Int.J.Eng.Research & Development,Vol.2,No1,January 2010
7
Özet— Yenilenebilir enerji kaynakları, sahip olduğu önemli
avantajlar nedeniyle tüm dünyada önemli hale gelmektedir.
Özellikle küresel ısınma nedeniyle enerji tüketiminde güneş
enerjisinin kullanımı ayrı bir değer kazanmıştır. Son yıllarda
güneş enerjisinden ısı ve elektrik enerjisi eldesi üzerine yoğun
bilimsel araştırmalar yapılmaktadır. Genelde elektrik enerjisi
fotovoltaik pillerle elde edilirken, güneş enerjisinden sıcak su
eldesi ise güneş kollektörleri yardımıyla sağlanmaktadır.
Termoelektrik dönüştürücüler yardımıyla güneş enerjisinden
elektrik elde tekniği ise bu alanda yeni bir yöntem olarak ele
alınmaktadır. Yapılan bu çalışmada, 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 dönüştürülmüştür.
Isıtma işlemi bu yöntemle sağlanırken, soğutma işleminde ise
akışkan olarak su ve hava kullanılmıştır. Sonuç olarak
termoelektrik dönüştürücüler yardımıyla güneş enerjisinden
beklenen elektrik enerjisi elde edilmiştir.
Anahtar Sözcükler—Güneş enerjisi, parabolik yansıtıcı,
termoelektrik dönüştürücü, peltier, elektrik enerjisi
THE EFFECT OF TEMPERATURE ON A
THERMOELECTRIC GENERATOR
WORKED BY SOLAR ENERGY
Abstract— T
he renewable energy sources have become
significant all over the world because of their advantages.
Particularly, use of solar energy in the energy consumption has
gained a different significance because of global warming effect.
In recent years many intensive scientific researches have been
done for obtaining of thermal and electrical energies from solar
energy. While thermal energy is obtained by solar collectors,
electrical energy has been obtained by means of photovoltaic
solar cells in general. Getting electricity technique from solar
energy with the help of thermoelectric converters
(TECs)
has
been concerned as a new way.
In this work, to get electricity was
aimed by using the thermoelectric converters, which is a peltier
array. The incident sun rays reflected by means of a parabolic
reflector were absorbed using a parabolic reflector and they were
converted to heat energy. While the heating process was
obtained by this technique, as a fluid water and air was used in
the cooling process. In conclusion, the expected electrical energy
was generated from solar energy by means of thermoelectrical
converters.
Keywords — Solar energy, parabolic reflector, thermoelectric
converter, peltier, electrical energy.
I.
GİRİŞ
Y
apılan bu çalışmada mekatronik tabanlı parabolik yansıtıcı
kullanılarak güneş enerjisinden elektrik enerjisi eldesi
hedeflenmiş ve sıcak suyla birlikte TEC aracılığıyla elektrik
enerjisi elde edilmiştir. Yansıtıcı yüzeye gelen güneş ışınları
odaklanarak soğurulmuş ve elde edilen ısı enerjisi
termoelektrik jeneratörünü çalışır hale getirmiştir. Jeneratör
soğutma sistemiyle de soğutularak güç ünitesi için gerekli olan
ΔT sıcaklık farkı sağlanmıştır.
Fosil yakıtların azalması, yenilenebilir enerji kaynaklarının
önemini artırmıştır. Güneş, hidrolik, rüzgar, jeotermal,
biyokütle ve dalga enerjileri gibi doğal enerji kaynakları son
yıllarda gerek üniversite, gerekse ilgili endüstri kuruluşlarının
ilgi alanına girmiştir. Şu andaki yatırım maliyetleri göz ardı
edildiğinde, yenilenebilir enerji kaynakları ucuz, temiz ve
güvenilir olması nedeniyle diğer enerji kaynaklarına göre
önemli üstünlükler sağlamaktadır. Yenilenebilir enerji
kaynakları arasında güneş enerjisi ise ayrı bir önem
taşımaktadır. Özellikle, yıllık ortalamaları göz önüne
alındığında Avrupa’nın en fazla güneş ışını alan bir ülkesi
olarak güneş enerjisi ülkemiz için ayrı bir değer taşımaktadır.
Yararlanma teknikleri açısından ele alındığında ısı ve elektrik
enerjisi şeklinde kullanımı yaygınlık göstermektedir. Isı
enerjisi şeklinde kullanımı genelde sıcak su eldesi şeklinde
iken, su buharı olarak ta kullanımı yaygınlık göstermektedir.
