Termoelektrik soğutucular en az çevre sıcaklığında soğutma sıcaklık döngüsü ve sıcaklık kararlılığı gerektiren aletlerde katı fazda ısı pompaları olarak kullanılırlar. İki elektriksel yalıtkan olarak kullanılan seramik levhaların arasına konulan n- ve p-tipi yarı iletken termoelementlerden oluşan termoelektrik çevirici modüllerdir. Elektrik akımı modül boyunca geçerken ısı modülün bir yüzünde absorbe edilir ve buzdolabı gibi çalışan aletlerde olduğu gibi ısı diğer yüzden karşı yüzeye aktarılır. Aracın etkinliği genelde Carnot etkinliğinin yüzdesi olarak verilir. Şimdiki termoelektrik araçlar yaklaşık %10 Carnot etkinliği ile çalışırlar. Kompresörlerin etkinliği yaklaşık %30’dur ve boyuta göre yükselme gösterir. Termoelektrik soğutucular/buzdolapları, küçük boyutları, yüksek güvenilirlikleri, geniş çalışma sıcaklığı sınırları, düşük güç ihtiyacı ve hiçbir soğutucu veya sıvı gazın kullanılmaması gibi geniş uygulama çeşitliliği nedeniyle uygundur. Bunun yanında kızıl ötesi dedektörler, düşük frekans yükseltici ve bilgisayar çipleri gibi ısıya duyarlı elektronik aygıtlara noktasal soğutma sağlar. Termoelektrik modüllerin kullanımı
44
genelde en iyi çözümdür ve ısının idare edilmesi gereken sistemlerde ise tek çözüm yoludur. Her yönüyle hiçbir soğutma sistemi ideal değil ve her alet için termoelektrik modüllerin kullanımı uygun değilken, termoelektrik soğutucular alternatif teknoloji olarak daha büyük avantajlar sağlar.
Termoelektrik modüllerin en önemli bazı özellikleri şunlardır:
• Hareket eden parçaların bulunmaması: Termoelektrik modül hareket etmeyen parçası olmaksızın elektriksel olarak çalışabilir. Bu nedenle hemen hemen hiç bakıma ihtiyaç duymazlar.
• Küçük boyutları ve ağırlığı: Bütün termoelektrik soğutucu sistemleri diğer benzer mekanik sistemlere göre çok daha küçük ve daha hafiftir. Buna ek olarak, standartlarının çeşitliliği ve özel boyut seçenekleri ve konfigürasyonları tam olarak ihtiyaç duyulan aletin elde edilmesini sağlar.
• Çevre sıcaklığında soğutabilme özelliği: Konvansiyonel ısı tabakası sıcaklığı çevre sıcaklığının üstüne yükseltmek gerekirken termoelektrik soğutucular çevre sıcaklığı değerlerinin altında sıcaklık üretmek için aynı tabakaya bağlanır.
• Aynı modülle ısıtma ya da soğutma yapılabilmesi: Termoelektrik soğutucular uygulanan DA gücün polarlığına bağlı olarak ısıtır veya soğutur. Bu özellik verilen sistemde farklı ısıtma ve soğutma fonksiyonları sağlama ihtiyacından kurtarır.
• Kesin sıcaklık kontrolü: Yaklaşık sıcaklık kontrol çemberi sayesinde termoelektrik soğutucular +/-0.1°C’den daha iyi kontrol sıcaklıklarına sahiptirler.
• Yüksek güvenilirlik: Termoelektrik modüller katı hal yapısında olduklarından yüksek güvenilirlik gösterirler. Güvenilirlik alete bağlı olsa da tipik termoelektrik soğutucuların ömrü 200.000 saatten daha fazladır.
•Elektriksel olarak sessiz çalışma: Mekanik soğutucu sistemlerine göre termoelektrik modüller hiçbir elektriksel ses üretmez ve duyarlı elektronik sensörler bağlanılarak kullanılabilirler.
• Her türlü yönlendirmede çalışma: Termoelektrikler her türlü yönlendirmede çalışabilirler ve yerçekimli ortamlara uyumludur. Böylece birçok uzay araçlarında kullanılabilir.
• Uygun güç kaynağı: termoelektrik modüller doğrudan DA güç kaynaklarında çalışırlar. Geniş giriş gerilim ve akım sınırlarına sahip modüller kullanılabilir. Sinyal genişliği modülasyonu birçok alette kullanılabilir.
• Nokta soğutma: Termoelektrik soğutucularla sadece belli bir parçayı veya alanı soğutmak mümkündür. Böylece geri kalan soğutulmaya ihtiyacı olmayan kısımlar soğutulmaz.
