Penjana Termoelektrik (Thermoelectric Generator)10 min read

Penjana termoelektrik (Thermoelectric Generator) merupakan teknologi alternatif kepada penjanaan tenaga prima seperti arang batu, gas asli, dan minyak. Pengunaan teknologi ini juga dilihat dapat membantu mempelbagaikan sumber tenaga boleh diperbaharui seperti tenaga angin, solar dan hidro lantas menjadi tambahan kepada sumber tenaga sedia ada yang digunakan pada masa ini.

Teknologi penjana termoelektrik (Thermoelectric Generator) kian menjadi tumpuan kerana teknologi ini sedang berkembang pesat di kebanyakan negara maju seperti Amerika Syarikat, Jepun dan negara-negara di kesatuan eropah. Aplikasi penjana termoelektrik mempunyai pasaran yang tersendiri  seperti pemulihan sisa haba (Waste heat recovery), penuaian tenaga (Energy harvesting) dan generasi tenaga secara terus (Direct power generation) serta  kogenerasi (Co-generation).

Sejarah Ringkas Termoelektrik

Penyelidikan awal termoelektrik bermula sekitar 100 tahun sebelum perang dunia. Penemuan termoelektrik telah dibangunkan oleh para saintis dari eropah barat di mana penyelidikan ini berpusat di Berlin. 

Kesan Seebeck

Pada tahun 1821, Thomas Johann Seebeck telah menemui satu kejadian luar biasa dimana litar dari dua logam yang berbeza sifat dengan setiap hujung kedua logam itu mempunyai suhu yang berlainan telah memesongkan kompas magnet. Seebeck pada awalnya percaya kejadian itu disebabkan kemagnetan teraruh akibat berlainan suhu. Sejurus selepas itu, Seebeck menyedari arus elektrik yang teraruh telah memesongkan kompas magnet. Fenomena ini berkait rapat dengan konsep Ampere’s Law.

Dari fenomena yang menakjubkan ini, didapati perbezaan suhu mampu menghasilkan keupayaan elektrik (voltan). Seterusnya, arus  elektrik boleh terhasil apabila litar elektrik sempurna. Kini, fenomena ini dikenali sebagai kesan Seebeck. Voltan yang terhasil adalah berkadar terus dengan perbezaan suhu di antara dua simpang logam.

S = – ΔV/ΔT = V_hot – V_cold/T_hot-T_cold

Formula di atas menunjukkan pengiraan Seebeck terhadap bahan yang beraliran

Kesan Peltier

Pada tahun 1834, seorang pembuat jam berbangsa Perancis dan juga seorang ahli fizik separuh masa yang bernama Jean Charles Athanase Peltier telah menemui suatu fenomena menakjubkan. Dimana dia mendapati arus elektrik mampu menghasilkan haba panas dan juga sejuk di simpang dua logam yang berbeza sifat. Setelah empat tahun (1938), Lenz membuktikan fenomena ini bergantung kepada arah arus elektrik di mana haba panas boleh di ubah ke haba sejuk. Secara ringkas, arah arus elektrik yang di ubah kutub boleh menghasilkan haba panas ke haba sejuk dan sebaliknya. Arus elektrik yang di salurkan ke simpang logam adalah berkadar terus dengan haba panas yang dihasilkan. Malar tetap ini dikenali sebagai koefisien Peltier. 

Q = (πA – πB)I

πA mewakili Koefisien Peltier bagi bahan A

πB mewakili Koefisien Peltier bagi bahan B

I mewakili arus elektrik dari A ke B

Formula di atas merujuk kepada pengiraan Peltier

Kesan Thomson

Setelah 20 tahun kemudian, William Thomson (Lord Kelvin) berhasil merungkaikan hubungan antara kesan Seebeck dan Peltier dengan begitu komprehensif. Mengikut Thomson, koefisien Seebeck dan Peltier mempunyai hubungan melalui hukum termodinamik. Koefisien Peltier boleh didapati melalui hasil pendaraban antara koefisien Seebeck dan suhu mutlak. Penerbitan hukum termodinamik membawa kepada ramalan kesan termoelektrik yang ketiga iaitu kesan Thomson. Mengikut kesan Thomson, jika ada aliran arus elektrik pada logam yang mempunyai kecerunan suhu, haba boleh terhasil atau diserap. Hubungan antara haba dan kedua arus elektrik dan kecerunan suhu adalah berkadar terus. 

Aplikasi Kesan Seebeck

Binaan asas bagi penjana termoelektrik adalah seperti termogandingan (Thermocouple). Satu pasang termogandingan yang sempurna di bina dari dua elemen yang berbeza iaitu semikonduktor jenis-N dan semikonduktor jenis-P. Kedua semikonduktor ini kemudiannya akan disambungkan secara selari dengan jalur logam seperti kuprum (Copper).

