Isı enerjisinden elektrik enerjisi üretimi - Termoelektrik pille

Proje Tanımı:  
Çevre ve Fizik
Proje Başlığı:  
Isı makinelerinin çevreye vermek zorunda oldukları atık ısıdan yararlanarak geri dönüşümle elektrik üretimi
Proje Özeti:  

Çalışmamızda küresel ısınma faktörlerinden biri de olan atık ısı enerjisinin tekrar hayata kazandırılması amacıyla ilgili bir çalışma yapılmıştır. Birçok fabrika vb. yerlerden atmosfere kullanılmadan gönderilen yüksek ısı enerjisini fizik bilimindeki termodinamik kanunlardan faydalanarak elektrik enerjisi üretilmiştir. Üretilen bu elektrik enerjisi yine bu yerlerde kullanılması sağlanarak önemli ölçüde enerji tasarrufu da yapılmıştır.

Proje Amacı:

Genel amaç;  ülkemizin ve insanlığın enerji kaynaklarını en verimli ve temiz şekilde kullanmasını sağlamak amacıyla hazırlanan bir projedir. Özel amaç ise dünyada birçok sanayi kuruluşlarının (örneğin tuğla fabrikaları, çimento fabrikaları v.b) yapısında sıcaklık değeri 1000 santigrat seviyelerinde yüksek enerjili ısı kaynakları vardır. Bu fabrikalardaki üretilen ısı, kullanıldıktan sonra 300-600 santigrat sıcaklık değerlerinde atmosfere tekrar bırakılmaktadır. Ayrıca bu fabrikalar diğer kullandıkları motorlar için dışardan elektrik şebekesinden ücretli olarak elektrik enerjisi satın almaktadırlar. Bu projenin amacı fosil yakıtlarla üretilen ısı enerjisinin atık kısmını tekrar fabrika içerisinde kullanılacak şekilde elektrik tasarrufu sağlamaktır. Atılan ısıdan elektrik üretmek için fizikte Seeback effect olarak geçen termoelektrik kanunundan faydalandık. Yaptığımız küçültülmüş prototip deneyinde de elektriği üreterek başarılı olduk. Orta büyüklükteki bir tuğla fabrikasının aylık elektrik tüketim maliyeti 20000 Ytl  olduğu ve ülkemizde sadece tuğla fabrikalarının sayısının 600 civarında olduğu düşünülürse orta seviyede bir tasarrufun sağlanacağı ve çevreninde bu ölçüde korunacağı aşikardır.

Giriş:

Dünya petrol rezervinin 2050, doğal gazının 2070 ve kömürünün de 2150 yılında tükenmiş olması beklenmektedir. Bu durumda alternatif enerji kaynaklarının üzerindeki araştırmaların ve projelerin artmasına sebep olmaktadır. Ayrıca insanlığın enerji israfından vazgeçmesi ve enerjiyi en yüksek verimle kullanabilecek teknolojik yenilikleri de gerçekleştirmek için özel çaba sarf etmesi gereklidir. Ülkemiz enerji kaynakları, teknoloji ve finansman açısından dışa bağımlı bir ülkedir. Bu durum enerji sektöründe uzun vadeli ve etkin planlamaların önemini arttırmaktadır. Büyük miktarlarda ısının çevreye verilmesi, iş üretmek için ödenmesi gereken zorunlu bir bedeldir.

Enerjinin hem elektrik hem de ısı biçimlerinde aynı sistemden beraberce üretilmesi veya tüm ısı makinelerinin çevreye vermek zorunda oldukları atık ısıdan yararlanmakta enerjinin verimli kullanılması adına yapılacak önemli çalışmalardandır.

Enerjinin bu şekilde tekrar kazanımı değişik yollarla yapılmaktadır. Örneğin mevcut ısı ile su buharı elde edilerek buhar basıncının türbinleri çevirmesi ile de elektrik üretilmektedir. Bizim projemiz daha kolay uygulanabilir olup daha verimli çalışmaktadır.

Projemizin çevreye en önemli katkılarından biri, büyük enerji tasarrufu yanında atık emisyonları da aynı oranda azalmaktadır.

Yöntem:

TERMOELEKTRIK DÖNÜŞTÜRÜCÜ

Termoelektrik dönüştürücü termodinamiğin Birinci ve İkinci

Yasası arasındaki ilişkiyi ispatlamak için dizayn edilmiştir. Kullanılan yöntem, direk olarak

Kelvin tarafından ifade edilen ikinci yasayı ispatlar. Termoelektrik dönüştürücü, iki

Alüminyum bacak arasında yerleştirilmiş bir termoelektrik ısı pompası içerir. Termoelektrik

ısı pompasından geçen elektrik akımı, küçük bir motoru

harekete geçirebilir. Dönüştürücü, 1821 yılında keşfedilen Seebeck Olayını ve 1934’te

keşfedilen Peltier Olayını ispatlamak için kullanılır.

 

Seebeck Olayı, termoelektrik ısı pompasının uçları arasında bir ısı farkı oluşturulduğunda,

küçük motoru harekete geçirecek bir akım doğar (DT  >   E). Örneğin, bir bacak soğuk su, diğer

bacakta sıcak su içerisine batırıldığı zaman, küçük motor pervaneyi döndürür. Peltier Olayı

ise termoelektrik ısı pompasından bir akım geçirildiğinde bir ısı farkı meydana gelir

(E  >   DT). Bacaklardan biri soğurken diğeri ısınmaya başlar. Sonuçta, dönüştürücü bir “ ısı

kapasitörü” olarak çalışır.

