Pengukuran dan Analisis Karakteristik Thermoelectric Generator

BAB II
DASAR THERMOELECTRIC GENERATOR
2. 1. Konsep Thermoelectric
Modul thermoelectric yaitu alat yang mengubah energi panas dari gradien
temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya dari energi listrik menjadi
gradien temperatur. Banyak pembahasan biasanya berkisar figure – of – merit atau
ZT dari bahan thermoelectric dan dampak terhadap efisiensi perubahan panas ke
listrik pada aplikasi thermoelectric generator atau thermoelectric cooling.
Gambar 2.1. Elemen thermoelectric. [4]
2. 1. 1. Thermoelectric Generator
Thermoelectric generator didasarkan pada efek Seebeck. Jika panas
diterapkan pada rangkaian di persambungan dari dua konduktor yang berbeda,
arus listrik akan dihasilkan. Ini adalah perangkat solid state dan tidak seperti
dinamo yang mempunyai bagian bergerak sehingga tidak menimbulkan suara
saat bekerja [5]. Efek ini ditemukan pada tahun 1821. Thomas Johann Seebeck
mengamati bahwa besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding dengan
perbedaan temperatur dan bergantung pada tipe bahan konduktor, tetapi tidak
terpengaruh persebaran temperatur sepanjang konduktor. Seebeck menguji
berbagai bahan, termasuk semikonduktor yang ditemukan secara alami yaitu
ZnSb dan PbS. Koefisien seebeck (sering kali diukur dalam μV/K)
didefinisikan sebagai tegangan buka rangkaian yang dihasilkan antara dua titik
pada konduktor ketika perbedaan temperatur seragam sebesar 1 K diterapkan
antara dua titik tersebut.
5
Thermoelectric generator paling sederhana terdiri dari termokopel yang
terdiri dari tipe – n (bahan dengan kelebihan elektron) dan tipe – p (bahan
dengan kekurangan elektron) elemen yang terhubung listrik secara seri dan
panas secara paralel. Panas merupakan masukan dari satu sisi dan ditolak dari
sisi yang lain, menghasilkan tegangan di seluruh pasangan thermoelectric.
Besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradient temperatur [6].
Gambar 2.2. Thermoelectric power generator.
2. 1. 2. Thermoelectric Cooling
Perangkat thermoelectric cooling didasarkan pada efek Peltier. Jika arus
listrik melewati rangkaian dari dua konduktor yang tidak sama, di situ akan
terjadi kenaikan atau penurunan temperatur di persambungan bergantung dari
arah aliran arus listrik. Ditemukan oleh Jean Peltier pada tahun 1834 dan
kemudian diperluas oleh Emil Lenz pada tahun 1838. Lenz menunjukkan
bahwa air dapat membeku ketika diletakkan pada persambungan bismuth –
antimony dengan melewatkan arus listrik melalui persambungan tersebut. Dia
juga mengamati bahwa jika arus listrik dibalik, es dapat meleleh. Lenz
menyimpulkan bahwa arah dari aliran arus listrik menentukan apakah panas
diserap atau dihasilkan pada persambungan.
6
Ketika masukan listrik diterapkan pada termokopel, elektron bergerak
dari bahan tipe – p ke bahan tipe – n menyerap energi panas pada sambungan
dingin. Elektron – elektron membuang kelebihan energi pada sambungan panas
karena elektron mengalir dari tipe – n kembali ke bahan tipe – p melalui
konektor listrik. Membuang panas dari sisi panas akan menurunkan temperatur
pada sisi dingin dengan cepat, besarnya penurunan bergantung dari arus lisrik
yang diberikan [6].
Gambar 2.3. Thermoelectric cooling.
2. 2. Efisiensi dari Bahan Thermoelectric : Figure – of – Merit (ZT)
Bahan thermoelectric yang baik seharusnya mempunyai karakteristik :
a. Konduktivitas listrik yang tinggi untuk meminimalkan Joule heating (kenaikan
temperatur dari hambatan ke arus listrik yang mengalir melaluinya).
b. Koefisien Seebeck yang besar untuk perubahan maksimal dari panas ke daya
listrik atau daya listrik ke kinerja pendinginan.
c. Konduktivitas panas yang rendah untuk mencegah konduksi panas melalui
bahan.
Ketiga sifat ini biasanya digabungkan menjadi satu parameter yang
mengukur keseluruhan kinerja dari perangkat thermoelectric yaitu “figure – of –
merit” atau ZT. Figure – of – merit dari thermoelectric didefinisikan sebagai :
7
Z=
α2 σ
(2.1)
λ
V
dimana α : koefisien Seebeck bahan
K
σ : konduktivitas listrik bahan
λ : konduktivitas panas bahan
A
Vm
W
mK
Karena Z mempunyai satuan per derajat temperatur, lebih berguna dimensi
figure – of – merit dapat didefinisikan sebagai Z*T, dimana T adalah rata – rata
temperatur kerja. Parameter penting ini menentukan besarnya efisiensi perubahan
daya maksimal atau koefisiensi pendinginan maksimal dari kinerja untuk
perangkat thermoelectric.
Penelitian awal bahan thermoelectric pada tahun 1950 – an dan 1960 – an
menghasilkan Bismuth Telluride (Bi2Te3), Lead Telluride (PbTe) dan paduan
Silicon – Germanium (SiGe) sebagai bahan dengan figure – of – merit terbaik
dalam tiga rentang temperatur yang agak berbeda. Bi2Te3 dan campurannya telah
digunakan secara ekstensif dalam aplikasi thermoelectric cooling dan beberapa
aplikasi pembangkit listrik rendah dan mempunyai rentang temperatur yang
berguna dari 180 K sampai 450 K. Bahan PbTe dan SiGe sudah digunakan secara
ekstensif dalam aplikasi pembangkit listrik temperatur yang lebih tinggi,
khususnya pembangkit listrik pesawat luar angkasa dan mempunyai rentang
temperatur yang berguna masing – masing dari 500 K sampai 900 K dan 800 K
sampai 1300 K [3].
8
Gambar 2.4. ZT dari variasi bahan thermoelectric.
2. 3. Efisiensi, ZT, dan Perbedaan Temperatur
Penting untuk diketahui bahwa semua perangkat thermoelectric sangat
tergantung pada temperatur, tidak hanya gradien temperatur kerja, tetapi juga nilai
– nilai temperatur absolut. Perangkat thermoelectric dapat digunakan untuk
menghasilkan energi listrik arus searah (DC) ketika terjadi perbedaan temperatur.
Namun, saat ini bahan thermoelectric yang tersedia mempunyai ZT < 1 dan
efisiensi perangkat dalam menghasilkan energi listrik jarang melebihi 5 %.
Kinerja ini membatasi thermoelectric generator untuk aplikasi dimana
persyaratannya untuk operasi jarak jauh, tahan uji, tidak ada bagian yang
bergerak, dan tidak menimbulkan suara telah melebihi aspek yang lebih buruk
dari biaya mahal dan efisiensi konversi yang rendah. Hal ini cenderung untuk
membatasi aplikasi teknologi thermoelectric untuk sistem pendingin kecil, daya
rendah, atau pendingin khusus atau aplikasi daya. Sistem ini umumnya
membutuhkan daya atau aliran energi panas yang kecil.
Efisiensi maksimal dari perangkat thermoelectric dalam pembangkit listrik
ditentukan oleh hubungan berikut :
9
ηmax =
T h −T c
Th
2
1+Z ∗ T −1
2
1+Z ∗ T +1
(2.2)
dimana Z* : nilai optimal Z dari pasangan tipe – p atau tipe – n di perangkat
thermoelectric
Th dan Tc: temperatur sisi panas dan sisi dingin
T : rata – rata Th dan Tc
Hubungan ini ditunjukkan pada Gambar 2.4 untuk memberikan gambaran
tentang besarnya efisiensi dalam hubungan dengan variasi ZT dan perbedaan
temperatur. Bagian pertama dari Persamaan 2.2 menunjukkan bahwa efisiensi
maksimal thermoelectric dihubungkan dengan Th dan Tc, sama seperti efisiensi
carnot [6].
Gambar 2.5. Efisiensi sebagai fungsi dari perbedaan temperatur.
2. 4. Efek Thermoelectric
Ada tiga efek utama yang terjadi dalam rangkaian termokopel yaitu
Seebeck, Peltier, dan Thomson. Efek Seebeck menggambarkan tegangan atau
kekuatan listrik (electromotive force / EMF) yang disebabkan oleh perbedaan
temperatur (gradien) sepanjang kawat. Perubahan dalam bahan EMF sehubungan
10
dengan perubahan temperatur disebut koefisien Seebeck atau sensitivitas
thermoelectric. Koefisien ini biasanya merupakan fungsi nonliniar dari
temperatur. Efek Peltier menjelaskan perbedaan temperatur yang dihasilkan oleh
EMF dan merupakan kebalikan dari efek Seebeck. Sedangkan, efek Thomson
berkaitan dengan gradien panas yang reversibel dan EMF dalam suatu penghantar
homogen [7].
