Egzoz Atık Isı Geri Kazanımının Gerçekleştirildiği Termoelektrik Jeneratörde P-N Tipi Yarı İletken Malzeme Çiftinin Teorik Optimizasyonu

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.

Theoretical Optimization Of The P-N Type Semiconductor Material Pair In Thermoelectric Generator That Achievement Exhaust Waste Heat

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.

___

  • [1] Mruk, A., Jordan, W., Taler, J., Lopata, S. and Weglowski, B. (1994). Heat Transfer Through Ceramic Barrier Coatings Used in Internal Combustion Engines. SAE Technical Paper, No: 941779, USA.
  • [2] Taymaz, İ., Çakır, K., Gür, M. and Mimaroğlu A. (2003). Experimental Investigation of Heat Losses in a Ceramic Coated Diesel Engine. Surface and Coatings Technology, 168-170.
  • [3] Gökçek, M. (2017). Waste to Energy: Exploitation of Landfill Gas in Micro-Turbines. Omer Halisdemir University Journal of Engineering Sciences, 6(2), 710-716.
  • [4] Rowshanzadeh, R. (2008). Performance and Cost Evaluation of Organic Rankine Cycle at Different Technologies. KTH Vetenskapp Och Konst., Department of Energy Technology, M.Sc. Thesis, 101pages, Sweden.
  • [5] Yıldıran, İ., Öner, D. and Çetin, B. (2015). GPU-Computation of 2-Dimensional Laplace Equation Using Boundary Element Method. 20th National Conference on Thermal Sciences, 2-5 September, Balıkesir, Turkey.
  • [6] Okada, Y., Koseki, T. and Sone, S. (2003). Energy Management for Regenerative Brakes on a DC Feeding system. International Symposium on Speed-up and Service Technology for Railway and Maglev Systems, 19-22 August, Tokyo, Japan, 84-88.
  • [7] Yang, Z., Stobart, R., Lan, S., Mason, B. and Winward E. (2018). Towards optimal performance of a thermoelectric generator for exhaust waste heat recovery from an automotive engine. SAE Technical Paper, No. 2018-01-0050.
  • [8] Fagehi, H., Attar, A. and Lee, H. (2018). Optimal design of an automotive exhaust thermoelectric generator. Journal of Electronic Materials, 47(7), 3983-3995.
  • [9] Sifi, I., Ghellai, N., Hima, A., Menni, Y., Chamkha, A.J. and Lorenzini, G. (2019). Study of Temperature Variation Effect on the Thermoelectric Properties of a Thermoelectric Generator with BiCuSeO Molecules. Journal: http://iieta.org/journals/ijht, 37(3), 727-732.
  • [10] Britoa, F.P., Pachecoa, N., Vieiraa, R., Martinsa, J., Martinsa, L., Teixeiraa, J., Goncalvesd, L.M., Oliveirab, J. and Hallc, M.J. (2020). Efficiency improvement of vehicles using temperature-controlled exhaust thermoelectric generators. Energy Conversion and Management, Vol. 203.
  • [11] Pacheco, N., Brito, F.P., Vieira, R., Martins, J., Barbosa, H. and Goncalves, L.M. (2020). Compact automotive thermoelectric generator with embedded heat pipes for thermal control. Energy, Vol. 197.
  • [12] Massaguer, A., Pujol, T., Comamala, M. and Massaguer, E. (2019). Feasibility study on a vehicular thermoelectric generator coupled to an exhaust gas heater to improve aftertreatment’s efficiency in cold-starts. Applied Thermal Engineering, Vol. 167.
  • [13] Wang, J., Song, X., Li, Y., Zhang, C., Zhao, C. and Zhu, L. (2020). Modeling and Analysis of Thermoelectric Generators for Diesel Engine Exhaust Heat Recovery System. Journal of Energy Engineering, Vol. 146 Issue 2.
  • [14] Subramaniam, H., Duraisamy, S., Raghavan, G. and Govindan, S. (2019). Design and development of a test rig for the performance evaluation of automotive exhaust thermoelectric generator. AIP Advances, 9.
  • [15] Kunt, M.A. and Gunes, H. (2019). Comparing the recovery performance of different thermoelectric generator modules in an exhaust system of a diesel engine both experimentally and theoretically. Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering.
  • [16] Quan, R., Liu, G., Zhou, W. and Huang, L. (2018). Energy Management of Automobile Exhaust Thermoelectric Hybrid Power Based on Maximum Power Point Tracking and Fuzzy Logic Control. 2nd International Forum on Management, Education and Information Technology Application.
  • [17] Shiriaev, P., Shishov, K. and Osipkov, A. (2019). Electrical network of the automotive multi-sectional thermoelectric generator with MPPT based device usage. Materials Today: Proceedings, 8, 642-651.
  • [18] Quan, R., Wang, C., Wu, F., Chang, Y. and Deng, Y. (2019). Parameter Matching and Optimization of an ISG Mild Hybrid Powertrain Based on an Automobile Exhaust Thermoelectric Generator. Journal of Electronic Materials.
  • [19] Thacher, E.F., Helenbrook, B.T., Karri, M.A. and Richter, C.J. (2007). Testing of an automobile exhaust thermoelectric generator in a light truck. Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering.
  • [20] Gürbüz, H. and Akçay, H. (2015). Experimental investigation of an improved exhaust recovery system for liquid petroleum gas fueled spark ignition engine. Thermal Science, 19(6), 2049-2064.
  • [21] Topalcı, Ü. (2017). Taşıt Egzoz Gazı Atık Isı Enerjisinden Elektrik Enerjisinin Üretilmesi için Termoelektrik Jeneratörün Modellenmesi. SDÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Anabilim Dalı, Yüksek Lisans Tezi.
  • [22] Su, Q. (2017). Modeling and simulation of a segmented thermoelectric generator. Doctoral dissertation, University of Missouri--Columbia.
Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji-Cover
  • Yayın Aralığı: 4
  • Başlangıç: 2013
  • Yayıncı: Gazi Üniversitesi , Fen Bilimleri Enstitüsü
Sayıdaki Diğer Makaleler

