Fizikte enerjinin yaratılamayacağını veya yok edilemeyeceğini, yalnızca biçimini değiştirebileceğini biliyoruz. Bu, mühendisleri enerjiyi daha kullanışlı biçimlere dönüştürmenin yollarını bulmaya sevk eden enerjinin korunumu yasasıdır.
Isıyı doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen termal enerji üretimi buna iyi bir örnektir. Bu etki ilk olarak Thomas Seebeck tarafından keşfedildi ve artık Seebeck etkisi olarak biliniyor ve termoelektrik jeneratörler (TEG'ler) adı verilen cihazlara uygulanıyor. Bu katı hal cihazlarının pratik uygulamalarda önemli ilerleme kaydetmesi ancak 20. yüzyıla kadar mümkün olmadı; ilk ticari versiyonları 1960'larda ortaya çıktı. O zamandan bu yana TEG pek çok farklı uygulama alanına girmiştir.
TEG modülüne ilişkin temel bilgiler
Termoelektrik jeneratör modülünün (genelde TEG olarak anılır) çalışma prensibi sıcaklık farkını gerilime, sıcaklık farkını da gerilime dönüştürmektir. Bu özelliğe termoelektrik etki adı verilir ve ilgili üç bölümden oluşur: 1) Sıcaklık gradyanı yoluyla elektrik üreten Seebeck etkisi; 2) Peltier etkisi, akımın iki farklı malzemeden geçmesi durumunda ısının emilmesi veya serbest bırakılması anlamına gelir; 3) Thomson etkisi, akımın akış yönüne bağlı olarak ısının üretilmesini veya emilmesini ifade eder.
Termoelektrik teknolojisindeki yaygın bir kafa karışıklığı noktası, termoelektrik jeneratörler (TEG'ler) ile termoelektrik soğutucular (TEC'ler) arasındaki farktır. TEG, ısı yoluyla elektrik üretmek için Seebeck etkisini kullanırken, TEC soğutma sağlamak veya sabit bir sıcaklığı korumak için Peltier etkisini kullanıyor. Bu etkilerin her ikisi de benzer yarı iletken malzemelere dayanır ancak farklı tasarımlara sahiptir: TEG yüksek sıcaklık farkları ve verimli güç çıkışı elde edebilirken, TEC ısı iletimini optimize etmek için seramik ve bakır gibi malzemeler kullanır.
Aslında amaç termal enerji kullanarak elektrik üretmekse o zaman TEG modülü doğru seçimdir. TEC veya Peltier modülleri soğutma veya sıcaklık stabilitesi açısından daha etkilidir. Same Sky, hem TEG modüllerini hem de Peltier modüllerini sunarak tasarım ihtiyaçlarına göre uygun cihazların seçilmesini kolaylaştırır.
Modern termoelektrik jeneratörlerde (TEG'ler), sıcak ve soğuk yüzeyler arasında sıcaklık farkı olduğunda elektrik enerjisi üretilir. Modülün içinde, iki plaka arasına birden fazla n-tipi ve p-tipi yarı iletken çifti (genellikle bizmut tellürden yapılmıştır) yerleştirilir (Şekil 1). N tipi malzemelerde elektronlar sıcak taraftan soğuk tarafa doğru akarken, p tipi malzemelerde hareket deliklerin (yani elektron boşluklarının) aynı yönde hareket etmesinden kaynaklanır. Bu iki akış birlikte voltaj üretir ve sıcaklık farkı ne kadar büyük olursa çıkış voltajı da o kadar yüksek olur.
TEG, endüstriyel üretim gibi ısı israfının meydana gelebileceği durumlarda, kaybedilen enerjinin geri kazanılmasına yardımcı olduğundan özellikle değerlidir. TEG ayrıca uzak veya ekstrem ortamlarda da çalışabilir. Örneğin, yeterli güneş ışığı olmadığında, radyoaktif bozunumun ürettiği ısı, uzay sondalarına güç sağlamak üzere elektrik enerjisine dönüştürülür.
TEG modüllerinin ortak yapıları
Şekil 1: TEG modülünün ortak yapısı. (Resim kaynağı: Aynı Gökyüzü)
TEG'in avantajları ve dezavantajları
Termoelektrik yarı iletken güç üretimi (TEG) modüllerinin temel avantajı, atık ısıyı kullanılabilir elektrik enerjisine dönüştürme yetenekleridir; bu, aksi takdirde kaybolacak enerjinin yakalanmasına yardımcı olur. Bu nedenle TEG modülleri hem pratik hem de çevre dostudur.
TEG katı halli bir cihaz olduğundan hareketli parça yoktur, bu da modülün duyulabilir bir gürültüye sahip olmadığı, sağlam ve dayanıklı olduğu ve neredeyse hiç bakım gerektirmediği anlamına gelir. Bu modül kompakt bir görünüme sahiptir, küçük alanlara kurulabilir ve güvenilir güç sağlamak için geleneksel güç şebekelerine ihtiyaç duymadan birden fazla voltaj ve akım sağlar. Bu, TEG'i uzak cihazlar veya alternatif pil sistemleri için ideal bir seçim haline getirir.
Termoelektrik jeneratörler (TEG'ler) güvenilir bir elektrik kaynağı sağlasa da tasarım sınırlamaları da vardır. Bu jeneratörün performansı büyük ölçüde güçlü sıcaklık farklılıklarına bağlıdır ve bu da termal gradyanların olduğu belirli uygulamalarda kullanımlarını sınırlandırır. Ek olarak, TEG'in dönüşüm verimliliği genellikle düşüktür, tipik olarak %10 civarındadır ve bu, diğer birçok enerji üretim teknolojisiyle karşılaştırıldığında yüksek değildir.
TEG için ana seçim kriterleri
Termoelektrik jeneratör (TEG) modüllerini sisteme entegre ederken performanslarını doğrudan etkileyen temel özelliklerin dikkate alınması gerekir. Jeneratörün çalışmasında en kritik faktör, sıcak ve soğuk yüzeyler arasındaki sıcaklık farkıdır (genellikle Δ T olarak anılır). Bu durum TEG'in elektrik üretimini etkileyecek olsa da veri tablosu bunu her zaman bu şekilde göstermiyor. Aksine, üreticiler genellikle en yüksek güvenli çalışma sıcaklığı olan ve aşırı koşulların belirlenmesine yardımcı olan ancak en uygun çalışma koşulları olmayabilen Tmax değerini listeler.
Diğer yararlı özellikler arasında açık devre voltajı, eşleşen yük voltajı, akım, direnç ve güç bulunur. Bu değerler sayesinde termoelektrik jeneratörün gerçek termal ve elektriksel yükler altındaki performansı anlaşılabilir. Veri tablolarında (Same Sky'ın veri tablosu gibi), bu bilgiler genellikle sistem düzeyinde tasarımı kolaylaştırmak için tablolar (Şekil 2) ve performans grafikleri (Şekil 3) biçiminde görüntülenir.