2. 4. 1. Efek Seebeck
Efek Seebeck adalah perubahan secara langsung dari perbedaan
temperatur ke listrik dan mengambil nama fisikawan Jerman – Estonia,
Thomas Johann Seebeck, yang pada tahun 1821 menemukan bahwa jarum
kompas akan dibelokkan oleh loop tertutup yang dibentuk oleh gabungan dua
logam di dua tempat, dengan perbedaan temperatur antara persambungan. Ini
disebabkan respon logam berbeda – beda terhadap perbedaan temperatur,
menimbulkan loop arus dan medan magnet. Seebeck tidak menyadari ada arus
listrik yang terlibat, maka dia menyebut fenomena tersebut dengan efek
thermomagnetic. Fisikawan Denmark, Hans Christian Orsted memperbaiki
kesalahan dan menciptakan istilah thermoelectric. Tegangan yang dihasilkan
oleh efek ini dalam orde μV/K. Satu contoh gabungan antara tembaga dan
nikel, mempunyai koefisien Seebeck 41 μV/K pada temperatur ruang.
Gambar 2.6. Diagram untai seebeck. A dan B adalah dua logam yang berbeda. [8]
11
Tegangan ΔV yang dihasilkan berasal dari :
T2
V = T αB T − αA T
1
dT
(2.3)
dimana SA dan SB adalah koefisien Seebeck dari logam A dan B sebagai fungsi
dari temperatur dan T1 dan T2 adalah temperatur dari dua persambungan.
Koefisien Seebeck merupakan besaran nonliniar sebagai fungsi dari
temperatur, dan tergantung dari temperatur absolut konduktor, bahan, dan
struktur molekul. Jika koefisien Seebeck secara efektif konstan untuk
jangkauan temperatur yang diukur, rumus di atas dapat disederhanakan
menjadi :
V = αA − αB ∗ T2 − T1
(2.4)
Perbedaan tegangan, V, dihasilkan di seluruh persambungan dari
rangkaian terbuka yang dibuat dari sepasang logam berbeda, A dan B, yang
dua persambungan terjadi perbedaan temperatur, adalah berbanding lurus
dengan perbedaan temperatur antara persambungan panas dan dingin, Th – Tc.
Tegangan atau arus yang dihasilkan di seluruh persambungan dari dua logam
yang berbeda disebabkan oleh difusi elektron dari daerah dengan kepadatan
elektron yang tinggi ke daerah dengan kepadatan elektron rendah karena
kepadatan elektron berbeda pada logam yang berbeda. Karena itu arus
mengalir dalam arah yang berlawanan. Jika kedua persambungan dijaga pada
temperatur yang sama, difusi elektron pada kedua persambungan juga sama.
Oleh karena arus pada kedua persambungan adalah sama dan berlawanan arah
sehingga jumlah arus adalah nol, dan jika kedua persambungan dijaga pada
temperatur yang berbeda maka difusi pada kedua persambungan juga berbeda
sehingga arus dihasilkan. Oleh karena itu jumlah arus tidak nol. Hal ini dikenal
sebagai fenomena thermoelectric.
2. 4. 2. Efek Peltier
Pada tahun 1834, seorang fisikawan Perancis, Jean Charles Peltier
Athanase menemukan bahwa arus listrik akan menghasilkan pemanasan atau
pendinginan di persambungan dari dua logam yang berbeda. Pada tahun 1838,
Lenz menunjukkan bahwa tergantung pada arah arus listrik, panas dapat
dihilangkan dari persambungan untuk membekukan air, atau dengan membalik
12
arus listrik, panas dapat dihasilkan untuk mencairkan es. Panas yang diserap
atau dihasilkan di persambungan adalah sebanding dengan arus listrik.
Konstanta perbandingan dikenal sebagai koefisien Peltier.
Panas peltier (Q) diserap oleh persambungan yang lebih rendah tiap
satuan waktu adalah sama dengan :
Q = ∏AB I = ∏A − ∏B I
(2.5)
dimana ∏AB adalah koefisien Peltier untuk termokopel terdiri dari bahan A dan
B. ∏A (∏B) adalah koefisien Peltier dari bahan A (B). ∏ bermacam – macam
tergantung pada komposisi dan temperatur bahan. Silikon tipe – p biasanya
mempunyai koefisien Peltier positif di bawah 550 K, tetapi silikon tipe – n
biasanya negatif [8].
2. 4. 3. Efek Thomson
Efek Thomson diperkirakan dan kemudian diamati oleh William
Thomson pada tahun 1851. Ini menjelaskan pemanasan atau pendinginan dari
konduktor pembawa arus dengan gradien temperatur.
Setiap konduktor pembawa arus kecuali superkonduktor dengan
perbedaan temperatur antara dua titik baik menyerap atau melepaskan panas,
tergantung pada bahan. Jika kerapatan arus (J) dilewatkan melalui konduktor
homogen, produksi panas (q) tiap satuan volume adalah :
q = ρJ 2 − μJ
dT
(2.6)
dx
dimana ρ adalah resistivitas bahan, dT/dx adalah gradien temperatur sepanjang
kawat, dan μ adalah koefisien Thomson. Istilah pertama adalah Joule heating,
yang tidak berubah tanda. Istilah kedua adalah pemanasan Thomson yang
mengikuti J tanda berubah [8].
13