Dalam fisika kita mengetahui bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat berubah bentuk. Ini adalah hukum kekekalan energi, yang mendorong para insinyur menemukan cara untuk mengubah energi menjadi bentuk yang lebih berguna.
Pembangkit listrik termal adalah contoh bagus yang dapat secara langsung mengubah panas menjadi energi listrik. Efek ini pertama kali ditemukan oleh Thomas Seebeck dan sekarang dikenal sebagai efek Seebeck, yang telah diterapkan pada perangkat yang disebut generator termoelektrik (TEGs). Perangkat solid-state ini baru mencapai kemajuan signifikan dalam penerapan praktisnya pada abad ke-20, dengan versi komersial pertama muncul pada tahun 1960an. Sejak itu, TEG telah memasuki berbagai jenis bidang aplikasi.
Pengetahuan dasar tentang modul TEG
Prinsip kerja modul generator termoelektrik (biasa disebut TEG) adalah mengubah perbedaan suhu menjadi tegangan, dan sebaliknya. Karakteristik ini disebut efek termoelektrik, yang mencakup tiga bagian terkait: 1) Efek Seebeck, yang menghasilkan listrik melalui gradien suhu; 2) Efek Peltier mengacu pada penyerapan atau pelepasan panas ketika arus mengalir melalui dua bahan berbeda; 3) Efek Thomson mengacu pada pembangkitan atau penyerapan panas berdasarkan arah aliran arus.
Titik kebingungan umum dalam teknologi termoelektrik adalah perbedaan antara generator termoelektrik (TEG) dan pendingin termoelektrik (TEC). TEG memanfaatkan efek Seebeck untuk menghasilkan listrik melalui panas, sedangkan TEC memanfaatkan efek Peltier untuk memberikan pendinginan atau menjaga kestabilan suhu. Kedua efek ini mengandalkan bahan semikonduktor serupa, namun dengan desain berbeda: TEG dapat mencapai perbedaan suhu tinggi dan keluaran daya yang efisien, sedangkan TEC menggunakan bahan seperti keramik dan tembaga untuk mengoptimalkan konduksi panas.
Padahal, jika tujuannya adalah menghasilkan listrik dengan menggunakan energi panas, maka modul TEG adalah pilihan yang tepat. Modul TEC atau Peltier lebih efektif untuk pendinginan atau stabilitas suhu. Same Sky menyediakan modul TEG dan modul Peltier, sehingga memudahkan pemilihan perangkat yang sesuai dengan kebutuhan desain.
Pada generator termoelektrik (TEG) modern, energi listrik dihasilkan ketika ada perbedaan suhu antara permukaan panas dan dingin. Di dalam modul, beberapa pasang semikonduktor tipe-n dan tipe-p (biasanya terbuat dari bismut tellurida) ditempatkan di antara dua pelat (Gambar 1). Pada material tipe n, elektron mengalir dari sisi panas ke sisi dingin, sedangkan pada material tipe p, pergerakan tersebut disebabkan oleh migrasi lubang (yaitu kekosongan elektron) dalam arah yang sama. Kedua aliran ini bersama-sama menghasilkan tegangan, dan semakin besar perbedaan suhu, semakin tinggi tegangan keluarannya.
TEG sangat berguna dalam situasi di mana pemborosan panas mungkin terjadi, misalnya dalam produksi industri, karena membantu memulihkan energi yang hilang. TEG juga dapat beroperasi di lingkungan terpencil atau ekstrim. Misalnya, ketika sinar matahari tidak mencukupi, panas yang dihasilkan oleh peluruhan radioaktif diubah menjadi energi listrik untuk menyediakan tenaga bagi pesawat luar angkasa.
Struktur umum modul TEG
Gambar 1: Struktur umum modul TEG. (Sumber gambar: Langit yang Sama)
Kelebihan dan kekurangan TEG
Keuntungan utama modul pembangkit listrik semikonduktor termoelektrik (TEG) adalah kemampuannya mengubah limbah panas menjadi energi listrik yang dapat digunakan, sehingga membantu menangkap energi yang seharusnya hilang. Oleh karena itu, modul TEG tidak hanya praktis tetapi juga ramah lingkungan.
Karena TEG adalah perangkat solid-state, tidak ada bagian yang bergerak, yang berarti modul ini tidak mengeluarkan suara bising, kokoh dan tahan lama, serta hampir tidak memerlukan perawatan. Modul ini memiliki tampilan yang ringkas, dapat dipasang di ruangan kecil, dan menyediakan berbagai voltase dan arus, tanpa bergantung pada jaringan listrik tradisional untuk menyediakan daya yang andal. Hal ini menjadikan TEG pilihan ideal untuk perangkat jarak jauh atau sistem baterai alternatif.
Meskipun generator termoelektrik (TEG) menyediakan sumber listrik yang dapat diandalkan, generator ini juga mempunyai keterbatasan desain. Kinerja generator ini sangat bergantung pada perbedaan suhu yang kuat, yang membatasi penggunaannya dalam aplikasi tertentu dengan gradien termal. Selain itu, efisiensi konversi TEG biasanya rendah, biasanya sekitar 10%, yang tidak terlalu tinggi dibandingkan dengan banyak teknologi pembangkit energi lainnya.
Kriteria seleksi utama untuk TEG
Saat mengintegrasikan modul generator termoelektrik (TEG) ke dalam sistem, spesifikasi utama yang secara langsung mempengaruhi kinerjanya harus dipertimbangkan. Faktor terpenting dalam pengoperasian generator adalah perbedaan suhu antara permukaan panas dan dingin (biasanya disebut Δ T). Meskipun hal ini akan mempengaruhi pembangkit listrik TEG, tabel data tidak selalu menampilkannya dengan cara ini. Sebaliknya, pabrikan biasanya mencantumkan Tmax, yang merupakan suhu pengoperasian aman tertinggi, yang membantu menentukan kondisi ekstrem namun belum tentu merupakan kondisi pengoperasian optimal.
Spesifikasi berguna lainnya termasuk tegangan rangkaian terbuka, tegangan beban yang sesuai, arus, hambatan, dan daya. Melalui nilai-nilai ini, kinerja generator termoelektrik di bawah beban termal dan listrik aktual dapat dipahami. Dalam tabel data (seperti tabel data Same Sky), informasi ini biasanya ditampilkan dalam bentuk tabel (Gambar 2) dan grafik kinerja (Gambar 3) untuk mempermudah perancangan tingkat sistem.