Pembangkit Tenaga Termoelektrik: Prinsip Kerja Bahan dan Aplikasi
Pembangkit tenaga termoelektrik (TEG) adalah peranti yang menukar tenaga haba kepada tenaga elektrik menggunakan kesan Seebeck. Kesan Seebeck adalah fenomena yang berlaku apabila terdapat perbezaan suhu antara dua konduktor yang berbeza atau litar konduktor, yang menghasilkan perbezaan potensi elektrik. TEG adalah peranti berasaskan keadaan pepejal yang tidak mempunyai bahagian bergerak dan boleh beroperasi dengan senyap dan dapat dipercayai untuk tempoh masa yang lama. TEG boleh digunakan untuk memanen haba sisa dari pelbagai sumber, seperti proses industri, kenderaan, loji penjanaan kuasa, dan bahkan haba badan manusia, dan menukarnya menjadi elektrik yang berguna. TEG juga boleh digunakan untuk memberi kuasa kepada peranti jauh, seperti sensor, pemancar tanpa wayar, dan kapal angkasa, dengan menggunakan radioisotop atau haba suria sebagai sumber haba.
Bagaimana Pembangkit Tenaga Termoelektrik Berfungsi?
Pembangkit tenaga termoelektrik terdiri daripada dua komponen utama: bahan termoelektrik dan modul termoelektrik.
Bahan termoelektrik adalah bahan yang menunjukkan kesan Seebeck, iaitu mereka menghasilkan voltan apabila dikenakan gradien suhu. Bahan termoelektrik boleh diklasifikasikan kepada dua jenis: n-type dan p-type. Bahan n-type mempunyai kelebihan elektron, manakala bahan p-type mempunyai kekurangan elektron. Apabila bahan n-type dan bahan p-type disambung secara bersiri oleh elektrod logam, mereka membentuk termokopel, yang merupakan unit asas pembangkit tenaga termoelektrik.
Modul termoelektrik adalah peranti yang mengandungi banyak termokopel yang disambung secara elektrik dalam siri dan secara termal secara selari. Modul termoelektrik mempunyai dua sisi: sisi panas dan sisi sejuk. Apabila sisi panas terdedah kepada sumber haba dan sisi sejuk terdedah kepada penyejuk haba, perbezaan suhu dicipta di sepanjang modul, menyebabkan arus mengalir melalui litar. Arus ini boleh digunakan untuk memberi kuasa kepada beban luaran atau mengisi bateri. Voltan dan output kuasa modul termoelektrik bergantung pada bilangan termokopel, perbezaan suhu, pekali Seebeck, dan rintangan elektrik dan termal bahan tersebut.
Kekupasan pembangkit tenaga termoelektrik ditakrifkan sebagai nisbah output kuasa elektrik kepada input haba dari sumber. Kekupasan pembangkit tenaga termoelektrik dibatasi oleh kekupasan Carnot, yang merupakan kekupasan maksimum yang mungkin untuk mana-mana enjin haba yang beroperasi antara dua suhu. Kekupasan Carnot diberikan oleh:
ηCarnot=1−ThTc
di mana Tc adalah suhu sisi sejuk, dan Th adalah suhu sisi panas.
Kekupasan sebenar pembangkit tenaga termoelektrik jauh lebih rendah daripada kekupasan Carnot kerana pelbagai kehilangan seperti pemanasan Joule, konduksi termal, dan radiasi termal. Kekupasan sebenar pembangkit tenaga termoelektrik bergantung pada nilai prestasi (ZT) bahan termoelektrik, yang merupakan parameter tanpa dimensi yang mengukur prestasi bahan untuk aplikasi termoelektrik. Nilai prestasi diberikan oleh:
ZT=κα2σT
di mana α adalah pekali Seebeck, σ adalah kekonduksian elektrik, κ adalah kekonduksian termal, dan T adalah suhu mutlak.
