Bu çalışma, sıcak bir yüzey ile daha soğuk bir yüzey arasındaki sıcaklık farkını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yüksek gerilimli ve yüksek yoğunluklu termoelektrik modüllerin tasarımını incelemektedir. Araştırmacılar, malzeme özelliklerinin sıcaklıkla değişimini, termoelektrik bacakların boyutunu, modül içindeki doluluk oranını, bakır bağlantıların elektrik direncini, seramik altlıkların ısıl direncini ve bacak-elektrot arayüzlerindeki ısıl temas kayıplarını birlikte değerlendiren TEMsim adlı hızlı bir yarı analitik çözücü geliştirmiştir.

Çalışmanın temel mühendislik sorunu, yüksek gerilim elde etmek için çok sayıda termoelektrik çiftin seri bağlanmasıyla ortaya çıkan ödünleşimdir. Küçük bacaklar aynı yüzey alanına daha fazla n-p çifti yerleştirerek gerilimi artırır; ancak kesit alanlarının küçülmesi elektrik direncini, üretim zorluğunu ve lehimleme hassasiyetini artırır. Büyük bacaklar daha düşük elektrik direnci ve daha yüksek doluluk oranı sağlar; fakat aynı modül alanında daha az çift bulunduğu için gerilim düşer ve sistem düzeyinde daha fazla modülün seri bağlanması gerekir.

Araştırmacılar, yaklaşık yüzde 35–45 doluluk oranı ile 0,5–0,9 mm bacak genişliği arasındaki orta yoğunluk bölgesinin gerilim, güç, ısıl uyum ve üretilebilirlik açısından en dengeli tasarım alanını oluşturduğunu değerlendirmiştir. Bu sonuç mutlak bir evrensel optimum değildir; modül yüzey alanına, ısı kaynağına, bacak yüksekliğine, temas direncine, hedef gerilime ve üretim sınırlarına bağlıdır.

Modelin yönlendirdiği fiziksel prototip, 1.029 n-p termoelektrik çifti ve toplam 2.058 Bi₂Te₃ tabanlı bacak içermektedir. Her bacak 0,5 × 0,5 × 0,46 mm boyutundadır. Bacakların etkin enerji dönüşüm bölgesindeki doluluk oranı yüzde 37,83, bütün modül yüzeyine göre doluluk oranı yüzde 32,16 ve çift yoğunluğu 0,757 çift/mm² olarak bildirilmiştir. Bacaklar 49 × 42 konumlu yüksek yoğunluklu bir dizide, elektriksel olarak seri çalışan S biçimli bir bağlantı yolu üzerinde düzenlenmiştir.

Modelde soğuk yüzey sıcaklığı 20 °C, sıcak yüzey sıcaklığı 200 °C ve ısıl temas faktörü 0,10 olduğunda TEM-1029 için en yüksek güç yaklaşık 24,18 W, en yüksek güç noktasındaki gerilim 31,53 V ve akım 0,77 A olarak hesaplanmıştır. Aynı koşullarda daha kaba TEM-342 ve TEM-696 tasarımları için bildirilen en yüksek güçler sırasıyla yaklaşık 13,07 W ve 17,42 W’tır. TEM-1029 daha düşük doluluk oranına rağmen çok daha fazla seri çift içermesi nedeniyle üç tasarım arasında en yüksek öngörülen gerilim ve gücü üretmiştir.

Isıl temas direnci modelin sonuçlarını önemli ölçüde değiştirmiştir. Arayüzlerin kusursuz kabul edildiği durumda model, deneysel gücü ve gerilimi olduğundan yüksek, gerekli ısı girişini ise düşük tahmin etmiştir. Isıl temas faktörü 0,05–0,15 aralığına getirildiğinde hesaplanan güç, gerilim, akım ve verim düşmüş; gerekli ısı girişi yükselmiş ve deneysel noktalar model bandına yaklaşmıştır. Bu durum, sıcak ve soğuk yüzeylerde ölçülen sıcaklık farkının tamamının termoelektrik bacaklar üzerinde oluşmadığını göstermektedir.

Çalışmanın deneysel doğrulaması, soğuk yüzeyi yaklaşık 50 °C’de tutulan ve rastgele seçildiği belirtilen dört TEM-1029 modülü üzerinde gerçekleştirilmiştir. Yaklaşık 15–45 °C modül sıcaklık farklarında güç ve ısı girişi ölçülmüş; temas direncini içeren model eğrilerinin deneysel noktalarla genel olarak uyumlu olduğu gösterilmiştir. Bununla birlikte ana metinde hata çubukları, tekrar dağılımları, standart sapma, RMSE veya başka bir sayısal uyum ölçütü sunulmamıştır.

Yük direnci analizinde temas faktörü yükseldikçe en uygun yük direnci daha yüksek değerlere kaymış ve tepe güç azalmıştır. 200 °C modül sıcaklık farkında temas faktörü 0,05, 0,10 ve 0,15 için grafiklerden yaklaşık 40 W, 33 W ve 27 W tepe güç okunmaktadır. Aynı karşılaştırmada en uygun yük dirençleri yaklaşık 45–51 Ω aralığındadır. Bu sonuçlar, elektriksel maksimum güç noktası izlemesinin yalnızca modülün iç direncine değil, ısıl arayüz kalitesine de bağlı olduğunu göstermektedir.

Araştırmacılar ayrıca tek tek n- ve p-tipi bacaklardaki doğrusal olmayan sıcaklık ve ısı akısı dağılımını çözen ayrıntılı bir algoritma geliştirmiştir. Soğuk uç 50 °C ve sıcak uç 150 °C iken p-tipi bacak için en yüksek hesaplanan dönüşüm verimi yüzde 5,40 ve en uygun akım yoğunluğu −298,2 A/cm²; n-tipi bacak için en yüksek verim yüzde 4,99 ve en uygun akım yoğunluğu 243,6 A/cm² olarak bulunmuştur. Bu değerler tek bacak düzeyindeki sayısal optimumlardır ve bütün modülün ölçülen verimiyle aynı kavram değildir.

Türkiye açısından: Yaklaşım; Türkiye’de jeotermal kuyular, endüstriyel fırınlar, döküm ve metal işleme tesisleri, çimento ve cam üretimi, motor egzozları, kojenerasyon sistemleri, veri merkezi soğutma altyapısı ve uzak saha sensörlerinde kayıp ısıdan düşük bakım gerektiren elektrik üretimi için araştırılabilir. Türkiye’de uygulamaya geçilmeden önce yerel ısı kaynağının sıcaklık ve ısı akısı profili ölçülmeli; modül–ısı eşanjörü temas direnci basınç, yüzey pürüzlülüğü ve termal arayüz malzemesine göre deneysel olarak belirlenmeli; termal çevrim, lehim yorulması, nem, oksidasyon ve uzun süreli performans kaybı sınanmalıdır. Çalışmadan belirli bir Türk tesisinde 24 veya 40 W sürekli güç elde edileceği, sistemin ekonomik geri ödeme sağlayacağı ya da yüzlerce modülün aynı performansı koruyacağı sonucu doğrudan çıkarılamaz.

Termoelektrik enerji dönüşümünün temel ilkesi nedir?

Bir termoelektrik çift, elektriksel özellikleri farklı bir n-tipi ve bir p-tipi yarı iletken bacaktan oluşur. Bacakların iki uçları farklı sıcaklıklarda tutulduğunda yük taşıyıcıları sıcak bölgeden soğuk bölgeye doğru yeniden dağılır ve Seebeck etkisi olarak adlandırılan elektriksel potansiyel farkı ortaya çıkar.

Tek bir n-p çiftinin açık devre gerilimi küçüktür. Yüksek gerilim elde etmek için çok sayıda çift elektriksel olarak seri, ısıl olarak paralel bağlanır. Seri bağlantıda her çiftin ürettiği gerilim toplanır; ısı ise sıcak altlıktan soğuk altlığa bütün bacaklar üzerinden paralel biçimde aktarılır.

Termoelektrik modüller hareketli parça, pompa veya çalışma akışkanı gerektirmediği için uzun süreli ve düşük bakım gerektiren enerji toplama uygulamalarında kullanılabilir. Buna karşılık dönüşüm verimi, bacakların malzeme kalitesinin yanı sıra temas dirençlerine, ısı eşanjörlerine, bacak geometrisine ve elektrik yükünün doğru eşleştirilmesine güçlü biçimde bağlıdır.

Çalışma hangi temel boşluğu hedeflemektedir?

Termoelektrik malzeme araştırmaları çoğunlukla boyutsuz \(ZT\) değerini yükseltmeye odaklanır. Ancak yüksek \(ZT\)’ye sahip bir malzemenin gerçek modülde aynı düzeyde performans üretmesi garanti değildir. Modül ölçeğinde şu kayıplar devreye girmektedir:

• Bacak ile metal elektrot arasındaki ısıl temas direnci
• Lehim, metalizasyon ve difüzyon bariyerlerinin oluşturduğu ek dirençler
• Alümina seramik altlığın ısıl direnci
• Bakır izlerin elektrik direnci
• Bacak boyutları ve aralıklarından kaynaklanan paketleme kayıpları
• Sıcaklıkla değişen Seebeck katsayısı, elektrik iletkenliği ve ısıl iletkenlik
• Joule ısınması ve Thomson etkisi
• Modül ile gerçek ısı kaynağı veya soğutucu arasındaki dış arayüz kayıpları

Sonlu eleman çözümleri bu etkileri ayrıntılı olarak gösterebilir; ancak binlerce tasarımın taranması için yavaş ve zahmetli olabilir. Basitleştirilmiş bir boyutlu modeller ise hızlı olmakla birlikte çoğu zaman sıcaklığa bağlı özellikleri veya temas direncini ihmal eder. TEMsim, bu iki yaklaşım arasında hızlı fakat fiziksel bileşenleri açıkça içeren bir çözüm sunmayı amaçlamaktadır.

Bi₂Te₃ tabanlı malzemeler neden seçilmiştir?

Çalışmanın hedeflediği ısı kaynakları 300 °C’nin altında olduğu için bizmut tellürür tabanlı n- ve p-tipi malzemeler kullanılmıştır. Sayfa 3’teki Şekil 1, 300–500 K aralığında sıcaklığa bağlı altı temel özelliği göstermektedir:

• Seebeck katsayısı
• Elektrik iletkenliği
• Isıl iletkenlik
• Güç faktörü
• Boyutsuz \(ZT\)
• n- ve p-tipi bacakların toplam diferansiyel Seebeck katsayısı

P-tipi malzemenin Seebeck katsayısı yaklaşık +277 µV/K, n-tipi malzemeninki yaklaşık −250 µV/K düzeyine ulaşmaktadır. İki bacak arasındaki diferansiyel Seebeck katsayısı 400–425 K çevresinde yaklaşık 527 µV/K ile en yüksek değerine ulaşmıştır. Bu fark, bir n-p çiftinin sıcaklık farkı başına üretebileceği açık devre geriliminin temel belirleyicisidir.

Elektrik iletkenliği sıcaklık yükseldikçe azalmıştır. N-tipi malzeme incelenen aralığın tamamında p-tipi malzemeden daha yüksek iletkenlik göstermiştir. Isıl iletkenlik yaklaşık 400–450 K çevresinde en düşük değerine ulaşmış, daha yüksek sıcaklıklarda özellikle p-tipi malzemede bipolar ısı taşınımı nedeniyle yeniden artmıştır.

N-tipi malzemenin tepe \(ZT\) değeri yaklaşık 1,31, p-tipi malzemeninki yaklaşık 1,52 olarak bildirilmiştir. Her iki tepe de yaklaşık 375–425 K çalışma bölgesindedir. Bu değerler tek başına modül verimi değildir; malzemenin elektriksel ve ısıl taşıma özelliklerini bir arada ifade eden göstergelerdir.

Sıcaklığa bağlı özellikler modele nasıl aktarılmıştır?

Seebeck katsayısı, ısıl iletkenlik ve elektrik iletkenliği n- ve p-tipi malzemeler için üçüncü dereceden sıcaklık polinomlarıyla temsil edilmiştir. Model, sıcak ve soğuk uç arasındaki sıcaklık aralığını bölümlere ayırarak her sıcaklık noktasındaki özellikleri hesaplamakta ve ortalama değerler üretmektedir.

Örneğin etkili çift Seebeck katsayısı şu biçimde hesaplanmaktadır:

\[ \bar{\alpha} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} \left[ \alpha_p(T_i)-\alpha_n(T_i) \right] \]

Benzer biçimde n- ve p-tipi bacakların ortalama elektrik ve ısıl iletkenlikleri sıcaklık aralığı boyunca ayrı ayrı hesaplanmaktadır. Bu yaklaşım, bütün bacağın özelliklerini yalnızca ortalama sıcaklıktaki tek bir değerle temsil etmekten daha ayrıntılıdır.

Bununla birlikte Tablo 2’de sıcaklık noktalarının \(i=0,\ldots,n\) şeklinde tanımlanması ve aralığın \(n-1\)’e bölünmesi gösterim bakımından tutarlı değildir. Uygulamada uç noktaları aşmayan \(n\) noktalı bir dizinin \(i=0,\ldots,n-1\) biçiminde kurulması beklenir. Çalışmanın açık kodu verilmediği için uygulamadaki gerçek indeksleme doğrulanamamaktadır.

Doluluk oranı nedir?

Doluluk oranı veya fill factor, modül yüzeyinin ne kadarının etkin termoelektrik bacaklarla kaplandığını gösterir:

\[ FF= \frac{A_{\mathrm{TE}}} {A_{\mathrm{TEM}}} \times100 \]

• \(A_{\mathrm{TE}}\), bütün n- ve p-tipi bacakların toplam kesit alanıdır.
• \(A_{\mathrm{TEM}}\), modülün dış yüzey alanıdır.

Doluluk oranı yükseldiğinde ısı için daha geniş iletim kesiti ve elektrik için daha düşük bacak direnci oluşur. Buna karşılık aynı yüzey alanına yerleştirilebilen çift sayısı azalabilir. Doluluk oranı düştüğünde daha fazla ve daha küçük bacak yerleştirilebilir; ancak bacakların toplam elektrik direnci ve imalat hassasiyeti artar.

Bacak sayısı ve yerleşim nasıl hesaplanmıştır?

