MATERIAL PIEZOELEKTRIK UNTUK KONVERSI ENERGI
Piezoelectric Materials for Energy Conversion
M Rosyid Ridlo1
1Pusat Penelitian Metalurgi dan Material, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia, Kawasan Puspiptek Serpong Tangerang Selatan
Email : Rosyid325@gmail.com
Kontributor Penulis ABSTRACT
Piezoelectricity is one of the characteristics of a material that is able to convert vibrational energy into electrical energy, and vice versa. The use of this phenomenon has been widely applied in everyday life. Equipment such as distance detectors, ultrasound probes, weighing devices to lighter matches / stoves use the piezoelectricity principle. This paper discusses the development of piezoelectric materials and technology for energy generation. Over the past several decades, a lot of research has reported on new materials that are more environmentally friendly (lead free), high temperature resistant or more flexible types of nano composites that are suitable for energy generation. on the highway for example. The technology for arranging the piezoelectric material elements which also determines the energy conversion efficiency is also discussed in this paper.
Keywords: piezoelectric, energy conversion, environmental friendly
1Kontributor Utama
ABSTRAK
Piezoelektrisitas sebagai salah satu karakteristik suatu material yang mampu mengubah energi getaran menjadi energi listrik, begitu juga sebaliknya. Pemanfaatan fenomena ini sudah banyak diterapkan dalam kehidupan sehari hari. Peralatan seperti detektor jarak, probe USG , alat timbang hingga pemantik korek api/kompor menggunakan prinsip piezoelektrisitas. Paper ini membahas perkembangan material piezoelektrik dan teknologi untuk pembangkit energi .Selama beberapa dekade ini banhyak penelitian yang melaporkan tentang material material baru yang lebih ramah lingkungan ( lead free), tahan suhu tinggi atau jenis nano komposit yang lebih lentur yang sesuai jika digunakan sebagai pembangkit energi di jalan raya misalnya. Teknologi penyusunan elemen material piezoelektrik yang juga menentukan efisisensi konversi energi juga dibahas dalam paper ini.
Kata kunci : piezoelektrik, konversi energi, ramah lingkungan
.
1. PENDAHULUAN
Sumber energi berbasisi fosil dikenal tidak ramah lingkungan. Minyak,batubara dan gas dalam
prosesnya berkontribusi besar pada pertambahan CO2 di udara. Orang menyebutnya sebagai penyebab efek
rumah kaca. Demikian juga baterai ,beberapa materiial penyusunnya sangat berbahya bagi alam sekitar (Paulo dan Gaspar, 2010). Namun demikian sumber sumber energi tersebut masih tetap digunakan karena memang belum ada energi alternatif yang benar benar bisa efektif menggantikan . Baik itu dari segi daya yang dikeluarkan atau efeisiensi nya. Sudah sejak dulu orang ingin sekali menggantikan sumber2 energi tersebut dengan sumber energi alternatif yang tidak merusak lingkungan
Disisi lain penggunaan energi alternatif makin lama makin meningkat . Energi allternatif tersebut umumnya memanfaatkan sumber energi alam sekitar yang berasal dari energi matahari, panas dan vibrasi/getaran (Anton dan Sodano, 2007). Disebuat juga dengan istilah harvesting (pemanenan) energi dari alam. Diantara energi tersebut , energi dalam bentuk getaran ada yang tersedia langsung di alam atau ada
yang perlu kita buat sendiri. Beberapa teknologi yang dapat mengubah energi getar menjadi listrik yaitu piezoelektrik, elektromagnetik dan generator elektrostatik. Piezoelektrik yang memiliki rapat daya yang lebih tinggi daripada elektromagnetik dan elektrostaitk telah banyak dimanfaatkan sebagai penghasil energi. Teknologi piezoelektrik bekerja dengan memanfaatkan material/transduser piezoelektrik yang mampu mengubah energi vibrasi menjadi listrik. Tujuan makalah ini untuk menelaah perkembangan berbagai jenis material piezoelektrik yang baru dan juga konfigurasi nya sebagai transduser untk piranti konversi energi.
