X. KONVERTER TERMOELEKTRIK Energi listrik disamping mudah diubah ke bentuk energi lain, energi listrik juga dapat dapat dihas dihasilk ilkan an langs langsun ung g dari dari bentu bentuk k lain lain tanp tanpa a haru harus s mele meleati ati bentu bentuk k perantar perantara a seperti seperti energi energi mekanis. mekanis. !eberap !eberapa a sistem sistem k"n#ers k"n#ersii $ang $ang digunak digunakan an untuk untuk menga mengasil silkan kan ener energi gi listri listrik k sering sering diseb disebut ut sebag sebagai ai peng pengub ubah ah energ energii langsu langsung ng %dire %dire&t &t'en 'energ erg$ $ &"n# &"n#ent enter( er(.. Energ Energii pana panas s dapa dapatt dirub dirubah ah langs langsun ung g menjadi energi listrik, misaln$a dengan k"n#erter term"elektrik %therm"ele&tri& )"n#et )"n#eter( er( dan k"n#erte k"n#erterr thermi" thermi"nik nik %thermi" %thermi"ni& ni& &"n#ent &"n#enter(. er(. Kedua Kedua sistem sistem ini mempun$ai mempun$ai e*eisiensi e*eisiensi termis maksimum maksimum $ang mungkin mungkin dihasilkan dihasilkan "leh suatu suatu mesin kal"r dapat balik ekternal, atau %+'T LT-(. Operasi generat"r atau k"n#erter term"elektrik tergantung pada e*ek seebe&k, e*ek eltier dan e*ek Th"ms"n. E*ek /ebe&k ditemukan pada tahun +011 "leh ilmu alam jerman, Th"mas 2.seebe&k. menurut e*ek /eebe&k, sebuah tegangan timbul dalam sirkuit dari dua material $ang tidak sama jika kedua simpangan ini dijaga pada temperatur $ang berbeda. K"e*isien seebe&k / adalah si*at material dan memberikan ke&epatan perubahan p"tensial term"elektrik E S dengan suhu T,atau S =
dE S
34.+5
dT
"tensial term"elektrik terinduksi E / $ang ditimbulkan dalam suatu sirkuit $ang terdiri dari material bisa dihitung dengan persamaan TH
E S
=
∫ (S
a
TL
TH
− S b )dT =
∫ S
ab
dT
34.15
TL
K"e*isien /eebe&k k"mbnasi k"mbnasi / ab ditentukan p"siti* jika arus listrik %aliran muatan p"siti*( mengalir dari material 6 ke material ! pada simpangan dingin di mana panas k"mbinasi ulang dilepaskan. !eberapa jenis harga k"e*isien /eebe&k dapat dilihat pada tabel 4.+. K"e*isien /eebe&k untuk l"gam'l"gam dan paduann$a sangat rendah dibanding dengan material material'mat 'materia eriall semi semi k"nduk k"nduk"r "r.. K"mbinas K"mbinasii k"e*isi k"e*isien en /eebe&k /eebe&k untuk untuk besi' besi' k"ns k"nsta tant ntan an adal adalah ah 78,7 78,7 µVK, VK, sedang sedang pada pada k"mbina k"mbinasi si germaniu germanium'si m'silik"n lik"n adalah 098 µVK. K"e*isien seebe&k untuk l"gam dan paduann$a terlalu ke&il untuk suatu generat"r listrik $ang e*eisien, meskipun beberapa simpangan l"gam $ang tak'sebangun umum dipakai untuk rangkaian term"k"pel untuk mem"nit"r tempratur.
