel modüller 1960’lara kadar ticari gelişimi göstermemiş olmasına rağmen,

aslında modern termoelektrik soğutucular üzerindeki fizik kanunlarının temeli 1800’lü yılların

ilk yarısına dayanmaktadır.

Termoelektriğe ilişkin ilk bulgu, 1821 yılında, Alman bilim adamı Thomas Seebeck tarafından

ortaya konulan iki farklı tür metalin içerisinde bulunduğu kapalı bir devrede elektrik akımı

dolaştırıldığında, metal jonksiyonlarının iki farklı sıcaklık değeri tepkisini gösterdiği

bulgusudur. Aslında Seebeck bu keşfin temelini fark etmemiştir. Bununla beraber ne yazık ki

süregelen sıcaklık üretiminin, dolaşan elektrik akımı ile aynı etkiyi yarattığını farzetmiştir.

1834’lere gelindiğinde, Fransız saat üreticisi ve aynı zamanda part-time fizikçi olan Jean

Peltier, Seebeck Etkisi’ni araştırırken, elektrik akımının kapalı bir döngüde dolaştığı sırada

termal enerjinin farklı jonksiyonlardan birinde absorbe edilirken, diğerinde deşarj olduğunu

fark ederek, teoriye bambaşka bir bakış açısı getirmiştir. Bundan 20 yıl sonra William

Thomson ( Lord Kelvin olarak da bilinir), Seebeck ve Peltier etkilerini kapsayan ve bunların

ilişkilerini açıklayan bildiri yayımlamıştır. Bununla beraber, o zamanlarda bu öngörülerin hala

daha fazla laboratuar çalışmalarına konu olması gerektiği ve pratik uygulamalardan yoksun

olduğu düşünülüyordu.

1930’larda ise Rus bilim adamları, bazı termoelektrik çalışmaları kullanarak, ülkeleri boyunca

uzak yerleşim yerlerinde kullanılmak üzere güç jenaratörleri kurma girişimi ile araştırmalarına

başladılar. Rusların termoeletrik üzerine yoğunlaşan bu ilgisi nihayetinde dünyanın diğer

ülkelerine de yansıdı ve daha pratik termoelektrik modüllerin gelişimini daha da

yaygınlaştırdı. Bugün daha önceki deneylerde kullanılan farklı metal jonksiyonları yerine,

termoelektrik soğutucularda modern yarı iletken materyaller teknolojisinin kullanımı

sağlanmıştır. Seebeck, Peltier ve Thomson etkileri ile birlikte diğer bulgular da, işlevsel

termoelektrik modülün temellerini oluşturmaktadırlar. (Cairo University, Faculty of

Engineering)

Termoelektrik soğutucular, sıcaklık dengesi, sıcaklık döngüsü veya ortam altında soğutma

gerektiren uygulamalarda kullanılan katı haldeki ısı pompalarıdır. CCD kameralar (charge

coupled device), lazer diyotlar, mikro denetleyiciler, kan analizatörleri ve ayarlanabilir ve

taşınabilir soğutucular gibi bir çok yerde termoelektrik soğutucu ürünleri kullanılırlar. Bu

dökümanda termoelektrik soğutucuların termal ve elektriksel etkilerinin denklemsel ve

pratik teorilerini inceleyeceğiz.

1- Seebeck Etkisi

İki farkı yarıiletken malzemelerin birbirine seri olarak birleştirilerek oluşturulan devrede, farkı

sıcaklıklarda elektrik gerilimi ölçülür. Bu gerilim “ seebeck voltaji ” olarak da isimlendirilir.

Devreden ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru

orantılıdır.

İki farkı yarıiletken malzemeden oluşturulan devrede ölçülen voltaj;

V = α ΔT

V: Devreden ölçülen Voltaj ( Volt )

ΔT= T2 – T1 Yarıiletken malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ( 0

C )

α= α2 - α1 Seebeck katsayısı veya termo emk ( V / 0

C) dır.

α ’nın değeri; devreyi oluşturan malzemelerin özelliklerine bağlıdır. Örneğin bakır konstantan

’dan yapılan bir termokupl için α= 40 μV / 0

C ’dır. Yani her 1 0

C sıcaklık farkı için 40 μV ’luk

voltaj üretir. α ’nın değeri 100 μV / 0

C ’dan büyük olan yarıiletkenlere, termoelektrik

yarıiletkenler denir. N tipi yarıiletken için α değeri negatif, P tipi yarıiletken için α değeri ise

pozitiftir. Meydana gelen seebeck etki yarıiletkenlerde jeneratör gibi, metallerde ise

termokupl veya ısı sensörü gibi kullanılır .

Şekil 1 : Seebeck Voltajının ölçümü

2- Peltier Etkisi

1834 yılında Fransız fizikçi Jean Charles Athanasa Peltier tarafından iki farklı yarıiletken

malzeme üzerinden DC akım geçirilmesi ile akımın hareket ettiği yönde ısı hareketi

oluşmasıyla keşfedilmiştir. Bu olaya Peltier etkisi denilmektedir. Birleştirilen iki farkı

yarıiletken malzemeden oluşturulan devre üzerinden doğru akım geçtiğinde, Jolue ısısı ile

birlikte birleşme noktasından ısı emilirken, diğer birleşme noktasından ısı açığa çıkmaktadır.

Açığa çıkan ısı miktarı, devreden geçirilen doğru akımla doğru orantılıdır;

QP= π I

QP: Birim zamanda transfer edilen ısı miktarı ( W ),

I: Devre üzerinden geçen doğru akım ( A ),

π: Peltier sabiti ( V ) dir.

π= α T

α: Seebeck katsayısı ( V / 0

C),

T: Mutlak sıcaklık’ dır.

QP= α T I

Dışarıdan verilen elektriksel güç, elektronların sistem içinde hareket etmeleri için gerekli

enerjiyi sağlamakta ve böylece hareketlenen elektronlar değişen enerji düzeyleri arasında

ilerlerken ısı transfer etmekte, başka bir deyişle ısı taşımaktadır.

Dışarıdan verilen elektriksel güç arttırılırsa, hareketli elektron sayısı da artacağından soğuk

yüzey ile sıcak yüzey arasındaki ısı transfer miktarı da artacaktır. Eğer akım yönü ters

çevrilirse, bu işlem tersine işleyecek ve sıcak yüzeyle, soğuk yüzey kendi arasında yer

değiştirecektir.

Joule etkisi ve Fourier Etkisi’ den dolayı soğuk yüzey ile sıcak yüzey arasındaki sıcaklık

değişimi aynı oranda olmamaktadır. Devre kararlı hale geldiğinde soğuk yüzeyden

soğurabilen ısı miktarı, QP= α T I eşitliği ile bulunmaktadır. Buna ters yöndeki istenmeyen ısı

kazançları aşağıdaki eşitlikle bulunur.

Q= α TH I –

I

2

R + K ΔT

Q: Birim zamandaki ısı kazancı ( W ),

TH: Sıcak yüzey sıcaklığı ( 0

C ),

TC: Soğuk yüzey sıcaklığı ( 0

C ),

α= α2 - α1, Seebeck katsayısı ( V / 0

C),

I: Devre üzerinden geçen akım şiddeti ( A ),

R= R1 + R2, Elektriksel direnç, ( ohm ),

K= K1 + K2, Isıl iletkenlik ( W / 0

C),

ΔT= TH - TC, Sıcaklık farkı ( 0

C ) dır.

Burada kullanılan yarıiletken malzemelerin elektriksel direnci aşağıdaki formül ile hesaplanır.

ρ: Malzemenin elektriksel iletkenliği (Ω cm ),

L: Malzemenin uzunluğu (m ),

A: Malzemenin alanı ( m2

) dır.

Kullanılan yarıiletken ısıl iletkenliği ise aşağıdaki formül ile hesaplanır:

λ: Malzemenin iletkenlik katsayısı ( W/m 0

C ) dır . Akımın yönüne göre birleşme noktalarının

birinde ısınma, diğerinde de soğuma meydana gelmektedir.