2. PIEZO ELEKTRISITAS UNTUK KONVERSI ENERGI
Fenomena piezolektrik ditunjukan pada gambar 1. Jika bahan piezoelektrik digetarkan akan menghasilkan tegangan listrik, Sebaliknya jika diberi tegangan listrik bahan piezo akan bergetar. Sifat seperti i ni banyak digunakan sebagai transduser/sensor misalnya sensor parkir kendaraan, sensor pengukur jarak, sensor dalam USG dan berbagai peralatan sensor untuk keperluan NDT ( non destructive test) (Sunar dan Rao, 1999).
Gambar 1. Prinsip piezoelektrk untuk konversi energi
Sistem untuk konversi ini ditunjukkan gambar 2.
Gambar 2. Skematik sistem konversi energi menggunakan bahan piezo elektrik
2.1 Karakteristik materials piezoelektrik
Besarnya tegangan yang ditimbulkan karena tekanan /getaran sangat bergantung pada karakteristik material tersebut . Beberapa karakteristik piezo diantaranya (Priya, 2007):
a. Koefisien d ( d33,d31, dst )
Koefisien ini sebagai ukuran besarnya regangan akibat tegangan lisrik yg diberikan pada bahan tersebut. Makin besar nilai d makin mudah bahan tsb bergetar. Misal meski diberi tegangan kecil bahan ini sudah bisa berubah bentuk ( bergetar) , Sebaliknya jika sulit bergetar maka dikatakan nilai d nya kecil. Indeks 33 , 31 dst menunjuknan arah getar /perubahan bentuk bahan
b. Kopling elektromekanikal ,K
Nilai K sebagai indikator keefektifan bahan tsb mengkonversei dari energi getar ke listrik dan jg sebaliknya. Makin besar nilai K makin efisein proses konversinya.
c. Faktor qualitas,Q
Nilai ini menunjukkan lama getaran. Jika Q kecil lama getaran akan berlangsung singkat, karena ada proses redaman yang kuat. Sehingga energi yang dihasilkan menjadi lebih rendah. Sebailknya bila Q tinggi, besar redamannya kecil , dan matreial akan bergetar dalam kurun waktu yang lebih lama.
Nilai ini menunjukkan tingkat kemudahan terbentuknya dipole listrik pada bahan tersebut. Sekaligus dapat diartikan makin tinggi nilai ini makin mudah bahan ini menunjukkan sifat piezoelektriknya.. Untuk keperluan
energi konversi material piezoelekytrik yang g ideal memiliki nilai d,K,Q yang tinggi dan e yang rendah
3. MATERIAL PIEZOELEKTRIK
Riset dan pengembangan material piezoelektrik terus intensif dilakukan sejak pemanfaatan bahan keramik BaTiO3 dan PZT baik sebagai sensor ataupun piranti konversi energi. Penelitian mengarah pada berbagai macam material baru untuk dieksplorasi tentang karakteristik elektromekanikal coupling , thermal, mekanik dan sifat fisis lainya dari material piezoelektrik (Syafei, et.al, 2019).
Material piezoelektrik keramik yang umum dan banyak dipakai huingga saat ini adalah polikristal perovskite PZT dan dengan doping nobium atau lantanum untuk menambah sifat keras atau lunak nya. Piezokeramik ini banyak digunakan sebagai sensor atau aktuator dalam peralatan elektronik. Untuk aplikasi dalam MEMS , telah berkembang pesat teknologi lapisan tipis PZT yang lebih fleksibel ,dibuat dalam ukuran yang kecil dan bisa ditempelkan pada substrat lain (Saadori dan Sidek, 2011).
Juga dikembangkan porous piezoelektrik yang memiliki karakteristik regangan hidrostatik yang lebih baik dibanding yang non porous material. Material seperti ini cocok digunakan untuk teknoplogi SONAR.
Karena mengandung lead Pb yang beracun maka salah satu tren peneltian adalah mencari pengganti material ini atau setidaknya mengurangi kandungan Pb. Salah satu yang perlu dicatat pada perkembangan mutakhir yaitu pada tahun 2018 Gao et al mengembangkan material berbahan PNN-PZT (0.55Pb(Ni1/3Nb2/3)O30.135PbZrO30.315PbTiO3) yang memiliki koefisien elektro mekanikal coupling 1753 pC/N yang jauh lebih tinggi dari pada PZT. Meskipun material ini secara mekanik ini lebih rapuh.
