Termoelektrik modüllerin güç üretimi amaçlı veya ısıtma-soğutma amaçlı olarak çalışabilmeleri, modülün içerisinde bulunan yarı iletken malzemelerin içerisinde gerçekleşen delik (hole) ve elektronların katı hal içerisindeki hareketleriyle meydana gelen termoelektrik etkilerle sağlanmaktadır. Bu etkiler;
1-) Seebeck Etkisi
1821 yılında Thomas Johann Seebeck, iki farklı metalden yapılmış ve bir uçları birleştirilerek oluşturulan kapalı bir devre kurarak, devrenin birleştirilen noktasının ucunu ısıtmıştır. Isının etkisiyle pusula iğnesinin bir miktar sapma yaptığını gözlemlemiştir [1]. Bu olay termoelektrikte Seebeck etkisi olarak bilinir. Seebeck etkisi, sıcaklık farkının bir potansiyel fark oluşturmasıyla doğrudan elektrik enerjisine dönüşümüdür.
Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, A telinin her iki ucu B teliyle birleştirilmiştir. B telinin arasına bir voltmetre yerleştirilerek, kapalı bir devre oluşturulmuştur. Bu devrenin birleşim noktalarından birine ısı uygulanarak iki uç arasında sıcaklık farkı oluşturulduğunda, voltmetrede bir potansiyel fark (ΔV) elde edildiği görülür. Bu potansiyel fark, sıcaklık farkıyla orantılıdır ve büyüklüğü aşağıdaki denklem ile belirlenir. Bu denklemde; ∆T = Th-Tc, αAB = αA-αB ve αAB, ısıl çift malzemesinin Seebeck katsayıları (termoemk) farkı olup, birimi V/K’dir [2].
Seebeck katsayısı malzeme özelliğidir ve her malzemenin farklı bir Seebeck katsayısı vardır. Aynı zamanda bazı malzemelerin içyapısına (kristal yapı) bağlı olarak Seebeck katsayısı pozitif veya negatif olabilmektedir. Bununla birlikte Seebeck etkisi, bağlantı yapılan malzemeler farklı olduğunda gözlemlenir. Çünkü bağlantı yapılan uç ısıtıldığında malzemelerden birinin içerisinde sıcak taraftan soğuk tarafa daha çok elektron fermi enerji seviyesini geçebilecek enerjiye sahip olurken, diğer malzemede daha az olacaktır. Bu sayede fermi enerji seviyesini geçen, serbest halde dolaşabilen yüksek enerjili elektronlar malzemelerin içerisinde yayınım gösterecekler ve malzemelerin bütününde sıcak ve soğuk uçlarda değişen yük dağılımından kaynaklı elektrik alana bağlı olarak net bir potansiyel farkı (elektron akışı) elde edilebilecekir. Verimli bir termoelektrik etki oluşturmak için Seebeck katsayısı mümkün olduğunca büyük olmalıdır.
2-) Peltier Etkisi
Yukarıdaki şekilde gösterildiği gibi, eğer iki farklı telden oluşturulan bir devreden doğru akım (DC) geçirilirse, telin bir ucundan QPeltier kadar ısı atılırken (ısıtma), telin diğer ucundan (-)QPeltier kadar ısı çekilir (soğutma). Bu ısı miktarı geçen akım miktarı ile orantılıdır ve uygulanan elektrik akımının yönüne bağlı olarak soğuk ve sıcak ucun yerleri değiştirilebilmektedir [3,4]. İlk kez 1834 yılında Charles Peltier tarafından keşfedilen ve Seebeck etkisinin tam tersi şekilde oluşan bu etkiye Peltier etki denir ve büyüklüğü aşağıdaki denklemle belirlenir.
Bu denklemde; πAB Peltier katsayısıdır ve bu katsayı uygulanan DC akımdan ne kadar ısıtma ya da soğutma elde edilebildiğinin bir ölçüsüdür. Peltier ısıtma ya da soğutma, ısı ve elektrik arasında tersinirdir. Yani ısıtma ya da soğutma ile doğrudan herhangi bir enerji kaybı olmadan elektrik üretilebilir ya da tam tersi de gerçekleşebilir [2]. Bununla birlikte sistemin soğutma gücünü peltier soğutma haricinde etkileyen iki faktör daha bulunmaktadır. Bunlar, Peltier soğutma etkisine karşı bir şekilde çalışırlar ve sistemin soğutma gücünü azaltırlar. Bu faktörler, ısı iletimi ve Joule ısınmasıdır.
3-) Thomson Etkisi
Peltier ve Seebeck etkilerine ek olarak, tek bir iletkenin herhangi iki noktası arasında sıcaklık gradyanı varsa ve aynı zamanda bu iletkenden akım geçirilirse Thomson etkisi ortaya çıkmaktadır. Bu etki, akım yönüne ve malzemeye bağlı olarak uçların birinde ısı açığa çıkarırken, diğerinde soğutma oluşturur [2].
Thomson etkisi hem sıcaklık gradyanıyla hem de elektrik akımıyla orantılıdır ve büyüklüğü aşağıdaki denklemle ifade edilir. Bu denklemde; τAB Thomson katsayısıdır ve bu katsayı diğer termoelektrik katsayılardan farklı olarak tek bir malzeme için ölçülmektedir. Ayrıca Thomson ısısı, ısı ve elektrik arasında tersinirdir [2].
4-) Joule Isısı ve Isı İletimi Etkisi
İçerisinden akım geçen bir iletkenin ürettiği ısı, üzerinden geçen akımın karesiyle ve iletken malzemesinin direnci ile orantılıdır. Birim zamandaki Joule ısısının miktarı, aşağıdaki denklemle hesaplanır.
Bilindiği üzere, termoelektrik malzemeler yarı iletken maddelerin özelliklerini kullanarak üstlendiği görevi yerine getirmektedirler. Bu maddeler sonuçta katı maddeler olduğu için ve termoelektrik modüllerde, termoçiftlerin birbirlerine katı-katı temas ettirilerek oluşturulduğu için bir miktar ısı, sıcak yüzeyden soğuk yüzeye transfer olmaktadır. Bu ısı miktarının büyüklüğü aşağıdaki gibi Fourier ısı iletim kanunu ile belirlenebilmektedir.
Kaynaklar
[1] Allred, D. D., “SCT-93 short course on thermoelectrics: An overview of thermoelectricity’’, Technical Report, The International Thermoelectric Society, (1993).
[2] Lee, H., Thermoelectrics Design and Materials, ABD: John Wiley& Sons Ltd, (2017).
[3] Rowe, D. M., CRC Handbook of Thermoelectrics, ABD: CRC Press LLC, (1995).
[4] Rowe, D. M., Thermoelectric Handbook: Macro to Nano, ABD: Taylor & Francis Group LLC, (2006).