Termal arayüz malzemesinin termoelektrik jeneratör performansına etkisinin nümerik incelenmesi

Year 2022, Volume: 9 Issue: 2, 492 - 506, 31.05.2022

Seyda Özbektaş , Bilal Sungur , Bahattin Topaloğlu

https://doi.org/10.31202/ecjse.963695

Abstract

Termal arayüz malzemeleri çoğunlukla mikroelektronik, güç elektroniği ve LED aydınlatma alanlarında uygulanmaktadır. Daha az araştırılmış olmasına rağmen, termal arayüz malzemeleri uygulamasının bir diğer önemli alanı da termoelektrik jeneratörlerdir. Termoelektrik jeneratörler temel olarak sıcaklık farkından yararlanılarak elektrik üretimini sağlamaktadırlar ve özellikle atık ısı geri kazanımında uygulaması her geçen gün daha fazla ilgi görmektedir. Bu çalışmada, literatürdeki çalışmalardan farklı olarak termal arayüz malzemelerinin termoelektrik jeneratörün performansı üzerindeki etkisini dikkate alarak nümerik hesaplamalar gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın nümerik sonuçları literatürden elde edilmiş deneysel sonuçlarla kıyaslanmıştır. Çalışma parametreleri olarak farklı ısı iletim katsayılarına (2; 2,5 ve 3 W/m∙K) ve kalınlığına (0,1; 0,2; 0,5; 0,75 ve 1 mm) sahip termal macunlar irdelenmiş ve bu parametrelerin termoelektrik jeneratör performansına olan etkisi incelenmiştir. Sonuçlar incelendiğinde 0.5 mm termal macun kalınlığında deneysel ve nümerik sonuçların iyi uyum sağladığı tespit edilmiştir. Bu kalınlıkta maksimum açık devre voltajı, yükteki voltaj, akım, güç çıktı değerleri 95 °C sıcaklıkta ve 3 W/m∙K termal iletkenlik katsayısı durumunda meydana gelmiştir. Bu şartlarda maksimum açık devre voltajı ve güç çıktısı deneysel olarak sırasıyla 4,60 V ve 0,84 W değerlerinde iken, nümerik olarak 4,32 V ve 1,23 W olarak hesaplanmıştır. Tüm analizlerde sıcaklık farkı artışı ve termal macun ısı iletim katsayısının artışı termoelektrik jeneratörün güç çıkışını arttırmış, termal macun kalınlığının artması ise güç çıkışını azaltmıştır.

Keywords

Termal arayüz malzemesi, Termal macun, Termoelektrik jeneratör, Nümerik modelleme

Numerical Investigation of the Effect of Thermal Interface Material on Thermoelectric Generator

Abstract

Thermal interface materials are mostly applied in microelectronics, power electronics and LED lighting fields. Another important area of application of thermal interface materials, although less researched, is thermoelectric generators. Thermoelectric generators basically provide electricity production with temperature difference and its application in waste heat recovery is getting more attention day by day. In this study, different from the studies in the literature, numerical calculations were made by considering the effect of thermal interface materials on the performance of thermoelectric generator. Numerical results were compared with experimental results obtained from the literature. Thermal greases with different heat conduction coefficients (2, 2.5 and 3 W/m∙K) and thickness (0.1, 0.2, 0.5, 0.75 and 1 mm) were examined as working parameters and the effect of these parameters on thermoelectric module performance was investigated. When the results were examined, it was determined that the experimental and numerical results were in good agreement at 0.5 mm thermal grease thickness. At this thickness, the maximum open circuit voltage, voltage at load, current, power output values occurred at a temperature of 95 °C and a thermal conductivity coefficient of 3 W/m∙K. Under these conditions, the maximum open circuit voltage and power output were experimentally at 4.60 V and 0.84 W, respectively, while numerically at 4.32 V and 1.23 W. In all analyzes, the increase in temperature difference and the increase of thermal grease heat transfer coefficient increased the power output of the thermoelectric module, while the increase in thermal grease thickness decreased the power output.

Keywords

Thermal interface material, thermal grease, thermoelectric generator, numerical modeling

References

• Demir, H., Güllü, A., Taş Dokusunun Yüzey Pürüzlülüğü ve Taşlama Kuvvetlerine Etkilerinin İncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Dergisi, 2008, 23 (1).
• Srivastava, A. K., Yuen K. M., and Ebestavi M. A., Surface Finish in Robotic Disk Grinding, International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1992, 32, 269-297.