Tabel 4.+ K"e*isien /eebe&k pada material tertentu % pada +88 ")(
/,VKO '8,1 ; +8 '<=,8 ; +8 9,> ; +8 +9,7 ; +8 '>,1 ; +8 9=>,8 ; +8 '<>>,8 ; +8
Material 6luminium K"nstantan Tembaga !esi latinium :ermanium /ilik"n
'7 '7 '7 '7 '7 '7 '7
K"e*isien /eebe&k untuk semik"ndukt"r n'p juga tinggi dan material ini adalah $ang umum digunakan dalam generat"r term"elektrik. ?ua material umum $ang sering digunakan ialah timah tellurida dan bismuth tellurida. /emik"ndukt"r jenis n ialah jenis dimana at"m'at"m tambahan ditambahkan ke kristal latis %latti&e( $ang mempun$ai kelibihan + elktr"n dari $ang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan ikatan #alensi.jadi material mempun$ai elektr"n negati* ekstra di dalam latti&e ini. /emi k"ndukt"r jenis p ialah jenis dimana at"m'at"m tambahan $ang kekurangan satu elektr"n dari $ang dibutuhkan ditambahkan ke latis untuk memenuhi pers$aratan ikatan #alensi. Ini menimbulkan @lubang'lubangA p"siti* terhadap latis meskipun meterial juga tetap bermuatan netral. ?alam k"n#erter term"elektrik $ang dibuat dari semik"ndukt"r, kedua'dua lubang dan kelebihan elektr"n berpindah ke bagian $ang dingin di mana mereka @ditumpukA dan digabungkan. K"e*isien /eebe&k k"mbinasi untuk latis ini ialah /ab B /pn B '/np dan p"tensial term"elektrik menjadi
TH
E S
=
∫ (S
p
TL
TH
− S n )dT =
∫ S
pn
dT
34.95
TL
E*ek elter ditemukan pada tahun +0<< "leh ahli ilmu alam ran&is, 2.).6. eltier. E*ek eltier men$ebutkan baha jika suatu arus searah dialirkan pada suatu rangkaian $ang terdiri dari material $ang berbeda, salah satu simpangan l"gam $ang tidak sama tersebut akan dipanaskan dan $ang lainn$a akan didinginkan. Ini adalah kebalikan dari e*ek /eebe&k dan juga dapat'balik, $aitu jika aliran arus berlaanan, meterial $ang tadin$a dipanaskan akan didinginkan dan $ang tadin$a didinginkan akan berbalik dipanaskan. K"e*isien eltier untuk suatu rangkaian $ang terdiri dari mateial 6 dan material !, ditandai dengan π ab , dide*inisikan sebagai
π ab
= −Q i ab
34.<5
di mana CD adalah jumlah perpindahan panas dari simpangan, dalam att, dan iab adalah arus searah $ang mengalir di dalam generat"r, dalam ampere. /eperti juga k"e*isien /eebe&k, k"e*isien eltier adalah *ungsi kuat arus terhadap temperatur dan hubungann$a dengan k"e*isien /eebe&k adalah
π ab
=
T ( L.atu . H ) S ab
=
T ( L. atau . H ) ( S a
−
S b )
= −π ab
34.>5
dimana T%T atau L( adalah temperatur mutlak bagian dingin T L atau temperatur mutlak T- dari simpanan $ang panas. K"e*isien eltier π ab berharga p"siti* jika panas dibangkitkan, ketika arus searah mengalir dari material 6 ke material !, dalam simpangan. E*ek Th"ms"n ditemukan pada tahun +0>< "leh ahli ilmu alam inggris, illian Th"ms"n %l"rd Ke#in(. E*ek ini men$atakan baha terdapat pen$erapan atau pelepasan panas b"lak'balik dalam k"ndukt"r h"m"gen $ang terkena perbedaan panas dan perbedaan listrik se&ara simultan. K"e*isien Th"ms"n τ ditunjukkan dalam persamaan F
τ
= Q ∆T i
34.75
dimana D adalah jumlah perpindahan panas, dalam att, $ang diserap "leh k"ndukt"r ketika arus listrik mengalir ke arah suhu $ang lebih tinggi. -ubungan k"e*isien Th"ms"n dan K"e*isien seebe&k adalah
