Hem termoelektrik jeneratörler hem de termoelektrik soğutucular, termoelektrik yarı iletken maddelere farklı yabancı atom katkılanmasıyla (doped) elde edilen n ve p tipi yarı iletken malzemelerden elde edilir. n tipi yarı iletkenlerde ısı/emf kuvveti serbest olan elektronlar ile taşınırken, p tipi yarı iletkenlerde delikler (hole) ile taşınır. Bu şekilde termoelektrik özellik gösteren bir tek n veya p tipi yarı iletken malzemeye termoelement denir. Termoelektrik etki en verimli şekilde p ve n tipi yarı iletken malzemelerin (termoelementler) birbirlerine iletkenler ile seri bağlanmasıyla oluşur ve bu yapıya termoçift denir. Hemen hemen bütün uygulamalarda tek bir termoçift, istenilen güç üretimini veya istenilen ısıtma-soğutma ihtiyacını karşılayamaz. Bu yüzden termoçiftler birbirlerine iletkenler (bakır) ile elektriksel olarak seri, termal olarak paralel olacak şekilde bağlandıklarında termoelektrik modülleri oluşturmaktadırlar. Termoelektrik modüllerin üzerinde seramik bir tabaka bulunur. Bu seramik tabaka, termoelektrik modüle rijitlik (mukavemet) sağlayarak termoelementlerin bir arada kalmasını sağlar. Aynı zamanda seramik malzeme, yüksek ısı iletim katsayısına ve düşük elektriksel iletkenliğe sahip olması sebebiyle, termoelektrik modülün dış kısmının hem elektriğe karşı yalıtım hem de iyi bir ısı transferi sağlamasında yardımcı olmaktadır [1-6]. Tipik bir termoelektrik modülün kesit görünüşü aşağıda detaylı olarak gösterilmektedir.
Termoelektrik modüller tersinir oldukları için teoride hem termoelektrik jeneratör (TEJ) hem de termoelektrik soğutucu (TES) olarak kullanılabilecekleri düşünülebilir. Fakat pratikte TEJ güç üretimi amaçlı ve TES ısıtma-soğutma amaçlı kullanıldıkları için termoelektrik modülün kullanıldığı amaca bağlı olarak modülün içerisindeki yarı iletken malzemenin cinsi, geometrisi ve lehim bağlantı tipleri farklılık göstermektedir. Örneğin TEJ’lerin malzemeleri genelde yüksek sıcaklıklarda çalışabilmek için dizayn edilmiştir ve literatürde 300 K ile 1300 K arasında çalışabilen TEJ’ler geliştirilmiştir. Buna karşılık TES’lar bir yüzeyden ısı atmak veya ısı çekmek için kullanıldıkları için örneğin düşük sıcaklıklar elde edilmek için kaskat TES geliştirilmiştir. Yani kısaca bu cihazlar kullanım amacına göre kendi içerisinde özelleştirilmiştir ve TES yerine TEJ modül ya da TEJ yerine TES modül kullanılabilir ancak tam olarak istenilen performans alınamaz [7]. Bütün bunlara ek olarak TEJ ve TES modüller; mini boyutlarda, farklı geometrilerde ve hatta esnek malzeme olarak da üretilebilmektedir.
Termoelektrik modüllerden daha fazla verim elde etmek için modüllerin kullanıldığı uygulamaya bağlı olarak modül yüzeylerine; kanatçıklı yapılar (ısı kuyuları), fan, ısı eşanjörü, vb. gibi ek mekanizmalar ilave edilebilmektedir. Bu şekilde oluşturulan yapılara termoelektrik sistemler adı verilir ve bu sistemlerden birkaçı aşağıda gösterilmektedir.
Kaynaklar
[1] Ioffe, A. F., Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, London: Infosearch Limited, (1957).
[2] Rowe, D. M., CRC Handbook of Thermoelectrics, ABD: CRC Press LLC, (1995).
[3] Rowe, D. M., Thermoelectric Handbook: Macro to Nano, ABD: Taylor & Francis Group LLC, (2006).
[4] Goldsmid, H. J., Introduction to Thermoelectricity, Dordrecht: Springer, (2010).
[5] Lee, H., Thermal Design Heat Sinks, Thermoelectrics, Heat Pipes, Compact Heat Exchangers and Solar Cells, John Wiley & Sons, Inc, (2010).
[6] Lee, H., Thermoelectrics Design and Materials, ABD: John Wiley& Sons Ltd, (2017).
[7] Özgün, H., “Termoelektrik Jeneratörlerin Çok Düşük Sıcaklıklarda Teorik ve Deneysel Karakterizasyonu”, Yüksek Lisans Tezi, Enerji Enstitüsü, İstanbul Üniversitesi, İstanbul, (2009).
[8] http://www.peltier-thermoelectriccooler.com/
[9] http://tegway.co/bbs/content.php?co_id=flexible&lang=en