Elektrik enerjisi şeklinde kullanımında ise genelde fotovoltaik
güneş pillerinden yararlanılmaktadır. Bilindiği üzere güneş
enerjisinden
yararlanma
teknikleri
çok eski yıllara
dayanmaktadır. Güneşten farklı yöntemlerle yararlanılmış ve
bunlara dayalı metotlar geliştirilmiştir. Özellikle meskenlerin
mimarisi ve yön durumları hakkında önemli çalışmalar
gözlenmektedir. Güneş ışınının temel özellikleri konusunda da
önemli çalışmalar yapılmış, bu ışınların soğurulması,
yansıması ve geçiş olayları önemli araştırma konuları
olmuştur. Özellikle ışınım yasaları üzerine Kirchoff Yasası,
Lambert Kosinüs Yasası, Planck Yasası, Wien Yasası ve
Stefan-Boltzmann Yasası çok önemli sonuçları ortaya
Güneş Enerjisiyle Çalışan Bir Termoelektrik
Jeneratörde Sıcaklık Faktörünün Etkisi
*Şerafettin EREL, **Metin AKDAŞ, *Mehmet TUGAY
*Elektrik & Elektronik Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Fakültesi, Kırıkkale Üniversitesi, Kırıkkale, 71451 TÜRKİYE
**Fizik Bölümü, Fen Edebiyat Fakültesi, Karatekin Üniversitesi, Çankırı, TÜRKİYE
Tel : +90 (318) 357-4242; Fax: +90 (318) 357-2459,
erelseref@yahoo.com
Int.J.Eng.Research & Development,Vol.2,No1,January 2010
8
koymuştur [1]. Bununla birlikte enerjinin aktarımı,
depolanması gibi konular günümüzde bile çok önemli
araştırma konuları olarak ortaya çıkmaktadır. Güneş
enerjisinden sıcak su sağlanmasında genelde düzlem
kollektörler kullanılmaktadır. Bunlar yapım açısından çok zor
olmamakla birlikte, yapımında farklı yöntemler ve materyaller
kullanılmaktadır. Bu değişkenlik elde edilen kollektörlerin
verimini,
dayanıklılığını
ve
maliyet
durumlarını
belirlemektedir.
Yapımında
tek
veya
çift
cam
kullanılmaktadır. Her iki yöntemin de birbirlerine göre
üstünlükleri vardır. Tek ve çift cam kullanma durumlarına
göre sistemin kırınım açısı değişmektedir. Ancak sistemdeki
ısı kaybı göz önüne alındığında çift cam kullanımının daha
avantajlı olduğu gözükmektedir. Bu kollektörlerin uygun
zemin üzerine yerleştirilmesinde ise azimut ve zenit açılarının
göz önüne alınması ayrı bir önem taşımaktadır. Bu durum
statik sistemler için oldukça önemlidir. Dört mevsim
ortalaması kollektörlerin yerleştirilme açısında optimum bir
sonucu sağlamaktadır. Depo olarak sıcak ve soğuk su depoları
kullanılmakta olup açık ve kapalı sistemlere göre depo
durumları değişmektedir. Açık sistemlerde sıcak su deposu
doğrudan kollektör sistemine bağlıyken, kapalı sistemlerde
eşanjör sistemi kullanılmakta ve yapımlarında bazı farklılıklar
bulunmaktadır. Isı taşıyıcı akışkan olarak açık sistemlerde
doğrudan su kullanılırken, kapalı sistemlerde ise antifriz
kullanılmaktadır. Antifrizin kullanılması ısı taşınımını
sağlamakla birlikte donmaya karşı da etkinlik göstermektedir.
Bununla birlikte son zamanlarda antifrize göre hem daha
düşük donma sıcaklığına sahip, hem de daha iyi ısı taşıyıcısı
olan akışkanlar da kullanılmaya başlanmıştır. Açık sistemlerde
doğal dolaşım kullanılırken, kapalı sistemlerde doğal
dolaşımla birlikte zorunlu dolaşım da kullanılmaktadır [2].
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretiminde ise yaygın
yöntem olarak fotovoltaik güneş pilleri kullanılmaktadır.
Güneş pilleri ise istenilen güce göre modüler hale
getirilebilmektedir. Güneş pilleri elde edildiği maddelere bağlı
olarak, yapımı oldukça farklı olabilmektedir. Tek kristal,
polikristal ve amorf yapılı güneş pillerinin kullanımı oldukça
yaygınlık gösterirken, verim durumları da kullanılan
yarıiletken malzemelere bağlı olarak değişmektedir.
