Generator Termoelektrik Sebagai Energi Alternatif

  • 4 min read
  • Apr 22, 2020
termoelektrik energi panas menjadi energi listrik

1. Pengertian Generator Termoelektrik

Generator termoelektrik adalah suatu pembangkit listrik dengan cara mengubah secara langsung energi panas menjadi energi listrik yang didasarkan pada efek Seebeck. Efek Seebeck pertama kali ditemukan pada tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian.

Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ternyata jarum kompas dapat bergerak saat sisi logam tersebut dipanaskan. Hal ini terjadi oleh karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas tersebut. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.

susunan generator termoelektrik
Gambar susunan generator termoelektrik

Gambar di atas menunjukkan susunan generator termoelektrik yang terdiri dari suatu susunan elemen tipe N dan tipe P. Elemen tipe N merupakan material dengan kelebihan elektron. Sedangkan elemen tipe P merupakan material dengan kekurangan elektron.

Panas yang masuk pada satu sisi akan dibuang dari sisi yang lainnya dan menghasilkan suatu tegangan yang melewati sambungan termoelektrik. Besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien (perubahan) temperatur. Konstruksinya terdiri dari pasangan material semikonduktor tipe N dan tipe P yang memiliki bentuk seperti sandwich (menyisipkan) antar dua keramik tipis.

Dengan sistem konveksi heatsink atau pelat pendingin digunakan untuk membantu meningkatkan pelepasan kalor (panas) pada sisi dingin. Sehingga dapat meningkatkan efisiensi dari modul termoelektrik tersebut. Potensi pembangkitan daya dari modul generator termoelektrik tunggal akan berbeda-beda. Tergantung pada ukuran, konstruksi dan perbedaan temperaturnya.

Tegangan dan arus yang dihasilkan akan semakin besar. Apabila perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin pada modul yang semakin besar. Modul-modul termoelektrik dapat juga disambungkan bersama baik secara seri (berurutan) ataupun pararel (sejajar). Seperti baterai untuk menghasilkan tegangan atau arus listrik.

2. Modul Termoelektrik

Modul generator termoelektrik mampu menghasilkan tegangan rata-rata 1V – 2V DC dan bahkan sampai 5V DC tergantung pada variasi selisih temperaturnya. Tetapi umumnya satu modul termoelektrik menghasilkan 1,5V – 2V DC.

modul generator termoelektrik
Gambar modul generator termoelektrik

Daya atau rata-rata kerja yang dilakukan yang dihasilkan oleh generator termoelektrik sangat tergantung pada perbedaan temperatur yang didapatkan. Karena hasil perbedaan temperatur pada kedua sisi modul termoelektrik sangat mempengaruhi pada daya keluaran yang dihasilkan.

Artinya bukan berarti bagaimana mendapatkan jumlah kalor (panas), akan tetapi seberapa besar perbedaan temperatur yang didapatkan. Semua hal tersebut sangat berhubungan dengan efisiensi pada modul termoelektrik.

Daya yang dihasilkan akan semakin besar apabila selisih perbedaan temperaturnya semakin besar. Daya yang dihasilkan hingga titik maksimum efisiensi dari generator termoelektrik tersebut. Sehingga ada kemungkinan jika daya yang dihasilkannya lebih kecil meskipun perbedaan temperaturnya sangat besar.

Nilai efisiensi generator termoelektrik dapat ditingkatkan dengan cara memberikan modul atau alat di atas sisi dingin. Seperti penggunaan heatsink (pelat pendingin) atau fan (kipas). Atau hanya dengan memberikan temperatur lingkungan di atas sisi dingin modul untuk menjaga perbedaan temperatur dengan sisi panasnya.

struktur modul generator termoelektrik
Gambar struktur modul termoelektrik

3. Sistem Termoelektrik

Ada beberapa sistem yang bisa digunakan untuk mengubah energi panas (thermal) menjadi energi listrik. Salah satunya adalah generator termoelektrik yang dapat digunakan sebagai energi alternatif.

Semua jenis sistem termoelektrik mempunyai efisisensi termis maksimum kurang dari (1 – Tlow/Thigh). Generator termoelektrik ini tergantung pada efek Seebeck. Efek Seebeck ditemukan oleh seorang ilmu alam dari Jerman yang bernama Thomas J. Seebeck pada tahun 1821.

Menurut efek Seebeck, sebuah tegangan (voltage) timbul dalam sirkuit dari dua material yang tidak sama jika kedua simpangan ini dijaga pada temperatur yang berbeda. Koefisien Seebeck (S) merupakan sifat material dalam memberikan kecepatan perubahan potensial termoelektrik (Es) dengan suhu (T). Bisa dituliskan dalam persamaan berikut :

rumus koefisien seebeck

Apabila arus listrik (aliran muatan positif) mengalir dari material (A) menuju ke material (B) pada simpangan dingin. Maka koefisien Seebeck kombinasi (Sab) akan bernilai positif. Koefisien Seebeck sangat dipengaruhi oleh temperatur (T).