Mengikut kesan Seebeck, tenaga haba boleh ditukar kepada kupayaan elektrik (Voltan) kerana pembawa cas yang ada di dalam semikonduktor mampu bergerak dengan bebas. Semikonduktor jenis-N (n-type) membawa cas electron dan semikonduktur jenis-P (p-type) membawa cas lubang. Disebabkan suhu panas yang ada pada satu permukaan logam, cas elektron bermigrasi dari kawasan logam yang panas ke kawasan logam yang lebih sejuk. Migrasi elektron ini menjadikan keadaan di mana akan wujudnya kecerunan voltan (Voltage potential) dan kecerunan voltan ini adalah berkadar terus dengan perbezaan suhu pada semikonduktor.

Apakah jenis bahan semikonduktor yang digunakan penjana termoelektrik?

Antara bahan utama semikonduktor yang digunakan secara meluas untuk penjana termoelekrik adalah seperti Bismut-Telurida (Bismuth Telluride – Bi₂Te₃), Plumbum-Telurida (Lead Telluride – PbTe) dan germanium-silikon (Silikon Germanium – (SiGe). 
Akan tetapi bahan di atas merupakan bahan yang tidak mesra alam di mana pengunaan bahan semikonduktor ini akan mengakibatkan pencemaran. Namun terdapat beberapa kajian para jurutera yang menggunakan bahan yang lebih mesra alam dan tidak berbahaya pada manusia sebagai bahan semikonduktor penjana termoelektrik. Bahan termoelektrik yang menggunakan oksida sebagai asas adalah lebih mesra alam seperti kuprum-oksida (Copper oxide – CuO), titanium dioksida (Titanium Dioxide – TiO₂) dan zink oksida (Zinc oxide – ZnO). 

Apakah modul penjana termoelektrik?

Untuk membina modul penjana termoelektrik, banyak semikonduktor jenis-N dan jenis-P yang perlu digabungkan secara selari bersesuaian dengan jumlah voltan dan arus elektrik yang hendak dihasilkan. Kemudian, semikonduktor yang telah digabungkan ini perlu ditempatkan di tengah antara dua piring seramik. Piring seramik ini diletakkan di antara semikonduktor adalah bertujuan untuk memberikan ketahanan struktur pada gabungan semikonduktor jenis-N dan jenis-P.

Operasi Penjana Termoelektrik

Teknologi penjana termoelektrik amat bergantung kepada implementasi kesan Seebeck untuk menghasilkan tenaga electrik. Melalui kesan Seebeck ini, kecerunan voltan atau electromotive force (emf) dapat dihasilkan dengan dua simpang logam yang di mana wujud perbezaan suhu. Fenomena ini juga dinamakan sebagai penjana tenaga Seebeck (Seebeck power generator). 
Lazimnya, penjana termoelektrik mempunyai bahagian sejuk atau haba sejuk (Heat Sink) dimana suhu pada bahagian ini perlu rendah dari sumber haba. Perubahan suhu atau perbezaan suhu pada bahagian haba panas dan haba sejuk (Heat Sink) akan menghasilkan arus elektrik yang akan mengalir ke bahagian beban.

Penukaran tenaga seperti penjana termoelektrik ini tiada peralihan tenaga jika dibandingkan dengan teknologi penukaran tenaga yang lain. Hal ini disebabkan teknologi ini menggunakan penukaran tenaga secara terus. Tenaga elektrik yang dihasilkan menggunakan kesan Seebeck ini adalah dalam bentuk DC aliran fasa tunggal dan formula yang dirumuskan adalah I²R_L dimana R_L mewakili nilai rintangan di bahagian beban.

Hasil voltan dan kuasa boleh ditingkatkan dengan dua kaedah; pertama, dengan meningkatkan variasi suhu antara panas dan sejuk. Kedua adalah dengan menggabungkan penjana termoelektrik secara selari.

Voltan yang terhasil daripada penjana termoelektrik dirumuskan sebagai V = αΔ T.

Dimana α mewakili koefisien Seebeck dan Δ mewakili perbezaan suhu. Dengan formula ini, kita boleh dapati persamaan bagi arus elektrik:

I = (V/R+R_L)

Dari formula ini, kita boleh merumuskan persamaan voltan:

V = αΔT/R+R_L

Dari sini kita boleh mendapatkan persamaan bagi kuasa yang mengalir di bahagian beban:

P at load = (αΔT/R+ R_L)²(R_L)

Apabila R menghampiri R_L, kadar kuasa maksimum boleh didapati dengan persamaan:

P_max = (αΔT)²/(4R)

Apakah Kelebihan Penjana Termoelektrik?