Çalışma, modül kenarlarında üretim ve bağlantı için bırakılan boşlukları çıktıktan sonra kullanılabilir alanı hesaplamaktadır:

\[ W_{\mathrm{working}}=W-2m_x \]

\[ H_{\mathrm{working}}=H-2m_y \]

Kare kesitli bir bacağın kenar uzunluğu \(w_{\mathrm{TE}}\), yatay ve dikey aralıklar \(s_x\) ve \(s_y\) olduğunda her yöndeki en yüksek bacak sayısı aşağı yuvarlama işlemiyle belirlenmektedir:

\[ N_{\mathrm{TE},x} = \left\lfloor \frac{W_{\mathrm{working}}} {w_{\mathrm{TE}}+s_x} \right\rfloor \]

\[ N_{\mathrm{TE},y} = \left\lfloor \frac{H_{\mathrm{working}}} {w_{\mathrm{TE}}+s_y} \right\rfloor \]

S biçimli seri bağlantının iki karşı köşede giriş ve çıkış oluşturabilmesi için x yönündeki sayı tek, y yönündeki sayı çift olacak şekilde ayarlanmaktadır. Toplam bacak sayısı:

\[ N_{\mathrm{TE,total}} = N_{\mathrm{TE},x}N_{\mathrm{TE},y} \]

ve n-p çiftlerinin sayısı:

\[ N_{\mathrm{couple}} = \frac{N_{\mathrm{TE,total}}}{2} \]

olarak elde edilmektedir.

S biçimli seri bağlantı neden kullanılmıştır?

Sayfa 6’daki Şekil 2, çok sayıdaki n- ve p-tipi bacağın satırlar boyunca ileri-geri ilerleyen S biçimli bir bakır bağlantı yolu üzerinden seri bağlandığını göstermektedir. Bu düzenin iki amacı vardır:

• Bütün çiftlerin gerilimlerini tek bir seri yol üzerinde toplamak
• Giriş ve çıkış uçlarını modülün karşı köşelerine taşıyarak kablosuz panel ve baskılı devre entegrasyonunu kolaylaştırmak

Seri yol uzadıkça bakır izlerin elektrik direnci de artmaktadır. TEMsim bu parazitik direnci bakır izlerin toplam uzunluğu, genişliği, kalınlığı ve iletkenliği üzerinden modele eklemektedir.

Üç modül tasarımı nasıl karşılaştırılmıştır?

TEM-342 en büyük bacaklara ve en yüksek doluluk oranına sahiptir. Elektrik akımı görece yüksek, gerilimi düşüktür. TEM-1029 ise en küçük bacaklara ve daha düşük doluluk oranına rağmen en fazla seri çift içerdiği için en yüksek gerilimi üretmiştir.

TEM-1029 için aynı hesaplama noktasında:

• En yüksek güç noktası gerilimi yaklaşık 31,53 V’tur.
• En yüksek güç noktası akımı yaklaşık 0,77 A’dır.
• En yüksek güç yaklaşık 24,18 W’tır.

Bu değerler deneysel olarak erişilen sıcaklık farkından çok daha yüksek, 180 °C’lik dış sıcaklık farkına ait model sonuçlarıdır. Dört modüllü deneysel karşılaştırma yaklaşık 15–45 °C sıcaklık farkında yapılmıştır.

Neden en yüksek doluluk oranı en yüksek gücü vermemiştir?

Bir modülün gücü yalnızca bacakların kapladığı toplam alana bağlı değildir. Bir seri devrede gerilim çift sayısıyla, iç direnç ise bacakların uzunluğu, kesiti ve sayısıyla birlikte değişir.

Küçük bacaklı TEM-1029’da:

• Daha fazla seri n-p çiftinin gerilimleri toplanmıştır.
• Her bacağın kesiti küçüldüğü için elektrik direnci yükselmiştir.
• Toplam bacak alanı azaldığı için ısıl direnç değişmiştir.
• Yüksek gerilim ve düşük akım karakteristiği oluşmuştur.

Büyük bacaklı TEM-342’de ise daha az seri çift, daha düşük gerilim ve daha yüksek akım bulunmaktadır. İncelenen yük ve sıcaklık koşullarında TEM-1029’un gerilim artışı, direnç artışından daha güçlü sonuç vermiştir.

Neden aşırı küçük bacaklar tercih edilmemiştir?

Model 0,1–2,0 mm arasındaki bacak boyutlarını taramıştır. Bacak genişliği yaklaşık 0,2 mm’nin altına düştüğünde çevre/kesit alanı oranı büyümekte ve elektriksel temas ile bacak direnci güç çıkışını sınırlamaktadır.

Fiziksel üretim açısından da 0,5 mm’den küçük bacakların kesilmesi, metalize edilmesi, hizalanması ve binlerce konuma lehimlenmesi daha düşük üretim verimi ve daha yüksek maliyet riski taşımaktadır. TEM-1029’un 0,5 mm boyutu, çalışmada ekonomik olarak uygulanabilir en yüksek yoğunluk sınırı olarak seçilmiştir.

İdeal bir termoelektrik modülün ısı dengesi nasıl modellenmiştir?

Sıcak uçtan alınan ısı dört ana bileşenden oluşmaktadır:

• Seebeck/Peltier dönüşüm terimi
• İç elektrik direncinden kaynaklanan Joule ısısı
• Sıcaklığa bağlı Seebeck katsayısının oluşturduğu Thomson etkisi
• Bacaklar boyunca pasif ısı iletimi

İdeal durumda sıcak ve soğuk uç arasındaki net elektrik gücü genel olarak:

\[ P_o = N_{\mathrm{couple}} \left[ \bar{\alpha}\Delta T I -I^2R_i -\bar{\tau}I\Delta T \right] \]

şeklinde ifade edilmiştir. Burada \(I\) akım, \(R_i\) bir çiftin iç direnci, \(\bar{\alpha}\) etkili Seebeck katsayısı ve \(\bar{\tau}\) Thomson terimidir.

Toplam iç elektrik direnci, n-tipi bacaklar, p-tipi bacaklar ve bakır izlerin toplamıdır:

\[ R_{i,\mathrm{total}} = R_n+R_p+R_{\mathrm{trace}} \]

Bacakların elektrik direnci çift sayısının karesi, bacak uzunluğu, modül alanı, doluluk oranı ve malzeme iletkenlikleriyle ilişkilendirilmiştir. Çok sayıda küçük bacak seri bağlandığında gerilimle birlikte iç direnç de büyümektedir.

Termal temas direnci neden önemlidir?

Gerçek modülde sıcak blokta ölçülen sıcaklık ile termoelektrik bacağın sıcak ucu aynı değildir. Benzer biçimde bacağın soğuk ucu ile soğutucu blok arasında da sıcaklık düşümü oluşur. Bu farklar şu katmanlardan kaynaklanabilir:

• Termal arayüz malzemesi
• Alümina seramik altlık
• Bakır iz
• Lehim tabakası
• Metalizasyon ve difüzyon bariyeri
• Yüzey pürüzlülüğü ve boşluklar
• Yetersiz veya dengesiz sıkıştırma basıncı

Sayfa 9’daki Şekil 3, sıcak yüzeyden soğuk yüzeye doğru beş temel direnç bileşenini göstermektedir: üst altlık, üst temas, termoelektrik bacaklar, alt temas ve alt altlık.