Potensial termoelektrik terinduksi (Es) yang ditimbulkan dalam suatu sirkuit yang terdiri dari dua material bisa dihitung dengan persamaan berikut :

Rumus potensial generator termoelektrik terinduksi

4. Koefisien Seebeck

Koefisien Seebeck untuk logam-logam dan paduannya lebih rendah dibandingkan dengan material semikonduktor. Kombinasi koefisien untuk kombinasi besi-konstantan adalah 60,6 µV/°K. Sementara untuk kombinasi germanium-silikon adalah 830 µV/°K.

Koefisien Seebeck untuk logam dan paduannya terlalu kecil untuk menjadi sebuah generator listrik yang efisien. Meskipun beberapa jenis dipakai untuk rangkaian thermocouple (sensor suhu) untuk mengukur temperatur.

Tabel koefisien bahan Seebeck
Tabel koefisien bahan Seebeck

Semikonduktor N-P mempunyai koefisien Seebeck yang tinggi oleh karena itu material ini yang umum digunakan dalam generator termoelektrik. Dua material umum yang sering digunakan adalah timah telluride dan bismuth telluride.

Semikonduktor jenis N adalah jenis dimana atom-atom tambahan ditambahkan ke kristal latis yang mempunyai kelebihan satu elektron dari yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan batas ikatan valensi (ikatan dalam molekul). Kristal latis merupakan kristal yang tersusun menjadi bentuk titik-titik yang teratur di dalam sebuah ruang. Jadi material mempunyai kelebihan elektron di dalamnya.

Sementara semikonduktor jenis P adalah jenis dimana atom-atom tambahan yang kekurangan satu elektron dari yang dibutuhkan untuk memenuhi persyaratan ikatan valensi (ikatan dalam molekul), sehingga menimbulkan lubang-lubang.

5. Cara Kerja Generator Termoelektrik

Dalam rancangan generator termoelektrik yang dibuat dari bahan semikonduktor. Karena dipanaskan, semikonduktor tipe P dimana mempunyai lubang-lubang. Dan semikonduktor tipe N yang kelebihan elektron akan berpindah ke bagian dingin dimana mereka akan ditumpuk dan digabungkan. Sehingga kelebihan elektron dari semikonduktor tipe N akan berpindah ke lubang-lubang yang ada pada semikonduktor tipe P.

Untuk generator termoelektrik berbahan semikonduktor bismuth telluride (Bi2Te3) pada kaki N-P, mempunyai karakteristik bahan sebagai berikut :

Tabel karakteristik bismuth telluride
Tabel karakteristik bismuth telluride (Bi2Te3)

Pada gambar di bawah menunjukkan suatu jenis generator termoelektrik P-N. Kaki atau elemen generator dihubungkan seri (berurutan) untuk menghasilkan arus. Dan dihubungkan paralel (sejajar) untuk mengalirkan panas.

Konduktansi panas generator (Kg) adalah sama dengan jumlah konduktansi panas (harga kebalikan dari tahanan panas) kaki-kaki semikonduktor. Ditulis dalam persamaan berikut :

Rumus konduktansi panas

Dimana (m) merupakan jumlah pasangan kaki-kaki P-N dari generator. (Kp) dan (Kn) adalah konduktansi panas kaki P dan kaki N dengan satuan (watt). (kp) dan (kn) adalah konduktivitas panas material semikonduktor P dan material semikonduktor N dengan satuan (watt/mK).

(Lp) dan (Ln) adalah panjang kaki material semikonduktor P dan material semikonduktor N dengan satuan (meter). Dan (Ap) dan (An) adalah luas potongan melintang kaki material semikonduktor P dan material semikonduktor N dengan satuan (m2).

Skema generator termoelektrik
Gambar skema efek Seebeck pada generator termoelektrik

6. Rumus Daya Generator Termoelektrik

Elemen modul termoelektrik merupakan bagian terpenting dari generator termoelektrik. Kedua sisi yang terbuat dari keramik memiliki fungsi sebagai sisi panas dan sisi dingin. Yang kemudian menghasilkan arus positif dan arus negatif. Energi listrik adalah energi yang berhubungan dengan jumlah akumulasi arus elektron.

Satuan energi listrik adalah watt-jam atau kilowatt-jam. Bentuk transisi energi listrik adalah aliran elektron yang mengalir melalui jenis konduktor tertentu. Energi medan elektrostatis merupakan energi yang tersimpan dari energi listrik.

Energi tersebut berkaitan dengan medan listrik yang dihasilkan oleh terakumulasinya jumlah muatan elektron. Jika nilai tegangan (V) dan arus (I) telah didapatkan, maka besar daya modul termoelektrik dapat dihitung berdasarkan persamaan sebagai berikut :

Dimana daya (P) dengan satuan watt, tegangan (V) dengan satuan volt, dan arus (I) dengan satuan ampere.

7. Kelebihan dan Kekurangan Generator Termoelektrik

Generator termoelektrik mempunyai beberapa kelebihan dibanding dengan sistem mesin kalor termodinamika konvensionil. Sistem generator termoelektrik lebih kompak, kasar, bisa diandalkan dan tidak mempunyai bagian yang bergerak.

Kekurangan generator termoelektrik yaitu efisiensi termis sistem ini sangat rendah, biasanya 5% sampai 10% dan komponennya sangat mahal. Oleh karena itu sistem pembangkit termoelektrik biasanya hanya dipakai untuk pemakaian daya yang sangat rendah.

Related Post :

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *