Pembangkit Listrik Termoelektrik: Prinsip Kerja Bahan dan Aplikasi

Generator termoelektrik (TEG) adalah perangkat yang mengubah energi panas menjadi energi listrik menggunakan efek Seebeck. Efek Seebeck adalah fenomena yang terjadi ketika ada perbedaan suhu antara dua konduktor atau rangkaian konduktor yang berbeda, menciptakan perbedaan potensial listrik. TEG adalah perangkat padat tanpa bagian yang bergerak dan dapat beroperasi dengan tenang dan andal dalam jangka waktu lama. TEG dapat digunakan untuk memanen panas limbah dari berbagai sumber, seperti proses industri, kendaraan bermotor, pembangkit listrik, bahkan panas tubuh manusia, dan mengubahnya menjadi listrik yang berguna. TEG juga dapat digunakan untuk memberdayakan perangkat jarak jauh, seperti sensor, pemancar nirkabel, dan pesawat ruang angkasa, dengan menggunakan radioisotop atau panas matahari sebagai sumber panas.

Bagaimana Cara Kerja Generator Termoelektrik?

Generator termoelektrik terdiri dari dua komponen utama: material termoelektrik dan modul termoelektrik.

Material termoelektrik adalah material yang menunjukkan efek Seebeck, artinya mereka menghasilkan tegangan listrik ketika dikenai gradien suhu. Material termoelektrik dapat diklasifikasikan menjadi dua jenis: tipe-n dan tipe-p. Material tipe-n memiliki kelebihan elektron, sementara material tipe-p memiliki kekurangan elektron. Ketika material tipe-n dan tipe-p dihubungkan secara seri oleh elektroda logam, mereka membentuk termokopel, yang merupakan unit dasar generator termoelektrik.

Modul termoelektrik adalah perangkat yang mengandung banyak termokopel yang dihubungkan secara listrik secara seri dan secara termal secara paralel. Modul termoelektrik memiliki dua sisi: sisi panas dan sisi dingin. Ketika sisi panas terkena sumber panas dan sisi dingin terkena sink panas, perbedaan suhu dibuat di seluruh modul, menyebabkan arus mengalir melalui sirkuit. Arus tersebut dapat digunakan untuk memberdayakan beban eksternal atau mengisi baterai. Tegangan dan daya keluaran modul termoelektrik tergantung pada jumlah termokopel, perbedaan suhu, koefisien Seebeck, dan hambatan listrik dan termal material.

Efisiensi generator termoelektrik didefinisikan sebagai rasio daya listrik keluaran terhadap panas masukan dari sumber. Efisiensi generator termoelektrik dibatasi oleh efisiensi Carnot, yang merupakan efisiensi maksimum yang mungkin untuk mesin panas apa pun yang beroperasi antara dua suhu. Efisiensi Carnot diberikan oleh:

ηCarnot=1−ThTc

di mana Tc adalah suhu sisi dingin, dan Th adalah suhu sisi panas.

Efisiensi sebenarnya dari generator termoelektrik jauh lebih rendah dari efisiensi Carnot karena berbagai kerugian seperti pemanasan Joule, konduksi termal, dan radiasi termal. Efisiensi sebenarnya dari generator termoelektrik tergantung pada nilai kinerja (ZT) material termoelektrik, yang merupakan parameter tak berdimensi yang mengukur kinerja material untuk aplikasi termoelektrik. Nilai kinerja diberikan oleh:

ZT=κα2σT

di mana α adalah koefisien Seebeck, σ adalah konduktivitas listrik, κ adalah konduktivitas termal, dan T adalah suhu absolut.

Semakin tinggi nilai kinerja, semakin tinggi efisiensi generator termoelektrik. Nilai kinerja tergantung pada properti intrinsik (seperti transportasi elektron dan fonon) dan properti ekstrinsik (seperti tingkat doping dan geometri) material. Tujuan penelitian material termoelektrik adalah untuk menemukan atau merancang material yang memiliki koefisien Seebeck tinggi, konduktivitas listrik tinggi, dan konduktivitas termal rendah, yang sering kali merupakan persyaratan yang bertentangan.