Semakin tinggi nilai prestasi, semakin tinggi kekupasan pembangkit tenaga termoelektrik. Nilai prestasi bergantung pada sifat intrinsik (seperti pengangkutan elektron dan fonon) dan sifat ekstrinsik (seperti tahap dopan dan geometri) bahan tersebut. Tujuan penyelidikan bahan termoelektrik adalah untuk mencari atau merancang bahan yang mempunyai pekali Seebeck yang tinggi, kekonduksian elektrik yang tinggi, dan kekonduksian termal yang rendah, yang sering kali bertentangan.
Bahan Termoelektrik Umum Apakah Itu?
Bahan termoelektrik boleh diklasifikasikan kepada tiga kategori: logam, semikonduktor, dan bahan kompleks.
Logam mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi tetapi pekali Seebeck yang rendah dan kekonduksian termal yang tinggi, menghasilkan nilai prestasi yang rendah. Logam biasanya digunakan sebagai elektrod atau interkonek dalam modul termoelektrik.
Semikonduktor mempunyai kekonduksian elektrik dan pekali Seebeck yang sederhana tetapi kekonduksian termal yang tinggi, menghasilkan nilai prestasi yang sederhana. Semikonduktor boleh didop untuk mencipta bahan n-type atau p-type dengan kepekatan dan mobiliti pengangkut yang berbeza. Semikonduktor digunakan secara meluas sebagai bahan termoelektrik untuk aplikasi suhu rendah (di bawah 200°C).
Bahan kompleks mempunyai kekonduksian elektrik yang rendah tetapi pekali Seebeck yang tinggi dan kekonduksian termal yang rendah, menghasilkan nilai prestasi yang tinggi. Bahan kompleks biasanya terdiri daripada beberapa unsur dengan keadaan valen dan struktur kristal yang berbeza, yang mencipta struktur band elektronik yang kompleks dan mekanisme penyebaran fonon yang meningkatkan prestasi termoelektrik. Bahan kompleks digunakan secara meluas sebagai bahan termoelektrik untuk aplikasi suhu tinggi (di atas 200°C).
Beberapa contoh bahan termoelektrik umum adalah:
Tellurida bismut (Bi2Te3) dan paduannya: Ini adalah bahan termoelektrik yang paling luas digunakan untuk aplikasi suhu rendah (di bawah 200°C), seperti peranti pendinginan dan penjanaan kuasa dari sumber haba sisa. Bi2Te3 mempunyai struktur berlapis yang terdiri daripada lapisan quintuple bergantian Bi2 dan Te3 atom yang disambung oleh daya van der Waals yang lemah. Struktur ini menghasilkan kekonduksian termal yang rendah akibat penyebaran fonon di batas lapisan. Bi2Te3 boleh dipadukan dengan unsur lain seperti antimon (Sb), selenium (Se), atau belerang (S) untuk menyesuaikan sifat elektriknya dan mengoptimumkan nilai prestasinya.
Tellurida plumbum (PbTe) dan paduannya: Ini adalah antara bahan termoelektrik yang paling luas digunakan untuk aplikasi suhu sederhana (200-600°C), seperti penjanaan kuasa dari ekzos kenderaan atau sumber haba sisa industri. PbTe mempunyai struktur rock-salt yang terdiri daripada lapisan bergantian Pb2+ dan Te2- ion yang disambung oleh daya ionik yang kuat. Struktur ini menghasilkan pekali Seebeck yang tinggi akibat atom plumbum yang berat yang mencipta degenerasi band yang besar dekat aras Fermi. PbTe boleh dipadukan dengan unsur lain seperti timah (Sn), talium (Tl), atau natrium (Na) untuk meningkatkan nilai prestasinya.
Skutterudites: Ini adalah bahan kompleks dengan formula umum MX3, di mana M adalah logam transit (seperti kobalt, Co) dan X adalah pniktogen (seperti antimon, Sb).
Skutterudites mempunyai struktur kubus yang terdiri daripada rangka tiga dimensi unit M4X12 dengan lubang besar yang boleh menampung atom tamu (seperti unsur tanah jarang, RE). Atom tamu bertindak sebagai penyebar fonon yang mengurangkan kekonduksian termal, manakala atom tuan rumah menyediakan kekonduksian elektrik dan pekali Seebeck yang tinggi. Skutterudites adalah bahan termoelektrik yang menjanjikan untuk aplikasi suhu sederhana hingga tinggi (300-800°C), seperti penjanaan kuasa dari pemulihan haba sisa atau kuasa suria berkonsentrasi.
Half-Heusler: Ini adalah bahan ternary dengan formula umum XYZ, di mana X adalah logam transit (seperti titanium, Ti), Y adalah logam transit lain (seperti nikel, Ni), dan Z adalah unsur golongan utama (seperti timah, Sn).
Half-Heusler mempunyai struktur kubus yang terdiri daripada empat sublattice fcc yang saling bersilang, satu diduduki oleh atom X dan tiga lagi diduduki oleh atom Y dan Z dalam nisbah 1:2. Half-Heusler mempunyai pekali Seebeck dan kekonduksian elektrik yang tinggi akibat struktur band elektronik yang kompleks dan kekonduksian termal yang rendah akibat atom konstituen yang berat. Half-Heusler adalah bahan termoelektrik yang menjanjikan untuk aplikasi suhu tinggi (di atas 800°C), seperti penjanaan kuasa dari reaktor nuklear atau enjin aerospace.
Aplikasi-Aplikasi Pembangkit Tenaga Termoelektrik Apakah Itu?
Pembangkit tenaga termoelektrik mempunyai pelbagai aplikasi dalam bidang yang berbeza, bergantung pada julat suhu, output kuasa, dan ketersediaan sumber haba. Beberapa contoh aplikasi pembangkit tenaga termoelektrik adalah:
Peranti pendingin: Pembangkit tenaga termoelektrik boleh digunakan untuk mendinginkan komponen elektronik, seperti mikroprosesor, laser, atau sensor, dengan mengaplikasikan arus elektrik untuk mencipta perbezaan suhu antara sisi panas dan sejuk modul. Proses ini dipanggil pendinginan termoelektrik atau kesan Peltier, yang merupakan kebalikan dari kesan Seebeck. Peranti pendingin termoelektrik mempunyai kelebihan berbanding kaedah pendinginan konvensional, seperti ringkas, dapat dipercayai, tiada bunyi, dan kawalan suhu yang tepat.
Penjanaan kuasa dari haba sisa: Pembangkit tenaga termoelektrik boleh digunakan untuk memanen haba sisa dari pelbagai sumber, seperti proses industri, kenderaan, loji penjanaan kuasa, dan bahkan haba badan manusia, dan menukarnya menjadi elektrik yang berguna. Ini boleh meningkatkan kecekapan tenaga dan mengurangkan pelepasan gas rumah hijau dari sumber-sumber tersebut. Sebagai contoh, pembangkit tenaga termoelektrik boleh diintegrasikan ke dalam sistem ekzos kenderaan untuk memulihkan sebahagian haba yang hilang semasa pembakaran dan menghasilkan elektrik untuk elektronik onboard atau pengecasan bateri. Pembangkit tenaga termoelektrik juga boleh dilampirkan ke kulit atau pakaian manusia untuk menghasilkan elektrik dari haba badan untuk memberi kuasa kepada peranti pakai atau implan perubatan.
Penjanaan kuasa dari radioisotop: Pembangkit tenaga termoelektrik boleh digunakan untuk memberi kuasa kepada peranti jauh, seperti sensor, pemancar tanpa wayar, dan kapal angkasa, dengan menggunakan radioisotop sebagai sumber haba.
Radioisotop adalah isotop yang tidak stabil yang memancarkan radiasi dan berurai menjadi unsur-unsur lain. Radiasi boleh ditukar menjadi haba dengan menggunakan bahan yang menyerapnya, seperti plumbum atau tungsten. Haba kemudiannya boleh ditukar menjadi elektrik dengan menggunakan modul termoelektrik. Pembangkit tenaga termoelektrik radioisotop (RTGs) mempunyai kelebihan berbanding sumber kuasa lain, seperti bateri atau panel suria, dari segi usia hidup yang panjang, kebolehpercayaan yang tinggi, dan ketidakbergantungan dari keadaan persekitaran. RTGs telah digunakan untuk memberi kuasa kepada banyak misi angkasa, seperti Voyager 1 dan 2, Curiosity rover, dan Perseverance rover.