Pengembangan material piezoelektrik polimer PVDF jg dilakuakan karena keunngulan dalam kemudahan nya untuk dibentuk dan sifat mekanik yang lebih ringan dan lentur.Sebagai contoh pada tahun 2015 Pan et al, dengan metoda near field elektrospinning dapat membuat nilai kopling PVDF meningkat 2 kali lipat (Pan et.al, 2015).
3.1 Transduser konversi energi
Sebagian besar pengembangan transduser untuk konversi energi digolongkan dalam beberapa kelompok yaitu kristal tungga/single, piezo bebas Pb, piezo suhu tinggi, piezo nanokomposit dan piezo berbentuk foam.
Piezo kristal tunggal dikembangkan untuk mendapatkan katakteristik elektromekanikal coupling yang tinggi dengan alasan arah dipole yang lebih searah. Makin banyak jumlah dipole yang arahnya sama makin besar menunjukkan sifat piezoelektrisitasnya. Beberapa peneliti memperoleh nilai ini lebih tinggi dari pada PZT monoloitik/polikristal . Namun kekurangan dari material ini adalah pembuatanya berbiaya tinggi ,keuletanya yang rendah , dan peredaman getaran yg tinggi. Sebagai contoh kristal tunggal yang banyak menjadi perhatian adalah yang bebasis material PMN-PT , PMN-PZT dan PZN-PZT. Ren at al, tahun 2010, membuat material piezoelektrik PMN-PT berdimensi sekiar 900 mm3 yang mampu mengahsilkan daya 4,16 mW pada beban dan frekwensi getar 0,05 N dan 60 Hz. Ditahun sebelumnya, Moon et al, dengan menggunakan PMN-PZT berdimensi tak jauh beda menghasilkan daya 0,28 mW pada frekwensi getar 630 Hz
Riset untuk material piezo bebas Pb umumnya berbasiskan bahan : titatanad based, alkaline nionbate perovskite, dan bismuth perovsikte. Diantara yang paling sering diteliti adalah BZT-BCT (Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-(Ba0.7Ca0.3)TiO3). Yan et al (2018) melaporkan telah membuat piezokeramik dengan menambahkan ion Mn pada BZT-BCT yang berdimensi 1440 mm3 menghasilkan 1198 mW pada frekwensi getaran 64,5 Hz
Keterbatasan lainnya dari material piezo adalah penurunan unjuk kerja karena stabilitas fasa yng menurun saat bekerja pada suhu tinggi. Hal ini berkaitan dengan suhu curie bahan tersebut. Beberapa bahan mampu digunakan pada suhu hingga 1000 C namun karakteristik piezoelektrikya jauh lebih rendah dibanding PZT. PZT sendiri memliki suhu Cuire sekitar 200 0C- 400 0C.
Qaiser et al ditahun 2018 mencampurkan BiFeO3 (BFO) pada Bi3TaTiO9 (BTTO) mendapatkan hasil bahan yang tahan suhu tinggi serta tetap menunjukkkan sifat petzoelektrisitasnya. Data yang dipeoleh d33 o sebesar 21 pC/N pada suhu 500 °C. Dan Li et al di tahun 2017 mendemostrasikan Mn-modified BiFeO3 BiTiO3 (BFO-BTO) dengan data pada suhu 506 °C nilai d33 nya 169 pC N/N−1. Dengan bahan yang berbeda ,Davis et al, di tahun 2018 mengembangkan material ferroelektrik baru untuk aplikasi suhu tinggi yaitu Sr yang ditambahkan pada SiO 2 . Data menunjukkan d33 sebesa 10 pC /N, dengan permittivitas 11.5 pada suhu 300 °C. Yang boleh dikatakan kandidat potensial untuk digunakan transduser konversi energi suhu tinggi
Untuk mengatasi kekakuan , dan meningkatkan keuletan periset mencampurkan butiran keramik dan polimer . Perkembangan riset mengarah pada pelibatan butiran nano keramik dan kawat (wire) nano keramik dalam polimer sebagai matriks.Xu et al, membuat nanowire PZT melalui metoda hidrothermal. Hasil uji menunjukkan luaran daya 2,8 mW/cm3 untuk sampel berukuran 6 mm2 atau Koka et al (2014), yang membuat BaTiO3 nanowire komposit yang bisa menurunkan frekwensi resonansi menjadi 155 Hz.