Şekil 2: Peltier Etkisi Devresi

3- Thomson Etkisi

1856 yılında bulunan Thomson etkisi şöyle açıklanabilir. Akım taşıyan bir iletkenin uçları

arasında sıcak farkı varsa akım yönüne göre jolue ısısına ek olarak Thomson ısısı açığa

çıkmaktadır. Thomson ısısı akım şiddeti, sıcaklık farkı ve zamanla doğru orantılıdır . Ortaya

çıkan Thomson ısısı;

QT= ι ΔT I

QT: Thomson ısısı ( W ),

ΔT: İletkenin uçları arasındaki sıcaklık farkı ( 0

C ),

I : İletken üzerinden geçen akım şiddeti ( A ),

ι : Thomson katsayısı ( V / 0

C) dır.

(Termoelektrik Etkiler ve Soğutma Etkinliğinin Uygulanması, Hüseyin Usta - Volkan Kırmacı,

G.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi)

Çalışma ve Modelleme Prensibi

Termoelektrik ısı pompaları, öncelikli olarak farklı yarı iletken materyaller (P-tipi ve N tipi)

kullanımı dolayısıyla üretilen bir katı halde ısı transferi metodu olarak tanımlanır.

Şekil 3: Peltier etkili ısı pompasının elektriksel ve mekanik kurulumu

Şekil bize Peltier etkili ısı pompasının tipik bir mekaniksel ve elektriksel kurulumunu

göstermektedir. Tıpkı geleneksel soğutmada olduğu gibi, Peltier modülleri termodinamik

kanunlarına göre hareket ederler. Temel olarak hem sıvı hem de buhar formdaki

soğutucunun iki farklı iletken tarafından yerleri değişmektedir. Katı conksiyon (buharlaştırıcı

yüzey), elektronların düşük enerji düzeyinden yüksek enerji düzeyine doğru hareketi

sürecinde oluşan enerji absobsiyonu nedeniyle soğumaktadır. Elektronları bir yarı iletkenden

diğer yarı iletkene doğru pompalayan bir DC güç kaynağı ile compressor yer değiştirmiştir.

Sistemdeki sıcaklığı deşarj ve ekümüle eden geleneksel yoğuşturucu kanatları bir ısı kabini ile

yer değiştirmiştir. Aşağıdaki tablo termoelektrik müdülle sıradan soğutucu arasındaki farkları

ortaya koymaktadır.

Buharlaştırıcı Basınçlı soğutucunun

genişlemesine, kaynamasına

Elektronların düşük

seviyeden (P-tipi) yüksek

ve buharlaşmasına izin verir.

( Katı halden gaz hale

geçişler boyunca ısı absorbe

edilir)

enerji seviyesine (N-tipi)

geçişi esnasında, soğuk

conksiyonda ısı depolanır.

Kompresör Soğutucunun üzerinde çalışır

ve gazı sıvıya çevirir.

Soğutucu kompresörü buhar

olarak terk eder.

Güç kaynağı elektronların

hareket etmesi için enerji

sağlar.

Yoğuşturucu Buhalaştırıcıda depolanan ve

buna ilave olarak püskürtme

esnasında üretilen ısıyı

ortama verir. Aynı zamanda

soğutucu sıvı hale geçer.

Elektronlar yüksek enerji

düzeyinden düşük enerji

düzeyine geçerken sıcak

conksiyondaki ısı , ısı

kabinine salınır.

Tablo 1: Sıradan soğutucu ile katı hal soğutucusu arasındaki farklar

Depolanan ısı qa, yayılan ısı qe ve girişteki elektriksel güç P olmak üzere modülleri

tanımlayan denklem:

Peltier etkisinin sonucu olarak pompalanan ısı terimi (αm.T.I),ısı iletim terimi (ΔT/Θm) ve

Joule etki terimi ( I²Rm). Genellikle Thomson teoreminin etkisi, değerin önemsenmeyecek

kadar küçük olması sebebiyle ihmal edilir. Aynı zamanda, genel olarak pratikte tek boyutlu

enerji transferi problemlerindeki elektriksel şekillerde bu eşitlik uygulanır.

Rm modülün direnci olsun. αm P-N jonksiyonunun Seebeck etkisi, Θm termal direnç, Te

ortama verilen toplam ısının sıcaklığı, Ta depolanan kesin sıcaklık ve ΔT=Te-Ta. qa ve qe

modülden yayılan ve emilen ısı miktarı olsun. Sonuç olarak V ve I girişteki güç kaynağından

sağlanan voltaj ve akım olduğuna göre, kısa formuyla COP olarak bilinen tesir katsayısı (the

Coefficient of Performance) soğutma ve ısıtma esnasında çalışan ısı pompasının verimi olarak

tanımlanabilir. COP aşağıdaki eşitlikle açıklanmaktadır

COP= qa/P

Aynı zamanda soğutma modüllerinin ısıtma ve soğutma tesir katsayıları COP, konvansiyonel

soğutma makinalarına ve ısı pompalarına benzer olarak aşağıdaki denklemlerde olduğu gibi

tanımlanır:

COPh =

COPc=

İki tip termoelektrik soğutucu ile soğutucuların performans değerlerini tespiti için yapılan bir

deneyde hava-hava soğutmalı sistemde 24 Volt 57 Watt gücünde modül ve sıvı hava

soğutmalı sistemde ise 24 Volt 67 Wattlık modüller kullanılmıştır. Soğutucuları kullanmak

üzere 50 litrelik yalıtımlı bir dolap yapılmıştır. Soğutulan hacim 20 mm kalınlığında stropor ve

3mm kalınlığında PVC ile kaplanmıştır. Deneyler sonucunda hava- hava soğutmalı sistemin

COP değeri en iyi soğutma olduğu anda hesaplanmış ve COP değeri 0.37 bulunmuştur. Sıvı–

hava soğutmalı sistemde ise 67 Wattlık modül kullanılmış ve COP değeri 0.40 olarak

hesaplanmıştır. (Termoelektrik Soğutucuların Çalışma kriterlerine Etki Eden Faktörlerin Ve

Endüstrideki kullanım Alanların Tespiti, Dikmen 2002).

Yine 40mm x 40mm x 4mm ölçülerinde bir termoelektrik modül, boyutları 50mm x 60mm x

50mm olan yalıtılmış bir dikdörtgen prizma kutu monte edilmiş ve içerisine konan suyun

sıcaklığı düşülerek, akım ve gerilim arasındaki ilişki incelenmiştir. Deneyde kullanılan 150

cm3’ lük hacim 1 mm kalınlığında galvanizli saç ile kaplanmış ve iç kısmı 5 mm kalınlığında

stroporla kaplanmıştır. Deney sırasında hacim içerisine 125 g su konulmuş ve sistem fanlı ve

fansız olarak çalıştırılmıştır. Deneyler sonucunda fansız deneylerde COP’ en düşük ve en

yüksek değerleri COPmin : 0088, COPmax : 0.22’dir. Fanlı sistemde ise COPmin : 0.094,

COPmax : 0.358 olarak bulunmuştur.( Termoelektrik Soğutma Etkisinin Soğutmada

Kullanılması, Kırmacı 2002).

