Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Pengukuran dan Analisis Karakteristik Thermoelectric Generator dalam Pemanfaatan Energi Panas yang Terbuang T1 612007043 Bab II

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 V/K)

didefinisikan sebagai tegangan buka rangkaian yang dihasilkan antara dua titik

pada konduktor ketika perbedaan temperatur seragam sebesar 1 K diterapkan

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

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

Z = α 2_σ

(2.1)

dimana α μ koefisien Seebeck bahan V K

σ μ konduktivitas listrik bahan A Vm

μ konduktivitas panas bahan 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

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.

ηmax =

T_h−T_c

T_h

1+Z∗T 2

−1 1+Z∗T 2

+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

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 V/K. Satu contoh gabungan antara tembaga dan

nikel, mempunyai koefisien Seebeck 41 V/K pada temperatur ruang.

Tegangan ΔV yang dihasilkan berasal dari :

V =

α

T2 _B

T

− α

_A

T

dT

T₁ (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 =

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, 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

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 = ∏ABI = ∏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 =

ρ

J

2

− μ

J

dT

dx (2.6)

dimana ρ adalah resistivitas bahan, dT/dx adalah gradien temperatur sepanjang kawat, dan adalah koefisien Thomson. Istilah pertama adalah Joule heating, yang tidak berubah tanda. Istilah kedua adalah pemanasan Thomson yang