Material Termoelektrik Umum Apa Saja?

Material termoelektrik dapat diklasifikasikan menjadi tiga kategori: logam, semikonduktor, dan senyawa kompleks.

Logam memiliki konduktivitas listrik tinggi tetapi koefisien Seebeck rendah dan konduktivitas termal tinggi, menghasilkan nilai kinerja rendah. Logam terutama digunakan sebagai elektroda atau interkoneksi dalam modul termoelektrik.

Semikonduktor memiliki konduktivitas listrik dan koefisien Seebeck sedang tetapi konduktivitas termal tinggi, menghasilkan nilai kinerja sedang. Semikonduktor dapat didoping untuk membuat material tipe-n atau tipe-p dengan konsentrasi dan mobilitas pembawa yang berbeda. Semikonduktor secara luas digunakan sebagai material termoelektrik untuk aplikasi suhu rendah (di bawah 200°C).

Senyawa kompleks memiliki konduktivitas listrik rendah tetapi koefisien Seebeck tinggi dan konduktivitas termal rendah, menghasilkan nilai kinerja tinggi. Senyawa kompleks biasanya terdiri dari beberapa elemen dengan status valensi dan struktur kristal yang berbeda, yang menciptakan struktur band elektronik yang kompleks dan mekanisme penyimpangan fonon yang meningkatkan kinerja termoelektrik. Senyawa kompleks secara luas digunakan sebagai material termoelektrik untuk aplikasi suhu tinggi (di atas 200°C).

Beberapa contoh material termoelektrik umum adalah:

• Tellurida bismut (Bi2Te3) dan paduannya: Ini adalah material termoelektrik yang paling banyak digunakan untuk aplikasi suhu rendah (di bawah 200°C), seperti perangkat pendinginan dan pembangkitan listrik dari sumber panas limbah. Bi2Te3 memiliki struktur berlapis yang terdiri dari lapisan quintuple bergantian Bi2 dan Te3 atom yang terikat oleh gaya van der Waals lemah. Struktur ini menghasilkan konduktivitas termal rendah karena penyimpangan fonon pada batas lapisan. Bi2Te3 dapat dialloy dengan unsur lain seperti antimon (Sb), selenium (Se), atau belerang (S) untuk menyetel sifat listriknya dan mengoptimalkan nilai kinerjanya.

• Tellurida timbal (PbTe) dan paduannya: Ini adalah salah satu material termoelektrik yang paling banyak digunakan untuk aplikasi suhu menengah (200-600°C), seperti pembangkitan listrik dari knalpot kendaraan atau sumber panas limbah industri. PbTe memiliki struktur rock-salt yang terdiri dari lapisan bergantian Pb2+ dan Te2- ion yang terikat oleh gaya ion kuat. Struktur ini menghasilkan koefisien Seebeck tinggi karena atom timbal yang berat yang menciptakan degenerasi band besar dekat level Fermi. PbTe dapat dialloy dengan unsur lain seperti timah (Sn), talium (Tl), atau natrium (Na) untuk meningkatkan nilai kinerjanya.

• Skutterudites: Ini adalah senyawa kompleks dengan rumus umum MX3, di mana M adalah logam transisi (seperti kobalt, Co) dan X adalah pniktogen (seperti antimon, Sb).

           
   

• Skutterudites memiliki struktur kubik yang terdiri dari jaringan tiga dimensi unit M4X12 dengan lubang besar yang dapat menampung atom tamu (seperti unsur tanah jarang, RE). Atom tamu bertindak sebagai penyimpang fonon yang mengurangi konduktivitas termal, sementara atom host menyediakan konduktivitas listrik dan koefisien Seebeck tinggi. Skutterudites adalah material termoelektrik yang menjanjikan untuk aplikasi suhu menengah hingga tinggi (300-800°C), seperti pembangkitan listrik dari pemulihan panas limbah atau tenaga surya terkonsentrasi.