Çalışmada dış kabuk direnci:

\[ \theta_{\mathrm{shell}} = \theta_{\mathrm{con}} + \theta_{\mathrm{sub}} \]

ve toplam modül direnci:

\[ \theta_{\mathrm{TEM,total}} = \theta_{\mathrm{TE,total}} + 2\theta_{\mathrm{shell}} \]

şeklinde tanımlanmıştır.

Isıl temas faktörü nasıl tanımlanmıştır?

Araştırmacılar temas direncini doğrudan sabit bir K/W değeri yerine boyutsuz TCF ile tanımlamıştır:

\[ \theta_{\mathrm{con}} = TCF \left( \theta_{\mathrm{TE,total}} + \theta_{\mathrm{sub}} \right) \]

TCF küçüldükçe arayüzün daha iyi, TCF büyüdükçe temas kaybının daha yüksek olduğu kabul edilmektedir. Çalışmada 0,05, 0,10 ve 0,15 değerleri değerlendirilmiştir.

TCF doğrudan her prototip için bağımsız ölçülmüş tek bir parametre olarak verilmemiştir. Bunun yerine üç TCF değeriyle hesaplanan performans bantları deneysel noktalarla karşılaştırılmıştır. Bu nedenle uyum, tamamen önceden sabitlenmiş tek bir parametreyle yapılan kör tahmin değil, olası temas kalitesi aralığıyla yapılan model karşılaştırmasıdır.

Temas direnci elektriksel performansı nasıl değiştirmiştir?

Temas direnci yükseldiğinde dış yüzeyler arasında uygulanan sıcaklık farkının daha küçük bölümü n- ve p-tipi bacaklara ulaşır. Sonuç olarak:

• Etkin bacak sıcaklık farkı azalır.
• Açık devre gerilimi düşer.
• Yük altındaki akım azalır.
• En yüksek güç düşer.
• Dönüşüm verimi azalır.
• Aynı elektrik çıktısı için gereken ısı girişi artar.
• En uygun elektrik yükü daha yüksek dirence kayar.

Sayfa 21’deki Şekil 8a, TCF sıfır kabul edildiğinde modelin deneysel güç noktalarının üzerinde kaldığını göstermektedir. Şekil 8b’de TCF 0,05–0,15 aralığı eklendiğinde deneysel noktalar model bantları içine veya yakınına gelmektedir.

Thevenin eşdeğeri ne amaçla kullanılmıştır?

Modül, elektriksel açıdan bir eşdeğer gerilim kaynağı ve seri dirençle temsil edilmiştir:

\[ V_{\mathrm{eq}} = N_{\mathrm{couple}} \bar{\alpha} \Delta T' \frac{\theta_{\mathrm{TE}}} {\theta_{\mathrm{TE}}+2\theta_{\mathrm{shell}}} \]

Bu ifade, dış sıcaklık farkının yalnızca bir bölümünün etkin bacak sıcaklık farkına dönüştüğünü göstermektedir.

Eşdeğer direnç ise bacak ve izlerin elektrik direncinin yanında elektrotermal bağlaşımın oluşturduğu ek terimi de içermektedir. Yük direnci eşdeğer iç dirence yaklaştığında elektriksel güç en yüksek değerine yaklaşır. TCF değiştiğinde eşdeğer kaynak gerilimi ve en uygun yük de değişmektedir.

Dönüşüm verimi nasıl hesaplanmıştır?

Gerçek modül verimi sıcak taraftan alınan ısıya göre:

\[ \eta_{\mathrm{actual}} = \frac{P_o}{Q_h} \]

biçiminde hesaplanmıştır.

Çalışma ayrıca üç teorik sınırı raporlamaktadır:

• Carnot verimi
• Malzeme \(ZT\)’sine bağlı en yüksek teorik termoelektrik verim
• En yüksek güç noktasındaki teorik verim

Carnot verimi:

\[ \eta_{\mathrm{Carnot}} = \frac{T_h-T_c}{T_h} \]

ve ortalama \(ZT\)’ye dayalı en yüksek teorik dönüşüm verimi:

\[ \eta_{\max} = \frac{T_h-T_c}{T_h} \frac{ \sqrt{1+\overline{ZT}}-1 }{ \sqrt{1+\overline{ZT}}+T_c/T_h } \]

şeklinde hesaplanmıştır. Gerçek modül verimi; temas, altlık, bakır iz, lehim ve yük eşleşmesi kayıpları nedeniyle bu teorik sınırların altında kalmaktadır.

TEMsim çözüm akışı nasıl çalışmaktadır?

Sayfa 14’teki Şekil 4, hesaplama akışını yedi ana bölümde göstermektedir:

1. Modül ölçüleri, hedef doluluk oranı, kenar boşlukları ve bacak boyutları tanımlanır.
2. En yakın üretilebilir ızgara ve n-p bacak sayısı seçilir.
3. Isıl sınır koşulları, yük direnci ve temas faktörü girilir.
4. Yerel sıcaklıklara göre Seebeck, iletkenlik ve Thomson katsayıları hesaplanır.
5. Isıl direnç ağı ve elektrik devresi birlikte çözülür.
6. Bacak uç sıcaklıkları gevşetme faktörüyle güncellenir ve yakınsama denetlenir.
7. Gerilim, akım, güç, ısı girişi, verim ve \(ZT\) ölçütleri raporlanır.

Başlangıçta bacak uç sıcaklıkları dış sıcak ve soğuk yüzey sıcaklıklarına eşit kabul edilmektedir. Her yinelemede temas ve altlık kayıpları hesaplanarak gerçek bacak sıcaklıkları yeniden belirlenir.

Doğrusal olmayan salınımları azaltmak için en az 0,3 değerinde bir gevşetme katsayısı kullanılmaktadır:

\[ T_{\mathrm{new}} = T_{\mathrm{prev}} + \omega \left( T_{\mathrm{calculated}}-T_{\mathrm{prev}} \right) \]

Gerilim ve sıcaklık için iki ayrı yakınsama ölçütü uygulanmış ve göreli tolerans \(10^{-3}\) olarak belirlenmiştir.

Doluluk oranına bağlı tasarım alanı ne göstermiştir?

Sayfa 17’deki Şekil 6, ısıtıcı sıcaklığı 50, 100, 150 ve 200 °C; soğuk yüzey 20 °C ve bacak yüksekliği 0,46 mm iken doluluk oranının şu ölçütlere etkisini göstermektedir:

• En yüksek güç noktası gerilimi
• En yüksek güç noktası akımı
• En uygun yük direnci
• Elektrik gücü

Doluluk oranı arttıkça çift sayısı azaldığı için gerilim düşme eğilimindedir. Bacakların toplam kesit alanı büyüdüğü için akım artar ve en uygun yük direnci azalır. Güç ise tek yönlü değişmemekte; gerilim ile akım arasındaki dengeye bağlı olarak orta bir doluluk bölgesinde en yüksek değere ulaşabilmektedir.

TCF 0,05’ten 0,15’e yükseldiğinde bütün sıcaklık koşullarında güç eğrileri aşağı kaymıştır. Bu durum geometri optimizasyonunun temas direncinden bağımsız yapılamayacağını göstermektedir.

TEM-1029 fiziksel olarak nasıl oluşturulmuştur?