Kebolehpercayaan teknologi

Termoelektrik merupakan peranti keadaan pepejal (Solid-state device) yang tidak mempunyai komponen mekanikal ataupun komponen yang terdedah kepada haus dan lusuh. Justeru itu, menjadikan teknologi penjana termoelektrik ini sebagai teknologi yang boleh diharap. Selain itu, penjana termoelktrik ini boleh beroperasi dengan sangat lama. Sebagai contoh, kapal angkasa Voyager 1 boleh beroperasi selama 41 tahun dan telah mengharungi perjalanan yang sesejauh 13 bilion batu tanpa memerlukan penyelenggaraan atau pembaikan.

Gambar dibawah menunjukkan penjana termoelektrik radioisotop yang digunakan Voyager. Ia menghasilkan tenaga elektrik daripada haba yang dikeluarkan oleh bahan radioaktif plutonium-238.

Penukaran tenaga secara terus

Penjana termoelektrik boleh menukarkan haba kepada tenaga elektrik secara terus tanpa ada perantaraan. Tidak seperti teknologi penukaran tenaga yang lain, di mana perantaraan diperlukan untuk menukarkan tenaga melalui turbin (tenaga mekanikal). Seterusnya tenaga mekanikal ini baru boleh ditukarkan ke tenaga elektrik. Perlu kita ingat, setiap penukaran tenaga yang menggunakan perantaraan pastinya akan ada kehilangan tenaga seperti tenaga haba. Ini menjadikan penjana termoelektrik sebagai teknologi yang tidak begitu kompleks dari segi mekanikal berbanding teknologi penukaran tenaga yang lain. 

Saiz yang padat

Penjana termoelektrik boleh dibina dengan saiz yang padat. Ini menjadikan teknologi ini lebih fleksibel dari segi reka bentuk dan mengikut kepada kesesuaian aplikasi. 

Gas rumah hijau

Teknologi termoelektrik ini tidak memerlukan gas rumah hijau untuk beroperasi dan tidak menghasilkan gas rumah hijau. Hal ini kerana, ada sesetengah teknologi penukaran tenaga memerlukan gas rumah hijau untuk beroperasi.

Senyap

Oleh kerana teknologi penjana termoelektrik ini direka tidak mempunyai sebarang komponen mekanikal untuk berfungsi ianya mampu beroperasi dengan senyap. Pencemaran bunyi tidak akan berlaku dengan menggunakan teknlogi ini jika dibandingkan dengan penjana tenaga yang lain.

Apakah kekurangan Penjana Termoelektrik?

Kecekapan yang minimal

Penjana termoelektrik mempunyai kecekapan yang minimal berbanding teknologi penukaran yang lain. Hal ini membawa maksud hasil pengeluaran (output) tenaga melalui penukaran tenaga dari haba ke elektrik lebih rendah berbanding haba yang disalurkan sebagai input. Dalam erti kata lain, tenaga yang dihasilkan adalah tidak sama seperti tenaga yang disalurkan. Kegunaan penjana termoelektrik seperti pemulihan sisa haba, menjadikan elemen seperti kecekapan sebagai bukan antara faktor yang perlu dipertimbangkan.

Kos

Antara salah satu kekurangan yang ketara bagi penjana termoelektrik adalah dari segi kos. Kos awal bagi penjana termoelektrik dilihat agak tinggi jika dibandingkan dengan teknologi penukaran tenaga yang lain. Mengikut Universiti Pacific, satu modul termoelektrik hanya mampu menghasilkan 14 watt yang dianggarkan berharga £65 (RM 302.25). Selain daripada itu, kos bagi bahan termoelektrik juga agak tinggi terutama penggunaan bahan Telurida dan Germanium pada skala yang besar bagi menghasilkan penjana termoelektrik untuk pasaran komersial.

Bahan Termoelektrik

Bahan termoelektrik yang digunakan secara komersial adalah sangat tidak mesra alam dan agak terhad. Antara bahan termoelektrik komersial yang banyak digunakan bagi aplikasi penjana termoelektrik adalah seperti plumbum dan telurida. Selain berbahaya dan menyumbang kepada pencemaran, bahan termoelektrik ini dapat menghasilkan tenaga pada kadar yang rendah menjadikan aplikasi termoelektrik agak terhad dan terbatas jika dipasarkan secara komersial.

Rujukan

http://thermoelectrics.matsci.northwestern.edu/thermoelectrics/history.html