Dergiler / Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji / 2020 / Cilt: 8 - Sayı: 3
Egzoz Atık Isı Geri Kazanımının Gerçekleştirildiği Termoelektrik Jeneratörde P-N Tipi Yarı İletken Malzeme Çiftinin Teorik Optimizasyonu
- Sayfa
- 588–600
- DOI
- —
Özet
Bu çalışmada, içten yanmalı motorların egzoz atık ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi için tasarlanmış termoelektrik jeneratörde farklı p-n tipi yarı iletken malzeme kullanımının termoelektrik jeneratörün çıkış parametreleri (yük akımı, yük altındaki çıkış gerilim ve gücü) üzerine etkisi teorik olarak araştırılmıştır. Çalışmada, termoelektrik modülleri oluşturan p-n çiftleri için Bi2Te3, Bi0,3Sb1,7Te3, PbSe0,5Te0,5 ve Zn4Sb3 tipi 4 farklı yarı iletken malzemenin kombinasyonundan oluşan 5 farklı p-n çifti oluşturulmuştur. Belirlenen p-n çiftlerinden oluşturulan termoelektrik modüllerinin kullanıldığı termoelektrik jeneratör, daha önceki çalışmada Matlab/Simulink programında geliştirilen teorik termoelektrik jeneratör modeli kullanılarak analiz edilmiştir. Teorik modelde, iki silindirli buji ateşlemeli bir motorunun 1500- 4000 d/d aralığında gerçekleştirilen deneysel çalışmalardan elde edilen egzoz gazının sıcaklık ve debisinin yanında motor soğutma suyu sıcaklık ve debi değerleri kullanılmıştır. Elde edilen bulgular, p-n çiftlerinde sırasıyla Bi0,3Sb1,7Te3 ve Bi2Te3 tipi yarı iletkenler kullanılarak oluşturulan termoelektrik modüller ile termoelektrik jeneratörün elektriksel yük altındaki çıkış gücünün en yüksek seviyede olduğunu göstermiştir. Ayrıca, 20 adet termoelektrik modül seri bağlanarak oluşturulan termoelektrik jeneratör ile 4000 d/d motor devrinde ΔT = 162,4 K sıcaklık farkı ile 86,53 W (çıkış akımı = 1,073 A ve çıkış voltajı = 80,64 V) DC elektrik gücü elde edilmiştir.
Abstract
In this study, the effect of the use of different p-n type semiconductor materials in the thermoelectric generator designed to convert the exhaust waste heat energy of the internal combustion engines to electrical energy on the output parameters of the thermoelectric generator (load current, output voltage and power under load) is theoretically investigated. In the study, 4 different p-n pairs were formed for p-n pairs, forming thermoelectric modules, consisting of a combination of 4 different semiconductor materials of type Bi2Te3, Bi0.3Sb1.7Te3, PbSe0.5Te0.5 and Zn4Sb3. The thermoelectric generator using thermoelectric modules created from the determined p-n pairs was analyzed using the theoretical thermoelectric generator model developed in the Matlab/Simulink program in the previous study. In the theoretical model, the engine coolant temperature and flow values were used besides the temperature and flow rate of the exhaust gas obtained from experimental studies carried out in the 1500-4000 rpm range of a two-cylinder spark-ignition engine. The findings show that the thermoelectric generator produced the highest power output of the under the electrical load with the thermoelectric modules which is created using the Bi0.3Sb1.7Te3 and Bi2Te3 type semiconductors for the p-n pairs, respectively. Also, using the thermoelectric generator created by connecting twenty thermoelectric modules in series, 86.53 W (output current = 1.073 A and output voltage = 80.64 V) DC electrical power was obtained by the temperature difference of ΔT = 162.4 K at 4000 rpm engine speed.