Sayfa 18’deki Şekil 7b, prototipin katmanlarını kesit şemasıyla göstermektedir. Yapıda şu bileşenler bulunmaktadır:

• Üst ve alt Al₂O₃ seramik altlıklar
• ENIG yüzey kaplamalı kademeli bakır genleşme rahatlatma elektrotları
• Üst bakır elektrot katmanları
• Alt bakır uyum katmanları
• Yüksek sıcaklık sert lehim bağlantıları
• SAC305, yani Sn96,5-Ag3,0-Cu0,5 lehim bağlantıları
• Ni-Ag-Au tabanlı metalizasyon ve difüzyon bariyeri
• n- ve p-tipi Bi₂Te₃ bacaklar

Şekil 7d’de üst seramik altlık eklenmeden önce 49 × 42 konumlu mikro-bacak dizisi görülmektedir. Çalışma, binlerce bacağı tek modülde birleştirebilmek için malzeme üretimi, hassas kesme, metalizasyon ve aşamalı lehimleme içeren bir üretim akışı kullanıldığını belirtmektedir.

Ayrıntılı üretim adımları Şekil S3–S8’e yönlendirilmiştir. Bu ek şekiller yüklenen sürümde bulunmadığı için bacak kesme verimi, hizalama toleransı, lehim boşluğu dağılımı ve kusurlu modül oranları incelenememiştir.

Deney düzeneği nasıl hazırlanmıştır?

Sayfa 18’deki Şekil 7c’de modül dikey bir ısı akış düzeninde iki blok arasına yerleştirilmiştir:

• Üstte kartuş ısıtıcılar içeren sıcak blok
• Altta soğutucuya bağlı sıvı dolaşımlı soğuk blok
• Üst ve alt yüzeylerde termokupllar
• Veri toplama sistemi
• Ayarlanabilir sıkıştırma düzeneği
• Sıkıştırma yayları
• İsteğe bağlı kuvvet sensörü
• Seramik ve köpük ısıl yalıtım parçaları
• Elektronik yük

Yüksek sıcaklıklarda mika veya grafit, orta ve düşük sıcaklıklarda termal gres veya ped kullanılmıştır. Sıcak yüzey kartuş ısıtıcılarla kademeli olarak ısıtılmış; soğuk yüzey bir soğutucu aracılığıyla yaklaşık 20–50 °C aralığında tutulmuştur.

Her sıcaklık noktasında sistem yaklaşık 5–10 dakika kararlı duruma gelene kadar bekletilmiştir. Sıcaklıklar birden fazla konumdan kaydedilmiş; Fourier yasasıyla ısı akısı ve değişen elektrik yüklerinde çıkış gücü belirlenmiştir.

Sıkıştırma kuvveti neden kontrol edilmiştir?

Modül yüzeyindeki temas direnci, arayüz malzemesinin kalınlığı ve gerçek temas alanıyla ilişkilidir. Sıkıştırma artırıldığında boşluklar azalabilir ve temas direnci düşebilir. Ancak aşırı kuvvet kırılgan Bi₂Te₃ bacaklara veya lehim bağlantılarına zarar verebilir.

Çalışma, özellikle grafit levha gibi yüksek basınç gerektiren arayüz malzemelerinde 50 psi üzerindeki basınçların gerekebileceğini belirtmektedir. Bununla birlikte ana metinde farklı sıkıştırma kuvvetlerinde ölçülmüş ayrı bir performans tablosu veya optimum basınç değeri sunulmamıştır.

Model hangi deneysel verilerle karşılaştırılmıştır?

Rastgele seçildiği belirtilen dört TEM-1029 modülü, soğuk taraf yaklaşık 50 °C’de tutulurken farklı sıcaklık farklarında sınanmıştır. Sayfa 21’de şu deneysel büyüklükler gösterilmiştir:

• Elektrik gücü
• Gerekli ısı girişi

Gerilim, akım, açık devre gerilimi ve verim için model eğrileri gösterilmiş, ancak bu dört değişkene ait deneysel noktalar ana şekilde yer almamıştır. Şekil açıklaması genel olarak bütün performans ölçütlerinde uyum bulunduğunu ifade etse de görsel deneysel karşılaştırmanın doğrudan sunulduğu temel büyüklükler güç ve ısı girişidir.

Yaklaşık 15 °C sıcaklık farkında deneysel güç 0,1 W civarında, 40–45 °C aralığında ise yaklaşık 1,0–1,4 W düzeyindedir. Aynı sıcaklık aralığında gerekli ısı girişi yaklaşık 35 W’tan 90–100 W düzeyine çıkmaktadır. Bunlar grafikten yaklaşık okunan değerlerdir; çalışma ayrı bir sayısal veri tablosu sağlamamıştır.

Isıl temas direnci eklenmeden model neden başarısız olmuştur?

TCF sıfır alındığında bütün dış sıcaklık farkının bacaklara ulaştığı varsayılmaktadır. Bu ideal kabul:

• Seebeck gerilimini fazla hesaplamış,
• akımı ve gücü fazla hesaplamış,
• aynı sıcaklık farkı için gereken ısıyı düşük hesaplamıştır.

Deneyde ise seramik, lehim, bakır ve dış arayüzlerde ek sıcaklık düşümleri bulunmaktadır. TCF eklendiğinde bacakların gerçek \(\Delta T\) değeri küçülmüş ve model deneysel veriye yaklaşmıştır.

Model-deney uyumu ne kadar güçlüdür?

Deneysel noktaların çoğu TCF 0,05–0,15 model bandının içinde veya yakınındadır. Bu durum modelin temas kayıplarını hesaba kattığında genel eğilimi yakalayabildiğini desteklemektedir.

Ancak uyumun nicel gücü sınırlı raporlanmıştır:

• Yalnızca dört modül örneği kullanılmıştır.
• Modüllerin her sıcaklıkta kaç kez tekrarlandığı açıklanmamıştır.
• Hata çubukları verilmemiştir.
• TCF her modül için bağımsız ölçülmemiştir.
• RMSE, ortalama mutlak hata veya yüzde hata raporlanmamıştır.
• Model geliştirme ve doğrulama için ayrı modül grupları tanımlanmamıştır.

Bu nedenle “güçlü uyum” sonucu görsel ve eğilimsel düzeydedir; kesin bir öngörü hata sınırı verilmemiştir.

Yük direnci performansı nasıl etkilemiştir?

Sayfa 22’deki Şekil 9, 50, 100, 150 ve 200 °C sıcaklık farklarında elektrik yük direncinin güç, gerilim ve akıma etkisini göstermektedir.

Yük direnci sıfıra yakınken akım yüksek fakat yük üzerindeki gerilim düşük olduğu için elektrik gücü düşüktür. Yük direnci çok yüksek olduğunda gerilim açık devre değerine yaklaşır ancak akım azalır. İki uç arasında en yüksek güç noktası bulunmaktadır.

TCF yükseldiğinde:

• Tepe güç azalmıştır.
• Tepe güç noktası daha yüksek yük direncine kaymıştır.
• Bütün yük aralığında gerilim ve akım düşmüştür.

Tablodaki değerler Şekil 9’dan yaklaşık okunmuştur ve ölçülmüş deney sonuçları değildir.

Sıcaklık-performans haritaları ne sağlamaktadır?

