Elektrik enerjisi, keşfedildiği günden beri vazgeçilmez bir öneme sahiptir. Günümüzde elektrik enerjisinin büyük bölümü; kömür, doğalgaz gibi fosil yakıtlar kullanan termik santrallerde üretilmektedir. Yenilenebilir enerjinin kullanım oranı ise günden güne artmaktadır. Ancak, elektrik enerjisi üretmek için farklı yöntemler de bulunmaktadır. Bu yöntemlerden biri, uzun süre önce keşfedilen termoelektrik etkidir. Bu yazımızda, tersinir özelliği sayesinde hem elektrik üretiminde hem de soğutmada kullanılan termoelektrik etkiyi inceledik.
İçindekiler
Termoelektrik Etki Nedir?
Termoelektrik etki, ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüşmesi ya da elektrik enerjisinin ısı enerjisine dönüşmesi olarak tanımlanmaktadır. Bu dönüşümler temel olarak ikiye ayrılmakta, “Seebeck Etkisi” ve “Peltier Etkisi” olarak adlandırılmaktadır.
Seebeck Etkisi
1821 yılında Alman fizikçi Thomas Johann Seebeck, farklı iki metali uç kısımlarından birleştirerek bir kapalı devre elde etmiştir. Seebeck, kapalı devreyi bir ucundan ısıttığında, orta kısımda bulunan pusula ibresinin hareket ettiğini farketmiştir. Farklı sıcaklıkların, ibreyi farklı oranda hareket ettirdiğini gözlemlemiştir. Bu gözlemlerden yola çıkarak, sıcaklık farkından yararlanarak elektrik enerjisi üretilebileceğini keşfetmiştir. Bu olay, ilk olarak Seebeck tarafından gözlemlendiği için “Seebeck Etkisi” olarak da adlandırılmaktadır. Sıcaklık farkından yararlanılarak üretilen elektrik enerjisi ise, termoelektrik enerji olarak adlandırılmaktadır.
Peltier Etkisi
Termoelektrik etki tersinir olarak kullanılabilir. Yani, elektrik enerjisi kullanılarak sıcaklık değişimi yaratmak mümkündür. 1834 yılında Fransız fizikçi Charles Peltier, kapalı devre halindeki iki farklı metalden elektrik akımı geçirdiğinde, metallerin birinin ısındığını diğerinin ise soğudunu gözlemlemiştir. İlk kez Fransız fizikçi tarafından gözlemlenen etki, “Peltier Etkisi” olarak isimlendirilmektedir.
Termoelektrik Enerji Nasıl Üretilir?
Termoelektrik malzemeler kullanılarak elektrik enerjisi üretiminin mantığını anlamak için, elektronların metal malzemelerdeki hareketi hakkında bilgi sahibi olmak gerekmektedir. Metal malzemeler iyi iletkenlerdir. Dolayısıyla metal malzemelerdeki elektron hareketi; suyun, geniş bir boru içerisinden kolaylıkla akmasına benzetilebilir.
Benzetmeden yola çıkılarak, borunun bir ucunun havaya kaldırıldığı varsayılsın. Bu işlem sonucunda su, yüksekte bulunan uçtan, alçakta bulunan uca doğru hızlı bir şekilde hareket edecektir. Bunun nedeni ise, yüksekte bulunan uçtaki potansiyel enerjinin, alçakta bulunan potansiyel enerjiden fazla olmasıdır. Dolayısıyla enerji, yüksek potansiyelden düşük potansiyele doğru iletilecektir.
Aynı mantık termoelektrik etki için de geçerlidir. Termoelektrik malzemenin bir ucunu ısıtmak, ısıtılan uçtaki potansiyel enerjinin artmasına ve elektronların sıcak uçtan soğuk uca doğru hareket etmesine neden olmaktadır. Elektronların sıcak uçtan soğuk uca doğru hareketi, elektrik akımının oluşmasına ve gerilim indüklenmesine sebebiyet verir. Dolayısıyla, elektrik enerjisi üretilir. Üretilen elektrik enerjisi, devreye bağlanacak bir yükte (cihaz) kullanılabilir veya bataryada depo edilebilir.