Sade Karbonlu Toz Metal Bir Çeliğin Çekme Dayanımına Statik Deformasyon Yaşlanma İşleminin Etkilerinin Araştırılması

Ahmet GÜRAL, Onur ALTUNTAŞ, Emine Kübra ÖZER

LLC Rezonanslı DA-DA Dönüştürücü Tasarımında Kullanılabilecek Bir Grafiksel Arayüzün Geliştirilmesi

M. Timur AYDEMİR, Mehmet KUBİLAY

EGZOZ ATIK ISI GERİ KAZANIMININ GERÇEKLEŞTİRİLDİĞİ TERMOELEKTRİK JENERATÖRDE FARKLI YARI İLETKEN MALZEME PERFORMANSININ TEORİK ANALİZİ

Ümit TOPALCI, Habib GÜRBÜZ, Hüsameddin AKÇAY, Selim DEMİRTÜRK

VORTEKS SOĞUTMA YÖNTEMİNİN TALAŞLI İMALAT YÖNTEMLERİ VE KESME PARAMETRELERİNE GÖRE İNCELENMESİ

Duygu GÜRKAN, Saltuk Alper YAŞAR, Gültekin UZUN, İhsan KORKUT

Pozisyon doğruluğu için SMSM'lerde Luenberg durum gözlemcisi tabanlı RDK tasarımı

Ahmet AKSÖZ, Yunis TORUN

Elektrikli Araçlar İçin Hızlı Şarj İstasyonu Teknolojileri

Alper KEREM, Hatice GÜRBAK

Yenilenebilir Enerji Kaynaklarına Dayalı Bir Sistemde Güç Kalitesinin İncelenmesi

Mehmet Rıda TÜR, Fatma YAPRAKDAL

FARKLI MENEVİŞLEME SICAKLIKLARININ 51CrV4 ÇELİĞİNİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNE ETKİLERİNİN İNCELENMESİ

Hülya DURMUŞ, Fatma ÇAKIR, Canser GÜL

Vorteks Soğutma Yönteminin Talaşlı İmalat Yöntemleri Ve Kesme Parametrelerine Göre İncelenmesi

İhsan KORKUT, Duygu GÜRKAN, Saltuk Alper YAŞAR, Gültekin UZUN

Ozmotik Distilasyonda Polisülfon-g-Polistiren/Selüloz/Poli (etilen teraftalat) Kompozit Membranların Kullanılması

Oya ŞANLI, Gülşen TAŞKIN ÇAKICI