Sayfa 23–24’teki Şekil 10 ve 11, soğuk taraf sıcaklığı ile modül sıcaklık farkının çok sayıda kombinasyonu için şu sonuçları göstermektedir:

• Gerekli ısı girişi
• Etkin ısıl iletkenlik
• Modül dönüşüm verimi
• Elektrik gücü
• Gerilim
• Akım

Haritalar TCF 0,05, 0,10 ve 0,15 için ayrı ayrı hesaplanmıştır. Bu yapı, bilinen sıcaklıklar altında çıktı hesaplamanın yanında, bilinen soğutucu sıcaklığı ve ısı akısından modülün etkin çalışma noktası ile elektrik çıktısının geriye doğru belirlenmesine olanak vermektedir.

Araştırmacılar bu çıktıları ısı eşanjörü CFD modellerine girdi olarak kullanmayı önermektedir. Ancak bu çalışmada bütünleşik bir gerçek ısı eşanjörü, jeotermal kuyu veya endüstriyel egzoz sistemi deneysel olarak kurulmamıştır.

50 modüllük kalite kontrol sonucu nedir?

Ana metin, 50 modülden oluşan bir partide Harman yöntemiyle yaklaşık 0,75–0,83 modül düzeyi \(ZT\) değerleri elde edildiğini bildirmektedir. Bu sonuç, seri üretim tutarlılığı açısından önemli olabilir.

Bununla birlikte ayrıntılı ölçümler, dağılım grafikleri, cihaz kalibrasyonu ve düzeltmeler Şekil S22 ile Tablo S5–S6’ya yönlendirilmiştir. Ek materyal yüklenmediği için:

• 50 ölçümün dağılımı,
• ortalama ve standart sapması,
• aykırı değerler,
• ölçüm belirsizliği,
• radyasyon ve dış ısı kaybı düzeltmeleri

bu incelemede doğrulanamamıştır.

Ayrıntılı termoelektrik bacak çözücüsü neden geliştirilmiştir?

TEMsim modül ölçeğinde ortalama özelliklerle hızlı hesaplama yapmaktadır. Büyük sıcaklık farklarında veya uzun bacaklarda sıcaklık profili doğrusal olmaktan uzaklaşabilir. Joule ısınması, Thomson etkisi ve sıcaklığa bağlı malzeme özellikleri bacak boyunca yerel ısı akısını değiştirebilir.

Bu nedenle araştırmacılar her bacağı çok sayıda uzaysal parçaya bölen ayrı bir tek boyutlu sınır değer çözücüsü geliştirmiştir. Çözücü, sıcaklık \(T(x)\) ve ısı akısı \(q(x)\) alanlarını aynı anda ilerletmektedir:

\[ \frac{dT}{dx} = \frac{JT\alpha(T)-q} {k(T)} \]

\[ \frac{dq}{dx} = \sigma(T)J^2 \left[ 1- \frac{\alpha^2(T)T} {\sigma(T)k(T)} \right] - \frac{J\alpha(T)} {k(T)}q \]

Burada \(J\) akım yoğunluğu, \(\alpha(T)\) Seebeck katsayısı, \(\sigma(T)\) elektrik iletkenliği ve \(k(T)\) ısıl iletkenliktir.

Yürüyen çözüm algoritması nasıl çalışmaktadır?

Bacak soğuk uçtan sıcak uca eşit uzunlukta parçalara ayrılır. Soğuk uç sıcaklığı bilinir; ancak soğuk uç ısı akısı başlangıçta bilinmez. Algoritma şu adımları uygular:

1. Soğuk uç ısı akısı için bir deneme değeri seçilir.
2. Sıcaklık ve ısı akısı soğuk uçtan sıcak uca doğru parça parça hesaplanır.
3. Her parçada önce tahmin, ardından orta nokta özellikleriyle düzeltme yapılır.
4. Hesaplanan sıcak uç sıcaklığı ile hedef sıcaklık arasındaki fark bulunur.
5. Farklı işaretli iki ısı akısı çözümü bulunarak kök aralığı oluşturulur.
6. MATLAB fzero işleviyle doğru soğuk uç ısı akısı belirlenir.
7. Son sıcaklık ve ısı akısı profilleri yeniden hesaplanır.

Arama önce önceki çalışma noktasının çevresinde dar bir aralıkta yapılmakta; işaret değişimi bulunamazsa aralık kademeli olarak ±3, ±8 ve ±80 iletim ölçeğine genişletilmektedir. En geniş aralıkta da fiziksel çözüm bulunamazsa seçilen akım yoğunluğunun kararlı bir çözüm üretmediği kabul edilmektedir.

Tek bacak verim sonuçları nelerdir?

Sayfa 28’deki Şekil 13, 0,5 × 0,5 × 0,46 mm bacaklar için soğuk taraf 50 °C ve sıcak taraf 150 °C iken verim-akım yoğunluğu eğrilerini göstermektedir.

Akım yoğunluğu işaretlerinin farklı olması, n- ve p-tipi bacaklardaki akım yönü işaret kuralından kaynaklanmaktadır. Bu bacaklar gerçek modülde elektriksel olarak seri bağlandığı için fiziksel devre akımı aynıdır; kesit ve işaret tanımlarına göre yerel akım yoğunluğu yönleri farklı gösterilmektedir.

Bacak içindeki sıcaklık ve ısı akısı profilleri nasıldır?

Sayfa 29’daki Şekil 14’te sıcaklık, 0,46 mm bacak yüksekliği boyunca yaklaşık 323 K’den 423 K’ye tek yönlü olarak yükselmektedir. Profil tamamen düz değildir.

Isı akısı da bacak boyunca sabit kalmamaktadır. P-tipi örnekte kullanılan akım yoğunluğu yaklaşık −262,24 A/cm² ve soğuk uç ısı akısı yaklaşık −7,107 × 10⁵ W/m²’dir. N-tipi örnekte akım yoğunluğu yaklaşık 216,73 A/cm² ve soğuk uç ısı akısı yaklaşık −5,846 × 10⁵ W/m²’dir.

Isı akısındaki uzaysal değişim, iç Joule ısınması ile sıcaklığa bağlı termoelektrik taşımanın bacak içinde enerji üretip yeniden dağıtmasından kaynaklanmaktadır.

Çalışmanın güçlü yönleri nelerdir?

• Sıcaklığa bağlı n- ve p-tipi malzeme özellikleri modele doğrudan eklenmiştir.
• Modül geometrisi, doluluk oranı, bacak boyutu ve bağlantı direnci aynı tasarım akışında incelenmiştir.
• Isıl temas direnci boyutsuz TCF ile açık biçimde modellenmiştir.
• Joule ve Thomson etkileri yarı analitik çözümde dikkate alınmıştır.
• TEMsim hızlı tasarım taraması için geliştirilmiş ve MATLAB’da uygulanmıştır.
• Üç farklı yoğunlukta modül tasarımı sayısal olarak karşılaştırılmıştır.
• 1.029 çift ve 2.058 bacaktan oluşan fiziksel bir prototip üretilmiştir.
• Gerçek modül kesit yapısı ve üretim öncesi bacak dizisi görsel olarak gösterilmiştir.
• Kontrollü sıcak ve soğuk bloklardan oluşan deney düzeneği kurulmuştur.
• Temas direnci içeren ve içermeyen model sonuçları doğrudan karşılaştırılmıştır.
• Dört modülden alınan deneysel güç ve ısı girişi noktaları modele karşı gösterilmiştir.
• Yük direnci ve sıcaklık sınır koşulları için geniş performans haritaları oluşturulmuştur.
• Doğrusal olmayan tek bacak sıcaklık ve ısı akısı çözücüsü geliştirilmiştir.
• Yöntem, yüksek gerilimli modüllerin ısı eşanjörü ve sistem tasarımına bağlanabilmesine olanak vermektedir.

