Mühendislik

Termoelektrik Etki

Teorik Çerçeve

Hem ısıl hem de elektriksel etkenlerin bir arada bulunduğu devreye termoelektrik devre, bu devreyle çalışan bir sisteme de termoelektrik sistem adı verilir. Termoelektrik modül n ve p tipi malzemeden oluşmaktadır. Genellikle n tipi malzeme olarak Bi2Te3 ve p tipi malzeme olarak da Bi0.1Sb1.9Te3 temel malzemeleri kullanılmaktadır.

Şekil 1: Termoelektrik modülün yapısı

Termoelektrik soğutucular elektriksel olarak seri, ısıl olarak paralel düzenlenmiş çok sayıda termocouple’ dan oluşmaktadır. Termoelektrik soğutucu modüllerin genellikle n ve p tip malzeme çiftlerinden eşit sayıda konulmasıyla üretilmektedir (şekil 1) . 

Şekildeki yapı alanında elektrik akımının her n ve p tip malzemelerin alt ve üst tabakaları boyunca hareket etmesiyle sıcaklığın hareketine sebep olur. N tipi malzeme bir elektron fazlalığına sahip (ideal bir moleküler kafes yapısı oluşturmak için ihtiyaç duyulandan fazla elektron) malzemedir. P tipi malzemede ise elektron eksikliği olan (ideal bir moleküler kafes yapısı oluşturmak için gerekli olandan az elektron) bir malzemedir. 

Şekil 2: Termoelektrik modül üzerindeki elektrik hareket şeması


N tip malzemedeki fazla elektron ve p tip malzemedeki elektron eksikliğiyle meydana gelen boşluklar, ısı enerjisi ile termoelektrik modül boyunca hareket ettiren taşıyıcılardır. Şekil 2 ‘deki uygulanan elektrik akımının sonuna hareket eden ısı ile bir yüzey de ısıtma, diğer yüzeyde soğutma oluşturmaktadır. Termoelektrik soğutma sistemi, soğutma süresi boyunca hareketli parçalarının olmayışından dolayı sessiz çalışmaktadır.

Termoelektrik malzemelerin kalitesini karakterize eden, Z ile gösterilen ve “malzeme faktörü” olarak da isimlendirilir.
Z= α2 1(1/kp)

Bu denklemde,  α malzemenin Seebeck katsayısı (Volt/Kelvin)
p malzemenin elektrik iletkenliği (ohm.m) 
k malzemenin termal (ısıl) iletkenliğidir (W/mK)  dir.

Termoelektrik Etkiler

İki farklı yarıiletken malzemelerin kimyasal yöntemlerle birbirine İki farklı yarıiletken malzemenin kimyasal yöntemlerle birbirine birleştirilerek oluşturulan devre üzerinden, elektrik akımı geçirilmesiyle devrede aynı anda meydana gelen üç çeşit termoelektrik etki oluşur. Bu üç etki mucitlerin isimleri ile anılır. Bunlar; Seebeck, Peltier ve Thomson etkileridir.

Seebeck Etkisi 

İki farkı yarıiletken malzemelerin birbirine seri olarak birleştirilerek oluşturulan devrede, farkı sıcaklıklarda elektrik gerilimi ölçülür. Bu gerilime “seebeck voltaji” olarak da isimlendirilir. Devrede ölçülen gerilim, malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ile doğru orantılıdır. 

Şekil 3: Seebeck voltajı ’nin ölçümü

Şekil 3’de iki farklı yarı iletken malzemeden oluşturulan devrede ölçülen voltaj;
V= α ∆T
V: Devreden ölçülen voltaj (Volt)
∆T= T2–T1 Yarıiletken malzemelerin yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı (C)
α= α2–α1 Seebeck katsayısı veya termo emk (V/C) dır.
α ’nın değeri; devreyi oluşturan malzemelerin özelliklerine bağlıdır.

Örneğin bakır konstantan’ dan yapılan bir termokupl için α=40 µV/C dır. Yani her 10 C sıcaklık farkı için 40 µV luk voltaj üretir. α değeri 100 µV/C ’dan büyük olan yarı iletkenlere, termoelektrik yarıiletkenler denir.
N tipi yarı iletken için α değeri negatif, P tipi yarıiletken için α değeri ise pozitiftir. Meydana gelen seebeck etki yarı iletkenlerde jeneratör gibi, metallerde ise termokupl veya ısı sensörü gibi kullanılır .

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 oluşmasıyla keşfedilmiş. Bu olaya Peltier etkisi denilmektedir. Birleştirilen iki farkı yarı iletken 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/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.

Şekil 4: Peltier etkisi devresi

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’ nden 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: Birim zamandaki ısı kazancı (W),
TH: Sıcak yüzey sıcaklığı (C),
TC: Soğuk yüzey sıcaklığı (C),
α= α2-α1, Seebeck katsayısı (V/C),
I: Devre üzerinden geçen akım şiddeti (A)
R= R1+R2, Elektriksel direnç, (ohm),
K= K1+K2, Isıl iletkenlik (W/C),
∆T= TH-TC, Sıcaklık farkı (C) dır.

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 zaman doğru orantılıdır. Ortaya çıkan Thomson ısısı;

Q T = ι ∆T I
Q T : Thomson ısısı (W),
∆T: İletkenin uçları arasındaki sıcaklık farkı (C),
I : İletken üzerinden geçen akım şiddeti (A),
ι : Thomson katsayısı (V/C) dır.

Endüstride Kullanım Alanları

TEM (termoelekrik mödül) araştırma sürecindeki elektrik üretimi çalışmalarının dışında, ağırlıklı olarak endüstride soğutucu olarak kullanılır. Günlük hayatta kullandığımız pek çok cihazda yer bulmuştur.

Bunlardan bazıları Tablo 1’de verilmiştir.

Askeri/Uzay araştırmaları  Elektronik devre soğutma, taşınabilir soğutma, kızılötesi sensörlerin soğutulması, soğutulan elbise, telsiz istasyonları
Bireysel  Dinlenme taşıt soğutucuları, araç soğutucuları, taşınabilir soğutucular, motosiklet kaskı soğutucuları, taşınabilir insülin soğutucuları
Laboratuvar ve bilimsel cihazlar  Laboratuvar soğuk plaka, vidicon tüpü soğutucusu, soğuk oda, donma noktası referans banyosu
Endüstriyel sıcaklık kontrol  Kritik elemanların sert çevre şartlarından korunması, pc işlemci soğucusu, yazıcı mürekkep sıcaklığının sabitlenmesi,
Restoran cihazları    Çikolata, krema, tereyağı makineleri
Çeşitli amaçlarMasaj ve tedavi amaçlı, ilaç soğutucuları karavan soğutucuları
Tablo 1

Yazar: Hakan ÇELİK