Yarı İletken Elemanların Isı Kontrolü

Teorik olarak bir yarı iletken elemanın, temel ısı (Ti ) olarak adlandırılan iç ısısının üst limiti,

yani yarı iletken elemanın hafifçe macunlanmış bölgesindeki ısı yoğunluğu, bu ısı

yoğunluğunun büyük bir bölümünü taşır. Örneğin verici yoğunluğunun 1014 cm³ olduğu

yerdeki silikon diyodun hafifçe macunlanmış bölgesinde temel ısı 280 C civarındadır. Eğer bu

ısı aşılırsa jonksiyon noktasının karakteristiği bozulur. Çünkü temel taşıyıcı yoğunluğu,

macunlanmış bölgedeki yoğunluğu büyük ölçüde aşar ve termal bölge potansiyel farkı

kaybolur yarı iletkenlik bozulur ve kısa devre olur. Bununla beraber, veri tabakaları üzerinde

tanımlanmış maksimum iç ısı bu limitten daha azdır. Güç yarı iletkenlerinde güç kaybı

normalde iç ısıyla yükselir ve bu kayıplar 200 C sıcaklıkta bile oldukça yüksektir. Yarı iletken

üreticileri bir elemandan diğerine değişiklik gösterebilen ve genellikle 125 C olan, sabit iletim

voltajı, anahtarlama süresi, tanımlanmış maksimum ısıda anahtarlama kayıpları gibi

maksimum değerdeki eleman parametrelerini garantilerler. Dizayn süresince, birinci dizayn

girdimiz jonksiyon sıcaklığının en kötü durumudur. Yüksek güvenirliğe ulaşması hedeflenen

bir sistem 125 C’nin altındaki 20-40 C’de yarı iletken elemanların an kötü jonksiyon sıcaklığı

için dizayn edilecektir. Aksi takdirde, 125 C’deki değeri genellikle dizayn yapılırken en kötü

koşul girdisi olarak kullanılır. Bu durumda bir istisna, 125 C’nin altında tutulmak istenen

maksimum transistör jonksiyon sıcaklığıdır. Maksimum izin verilebilir dv/dt elemana

uygulanırken aynı zamanda jonksiyon sıcaklığı 125 C’nin üzerine çıkarsa, tristörler yeniden

harekete geçebilir ya da yanabilirler.

Bazı güç yarı iletken elemanları ve sinyal seviye transistörleri ve IC ler 200 C’nin biraz

üzerinde çalışabilirler. Bununla birlikte güvenilirlikleri (beklenen çalışma ömürleri) düşüktür

ve performans özellikleri 125 C’deki çalışmaya kıyaslandığında yetersiz olabilir. Ayrıca üretici

veri bilgisi olarak verilmiş maksimum ısı üzerindeki parametreleri garantilemeyecektir. Eğer

bir güç elektroniği devresinde yarı iletken elemanı yüksek ısılarda kullanmak istiyorsak bunun

için ayrı bir dizayn yapmalı ve eleman üzerinde biriken ısıyı atmayı hedeflemeliyiz aksi

takdirde kullandığımız yarı iletken eleman yanar ve garanti kapsamında sayılmaz. Güç

elektroniği donanımını dizaynlarken, özellikle yüksek sıcaklıktaki ortamlar için, termal evre

hesaba katılmalıdır. Soğutucu (heat sink) boyu, ağırlığı, elemanların konulacağı yerler ve

çevre sıcaklığı ile ilgili bilgiler hesaplanmalıdır. Soğutucu ile soğutucu kanatlarının montajı,

geniş odalı dikey pozisyonda olması fansız doğal konveksiyon hava geçişi için çok önemlidir.

Güneş tarafından ısınma olasılığı en kötü durum olarak dizayn yapılırken hesaba katılmalıdır.

Kötü tasarlanmış termal dizayn ekipmanların güvenirliğini azaltır. Unutulmaması gereken bir

husus da yarı iletken eleman çiftleri her 10-15 C sıcaklıkta 50 C üzerine çıkar ve bunun oranı

yetersiz kalabilir. Doğru seçim (en ekonomik veya en ucuz üretim için) soğutucu güç

elektroniği sitemi için sadece termal dizayn sürecinin bir bölümüdür. Dizayn yapılmadan

önce tasarlanır büyük veya küçük soğutucu ile doğal konveksiyonla, fan yardımıyla (AC motor

fan kontrol küçük güç elektroniği inverterleri ile DC motor fanlarından daha güvenilirdir) veya

gaz soğutma ile sistemi tasarlamakta özgürdür

Adı Kullanım Yeri

Germanyum (Ge) (Basit Eleman) Diyot, Transistör, Entegre, Devre

Silikon (Si) (Basit Element) Diyot, Transistör, Entegre, Devre

Selenyum (Se) (Basit Element) Diyot

Bakır Oksit (Kuproksit) (CuO)( Bileşik

Element)

Diyot

Galiyum Arsenid ( GaAs) (Bileşik Element) Tünel Diyot, Lazer, Fotodiyot, Led

İndiyum Fosfur (InP) (Bileşik Element) Diyot, Transistör

Kurşun Sülfür (pbS) (Bileşik Element) Güneş Pili (Fotosel)

Tablo 2 : Yarı iletkenler ve Kullanımları

Termoelektrik Modülün Jeneratör Olarak Kullanılması

Şekil 4’te görüldüğü gibi, bir termoelektrik soğutucu, iki seramik tabaka arasında elektriksel

olarak birbirine seri, termal olarak birbirine paralel olarak bağlantılı çeşitli P ve N-tipi yarı

iletkenlerinden oluşmaktadır. Uygun kutba DC akımın uygulanmasıyla üst tabakadan alt

tabakaya ısı pompalanarak sonuçta üst yüzey soğur. DC kutupları ters uygulanarak üst yüzey

ısı kaynağı durumuna getirilebilir.

SOĞUK

SICAK

T soğuk

T sıcak

N-P tipi atkılanmış

Bismuth Telluride

Elementler

Elektriksel İletken

( Bakır )

PPP N NN

_+

V

Elektriksel Yalıtkan

( Seramik Tabaka )

I

Şekil 4: Soğutucu modunda termoelektrik modül

Aynı ünite sadece DC kaynak yerine yük konulup, termoelektrik modülün üst yüzeyine ısı

uygulanmasıyla Şekil 5’de görüldüğü gibi termoelektrik güç jeneratörü yapılabilir. Elektrik

enerjisi termoelektrik yarı iletkenler boyunca ısı akışıyla elektriksel taşıyıcıların hareketinden

türetilmiştir. Delikler ya da pozitif taşıyıcılar, P tipi yarı iletken parçanın soğutucu yüzeyine

hareket ederler. Benzer şekilde, N tipi yarıiletken parçalarda elektron akışı, N tipi yarı iletken

parçanın soğutucu yüzeyinde açıkça negatif şarj ile sonuçlanır.

SOĞUK

SICAK

T soğuk

T sıcakN-P tipi atkılanmış

Bismuth Telluride

Elementler

Elektriksel İletken

( Bakır )

PPP N NN

_+

Elektriksel Yalıtkan

( Seramik Tabaka )

I

Y ü k

Şekil 5: Jeneratör modunda termoelektrik modül

Teknolojik olarak çok ticari termoelektrik jeneratörü, termoelektrik soğutucularda olduğu

gibi genelde azdır. Soğutucular küçük sıcaklık farklarında (T), maksimum COP (Coefficient of

Performance-Performans verimi) ya da soğutma verimine sahiptirler. Oysa jeneratörler

büyük sıcaklık farklarında (T) maksimum verime sahiptirler. Termoelektrik jeneratörlerin

yüksek işletim sıcaklıkları sonucunda, Pb Te ve Si/Ge alaşımları gibi farklı maddeler ve tipik

soğutucularınkinden farklı derleyici teknolojiler talep eder.

Termoelektrik soğutucular, 180K-400K sıcaklık arasında çalışma için en uygun Bi, Sb, Te ve

Se alaşımlarından oluşur. Bu maddeler belirtilen sıcaklık aralığında en yüksek termoelektrik

etkiye sahiptirler. Ayrıca bu maddeler, aygıtların soğutma, ısı pompalama ve güç üretmek için

kullanılıp kullanılmamasına aldırmadan yüksek verime sahiptirler.

Sonuç olarak, normalde soğutma için tasarlanmış aygıtlar, maksimum 500 K sıcaklığıyla

düşük düzey enerji kaynaklarına dönüştürmede teorik olarak en etkin termoelektrik

jeneratörlerdir.

Termoelektrik modüllerin, jeneratör modunda kullanılmasında dikkat edilecek önemli bazı

pratik konular vardır. Bunlardan biri, modülün beklenen maksimum sıcaklıkta bozulmadan

kalması durumudur. Birçok standart termoelektrik modül, yaklaşık olarak 138 C’ de eriyen

Eutectic Bi/Sb lehimleme ile imal edilmiştir. Ancak, 200 C üzeri sıcaklıklara dayanıklı kalması

için yüksek sıcaklık lehim tasarımı sunan bazı modüller vardır.