Termoelektrik Malzemelerin Yapısı
Termoelektriklerin üretiminde yarı iletkenler kullanılmaktadır. Bilindiği üzere yarı iletkenler, pozitif yüklü (p-tipi) ya da negatif yüklü (n-tipi) olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Termoelektriklerin çalışma mantığına uygun olarak, sıcak ve soğuk arasında bir denge kurulması gerekmektedir. Dolayısıyla termoelektrik malzemelerde kullanılan p-tipi ve n-tipi yarı iletkenlerin miktarları da dengeli olmak zorundadır. Yarı iletken malzemeler, soğuk yüzey ile sıcak yüzey arasında köprü işlevi görerek elektronların ve protonların iletilmesini sağlar.
Termoelektrik Etkinin Kullanım Alanları
Termoelektrik etkinin kullanım alanı oldukça geniştir. Laboratuvar ortamında, askeri uygulamalarda ve haberleşme alanında sıklıkla kullanılmakla beraber, bu etkiden gündelik hayatta da yararlanmak mümkündür.
Termoelektrik etkinin tersinir olduğundan ve “Peltier Etkisi” sayesinde soğutmada kullanılabileceğinden bahsedilmişti. Peltier etkisi; buzdolaplarında, sıvı soğutma kullanan bilgisayarlarda ve makinelerde, nem alıcılarda soğutucu amaçla kullanılmaktadır.
Başka bir kullanım alanı ise uzay araçlarıdır. Satürn gezegeninde görev yapan Cassini sondası, enerjisini termoelektrikten sağlamaktadır. Sondada güneş panelleri de bulunmaktadır. Ancak, Satürn gezegenine ulaşan güneş ışını miktarı, Dünya’ya ulaşan güneş ışını miktarına oranla 90 kat daha azdır. Bu nedenle Cassini sondası, enerjisini üzerinde bulunan 3 adet termoelektrik modülden sağlamaktadır. Modüllerin her biri 296 Watt güç üretme kapatesine sahiptir. Gerekli olan sıcaklık ise, radyoaktif bir element olan plütonyum-238’in bozunumundan elde edilir.
Termoelektrik Jeneratör: The PowerPot
“The PowerPot” adıyla satılmakta olan termoelektrik jeneratör; günlük hayatta küçük güç gerektiren uygulamalarda kullanılabilmektedir. The PowerPot’un hareket eden herhangi bir parçası bulunmamaktadır. Adından da anlaşılacağı üzere, şekli bir tencereyi andırmaktadır ve çalışma mantığı oldukça basittir. Elektrik enerjisi üretmek için, The PowerPot’un içine bir miktar su eklenir ve bir ısı kaynağının üzerine yerleştirilir. Isınan su aracılığıyla bir sıcaklık farkı meydana gelir ve termoelektriğin öngördüğü gibi elektrik enerjisi üretilir.
Üretilen elektrik enerjisi bir kablo aracılığıyla USB portuna iletilir. Bu porta bağlanan telefon, tablet gibi doğru akımla (DC) çalışan cihazlar şarj edilebilir. Su yerine kar ya da buz koymak, daha fazla elektrik enerjiisi üretmeye olanak tanır. Çünkü buz ya da kar, suya oranla çok daha soğuktur ve soğuk yüzey ile sıcak yüzey arasındaki sıcaklık farkı ne kadar fazlaysa, potansiyel enerji farkı o kadar yüksek olacaktır. The PowerPot’un sahip olduğu regülatörler sayesinde üretilen elektrik enerjisi, 5 Volt – 1 Amper seviyesine sabitlenir. Bu sayede bağlı cihazların, aşırı akım ya da gerilim nedeniyle zarar görmesi önlenmektedir.