Akhir-akhir ini peneliti mulai mengembangkan sifat piezoelektrik yang ditunjukkan oleh foam polimer (Challagulla dn Venkatesh, 2012). Bahan ini mempunyai ruan ruang gelembung udara didalamnya. Dan memiliki muatan permanen hasil charging lewat proses polarisi saat pembuatannya. Saat mendapat getaran muatan listrik terpolarisi seperti sifat yang yang ditunjukkan bahan piezoelektrik. Nilai kontata d pada foam polimer ini sebesar d33= 250 pC/N−1 sementara untuk PVFD d33 = −33 pC/ N.
4. TIPE KONFIGURASI TRANSDUSER
Output energi/daya dari sistem konversi piezo elektrik disamping bergantung pada karakteristik material piezo juga dipengaruhi oleh tipe konfigurasi transduser yang digunakan. Terdapat dua tipe yaitu pembangkitan yang berdasar resonansi diri dan yang off resonansi (Erturk dan Inman, 2008). Yang mendasarkan pada resonansi mengandalkan adanya cantilever ( penyangga ) dan beban di ujung bahan piezo nya. Beban tambahan ini bisa dikatakan untuk mengatur frekwensi resonansinya. Tipe ini umum digunakan untuk input frekwansi getaran yang rendah dibawah 100 Hz. Artinya jika pada sistem diberi getaran frekswensi rendah sistem sudah mampu mengeluarkan listrik. Dalam hal tersebut bahan piezo perlu lehih lentur agar sistem efektif bekerja. Material piezo nya sendiri disusun secara unimorf dan bimorf . Unimorf dikaitkan dengan lapisan tunggal material piezo yang direkatkan pada substrat / bahan non piezo. Bimorf untuk dua lapisan yang direkatkan. Tipe konfigurasi ini dipandang lehih simpel ,murah dan mudah dibuat. Sedangkan untuk yang bahan piezo yang keras sering dipakai pada tipe konfigurasi off resonansi. Konfigurasi ini bisa ditemui dalam bentuk cymbal dan stack. Model ini cocok unruk input getaran frekwensi tinggi di atas 1 Khz. Model ini memberikan daya luaran yang lebih besar.
Kecendreungan penelitian konfigurasi berkisar untuk mengatasi output daya yang rendah ketika input frekwensi tidak sesuai dengan frekwensi diri bahan pieo pada model cantilever. Atau dengan kata lain mempelebar pita frekwsi agar daya tidak berkurang saat frekwensi input berbeda dengan frekwensi bahan piezo.
Gambar 3 . Tipe resonansi Cantilever unimorf/bimorf
Gambar 5. Tipe off resonansi stack
Gambar 4. Tipe off resonansi / cymbal
Peneliti juga mengembangkan transduser yang berbasis non resonansi yaitu cymbal dan stack. Mulai dari muti axis vibrasi, S shape harvester, ataupun three axix harvester (Aktakka dan Najafi, 2015). Tipe non resonansi ini meniliki efisensi konversi daya yang lebih besar
5. KESIMPULAN
Beberapa upaya memperbesat output daya pada sistem konversi energi terus dilakukan. Diantaranya dengan memunculakn material baru dg karakteristik yg sesuai untuk kebutuhan konversi energi, Baik itu yang berbentuk kristal tunggal, komposit , dan terutama yang bebas bahan beracun, Tidak kalah penting adalah
dengan menyempurnakan tipe konfigurasi transduser. Pengembangan terutama mengarah untuk mempesar lebar pita frekwensi agar out daya lebih besar.