Herhangi bir durumda, yüksek sıcaklıklara maruz kalan bir termoelektrik modülün işlevsel

ömrüne dikkat edilmelidir. Lehim birleşimleri, yüksek sıcaklıklarda termoelektrik materyalin

içine hızla yayılabilir ve performans düşer ve başarısızlığa sebep verebilir. Bu işlem

termoelektrik modül üzerine bir yayılma engelleyici uygulamasıyla kontrol edilebilir. Bazı

üreticiler, termoelektrik soğutucuları engelleyici materyal olmadan sağlarlar. Bir engelleyici

materyal uygulaması genellikle yüksek sıcaklıkta termoelektrik modül üretiminde standarttır.

Termoelektrik modüller, düşük düzey enerji kaynaklarının kullanılmasıyla güç jeneratörleri

olarak kullanılabilirler. Yüksek performanslı materyaller kullanılırsa 500K altındaki

sıcaklıklarda en yüksek verim oranlı termoelektrikler sağlanabilir.

Termoelektrik Modülde Güç Üretim Hesaplamaları

Güç üretimi için kullanılan bir termoelektrik modülün temelini mikromodül-termoçift

oluşturmaktadır. Şekil 6’da mikromodülün ayrı yüzeylerine biribirinden farklı Th ve Tc

sıcaklıklarının uygulandığı görülmektedir.

N P

Th>Tc

Rl

I

Qh

Th

Tc

a b

Qc

Şekil 6 : Tek bir termoelektrik mikromodül

Mikromodülde, RL yükü olmadan a ve b noktaları arasındaki ölçülen açık devre gerilimi;

V= . T ‘ dir.

V : Volt değerinde mikromodül çıkış gerilimi

: Volt / K şeklinde ortalama Seebeck katsayısıdır

T : Th – Tc, K biriminde mikromodül üzerindeki sıcaklık farkıdır

Termoelektrik mikromodüle bir yük bağlandığında yükten geçen akım;

. T I = RC + RL

I = Jeneratör çıkış akımı (amper) RC = Termoelektrik mikromodülün ortalama iç direnci (ohm) RL =Yük direnci (ohm)

Termoelektrik mikromodüle toplam ısı (Qh) girişi :

Qh = . Th .I – ½ .I2.RC + KC.T

Qh = Isı girişi (watt)

Kc = Termoelektrik mikromodülün ısı iletkenliği (Watt / K)

Th = Termoelektrik mikromodülün sıcak tarafı(K)

Jeneratörün verimi(Eg);

Eg= Qh

IV .

Tam bir modül bir sıra termoelektrik mikromodülden meydana geldiğinden, gerçek bir

modülle ilgili formül aşağıdaki gibidir;

Vo = M . T = I . (RM + RL)

Formülde;

Vo : Jeneratör çıkışı (volt olarak)

M : Modülün ortalama seebeck katsayısı (Volts/K) RM : Modülün ortalama direnci Ortalama modül sıcaklığı :

Tavg =2

TcTh

Modülün güç çıkışı (Po) (watt olarak)

PO= RL . [ (M . T) / ( RM + RL ) ]2

Sonuçta, termoelektrik jeneratörlerin büyük bir kısmı elektriksel olarak seri, paralel veya

seri/paralel düzende bağlı olabilecek bir sıra bireysel modülü içermektedir. Tipik bir jeneratör

düzeni Şekil 7‘de görüldüğü gibi Pn adet paralel ve her paralel kolda Sn adet seri modülden

oluşmaktadır.

Vo Rl

P1 P2 Pn

S1

S2

Sn

I

Şekil 7 : Modüllerin Seri – Paralel Düzenlenmesiyle Tipik Termoelektrik Jeneratör

Termoelektrik Jeneratör Donanımı

Termoelektrik jeneratörler ile termal sular kullanarak ısı akışı ile doğrudan elektrik enerjisi

elde edilmektedir. Bu işlem için temelde termoelektrik modüller kullanılmaktadır. Şekil 8’de

termoelektrik jeneratör donanımı görülmektedir.

Termal sulardan elde edilen ısıyı kullanabilmek için, içinden su dolaşımına izin veren ızgara

şeklinde bir alüminyum blok kullanılmaktadır. Termal suyu bu blok içerisinde dolaştırarak

onun ısınmasına, dolayısıyla da bu bloktan ısı termoelektrik modüle aktarılmaktadır. Diğer

yüzden de bu ısının alınıp dağıtılması gerekmektedir. Bu nedenle yine ısıtıcı blok yapısında

soğutucu blok kullanılmaktadır. Böylelikle de termoelektrik modüldeki ısı, soğutucu blok ile

alınıp dışarıya yayılmaktadır.

Isı akışı neticesinde, termoelektrik modül uçlarında bir potansiyel farkı oluşmaktadır. Bu elde

edilen potansiyel çok küçük volt seviyesindedir. Bu düşük potansiyeli kullanılabilir duruma

getirmek için çeviriciler kullanılır. Öncelikle DC/DC çevirici kullanarak belirli bir seviye DC

gerilim yükseltilerek kullanılabilir duruma getirilmektedir. Ayrıca burada elde edilen

yükseltilmiş DC gerilimden, DC/AC çeviriciler ile günlük hayatımızda kullanabileceğimiz 220 V

AC gerilim elde edilmektedir.

Isıtıcı blok ve soğutucu blok üzerinde A ve B ısı ölçümleri ile sıcaklık değerleri alınmaktadır.

Alınan bu değerlerin bilgisayara aktarılabilmesi için analog dijital çevirici ile dijital veriye

dönüştürülmesi gerekmektedir. Böylelikle de bu veriler kullanılarak sıcak ve soğuk blok

sıcaklıklarına ait grafikler bilgisayarda incelenmektedir. Donanım işleyişi içerisinde sadece

sıcaklıklar değişebilir olduğundan elde edilebilecek olan enerji seviyesi hesaplanmakta ve

simüle edilmektedir. Ayrıca elde edilen verilere göre gerekli kontrol sinyalleri üretilecektir.

Termoelektrik modülden sürekli olarak belirli seviye içerisinde gerilim elde etmek için ısıtma

ve soğutma kontrol edilmektedir.

Şekil 8 : Termoelektrik Jeneratör Donanımı

TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI

Termoelektrik dönüştürücüler yardımıyla güneş enerjisinden elektrik elde tekniği, bu alanda

yeni bir yöntem olarak ele alınmaktadır. Termoelektrik dönüştürme elemanlarından oluşan

bir Peltier dizininin kullanımıyla güneş enerjisinden elektrik enerjisinin elde edilmesi

hedeflenmiştir. Parabolik bir yansıtıcının kullanımıyla gelen güneş ışınları yansıtılarak

soğurulmuş ve ısı enerjisine dönüştürülmelidir. Isıtma işlemi bu yöntemle sağlanırken,

soğutma işleminde ise akışkan olarak su ve hava kullanılabilir. Sonuç olarak termoelektrik

dönüştürücüler yardımıyla güneş enerjisinden beklenen elektrik enerjisi elde edilir.

Bu kısımda anlatılacak uygulamada mekatronik tabanlı parabolik yansıtıcı kullanılarak güneş

enerjisinden elektrik enerjisi eldesi hedeflenmiş ve sıcak suyla birlikte TEC aracılığıyla elektrik

enerjisi eldesi konu edilmiştir. Yansıtıcı yüzeye gelen güneş ışınları odaklanarak soğurulmalı

ve elde edilen ısı enerjisi termoelektrik jeneratörünü çalışır hale getirmelidir. Jeneratör

soğutma sistemiyle de soğutularak güç ünitesi için gerekli olan ΔT sıcaklık farkı sağlayarak

uygulamada başarılı olunabilir.