Kullanılan yarıiletkenler n ve p tipi olmak üzere Si, Ge gibi
element haldeki yarıiletkenler olabilirken, periyodik tablonun
II. ve VI. ile III. ve V. grup elementlerinden oluşmaktadır.
CdS/CuInSe
2
güneş pilleri II. ve VI. grup elementlerinden
üretilirken, GaAs güneş pilleri ise periyodik tablonun III. ve
V. grup elementlerinden elde edilip, bu gruptaki güneş pilleri
%24 gibi yüksek bir verime sahiptir. Güneş pillerinin çalışma
performansı
dış
etkenlerle
de
geliştirilebilmektedir.
Bunlardan, pil yüzeyinin V tipinde yivlenmesiyle yansımanın
belli miktarda önlendiği görülmektedir [3]. Bununla birlikte
güneş pillerine elektrik ve manyetik alan uygulanmasının da
güneş pillerinin çalışmasını belli miktarda değiştirdiği
görülmüştür [4-6]. Güneş pillerinin performansını geliştirecek
yöntemlerden etkin yüzey miktarının relatif olarak artırılması
konusunda da önemli çalışmalar yapılmış ve çalışma
sonucunda bazı değişiklikler gözlenmiştir [7]. Ayrıca güneş
pillerinin yüzey durumlarının statik veya izleme sistemine
dayalı dinamik yapıda olması durumuna göre de farklı
davranış gösterdiği gözlenmiş olup bunlara bağlı bazı önemli
deneysel sonuçlar elde edilmiştir [8]. Güneş pillerinin
çalışmasını etkileyen en önemli parametrelerden birisi de
sıcaklıktır. Sıcaklık yükselmesinin güneş pili veriminin
düşmesine, sıcaklık düşmesinin ise verimin yükselmesine
neden olduğu görülmüş ve bu konuyla ilgili önemli sonuçlar
elde edilmiştir [9]. Enerji dönüşümü konusu, dönüşüm
sistemleri ve elemanları son yıllarda ayrı bir önem
taşımaktadır. Yapılan bu çalışmada ise güneş enerjisinden
elektrik enerjisinin elde edilmesi amaçlanmış ve sistemde
enerji dönüştürücüsü olarak TEC (termoelektrik dönüştürücü)’
ler kullanılmıştır. Termoelektrik dönüştürücüler son yıllarda
yaygın bir şekilde kullanılmakta olup, yeni yeni uygulama
alanları bulmaktadır [10-12]. Bu dönüştürücülerin geliştirilip
daha ucuza elde edilmesi kullanım yaygınlığı açısından ayrı
bir önem taşımaktadır.
II.
GEREÇ
VE
YÖNTEM
Yapılan bu çalışmada geliştirilen 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)
35
olacak şekilde tasarlanıp
monte edilmiştir. 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 absorplayıcı
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
16
r
cm, boyu ise
47
h
cm olup
37780
V
cm
3
(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 T
1
sıcaklığı
parabolik yansıtıcıyla soğurulan güneş enerjisinden, T
2
sıcaklığı ise oda sıcaklığında bulunan soğuk su deposundan
sağlanmaktadır. Sistemin soğutulmasında soğutucu akışkan
olarak hava ve su kullanılmıştır. 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
kullanılmıştır. Termoelektrik jeneratörün gerçekleştirilmesi
için 60 cm X 60 cm boyutlarında bakır borudan imal edilen bir
ısı eşanjörü kullanılmıştır. 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
Int.J.Eng.Research & Development,Vol.2,No1,January 2010
9
peltierler dizinin her iki yüzeyine sıkıca monte edilerek TE
jeneratör çalışır hale getirilmiştir. Akışkanın dolaşımı
devridaim motoru ile sağlanmıştır. Jeneratör yapımında
TEC1-12708
marka
termoelektrik
dönüştürücüler
kullanılmıştır. Geliştirilen düzenek Şekil-1’de görülmektedir.
Şekil-1. Geliştirilen düzenek.
Bu düzenek yardımıyla deneysel veriler elde edilip sonuçlar
irdelenmiştir.
III.
BULGULAR
Dinamik yapılı parabolik yansıtıcı yardımıyla güneş
enerjisinden ısı enerjisi sağlanarak termoelektrik jeneratör
çalıştırılmış ve buradan da elektrik enerjisi elde edilmiştir.
Geliştirilen düzenekle deneysel sonuçlar elde edilmiş ve ilgili
tablo değerleri aşağıda verilmiştir.
Tablo-1. Parabolik yansıtıcılı sistemdeki akışkanın sıcaklığı ile gelen ışık
akısına bağlı tipik deneysel veriler.