6. DAFTAR PUSTAKA
Aktakka E E and Najafi K 2015 Three-axis piezoelectric vibration energy harvester 2015 28th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) (IEEE)
Anton S R and Sodano H A 2007 A review of power harvesting using piezoelectric materials (2003-2006) Smart Mater. Struct. 16 R1
Challagulla K and Venkatesh T 2012 Electromechanical response of piezoelectric foams Acta Mater. 60 2111– 27
Davis M J et al 2018 Piezoelectric glass-ceramic for hightemperature applications J. Non-Cryst. Solids 501 159– 66
Erturk A and Inman D J 2008 A distributed parameter electromechanical model for cantilevered piezoelectric energy harvesters J. Vib. Acoust. 130 041002
Gao X et al 2018 Giant piezoelectric coefficients in relaxor piezoelectric ceramic PNN-PZT for vibration energyharvesting Adv. Funct. Mater. 28 1706895
Koka A, Zhou Z and Sodano H A 2014 Vertically aligned BaTiO3 nanowire arrays for energy harvesting Energy. Environ. Sci. 7 288–96
M Sunar and S.S. Rao. Recent advances in sensing andcontrol of flexible structures via piezoelectric materials technology.Applied Mechanics Review, 52(1):1-16,1999
M Syafaei et al, A review of energy harvesting using piezoelectric materials: state-of-the-art a decade later (2008-2018), Smart Mater. Struct. 28 (2019) 113001 (62pp)
Pan C-T et al 2015 Significant piezoelectric and energyharvesting enhancement of poly (vinylidene fluoride)/polypeptide fiber composites prepared through near-field electrospinning J. Mater. Chem. A 3 683543
Paulo J and Gaspar P 2010 Review and future trend of energy harvesting methods for portable medical devices Proc. of theWorld Congress on Engineering
Priya, S 2007 Advances in energy harvesting using low profile piezoelectric transducers, Journal of Electroceramics, Vol. 19, No. 1, pp. 167-184
Qaiser M A et al 2018 0–3 type Bi3TaTiO9: 40 wt% BiFeO3 composite with improved high temperature piezoelectric properties J. Alloys Compd. 740 1–6
Ren B et al 2010 Piezoelectric energy harvesting using shear mode 0.71Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.29PbTiO3 single crystal cantilever Appl. Phys. Lett. 96 083502
Saadon S and Sidek O 2011 A review of vibration-based MEMS piezoelectric energy harvesters Energ. Convers. Manage. 52 5004
Yan X et al 2018 High energy conversion efficiency in Mnmodified Ba0.9Ca0.1Ti0.93Zr0.07O3 lead-free energy harvester J. Am. Ceram. Soc. 101 2330–8
TANYA JAWAB :
a. Khaula-UIN Ar-Raniry :
Apakah faktor kualitas dapat mempengaruhi energi yang diperoleh? Jawaban :
Jika factor kualitas bahan piezoelektrik yang tinggi maka lama bergetarnya sehingga energi hilang (loss energi) semakin kecil karena bergetar terus demikian sebaliknya. Sehingga jelas faktor kualitas mempengaruhi.
b. Basuki Rahmad :
Isu untuk sumber energi terbarukan adalah storage (baterai) dan charging time. apakah dengan piezoelektrik bisa tanpa 2 hal tersebut. apabila bisa apakah dari segi efisiensi biaya dll mampu menyamai konvensional saat ini?
Jawaban :
Sebenarnya bisa digunakan langsung tanpa baterai, misalnya jika diletakkan di jalan raya ataupun jalan tol selama piezoelektrik tersebut bergetar energi yang dihasilkan dapat langsung digunakan.
c. Arif_Rahman :
Apakah dari sumber-sumber energi yang sekarang ada (spt. tenaga uap, air, atau bahkan batu bara dan migas) dapat dipadukan dengan material piezoelektrik untuk meningkatkan efisiensi?
Jawaban :
Ada bahan piezoelektrik untuk suhu tinggi umumnya digunakan untuk pembangkit energi listrik dengan panas, batubara atau yang lain, panas yang dihasilkan tidak sia-sia sehingga dimanfaatkan dan juga adanya getaran yang dapat ditangkap getaran-getaran tersebut oleh piezoelektrik. Sistem piezoelektrik ini masih menghsilkan watt yang kecil (milliwatt) sehingga untuk meningkatkan dapat dilakukan dengan rangkaian seri atau parallel. Piezoelektrik efektif untuk membantu pembangkit yang berskala kecil seperti solar cell di jalan raya kalau untuk pembangkit yang besar tidak terlalu efektif.
d. Ery fatarina-Untag Semarang :
Apakah piezoelektrik sdh dicoba diaplikasikan? Jawaban :
Sebenarnya sudah banyak diaplikasikan seperti korek api gas yang model ditekan itu menggunakan bahan piezoelektrik. Dengan ditekan maka akan menghasilkan percikan api dan dari gasnya itu kan disemburkan menjadi api. Jadi perpaduan antara gas dengan percika piezoelektrik. Di kompor gas model ditekan juga menggunakan pemantik elektrik yang menggunakan piezoelektrik.