45
• Elektriksel güç üretebilme yeteneği: Termoelektrik soğutucuların yüzüne diferansiyel sıcaklık uygulayarak yani tersi şekilde kullanılırsa bir miktar DA güç elde etmek mümkündür.
• Çevreye duyarlılığı: Konvansiyonel soğutucu sistemleri kloroflorokarbonlar veya diğer kimyasallar kullanılmadan üretilemezler. Bu kimyasal maddeler çevreye zarar verebilirler. Termoelektrik aletler hiçbir tür gazı kullanmaz ve üretmez [53,54].
Şekil 1.26. Bir termoelektrik soğutucu modülü
Buzdolabında kullanılan dondurucu sıvının yerini, bir yarı iletken alabilir. Yoğuşturucu eleman da bir ısı transfer elemanıyla yer değiştirebilir. Ayrıca kompresörün yerini de doğru akım kaynağı alabilir. Termoelektrik modüle doğru akım kaynağının bağlanması, elektronların yarı iletken nesneden geçmesini sağlar. Maddenin soğuk tarafında, elektron hareketi sayesinde ısı soğurulur ve sıcak uca gönderilir. Sıcak olan uca ısı transfer elemanı bağlandığı için, ısı, ısı transfer elemanından çevreye verilir. Termoelektrik soğutucuların başlıca kullanım alanları mikroişlemciler, buzdolapları, gece görüş teçhizatları vb. olarak verilebilir. TES’ler özellikle yeni nesil bilgisayar işlemcilerinin soğutulmasında ve araç tipi buzdolaplarının yapımında kullanılır. Bağlantı uçlarına DA akım uygulandığı zaman, bir yüzey soğurken diğer yüzey ısınır. Elektrik güçlerine ve boyutlarına bağlı olarak çeşitli tip ve modellerde üretilirler. Sıcak yüzeyde, elektronların yüksek enerji seviyesindeki n-tipi yarı iletken elementten daha düşük bir enerji seviyesindeki p-tipi yarı iletken element üzerinde hareket etmesiyle bir ısı düşüşü
46
olur, böylece ısı enerjisi atılmış olur. Termoelektrik soğutucular ısı pompasıdır; hareketli parça, akışkan ve ya gaz içermez. 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. Yüzeyler arasındaki sıcaklık farkından dolayı modül elektrik üretmeye başlayacaktır [54].
Soğutucu modül içerisinde ortalama 100 adet veya daha fazla termoelement –mikro modül bağlantısı içerebilir. Termoelektrik modül ortalama olarak, yüzey alanı 2,5 ile 50 mm2 ve yüksekliği de 2,5 ile 6 mm arasında olmaktadır. Bu düzenleme elektrik akımlarının her n ve p tipi elemanlarının alt üst tabaka boyunca ileri ve geri hareket etmesiyle sıcaklığın soğutucu boyunca tek yönde hareket etmesine sebep olur. N- tipi malzemedeki fazla elektronlar ve p- tipi malzemedeki elektron eksikliği ile meydana gelen boşluklar, ısı enerjisini termoelektrik modül boyunca taşınır. Isı akımın aktığı yönde hareket eder. Akımın yönünün değiştirilmesiyle ısının akım yönü değişeceğinden sıcak olan yüzeyde soğuma, soğuk olan yüzeyde de ısınma olacaktır. Termoelektrik modüle optimum akım uygulandığında soğuyan yüzey tarafında sıcaklık düşüşü maksimum olur. Bir termoelektrik modülün optimum akım şiddetinin değeri, termoelektrik modülün üretiminde kullanılan termoelektrik yarı iletken malzemelerin kalitesine, boyutlarına ve yapısal özelliklerine göre değişir. Bütün bunlar TES sistemler için geçerlidir [55].
1.4.1. Termoelektrik Soğutucularda Kullanılan Malzemeler
Termoelektrik soğutucunun etkinliği kullanılan malzeme ile yakın bir ilişki halindedir. Termoelektrik soğutucularda p ve n tipi termo elemanlarda kullanılan yarı iletken malzemeler, Bi2Te3, PbTe, SiGe ve BiSb gibi alaşımlardır. Bizmut Teleryum,
Bi2Te3, yüksek termoelektrik etkinliği ve uygun sıcaklık aralığı nedeniyle yaygın bir
şekilde tercih edilmektedir. Alt ve üst plakalarda seramik malzeme kullanılır. Böylece ısıl iletkenlik, elektriksel yalıtkanlık ve mekanik mukavemet sağlanır. Termo elemanları birbirine bağlayan iletken malzeme olarak bakır veya alüminyum gibi ısıl iletkenliği yüksek malzemeler kullanılmaktadır [54].
47
1.5. Termoelektrik Güç Ekipmanları