Ø (W/m
2
)
T (°C)
311
19
954
30
1000
36
1041
39
1067
43
1113
49
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
.
Isıtılan
Yüzeyin
Sıcaklığı
T
1
(°C)
Soğutulan
Yüzeyin
Sıcaklığı T
2
(°C)
Yüzeyler
Arası Sıcaklık
farkı ∆T (°C)
Sağlanan
Gerilim
V (Volt)
Elde
Edilen
Akım I
(mA)
15
15
0
0
0
34
19
15
0,15
12,26
44
25
19
0,22
18,86
56
31
25
0,24
19,82
65
36
29
0,24
20,03
Hava soğutmalı sisteme dayalı olarak gerçekleştirilen TE
jeneratöründen sağlanan veriler Tablo-3’ de verilmektedir.
Tablo-3. Hava soğutmalı sisteme dayalı TE jeneratörden sağlanan veriler.
Isıtılan
Yüzeyin
Sıcaklığı T
1
(°C)
Soğutulan
Yüzeyin
Sıcaklığı T
2
(°C)
Yüzeyler
Arası Sıcaklık
Farkı ∆T (°C)
Sağlanan
Gerilim
V (Volt)
Elde
Edilen
Akım I
(mA)
24
24
0
0
0
36
24
12
0,85
27
41
22
19
1,03
33,4
44
20
24
1,14
37,2
49
19
30
1,28
40,2
51
20
31
1,58
50,2
53
19
34
1,74
52,4
56
18
38
1,89
57,6
59
19
40
2,12
62,8
61
19
42
2,26
67
64
19
45
2,57
75,2
Tablo-2 ve Tablo-3’de her iki sisteme dayalı veriler elde
edilip, sistemlerin elektriksel özellikleri karşılaştırıldığında
önemli ölçüde davranış farklılıkları olduğu görülmüştür.
IV.
TARTIŞMA/SONUÇ
Yapılan bu çalışma, 107M646 nolu TÜBİTAK projesi
kapsamında gerçekleştirilmiştir. 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. Bununla birlikte sıvı
akışkanlı eşanjörlü sistemin dezavantajlı durumunun çok
sayıda termokupullar bulunan mikroyapılı peltierlerin ısıtma
ve soğutulmasındaki heterojenliğin önemli bir etken olduğu
tahmin edilmektedir. Bu durumun ayrıntılı bir çözümü ise ayrı
bir araştırma konusu olarak öngörülmektedir. Sonuç olarak,
iki farklı yapıdaki termoelektrik jeneratör kullanılarak
geliştirilen düzenek aracılığıyla güneş enerjisinden elektrik
enerjisi elde edilmiştir. Elde edilen güç miktarı düşük olsada,
Int.J.Eng.Research & Development,Vol.2,No1,January 2010
10
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.
V.
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]. EREL, Ş., “Comparing the behaviours of some typical solar cells under
external effects”, Teknoloji, Vol.11 (No.3), 233-237 (2008).
[7]. KÜÇÜK, B., “Dinamik Yöntemle Fotovoltaik Pillerden Optimum Güç
Eldesi”, Kırıkkale Üniversitesi, FBE, Yüksek Lisans Tezi, 1999.
[8]. EREL, S., KUCUK, B., ULUER, I., “The Use of The Dynamic System To
Get Optimum Power From the Photovoltaic Cells”, ECOS 2001, ITU-
ICAT, Istanbul, TURKEY, Proceedings of ECOS’ 01, Vol.I, 459-464,
2001.
[9]. EREL, Ş., “A study of cooling effect on the operation of a polycrystalline
silicon solar cell”, International journal of engineering research and
development, Vol.1 (No.1), 47-49 (2009).
[10]. EREL, Ş., "Termoelektrik dönüştürücüler ve bu dönüştürücülerin
motorlarda muhtemel kullanım potansiyellerinin irdelenmesi", 10.
Uluslararası Yanma Sempozyumu, Cilt 1, 529-532, 09-10 Ekim 2008,
Sakarya.
[11]. EREL, Ş., Erel, G.K., " Enerji dönüşüm sistemlerinde termoelektrik
dönüştürücülerin kullanımı", 21. Yüzyılın Başında II. Kırıkkale
Sempozyumu, Cilt I, 336-337, Kırıkkale, 2008.
[12]. EREL, Ş., “A thermoelectrical approach to the waste energy thrown by
chimneys”, International journal of engineering research and
development, Vol.1 (No.1), 16-18 (2009).
Dostları ilə paylaş: |