τ
= T dS
dT
34.=5
K"e*isien berharga p"siti* jika material jenis p dan berharga negati* untuk material jenis n. E*ek Th"ms"n tidak begitu penting dalam peng"perasian generat"r therm"elektrik. /uatu jenis generat"r term"elektrik p'n dapat dilihat pada gambar 4.+. kaki atau elemen generat"r dihubungkan seri untuk mengalirkan arus, dan dihubung paralel untuk mengalirkan panas. Tahanan listrik t"tal dari k"n#enter adalah R g dan untuk suatu hubungan seri, merupakan jumlah tahanan dari tiap'tiap tahanan kaki F
R g
=
m( R p
+
Rn )
34.05
di mana m adalah jumlah pasangan kaki'kaki p'n dari generat"r, dan R dan Rn tahanan kaki p dan kaki n F
R p
=
ρ p L p
A p
dan Rn
=
ρ n Ln
34.45
An
:ambar 4.+ :enerat"r Term"elektrik n'p ?alam persamaan di atas, ρ adalah resistansi listrik material dalam "hm'meter, L adalah panjang kaki semik"ndukt"r, dalam meter, dan 6 adalah luas p"t"ngan melintang kaki, dalam meter persegi. ?alam hal ini bisa dimisalkan baha sambungan metal antara kaki'kaki semik"ndukt"r dianggap tidak mempun$ai tahanan. K"nduktansi panas generat"r K g adalah sama dengan jumlah k"nduktansi panas %harga kebalikan dari tahanan panas( kaki'kaki semik"ndukt"r, atau
K g
= m ( K p + K n )
34.+85
di mana
K p
=
k p A p L p
dan
K n
=
k n An L n
34.++5
dan k adalah k"ndukti#itas panas material semik"ndukt"r dalam att per meter per derajat )elsius. Keseimbangan energi pada kedua'dua simpul panas atau dingin terdiri atas keempat bentuk persegi. ertama, terdapat sejumlah perpindahan panas ke atau dari sambungan ke sekelilingn$a, ± Q . Kedua, terdapat sejumlah perpindahan panas melalui generat"r dari sambungan panas ke bagian $ang ± K g ∆T . dingin Ketiga, perpindahan panas akibat e*ek eltier, ± π pn i = ±T ( L . atau . H ) iS pn . Keempat, terdapat penghamburan da$a diperalatan karena pemanasan 2"ule dan dapat ditunjukkan baha se&ara e*ekti* separuh 2 dari panas tahanan ditimbulkan dalam masing'masing sambungan ± i R g / 2. ?i bagian sambungan panas, jumlah perpindahan panas eltier ialah m.π pn i atau m.S pn T H i , dalam att, di mana
TH
S pn
=
− S n ) dT T H − T L
( S p
∫
TL
34.+15
energi atau da$a $ang masuk ke sambungan panas adalah sama dengan i 2 R g / 2. plus Q H , sedang da$a $ang meninggalkan sambungan panas adalah sama dengan jumlah K g ∆T dan m.S pn T H i . K"mbinasi bentuk ini memberikan Q H
= mS pnT H i + K g (T H − T L ) −
i 2 R g 2
34.+95
pada bagian sambungan dingin, da$a $ang dipindahkan dari sambungan ke sekelilingn$a sama dengan ' QL , dan semua bentuk da$a $ang lain akhirn$a dipindahkan ke sambungan dingin F
− Q L = mS pn T L i + K g (T H − T L ) +
i 2 R g 2
34.+<5
?a$a berguna $ang dipr"duksi "leh peralatan adalah sama dengan da$a $ang diberikan pada beban luar. Karena sistem ini membangkitkan arus searah, da$a berguna $ang terjadi ialah i 1R8, di mana R 8 adalah tahanan dari beban luar. E*isiensi termis dari generat"r term"elektrik adalah
η th
=
i 2 R0 Q H
=
i 2 R0 mS pnT H i + K g ∆T − i 2 R g / 2
34.+>5
2