Bu uygulamada tarif edilen düzenek, mekanik ve elektriksel aksam olmak üzere iki ana

kısımdan oluşmuştur. Mekanik aksam parabolik yansıtıcı ile birlikte mekatronik kısımdan

oluşmaktadır. Parabolik yansıtıcı kısım Cr-Ni levhadan yapılmış olup; uzunluğu 100 cm, yay

uzunluğu 80 cm, yarıçapı ise 25,47 cm olan iç bükey bir yapıya sahiptir. Bu yansıtıcının

optimum düzeyde güneş ışını alabilmesi için yatayla yaptığı açı (eğim) olacak şekilde

tasarlanıp monte edilmelidir. Parabolik system, optoelektronik bir düzenek yardımıyla kendi

ekseninde belli Ø açısıyla hareket edebilecek şekilde tasarlanmıştır. Sistemdeki sürtünmeyi

minimuma indirmek için her iki eksende rulman yataklar kullanılmıştır. Parabolik yansıtıcı

tarafından yansıtılarak gelen ışınlar, cam borudan geçerek boru içerisindeki emici siyah

yüzeyli bakır boruya yansıtılmıştır. Böylece soğurulma sonucu foton enerjileri ısı enerjisine

dönüştürülmüştür. Sistemde sıcak ve soğuk su depoları olmak üzere iki farklı su deposu

kullanılmıştır. Soğuk su deposu tek cidarlı olup, silindirik yapıdadır. Galvanizli saçtan imal

edilen su depolarının yarıçapı cm, boyu ise cm olup cm3 (37,78 lt) hacmindedir. Sıcak su

deposu ise iki cidarlı olup, iki yüzey arası cam yünü ile yalıtılmıştır. Termoelektrik güç

sisteminin çalışması için sıcak ve soğuk ısı kaynaklarına ihtiyaç duyulduğundan gerekli olan T1

sıcaklığı parabolik yansıtıcıyla soğurulan güneş enerjisinden, T2 sıcaklığı ise oda sıcaklığında

bulunan soğuk su deposundan sağlanmaktadır. Sistemin soğutulmasında soğutucu akışkan

olarak hava ve su kullanılmalıdır. Böylece, sistemden optimum verim sağlanabilmesi için her

iki akışkana dayalı soğutma sistemleri geliştirilmiştir. Düzenekte sıcak yüzey olarak; 49 cm, 50

cm ve 7 cm boyutlarında, termostatik kontrollü dikdörtgenler prizması şeklinde bakırdan

yapılmış ek bir depo kullanılmalıdır. Termoelektrik jeneratörün gerçekleştirilmesi için 60 cm X

60 cm boyutlarında bakır borudan imal edilen bir ısı eşanjörü kullanılmalıdır. Spiral halde

yapılan eşanjörle farklı iki sıcaklıktaki ısı enerjisinin peltierler üzerine aktarılması

hedeflenmiştir. Bakır boru 0,10 mm kalınlığındaki bakır levha üzerine yapıştırılmış ve simetrik

düzenekle bakır levhalar peltierler dizinin her iki yüzeyine sıkıca monte edilerek TE jeneratör

çalışır hale getirilmelidir. Akışkanın dolaşımı devridaim motoru ile sağlanmalı, jeneratör

yapımında TEC1-12708 marka termoelektrik dönüştürücüler kullanılmalıdır. Geliştirilen

düzenek aşağıdaki şekil’de görülmektedir.

Şekil : Uygulama düzeneği

Dinamik yapılı parabolik yansıtıcı yardımıyla güneş enerjisinden ısı enerjisi sağlanarak

termoelektrik jeneratör çalıştırılırsa ve buradan da elektrik enerjisi elde edilirse, geliştirilen

düzenekle deneysel sonuçlar eldesi ve ilgili tablo değerleri aşağıda verilmiştir.

Tablo 1 : Parabolik yansıtıcılı sistemdeki akışkanın sıcaklığı ile gelen ışık akısına bağlı tipik

deneysel veriler.

Çalışmada geliştirilen her iki tipteki jeneratörlerle sağlanan deneysel veriler Tablo 2 ve Tablo

3’de verilmiştir. Su soğutmalı ısı eşanjörlü jeneratörden sağlanan veriler Tablo 2’de

görülmektedir.

Tablo 2 : Su soğutmalı ısı eşanjörlü TE jeneratöründen sağlanan veriler.

Hava soğutmalı sisteme dayalı olarak gerçekleştirilen TE jeneratöründen sağlanan veriler

Tablo 3’de verilmektedir.

Tablo 3 : Hava soğutmalı sisteme dayalı TE jeneratörden sağlanan veriler.

Yapılan bu çalışma, 107M646 nolu TÜBİTAK projesi kapsamında gerçekleştirilmiş değerler

proje kapsamında temin edilmiştir. Çalışmada, mekatronik düzeneğe dayalı bir parabolik

yansıtıcı kullanılarak termoelektrik dönüştürücüler aracılığıyla güneş enerjisinden elektrik

enerjisinin eldesi hedeflenmiş ve çalışma hedeflendiği üzere gerçekleştirilmiştir. Çalışmada iki

farklı jeneratör tipi kullanılarak deneysel veriler elde edilmiştir. Bu verilere ait tablo değerleri

karşılaştırıldığında, hava soğutmalı sistemin sıvı akışkanlı sisteme göre daha verimli olduğu

gözlenmiştir. Bu durumun kullanılan iki farklı yöntemin özelliğinden kaynaklandığı

düşünülmektedir. Sonuç olarak, iki farklı yapıdaki termoelektrik jeneratör kullanılarak

geliştirilen düzenek aracılığıyla güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmiştir. Elde edilen

güç miktarı düşük olsada, çalışılan bu sistem geliştirilerek daha fazla gücün sağlanabilmesi ele

alınan sistemin önemini artıracaktır. Güneş pillerine göre potansiyel bir rakip olarak gözüken

termoelektrik dönüştürücülerin gelişen teknoloji ve malzeme bilimiyle birlikte yakın

gelecekte özellikle enerji dönüşüm sistemlerinde önemli ölçüde yaygınlık kazanacağı

beklenmektedir.

TERMOELEKTRİK MODÜLLERİN DİĞER KULLANIM ALANLARI

1- Termoelektrik Modüllerin Ölçüm Alanında Kullanımları

1.1 Termoelektrik Modüllerin Mikrofilm Kalorimetrede Kullanımı

Boylerdeki oluşan çatlakları tespit eder. Bunu Peltier modülün izotermal kontrollüyle + veya -

1% doğrulukta yapmaktadır. 100 µW ile 200 mW güç aralığında, dalga boyu 0,4 µm ile 1,8 m

arasında olan ışınların gücünü ölçmek için kullanılabilen Peltier kontrollü siyah gövdeli

(NiPkaplama) bir cihazdır (Çakır 2006).

1.2 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Termometresinde Kullanımı

Bu cihaz, hidrokarbon karışımlarının donma ve erime noktalarının tespiti için kullanılır. Test

edilecek numune, donma noktasını belirlemek için -60°C’ye kadar soğutulur ve erime

noktasını belirlemek için numune tekrar oda sıcaklığına döndürülür. Soğutma ve ısıtma, iki

adet üç basamaklı Peltier modülüyle sağlanır. En üsteki basamak 71 kupla (semikondüktörün

boyu 3 mm), orta basamak 71 kupla (semikondüktörün boyu 6 mm), en alttaki basamakta ise

127 kupla (semikondüktörün boyu 6 mm) sahip Peltier modül kullanılır. Peltier modüllerin

sıcak tarafını 20°C altında tutmak için su ve buz karışımı kullanılır (Mathiprakasam and Fiscus

1986).

1.3 Termoelektrik Modüllerin Siyah Gövdelerde Radyasyon Standardı İçin Kullanımı

50 x 50 mm ve yansıması >0,98 olan siyah yüzeyli bir plaka, Peltier modül tarafından sıcaklığı

–20°C ile 70°C arasında kontrol edilir. Siyah gövdeli yüzeyin radyasyonunu istenen sıcaklıkta

sabitlenmesini sağlar (Çakır 2006).

