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 λ (2.1) dimana α : koefisien Seebeck bahan σ : konduktivitas listrik bahan λ : konduktivitas panas bahan V K 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 (Bi 2 Te 3 ), Lead Telluride (PbTe) dan paduan Silicon Germanium (SiGe) sebagai bahan dengan figure of merit terbaik dalam tiga rentang temperatur yang agak berbeda. Bi 2 Te 3 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
η max = T h T c T h 2 2 1+Z T 1 1+Z T+1 (2.2) dimana Z * : nilai optimal Z dari pasangan tipe p atau tipe n di perangkat thermoelectric T h dan T c : temperatur sisi panas dan sisi dingin T : rata rata T h dan T c 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 T h dan T c, 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
V = Tegangan ΔV yang dihasilkan berasal dari : T 2 T 1 α B T α A T dt (2.3) dimana S A dan S B adalah koefisien Seebeck dari logam A dan B sebagai fungsi dari temperatur dan T 1 dan T 2 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 = α A α B T 2 T 1 (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, T h T c. 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 dx (2.6) 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