Çalışmanın başlıca sınırlılıkları nelerdir?

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir.
• Ek bilgi dosyaları yüklenen sürümde bulunmamaktadır.
• Malzeme sentezi ve taşıma özelliği ölçüm yöntemleri ana metinde yeterli ayrıntıyla verilmemiştir.
• ANSYS karşılaştırmasının ayrıntıları yalnız ek materyale yönlendirilmiştir.
• Deneysel model karşılaştırması yalnızca dört modüle dayanmaktadır.
• Deneylerde hata çubuğu, standart sapma veya güven aralığı verilmemiştir.
• Model-deney farkı için RMSE, MAE veya yüzde hata raporlanmamıştır.
• TCF her modül için bağımsız olarak ölçülmemiş, 0,05–0,15 bantlarıyla değerlendirilmiştir.
• Sıkıştırma kuvvetinin performansa etkisi için nicel ana sonuç verilmemiştir.
• 50 modüllük Harman ölçümlerinin ayrıntıları yalnız ek materyaldedir.
• Uzun süreli termal çevrim ve mekanik yorulma deneyleri raporlanmamıştır.
• Lehim, metalizasyon veya bacak arızalarının dağılımı verilmemiştir.
• Üretim verimi ve kusurlu modül oranı açıklanmamıştır.
• Modül adlandırması ile ızgara/bacak/çift sayıları bazı tasarımlarda tutarlı değildir.
• Geometri eksenleri ve bazı değişken adlarında yazım veya gösterim belirsizlikleri bulunmaktadır.
• Sıcaklık dizisi ve Thomson katsayısı denklemlerinde indeks sınırları açık değildir.
• Açık devre geriliminde ortalama Seebeck ve ayrı Thomson düzeltmesinin nasıl ayrıştırıldığı bağımsız olarak doğrulanmamıştır.
• TEMsim kodu açık bir depoda paylaşılmamıştır.
• Ham deney verileri için açık veri bağlantısı verilmemiştir.
• Gerçek jeotermal veya endüstriyel atık ısı kaynağında saha deneyi yapılmamıştır.
• Isı eşanjörü, pompa, soğutucu ve güç elektroniği dâhil sistem verimi hesaplanmamıştır.
• Ekonomik maliyet, geri ödeme süresi ve watt başına üretim maliyeti sunulmamıştır.

Çalışma neyi desteklemektedir?

• Sıcaklığa bağlı malzeme özellikleri ve temas direnci içeren yarı analitik modelin modül tasarımında kullanılabileceğini desteklemektedir.
• Isıl temas direncinin ihmal edilmesinin güç ve verimin fazla tahmin edilmesine yol açtığını göstermektedir.
• Yüksek çift sayısının düşük doluluk oranına rağmen gerilim ve güç avantajı sağlayabileceğini göstermektedir.
• 0,5 mm bacaklarla 1.029 çiftin tek modülde fiziksel olarak birleştirilebildiğini göstermektedir.
• TEM-1029’un incelenen sayısal koşullarda TEM-342 ve TEM-696’dan daha yüksek tepe güç ürettiğini göstermektedir.
• Dört prototipten elde edilen güç ve ısı girişi ölçümlerinin TCF 0,05–0,15 model bandıyla genel uyumunu göstermektedir.
• Temas kalitesinin optimum yük direncini değiştirebildiğini göstermektedir.
• Tek bacak sıcaklık ve ısı akısı profillerinin doğrusal olmayan biçimde hesaplanabileceğini göstermektedir.
• Yöntemin farklı modül geometrilerinin hızlı biçimde karşılaştırılması için kullanılabileceğini desteklemektedir.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

• TEM-1029’un bütün sıcaklık ve temas koşullarında en iyi termoelektrik tasarım olduğunu kanıtlamaz.
• 0,5 mm bacakların bütün üreticiler için ekonomik veya yüksek verimli olduğunu göstermez.
• 24,18 W veya yaklaşık 40 W model sonuçlarının saha ortamında sürekli elde edileceğini kanıtlamaz.
• Dört prototipteki uyumun seri üretimin tamamına genellenebileceğini göstermez.
• TCF değerlerinin bütün modül ömrü boyunca sabit kalacağını göstermez.
• 50 modüllük partinin uzun süreli güvenilirliğini kanıtlamaz.
• Modülün termal çevrim, titreşim, nem veya oksidasyon altında dayanıklı olduğunu göstermez.
• Jeotermal veya endüstriyel atık ısı sisteminin toplam dönüşüm verimini ölçmez.
• Isı eşanjörü ve soğutma için gereken yardımcı enerjiyi hesaba katmaz.
• Yüksek gerilimli panel düzeyinde seri-paralel bağlantının güvenilirliğini deneysel olarak göstermez.
• Tek bacak için hesaplanan yüzde 5,40 ve yüzde 4,99 verimlerin bütün modül verimi olduğunu göstermez.
• Ekonomik geri ödeme, karbon azaltımı veya yatırım fizibilitesi hakkında veri sunmaz.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırma tasarımının teknik özeti

TEM-1029 prototipinin özellikleri

Üç tasarımın yüksek sıcaklık noktası karşılaştırması

Karşılaştırma \(T_c=20\ ^\circ\mathrm{C}\), \(T_h=200\ ^\circ\mathrm{C}\) ve TCF = 0,10 model koşuluna aittir. TEM-342 ve TEM-696 adlarındaki sayıların ızgara hücreleriyle, TEM-1029 adının ise n-p çift sayısıyla ilişkilendirilmesi nedeniyle kaynakta adlandırma tutarsızlığı bulunmaktadır.

Temas faktörünün etkisi

Deneysel doğrulamanın kapsamı

Tek bacak çözücüsünün sonuçları

Ana şekillerin temel mesajları

• Şekil 1: n- ve p-tipi Bi₂Te₃ malzemelerin 300–500 K aralığındaki Seebeck katsayısı, elektrik iletkenliği, ısıl iletkenlik, güç faktörü, \(ZT\) ve toplam Seebeck farkını göstermektedir.
• Şekil 2: Yüksek yoğunluklu S biçimli seri bağlantıyı, farklı doluluk hedeflerini ve bacak boyutuna göre üretilebilen ızgaraları göstermektedir.
• Şekil 3: Seramik altlık, bakır iz ve termoelektrik bacaklardan oluşan katmanlı yapıyı ve beş bileşenli ısıl direnç ağını göstermektedir.
• Şekil 4: Geometrik tasarımdan sıcaklığa bağlı malzeme hesabına, ısıl-elektrik ağ çözümüne ve yakınsama denetimine uzanan TEMsim akışını göstermektedir.
• Şekil 5: TEM-342, TEM-696 ve TEM-1029 tasarımlarında bacak boyutu, doluluk oranı, bacak yüksekliği, V-I ve P-I ilişkilerini karşılaştırmaktadır.
• Şekil 6: TCF 0,05, 0,10 ve 0,15 altında doluluk oranına bağlı gerilim, akım, yük direnci ve güç değişimini göstermektedir.
• Şekil 7: Prototipin çok katmanlı kesitini, 49 × 42 bacak dizisini ve kontrollü sıcak-soğuk blok deney düzeneğini göstermektedir.
• Şekil 8: Temas direnci bulunmayan modelin deneysel gücü fazla tahmin ettiğini, TCF eklendiğinde deneysel veriye yaklaşmayı göstermektedir.
• Şekil 9: Farklı sıcaklık farkları ve TCF değerlerinde yük direncine bağlı güç, gerilim ve akım eğrilerini göstermektedir.
• Şekil 10: Gerekli ısı girişi, etkin ısıl iletkenlik ve dönüşüm veriminin sıcak ve soğuk sınır koşullarındaki haritalarını göstermektedir.
• Şekil 11: Aynı sıcaklık alanında elektrik gücü, gerilim ve akım haritalarını göstermektedir.
• Şekil 12: Tek bacakta sıcaklık ve ısı akısını parça parça çözen tahmin-düzeltme algoritmasını göstermektedir.
• Şekil 13: n- ve p-tipi bacakların verim-akım yoğunluğu eğrilerini ve kök bulma artıklarının yakınsamasını göstermektedir.
• Şekil 14: 0,46 mm bacak yüksekliği boyunca sıcaklık ve ısı akısı profillerini göstermektedir.