1.4 Termoelektrik Modüllerin Fototüp (photomultiplier) gövdesinde Kullanımı

Fototüpün gövdesi, sesi az olan ve düşük karanlık ortamda çalışan ve stabiliteyi bozmayan

Peltier modülle soğutma yapılır. Bu fototüplü ölçüm cihazlarında hassasiyet bakımından

gelişme sağlamıştır.

1.5 Termoelektrik Modüllerin Yakıtların Nemini Alan Ünite Kullanılması

Yakıtların enfraruj analize cihazında analiz ederken yakıt içindeki su (nem) yanlış sonuçlar

verebilir ve detektöre zarar verebilir. Peltier modül tarafından 1,5°C ile 3°C + veya - 0,1°C

arasında sıcaklıkta yakıt soğutulur. Yakıtın içinde bulunan nem soğukluğun etkisiyle su haline

gelir dışarı atılır (Çakır 2006).

1.6 Termoelektrik Modüllerin Donma Noktası Referans Odasında Kullanımı

Bu odanın bir tarafı kapatılmış, diğer tarafı da esnek metal bir körük takılmış bakır bir

silindirden oluşan bir cihazdır. Saf suyun soğutma noktasının tespiti için cihazın odası

tamamen saf su ile hava doldurulur ve Peltier modül tarafından üç noktadan soğutulmuştur.

Sızdırmadan, su/buz veya su/hava/buz karışımını üç noktadan kontrol ederek 0,01°C

sapmayla otomatik kontrol edilerek suyun donma noktasını değerini gösterir. (Dikmen 2003)

1.7 Termoelektrik Modüllerin Yağ (Petrol) Bulanıklık Test Cihazında Kullanımı

Test edilen yağ (petrol), bulanıklık noktasını belirlemek için -34°C’ye kadar soğutulur.

Soğutma iki adet iki basamaklı Peltier modülle sağlanır. Bu Peltier modülün üsteki basamak

127 kupla (eleman uzunluğu 2,54 mm), alttaki basamakta 127 kupla (eleman uzunluğu 1,14

mm) sahiptir (Dikmen 2003).

1.8 Termoelektrik Modüllerin Kırılım Ölçer (refractometer) Olarak Kullanımı

Peltier modülleri kullanan refractometre için bir pompa ile dolaşan su çevredeki devreden

sıcaklığı kontrol eder. Peltier modül tarafından soğutulan su, refractometerin sıcaklığını

kontrol etmek için harici kontrollü bir pompayla refractometerin etrafında sirküle ettirilir.

2- Termoelektrik Modüllerin Biyo-Teknoloji Alanında Kullanımı

2.1 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktivite Monitörlü Kalorimetrede Kullanımı

Yaşayan organizmalardaki biyolojik olaylarla ilgili olan 25 ile 300 MV/ml’ye kadar çok küçük

sıcaklık etkisinin direkt ve sürekli izlenmesi Peltier modüllerin izotermal kontrolü ile

gerçekleşmektedir.

2.2 Termoelektrik Modüllerin DNA Düzen Reaktöründe Kullanılması

DNA reaktörü, Peltier modüllerinde şartlandırılmış pompayla sirkülasyon eden su 37°C’lik

sabit bir ısıda çalışması sağlanmış olur (Çakır 2006).

2.3 Termoelektrik Modüllerin Spektrometre Hücre Termo Programcısı Olarak

Kullanımı

Nükleik asit ve protein çalışmalarındaki DNA termal denatrasyon ve renatrasyon

uygulamaları için spektrometrenin hücre tutucularının sıcaklığı Peltier soğutma ünitesiyle

kontrol edilir. Bu olay 0 ile 99,9 + veya - 0,1°C sıcaklık aralığında spektrometre hücre içindeki

numune için programlanmış ısıtma ve soğutma sağlar olabilir. Hücreler arasındaki sıcaklık

uyuşması 40°C’de + veya - 0,2°C’den daha iyi, 99°C + veya - 0,5°C’den daha iyidir ve soğutma

oranı dakika başına maksimum 10°C’dir (Dikmen, 2003).

2.4 Termoelektrik Modüllerin Programlanabilir Termal Kontrolörde Kullanımı

Peltier soğutma üniteleri, 0–100°C arasında saniyede 1°C’ye kadar soğutma oranları ile ve

yaklaşık 5°C kesinlik ile test tüpünü tutan bloğa ve o bloktan ani ısı transferi sağlarlar. Bu,

DNA, RNA ve diğer numuneler için kesin ve uygun programlanabilir termal kontrolördür.

Sıcaklık kontrol sistemiyle, 100 kadar kullanıcısı tanımlanmış programları depolayabilen 2

kilobaytlık kalıcı hafızaya sahiptir (Dikmen 2003).

2.5 Termoelektrik Modüllerin Tıp Kiti Soğutucu Olarak Kullanımı

Kan, aşı ve birçok ilacın bozulmaması için belli bir sıcaklık koşullarında tutulması

gerekmektedir. Bu koşullar Peltier soğutucu modüllerle sağlanmaktadır. (Uçar ve Bardakçı

2005).

2.6 Termoelektrik Modüllerin Fotosentez Analizerde Kullanımı

Fotosentez analizerde oluşan sıcaklık, küçük bir Peltier modülüyle kontrol altında tutulur.

2.7 Termoelektrik Modüllerin Osmometrede Kullanımı

Bir solüsyon donma noktası tespit eder. Bu cihazda iki basamaklı Peltier modül ile 100 ml’lik

sıvı –11oC sıcaklığına indirmektedir. Peltier modülün üst basamağı 32 kupl, alt basamağı da

128 kupla sahiptir. Modül büyüklüğü 2,8 x 2,8 x 2 mm’dir (Dikmen 2003).

2.8 Termoelektrik Modüllerin Biyoaktif Analizer İçin Termoprogramcısı Olarak

Kullanımı

Biyoaktif analizer kalorimetre için çevresinin sıcaklığı Peltier modülleri kullanarak pompayla

devreden su ile 25 + veya - 0,01°C’de kontrol altında tutulur (Çakır 2006).

3- Termoelektrik Modülün Medikal Alanda Kullanımı

3.1 Termoelektrik Modüllerin Sıcak Soğuk Stimülatöründe Kullanımı

Kalem-tipli bir sondanın ucundaki Peltier soğutma ısıtma ünitesi, belirlenmiş bir çevrimde

sıcaklık veya soğukluk sağlar. Bu durum verilen zaman periyodu için bazen sıcak veya soğuk

arasında değişerek bazen de ya sıcak ya da soğuk elde etme şeklinde meydana gelir. Aynı

zamanda bir hastanın soğuğa ya da sıcağa olan duyarlılığını teşhis etmek için de kullanılır.

3.2 Termoelektrik Modüllerin Cryo-Cerrahi Destroyerde Kullanımı

Cryo cerrahi destroyer, bir organizmadan atılan patolojik dokunun dondurulmasına dayanan

bir çeşit cryo-terapidir. Cihaz bir kontrol düzeneği ve yönetici cryo-sondadan oluşmaktadır.

Cryo-sondanın sıcaklığı –50˚C ya da –70˚C’dir. Bu durum için iki basamaklı su soğutmalı

Peltier modülü kullanılır (Dikmen 2003).

3.3 Termoelektrik Modüllerin Mikroskop Safhası Soğutucusunda Kullanımı

Peltier soğutmalı mikroskop safhası, bir mikroskop üzerine monte edilmiş numune için –20

°C ile 60°C + veya - 0,1°C arasında ısı kontrolü yapar (Dikmen 2003).

3.4 Termoelektrik Modüllerin Mikrotome Safhası Soğutucusu Olarak Kullanımı

Bir örnek doku Peltier soğutma safhası kullanılarak dondurulup, bir mikroskop için kolaylıkla

kesilir ve ince numunelere kolaylıkla ayrılabilir. Bu safha her türlü Mikrotome adapte

edilebilir. Dokunun sıcaklığı, Peltier modüllünün akımı kontrol edilerek istendiği zaman

azaltılabilir veya arttırılabilir. Akım ayarı kullanarak, donmuş plakaların hızlı bir şekilde

ısıtmak için kullanılır. Böylece örnek doku hızlı bir şekilde yerinden alınıp taşınabilir (Çakır

2006).