?engan menghasilkan pembilang dan pen$ebut dengan ∆T / R g i dan jika M adalah perbandingan tahanan beban luar dan tahanan generat"r R0 / R g ,
=
η th
M ∆T mS pn T H ∆T / iR g
34.+75
+ K g ∆T 2 / i 2 R g − ∆T / 2
arus dalam k"n#enter adalah sama dengan tegangan t"tal $ang dibangkitkan dibagi dengan tahanan t"tal dalam sirkuit, atau
i
=
V t Rt
=
mS pn ∆T R g
+ R0
=
mS pn (T H
− T L )
R g (1 + M )
34.+=5
dengan subtitusi persamaan 4.+= ke persamaan 4.+7
η th
=
M ∆T (1 + M )T H
34.+05
+ (1 + M ) 2 / Z − ∆T / 2
di mana G dide*inisikan sebagai gambaran keuntungan generat"r dan sama dengan
2
Z =
m 2 S pn K g R g
34.+45
untuk memberbaiki e*isiensi termis generat"r, harga G harus sebesar mungkin. Nilai minimum K gR g memberikan harga maksimum G maks
K g R g
k A k A ρ p L p ρ n Ln 2 m = p p + n n + Ln A p An L p k ρ = m 2 k p ρ p + k p ρ n x + n n + k n ρ n x
34.185
di mana ; B A p Ln / A p L p harga ; "ptimum $ang memberikan harga minimum KgRg atau Gmaks dapat menghitung 3d%K gRg(d;5B8 dan diselesaikan untuk mendapatkan ;. ini memberikan x opt
=
A p Ln An L p
=
ρ p k n ρ n k p
34.1+5
dan ini memberikan Z maks
=
S pn
(
k p ρ n
+
k n ρ p
)
34.115
2
persamaan di atas tidak tergantung pada bentuk ge"metri sistem selama luas dan panjang elemen generat"r pr"p"rsi"nal menurut tahanan listrik dan k"ndukti#itas material seperti diberikan dalam persamaan 4.1+. Variabel lain dalam persamaan 4.+0 $ang dapat dengan mudah diatur untuk memperbaiki e*isien generat"r adalah perbandingan tahanan beban luar dan tahanan generat"r, M. harga M "ptimal $ang memberikan e*isiensi termis maksimal dapat dihitung dengan menghitung %d η th / dM (B8 dan diselesaikan untuk mendapat M. ini memberikanF M opt
=
( R0 / R g ) opt
1 + Z maks T ave
=
34.195
di mana Ta#e adalah temperatur muklak rata'rata di dalam generat"r%T -HTL(1. dengan memasukkan nilai ini kedalam persamaan untuk e*isiensi termis menghasilkan η th
=
M opt ∆T (1 + M opt )T H
+ (1 + M opt ) 2 / Z maks − ∆T / 2
34.1<5
ersamaan di atas memberikan k"ndisi ntuk e*isiensi maksimum, kadang 'kadang terdapat keadaan ketika sistem di"perasikan pada k"ndisi untuk mendapatkan keluaran da$a maksimum, bukan pada k"ndisi e*isiensi maksimum. Tegangan keluaran generat"r adalah sama dengan tegangan t"tal $ang dibangkitkan, dikurangi penurunan tegangan internal di dalam generat"r F vout
=
mS pn ∆T − iR g
34.1>5
dan da$a keluaran menjadi P out
=
ivout
=
2
mS pni∆T − i R
34.175
persamaan di**erensial 4.17 diturunkan terhadap i dan pen$eselaian %dkeluar di(B8, memberikan arus ideal pada da$a keluaran maksimum i maks, F
imaks
=
mS pn ∆T
34.1=5
2 R g
ini memberikan da$a keluaran maksimal dari generat"r sebesar
P out , maks. P
=
i maks . P R0
=
mS pn ∆T − i maks . P R g
=
2i maks . P R g
−
i maks. P R g
B i maks P R g
34.105
.
persamaan 4.14 menunjukkan baha untuk k"ndisi da$a maksimum, R 8BRg atau
M max . P
R = 0 = 1.0 R g maks . P
34.985
perbandingan persamaan 0.19 dan 4.98 menunjukkan baha pada k"ndisi e*isiensi termis maksimum, tahanan beban R 8 harus melebihi tahanan generat"r Rg, sedang pada k"ndisi da$a maksimum, kedua tahanan harus sama besar %impedansin$a sama(.