Kanıt düzeyine göre bulguların durumu

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı: Predictive Design of Scalable High Voltage and High Density Thermoelectric Modules for Energy Harvesting and Heat Recovery

Yazarlar: Ziming Jing, Kirk Nuzum ve Mukul Sharma.

Yazar sıralaması: Ziming Jing birinci, Kirk Nuzum ikinci ve Mukul Sharma üçüncü yazardır.

Eşit katkı bilgisi: Yüklenen sürümde eşit katkıda bulunan yazar bildirimi yer almamaktadır.

Sorumlu yazar: Ziming Jing.

Sorumlu yazar e-postası: ziming.jing@utexas.edu

Kurumsal bağlantılar:

1. University of Texas at Austin, Austin, ABD.
2. Geothermix LLC, Austin, ABD.

Yazar–kurum eşleştirmesi:

• Ziming Jing: University of Texas at Austin.
• Kirk Nuzum: Geothermix LLC.
• Mukul Sharma: University of Texas at Austin.

DOI:10.2139/ssrn.7197181

Yayın platformu: SSRN.

Resmî kaynak bağlantısı:SSRN çalışma kaydı

Yayın yılı: 2026.

Sayfa sayısı: 32.

Kaynak türü: Yarı analitik modelleme, modül tasarımı, fiziksel üretim ve kontrollü deneysel doğrulama içeren termoelektrik mühendisliği preprinti.

Hakemlik durumu: Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir. Bütün sayfalarda “This preprint research paper has not been peer reviewed” uyarısı bulunmaktadır.

Dergi: Hakemli bir dergi adı, kabul kararı, cilt, sayı veya nihai makale numarası yer almamaktadır.

Yayınevi: Nihai hakemli yayın için yayınevi bilgisi bulunmamaktadır. İncelenen sürüm SSRN preprintidir.

Finansman: University of Texas at Austin’de gerçekleştirilen çalışmanın ABD Enerji Bakanlığı tarafından kısmen desteklendiği belirtilmiştir. Fon veya hibe numarası verilmemiştir.

Diğer destek: Yazarlar Geothermix’e, University of Texas at Austin PGE Machine Shop’a ve sistem kurulumu ile geliştirilmesine katkı sağlayan Daryl Nygaard’a teşekkür etmiştir.

Çıkar çatışması: Yüklenen sürümde açık bir çıkar çatışması beyanı yer almamaktadır. Yazarlardan Kirk Nuzum’un Geothermix LLC bağlantısı bulunmaktadır; bunun çalışma tasarımı veya ticari ürünle ilişkisi ayrıca açıklanmamıştır.

Yazar katkıları: Yüklenen sürümde CRediT veya yazar bazında ayrıntılı katkı bildirimi bulunmamaktadır.

Veri erişimi: Ham deney verileri için açık depo veya indirme bağlantısı verilmemiştir.

Kod erişimi: TEMsim’in MATLAB’da geliştirildiği belirtilmiş, ancak açık kaynak deposu veya çalıştırılabilir kod paylaşılmamıştır.

Ek materyal durumu: Çalışma Şekil S1–S24, Tablo S1–S6 ve çeşitli ek notlara atıf yapmaktadır. Bu destekleyici bilgi dosyaları yüklenen sürümde bulunmamaktadır. Üretim akışı, ANSYS karşılaştırması ve 50 modüllük Harman kalite kontrolü bu nedenle tam olarak incelenememiştir.

Etik kurul: Çalışma insan veya hayvan katılımcı içermeyen malzeme ve enerji mühendisliği araştırmasıdır. Etik kurul bilgisi yer almamaktadır.

Bu Türkçe açıklama yalnızca yüklenen çalışmanın ana metni, denklemleri, iki ana tablosu, deneysel açıklamaları ve Şekil 1–14’te gösterilen sonuçlar temel alınarak hazırlanmıştır. Çalışmada bulunmayan bir saha deneyi, uzun dönem güvenilirlik sonucu, üretim maliyeti, ekonomik geri ödeme veya sistem düzeyi enerji verimi eklenmemiştir. Dış kaynaklar yalnızca çalışmanın başlığı, yazarları, DOI’si, iletişim yazarı, SSRN kaydı ve yayın durumunun bibliyografik doğrulanması için kullanılmıştır.

Çalışmanın en güçlü kanıtı, 1.029 çiftli TEM-1029 prototipinin fiziksel olarak üretilmesi ve temas direncini içeren modelin dört modülden elde edilen güç ve ısı girişi ölçümlerinin genel eğilimini yakalamasıdır. En önemli raporlama eksikliği ise deneysel belirsizliklerin ve model hatasının sayısal olarak verilmemesi, doğrulamanın yalnız dört örnekle sınırlı kalması ve ayrıntılı destekleyici sonuçların yüklenmeyen ek materyale bırakılmasıdır.

TEM-1029 için 24,18 W sonucu 20 °C soğuk yüzey, 200 °C sıcak yüzey ve TCF 0,10 sayısal koşuluna aittir. Yaklaşık 40 W düzeyindeki sonuç ise 200 °C sıcaklık farkı ve TCF 0,05 model eğrisinden okunmaktadır. Bunlar dört modülle gerçekleştirilen düşük sıcaklık farkı deneylerinin ölçülmüş güçleri değildir.

Tek bacak çözücüsünde bildirilen yüzde 5,40 ve yüzde 4,99 değerleri, 50–150 °C sınır sıcaklıklarında ayrı p- ve n-tipi bacaklar için hesaplanan optimum dönüşüm verimleridir. Bunlar TEM-1029’un bütün katmanları ve temas kayıpları dâhil modül düzeyi deneysel verimi olarak yorumlanmamalıdır.

Modelin gerçek mühendislik tasarımında kullanılabilmesi için açık kod paylaşımı, bağımsız deney laboratuvarında tekrar, her modül için doğrudan temas direnci ölçümü, belirsizlik analizi, uzun dönem termal çevrim, üretim toleranslarının olasılıksal analizi ve tam ısı eşanjörü–güç elektroniği sistemiyle saha doğrulaması gerekmektedir.