 

Termoelektrik dönüştürücü, bir dizi termoelektrik piller kullanır. Bu piller, termal enerjiyi

elektrik enerjisine dönüştürür. Her pil yarıiletken bir alettir. Bir pilin

basit şekli aşağıdaki gibidir.

 

 

Seebeck Olayı süresince, pile giren ısı pil içindeki elektronların bir kısmının enerji

düzeylerini arttırır. Daha yüksek enerji düzeyinde, elektronlar yarıiletkenin kristal yapısında

artık hareket edecek şekilde serbest kalırlar. Elektronlar serbest kaldıkça, kristalde bir boşluk

(deşik) bırakırlar. Düşük enerjili elektronlar, materyalin içinde serbestçe hareket

edememelerine rağmen, bir deşikten diğerine sıçrayabilirler. Bu şekilde, deşikler yarıiletken

materyal içinde yer değiştirebilirler.

 

Şekilde görüldüğü gibi, elektronlar N-tipi yarıiletken materyalden ve deşikler ise P-tipi

yarıiletken materyalden taşınırlar. Bu şekilde elektronlar dış devreden akarlar ve

motor çalışır. Elektronlar devrenin diğer ucundan, pile tekrar girerler ve P-tipi yarı iletkenin

deşikleriyle karşılaşırlar. Bu olay, pilin soğuk ucuna yakın yerde meydana gelir. Böylece,

elektronlar deşiklere düşerler ve bu arada fazla enerjilerini ısı olarak buralara bırakırlar.

Pilin iki ucu arasında sıcaklık farkı olduğu sürece, elektronlar ve deşikler devamlı yer

değiştirmeye ve motor da dönmeye devam eder.

Bununla birlikte, eğer sıcaklık farkı yoksa,

elektronlar fazla enerjilerini bırakacakları yerler olmadığından deşikler ile tekrar birleşemezler

kullanılan malzemeler:

4 adet 140 w lık termoelektrik dönüştürücü (5x5x0,4cm)                                                                                                                                    voltmetre, ampermetre, termometre, ısı kaynağı sac metal levhalar

Deney düzeneğinin oluşturulması ve deneyin yapılışı:

Öncelikle bir fabrika bacasına benzer, içersinden ısınan havanın geçeceği dikdörtgen prizması şeklinde boru yapıldı. Yapılan bu bacanın önce aşağıda resmi görülen termoelektrik dönüştürücü monte edildi. Daha sonra bacanın altına önce bir ısı kaynağı yerleştirildi ve havanın ısıtılarak bacadan geçmesi sağlandı. Aynı deneme bacanın altına suyun ısıtılarak buhar halinde bacadan geçmesi sağlandı ve her iki durumda da üretilen elektriğin gerilim değerleri ölçüldü.

Daha sonra aynı deneyi bacanın değişik yerlerine 2 ile 4 tane daha termoelektrik dönüştürücü seri bağlanarak bacaya yerleştirildi.   

Ölçümler yapıldı. Yapılan ölçümler tablo 1 ve 2 ye kaydedildi.

Sonuçlar ve Tartışma:

Kuru havanın ısıtılması

Gerilim (V)

Akım (amp)

Giriş Sıcaklık oC

Çıkış sıcaklık oC

Tek dönüştürücü

14,1

12,7

62

55

İki dönüştürücü

26,3

13,2

69

58

Üç dönüştürücü

40,2

14,4

61

52

Dört dönüştürücü

53,8

14,1

67

56

 tablo--1

buharın ısıtılması

Gerilim (V)

Akım (amp)

Giriş Sıcaklık oC

Çıkış sıcaklık oC

Tek dönüştürücü

17,2

13,9

118

107

İki dönüştürücü

30,6

14,6

121

112

Üç dönüştürücü

46,4

15,4

122

114

Dört dönüştürücü

62,8

15,3

115

109

tablo--2

Yukarda verilen ölçüm değerlerinin de gösterdiği üzere deneyimiz başarıya ulaşmış olup ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesinde son derece kullanışlı ve verimli bir yol bulunmuştur. Yaptığımız araştırmalarda bu yöntemin daha önce çevre ve enerji tasarrufu amaçlı kullanıldığına rastlamadık. Bu yapılan deneyin büyük boyutlarda ve yüksek sıcaklıklarda fabrikalara uygulanması durumunda hatta bacaların yarıiletken termoelektrik malzemelerden imal edilmesi ile yüksek miktarda enerji tasarrufu ve atmosferinde fazla ısı ve emisyondan kurtulması sağlanacaktır. 

Kaynaklar:

1-     http://fizik.cu.edu.tr

2-     Y. A. Çengel, M. A. Boles, 1996, ‘Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik

3-     K. Lucas, 2000, ‘On the Thermodynamics of Cogeneration’, Int. J. Therm. Sci.

 

Proje Çalışma Resimleri (Resimlerin Orjinal Boyutları İçin Üzerlerine Tıklayın...)

       

Yorum Yaz
Arkadaşların Burada !
Arkadaşların Burada !