• Kompound Half-Heusler: Ini adalah senyawa ternary dengan rumus umum XYZ, di mana X adalah logam transisi (seperti titanium, Ti), Y adalah logam transisi lain (seperti nikel, Ni), dan Z adalah elemen grup utama (seperti timah, Sn).

           
   

• Kompound Half-Heusler memiliki struktur kubik yang terdiri dari empat sub-lattice fcc yang saling bersilangan, satu dihuni oleh atom X dan tiga lainnya dihuni oleh atom Y dan Z dalam rasio 1:2. Kompound Half-Heusler memiliki koefisien Seebeck dan konduktivitas listrik tinggi karena struktur band elektronik yang kompleks dan konduktivitas termal rendah karena atom konstituen yang berat. Kompound Half-Heusler adalah material termoelektrik yang menjanjikan untuk aplikasi suhu tinggi (di atas 800°C), seperti pembangkitan listrik dari reaktor nuklir atau mesin aerospace.

Aplikasi-Aplikasi Apa Saja dari Generator Termoelektrik?

Generator termoelektrik memiliki berbagai aplikasi di bidang yang berbeda, tergantung pada rentang suhu, daya keluaran, dan ketersediaan sumber panas. Beberapa contoh aplikasi generator termoelektrik adalah:

• Perangkat pendinginan: Generator termoelektrik dapat digunakan untuk mendinginkan komponen elektronik, seperti mikroprosesor, laser, atau sensor, dengan menerapkan arus listrik untuk menciptakan perbedaan suhu antara sisi panas dan dingin modul. Proses ini disebut pendinginan termoelektrik atau efek Peltier, yang merupakan kebalikan dari efek Seebeck. Perangkat pendinginan termoelektrik memiliki keuntungan dibandingkan metode pendinginan konvensional, seperti kekompakan, keandalan, tidak berisik, dan kontrol suhu yang tepat.

• Pembangkitan listrik dari panas limbah: Generator termoelektrik dapat digunakan untuk memanen panas limbah dari berbagai sumber, seperti proses industri, kendaraan bermotor, pembangkit listrik, dan bahkan panas tubuh manusia, dan mengubahnya menjadi listrik yang berguna. Ini dapat meningkatkan efisiensi energi dan mengurangi emisi gas rumah kaca dari sumber-sumber tersebut. Misalnya, generator termoelektrik dapat diintegrasikan ke dalam sistem knalpot kendaraan untuk memulihkan sebagian panas yang hilang selama pembakaran dan menghasilkan listrik untuk elektronik onboard atau pengisian baterai. Generator termoelektrik juga dapat dipasang pada kulit atau pakaian manusia untuk menghasilkan listrik dari panas tubuh untuk memberdayakan perangkat wearable atau implan medis.

• Pembangkitan listrik dari radioisotop: Generator termoelektrik dapat digunakan untuk memberdayakan perangkat jarak jauh, seperti sensor, pemancar nirkabel, dan pesawat ruang angkasa, dengan menggunakan radioisotop sebagai sumber panas.

           
   

• Radioisotop adalah isotop tidak stabil yang mengeluarkan radiasi dan berubah menjadi elemen lain. Radiasi dapat dikonversi menjadi panas dengan menggunakan bahan yang menyerapnya, seperti timah hitam atau tungsten. Panas kemudian dapat dikonversi menjadi listrik dengan menggunakan modul termoelektrik. Generator termoelektrik radioisotop (RTGs) memiliki keuntungan dibandingkan sumber daya lain, seperti baterai atau panel surya, dalam hal umur panjang, keandalan tinggi, dan independensi dari kondisi lingkungan. RTGs telah digunakan untuk memberdayakan banyak misi ruang angkasa, seperti Voyager 1 dan 2, Curiosity rover, dan Perseverance rover.

Tantangan dan Arah Masa Depan untuk Generator Termoelektrik?