3.5 Termoelektrik Modüllerin Portatif Mini Soğutma Kutusu (İnsilün)’da Kullanımı

İnsilün, portatif Peltier soğutma kutusu ile 5°C ve 15°C arasındaki sıcaklıkta saklanır. Kutu

kendi güç kaynağına sahiptir ve iç haznesi 30 cm³’dür (Uçar ve Bardakçı 2005).

3.6 Termoelektrik Modüllerin Diş Dolgusu İçin Soğuk Plaka Olarak Kullanımı

Diş dolgu malzemesinin sıcaklığı Peltier soğutulmuş plakanın üzerinde kontrol edilir. Plaka,

diş dolgu malzemesi için katılaşma sürecini geciktirir (Dikmen 2003).

3.7 Termoelektril Modüllerin Soğuk Sıcak Tedavi Battaniyesinde Kullanımı

Peltier soğutma ünitesinin su gömleğinden su pompalanır ve battaniye içinden sirküle edilir.

Cihaz, sıcak ve soğuk terapi için kapalı bir spiral sistemdir (Dikmen 2003).

4- Termoelektrik Modülün Endüstriyel Alanda Kullanımı

4.1 Yarı İletken Cihaz Üretimi İçin Dopant Soğutucu

Peltier soğutma banyosu, 3oC seçilmiş sıcaklıkta semikondüktör ve fiberoptik endüstrisine

kimyasal dopant sağlayan fiskeye içindeki kimyasalın sıcaklığını regüle eder. Sonuç olarak

semikondüktör cihazın veya optik fiberlerin difüzyon bariyerinin kalınlığını, doğru kalite

kontrolünü sağlayarak muhafaza eder (Dikmen 2003).

4.2 Termoelektrik Modül ile Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Silisyum Katman

Soğutma Plakası

Cihaz üretim işlemindeki yarı iletken katmanlar için düz veya temiz bir plaka Peltier soğutma

ünitesiyle soğutulur ve kontrol edilir. 150oC fırın sıcaklığındaki katman, yaklaşık 35 saniye

içinde 20oC 0,3oC’ye kadar soğutulur (Dikmen 2003).

4.3 Termoelektrik Modüllerin Semikondüktör Cihaz Üretimi İçin Kimyasal Sirkülasyon

Sisteminde Kullanımı

Bir sirkülatör ve bir filtreden oluşan Peltier soğutma sistemi, silisyum katmanların yıkama ve

asitle kesme prosesi için gerekli olan kesin sabit sıcaklığı oluşturur. Kimyasal solüsyonla

temas halindeki malzemeler çalışma kimyasal solüsyonuna uyması için dikkatle seçilir (Çakır

2006).

5- Termoelektrik Modülün Genel Kullanımı

5.1 Termoelektrik Modüllerin Vakum Pompası Akış Düzenleyicisi Olarak Kullanımı

Peltier soğutmalı akış düzenleyicisi, difüzyon pompalı yüksek vakum sistemlerinde kullanım

için bir araya getirilmiştir ve diğer tekniklerin gereksinim duyduğu kompresör ve soğutma

bobinleri ihtiyacını ortadan kaldırır. “V” şeklindeki kanatçıkların sıcaklığı –35oC’ye kadar

düşük olmalıdır (Dikmen 2003).

5.2 Termoelektrik Modüllerin Daldırma soğutucusu Olarak Kullanımı

Peltier modüller ısı değiştirici metal bir kutunun içine konulurlar. Bu tip daldırma ısı pompası

ile izole edilmiş küçük laboratuar banyolarının sıcaklıklarının düşürülmesi sağlanır (Dikmen

2003).

5.3 Termoelektrik Modüllerin Soğuk plakada Kullanımı

Soğuk plakalar, peltier soğutma ünitesinin en temel tipleridir. Büyüklük arttıkça soğutma

kapasitesi ve enerji ihtiyacı da artar. Bunlar bir çok tipte sıvı devir aletlerinde, havalandırma

sistemlerinde ve özel amaçlarda kullanılabilirler (Çakır 2006).

5.4 Termoelektrik Modüllerin Sıvı sirkülasyon Cihazında Kullanımı

Peltier soğutma sistemi, sıvıyı sirkülasyonun sıcaklığının otomatik olarak kontrolü için veya

soğutma veya ısıtma için kolaylıkla çalıştırılırlar. Sıvı uygun ısı dağıtıcısına sahip Peltier modül

ile bağlantılı olan sıvı eşanjöründen geçecek şekilde pompalanır. Bu genel bir sıcaklık

kontrollü sıvı sistemidir (Çakır 2006).

5.5 Termoelektrik Modüllerin Havalandırma Kullanımı

Havaya ısı transfer eden kanatçık Peltier modül ile temas halindedir. Kanatçıklar arasından

geçen hava bir üfleyici ile sirküle eder. Isı havaya yada sıvıya nakledilebilir (Uçar ve Bardakçı

2005).

5.6Termoelektrik Modüllerin Taşınabilir Soğutucusu (piknik kutusu)’da Kullanımı

Taşınabilir Peltier soğutma kutusu 12 V’luk bir pil veya pil şarj cihazı ile çalışmak üzere dizayn

edilmiştir. Bu bir karavanda, yatta veya kampta 12 V’luk otomobil çakmaklığından alınan

enerjiyle ya da AC adaptörü ile her yerde kullanılabilir (Yerakum 2005).

5.7 Termoelektrik Modüllü Meşrubat Soğutucusu

Tüketicilerin kullanması amacıyla küçük güçteki Peltier modüllerin montajıyla oluşturulan

soğutucu tipleridir. (Uçar ve Bardakçı 2005).

5.8 Termoelektrik Modüllü Hava Aracı İçme Suyu Soğutucusu

Tüketicilerin kullanması amacıyla küçük güçteki Peltier modüllerin montajıyla oluşturulan

soğutucu tipleridir. (Uçar ve Bardakçı 2005).

5.9 Otomobiller İçin Termoelektrik Modüllü Mini Soğutucu (Buzdolabı)

Tüketicilerin kullanması amacıyla küçük güçteki Peltier modüllerin montajıyla oluşturulan

soğutucu tipleridir (Uçar ve Bardakçı 2005).

6- Büyük Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları

6.1 ASEA’nın Yapmış Olduğu Termoelektrik Soğutma Sistemi

Havalandırmaya dair bir ünite protopiti ve yolcu taşıyan demiryolu araçları için ısıtıcı ASEA

tarafından İsveç demiryolları için iki kişi tarafından tasarlanmıştır. Birisi Ridal diğeri de

Lundquist’dir. Dizayn Widakowich tarafından iki temele dayandırılmıştır. Birincisi

termoelektrik malzeme kullanan düzlemsel yapıyı anlatır, ikincisi ise basınç kontağı kullanan

ve termoelektrik malzemeyi bakır kaplanmasıyla ile ilgilidir. Üniteler sökülmeden önce birkaç

yıl çalıştırılmıştır (Mole et al. 1972).

6.2 Termoelektrik Modülün Hava Endüstrisi -Demiryolu Uygulaması

Hava endüstrisi, yolcu taşıyan demiryolu araçları için kompresörlü iklimlendirme sistemi

üreticisiydi. 1973 de J.P. Buffet Fransız, yolcu taşıyan demiryolu araçlarının termoelektrikli

iklimlendirme geliştirme programı sundu. Dizaynı Gaudel’in patentine dayanan sütün

yapısıydı. Isı değiştiricileri Buffet’in patentine dayanır. Program 1977’de 20

kW’lıkhavalandırma ünitesiyle donatılan bir otobüste uygulanmıştır. Bu otobüsün, 10 yıldan

fazla termoelektrik iklimlendirme sistemi problem olmadan çalışmıştır (Vian et al. 2001).

7- Orta Ölçekli Termoelektrik Soğutma Uygulamaları

7.1 Amerikan Radyo Şirketi (RCA)’nin Termoelektrik Soğutma Uygulaması

RCA termoelektrikte araştırmalar yapan ilk şirketlerden biridir. Bunlar birçok küçük kapasiteli

termoelektrik modüller imal etmişlerdir. Termoelektrik modüle dayanan bir 3 kW’lık

iklimlendirme sistemi U.S. deniz kuvvetleri için yapmışlardır (Dikmen 2003).

7.2 Carrier Şirketinin Termoelektrik Soğutma Uygulaması

Bu şirket, deniz uygulamaları için 3,5 kW’lık su soğutmalı iklimlendirme sistemi yapmışlardır.

Bu sistem her biri dört termoelektrik modül içeren altı alt sistemden oluşur. Her bir

termoelektrik modül 13,7 17,8 cm’dir ve 1,13 cm2 yer kaplayan ve 2,54 mm. yükseklikte

130 termoelektrik elemana sahiptir. Günümüzdeki ticari termoelektrik modüllerinden çok

daha büyüktür.

1960’ların ortalarında bu şirket bir termoelektrik iklimlendirme ve ısıtma sistemi yapmıştır.

Sistem, su soğutmalı iklimlendirme sistemi 30 kadar modül içeriyordu. 1973’te sistem

çalışmakta ve bu sistemin tek problem güç depoları ve kontrol sistemlerinin olmayışıydı.

Termoelektrik modüller Carrier tarafından yapılmıştır. Bunlar 12 12 ve 2,5 mm’lik kalınlıkta

64 elamanlıdır. Soğutma modunda maksimum elektrik akımı 80 A’dir. Carrier bu çalışmaları

tamamladıktan sonra termoelektrikle ilgili çalışmalarına son verdi (Çakır 2006).

7.3 TECA Firmasının Termoelektrik Soğutma Uygulaması

Günümüzde Chicago kuruluşu olan TECA, çok modüllü soğutma sistemleri üreten tek

şirkettir. Bu şirketin modeli: C4000 olan iklimlendirme sistem ürünü vardır. Bu sistem

havadan-havaya bir modeldir. Soğutma ve ısıtma taraflardaki giren havanın sıcaklığı 60oC’ye

eşit olunca 400 W’lık soğutma gücü elde etmektedir. Birbirine bağlı dört alt üniteden

meydana gelir. Bütün hava devreleri birbirine paraleldir. Alt ünitesi yaklaşık 15 30

24cm’dir ve soğutma mevcut ticari termoelektrik modellerin kullanılmasıyla sağlanır. Bir

Americool R 4000 serisinin ünitesinin fotoğrafı şekil 3.9.’da gösterilmiştir (Dikmen 2003).

7.4 Midwest Araştırma Enstitüsüsün Termoelektrik Soğutma Çalışması

Kansas City Midvest araştırma enstitüsü, helikopter pilotları için mikroklima termoelektrik

İklimlendirme sistemi geliştirmiştir. Sistem 1000 W’lık soğutma gücüne sahiptir. Her biri 254

termoelektrik elaman içeren 96 seramik ticari modülden oluşur. Yer araçları için bir sistem ve

aynı zamanda sıvı bir mikro-iklim şartlandırma sistemi geliştirmişlerdir (Dikmen 2003).

Son zamanlarda büyük güce sahip birçok uygulama incelenmiş, geliştirilmiş ve günümüzde

ticari amaç için üretilmiştir. Bunlar;

Park etmiş uçak; bir terminal girişinde park halinde bir uçağın iklimlendirilmesi için onlarca

kilowatt soğutma yüküne ihtiyaç vardır. Çalışan sistemler havadan-havayadır.

Trenler; Şuanda yolcu taşıyan demiryolu araçlarının iklimlendirilmesi yapılmış hala sürücü

kabini için iklimlendirme uygulamaları devam etmektedir. Soğutma gücü birkaç kilovattır

bundan dolayı soğutma gücü ve elektrik güç tüketim daha azdır. Bu sebepten dolayı yakın

zamanda demiryolu taşımacılığının iklimlendirilmesinde bu uygulamalar öne çıkacaktır.

Otomobiller; Termoelektrik soğutma otomobillerde özellikle elektrikli otomobillerde oldukça

ilginç bir konuma sahiptir. Arabaların içindeki ısıyı düşürmekten ziyade konfor şartlarının

sağlanması insanlar için daha önemlidir.

Deniz kuvvetleri; Deniz uygulamalarında direkt ve indirekt olarak geri çevrilebildiği için deniz

suyu daha etkilidir. Suya ısı transfer etmek, havaya transfer etmekten daha verimli şekildedir.

Büyük ölçekli sudan-suya soğutma uygulamaları mevcuttur. Geleneksel kompresörlü

sistemlerinin yerini aldığı için avantajlı sistemdir.

Başka bir uygulamada da direkt soğuk hava üreten merkezi olmayan termoelektrik

iklimlendirme sistemidir. Başka bir gelişme alanı da deniz konteynırların soğutulması

uygulamasıdır. Büyük iki kademeli modüllerin ticareti için soğuk odalar ve derin dondurucu

odalar gibi daha büyük ısı farkı gerektiren uygulamalar artmıştır.

Konteynırlar; Konteynır üreten ya da kullanan şirketler tarafından termoelektrik soğutmaya

yoğun ilgi vardır. Özellikle derin dondurma sıcaklığı gerektiği zaman termoelektrik sistemler,

kompresörlü çevrimli sistemlerden çok daha pahalıdır. + 4oC de saklamayı sürdürebilen özel

termoelektrik soğutma konteynırları gelecekte meydana çıkabilir (Uçar ve Bardakçı 2005).

KAYNAKLAR

1- ÖZTÜRK, H.H., Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen Yayınevi, İstanbul, (2008), Syf:52.

2- ÖZTÜRK, H.H., Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Kullanımı, Teknik Yayınevi, Ankara,

(2008), Syf:62.

3- ARCAKLIOGLU, E., EREL, S. ve EREL, G.K., “A thermodynamical study of a photovoltaic cell

having V-grooving the front surface”, Bulletin of Pure Applied Sciences, Vol.21D (No.2),

89-95 (2002).

4- EREL, S., AKÇİL, M., EREL, G. K., and ÇELİK, V., The behaviour of a typical single-crystal Si

solar cell under high intensity of electric field, Solar Energy Materials and Solar Cells, 90,

582-587(2006).

5- EREL, S., “The effect of electric and magnetic fields on the operation of the solar cell,”

Solar Energy Materials & Solar Cells,71, 273-280(2002).

6- KÜÇÜK, B., “Dinamik Yöntemle Fotovoltaik Pillerden Optimum Güç Eldesi”, Kırıkkale

Üniversitesi, FBE, Yüksek Lisans Tezi, 1999.

7- 10. Uluslararası Yanma Sempozyumu, Cilt 1, 529-532, 09-10 Ekim 2008, Sakarya.

8- Yunus A. Çengel, Michael A. Boles “ Mühendislik Yaklaşımla TERMODİNAMİK ” s. 442,

(1996).

9- A. Mzerd, F. Tcheliebou, A. Sackda, ve A. Boyer, “Bi2 Te3, Sb2 Te3 ve Bi0.1 Sb0.9 Te3’ e dayalı

olarak termal sensörlerin iyileştirilmesi, sensörler ve işleticiler pp. 46 – 47 , (1995).

10- Sara Godfrey, Melcor Corporation “ An introduction to termoelectric coolers ” Articles

september (1996).

11- FidanU., “Mikrodenetleyici kontrollü taşınabilir termoelektrik tıp kiti cihazı tasarımı ve

uygulanması”, G.Ü Fen Bil. Enst. Yüksek Lisans Tezi, Ankara, 2000.

12- D. M. Rowe C. M. Bhandari “Modern Thermoelectrics” s.1-8 (1983).

13- Richard J. Buist and Paul G. Lau, “Calculation of Thermoelectric Power Generation

Performance Using Finite Element Analysis”, Proceedings of the XVI International

Conference on Thermoelectrics, August 26-29, Dresden, Germany, 1997.

14- ThomsonThomson, W., On a mechanical theory of thermoelectric currents,

Proc.Roy.Soc.Edinburgh, 91-98, 1851