Pengujian Dan Perhitungan Beban Panas Pada Kotak Pendingin Yang Menggunakan Elemen Pendingin Termoelektrik Dengan Sumber Energi Surya

(1)

TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Hendri NIM. 100401033

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

KATA PENGANTAR

Namo Sanghyang Adi Buddhaya, puji syukur penulis panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN BEBAN PANAS PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi penulis, namun berkat dorongan, semangat, do’a, dan bantuan baik materiil, moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi. Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Tulus B. Sitorus, ST,MT selaku Dosen pembimbing yang dengan penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada penulis.

2. Dosen pembanding I Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Dosen Pembanding II Bapak Dipl.-Ing. Samar, S.T. yang telah memberikan masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Kedua orang tua penulis, Jan Tjie Min dan Tjen Lien serta abang dan adik penulis, Hendra dan Hendro yang tidak pernah putus-putusnya memberikan dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama penulis kuliah.

(11)

7. Rekan-rekan khususnya Dwiyanto, Wilsen, Stefanus, Wunardi, dan seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada penulis.

8. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Helbert, Christianto, Darman, Hosea, Kenny dan semua teman – teman yang berada di Keluarga Mahasiswa Buddhis yang telah memberi semangat.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik. Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada pembaca, Terima kasih.

Medan, 10 Maret 2015

(12)

ABSTRAK

Saat ini penggunaan mesin pendingin dengan refrigeran sebagai sumber pendingin banyak digunakan oleh masyarakat, akan tetapi penggunaan dari refrigeran seperti CFC dan HFC dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon di angkasa dan juga menyebabkan efek rumah kaca. Termoelektrik dapat digunakan sebagai sumber pendingin alternatif utama dalam memenuhi kebutuhan masyarakat. Salah satu contoh penggunaan termoelektrik adalah kotak pendingin (cooling box). Tujuan penelitian ini adalah untuk menguji dan menganalisis pendinginan pada kotak pendingin yang menggunakan termoelektrik dengan sumber energi surya. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental dimana kotak pendingin yang telah dirancang, diuji untuk mengetahui temperatur di dalam kotak dengan menggunakan termokopel. Parameter lainnya seperti kelembaban relatif, intensitas radiasi Matahari, dan temperatur embun diukur menggunakan alat pendeteksi suhu dan cuaca. Parameter – Parameter yang telah diperoleh kemudian diolah dan dihitung menggunakan persamaan matematika untuk diperoleh beban pendingin di dalam kotak pendingin. Penelitian ini difokuskan pada perhitungan efisiensi fotovoltaik, perhitungan nilai performansi dari termoelektrik, perhitungan kapasitas baterai (accu) dalam menyimpan energi, dan menganalisis beban pendingin. Hasil analisis menunjukkan bahwa rata – rata beban pendingin di dalam kotak pendingin dengan lima buah air mineral 240 ml adalah 126,94 Watt, efisiensi dari fotovoltaik adalah 15,57%, nilai performansi termoelektrik adalah 0,754 dan nilai performansi dari sistem kotak pendingin adalah 0,225.

(13)

ABSTRACT

Nowadays the use of cooling engine with refrigerant as its cooling source used by most people, but the use of these refrigerants such as CFCs and HFCs can cause thinning of the ozone layer in the atmosphere and also cause the greenhouse effect. Thermoelectric coolers can be used as a main source of alternative coolers that people needed. One example is the use of cooling box. The purpose of this study was to examine and analyze the cooling load in the cooling box that uses thermoelectric with energy came from photovoltaic. The study was done by using an experimental method in which the cooling box that has been designed, tested to determine the temperature inside the box by using a thermocouple. Other parameters such as Relative Humidity, Intensity of solar radiation, Dew-point Temperature were measured using HOBO data logger. Parameters that have been obtained then processed and calculated using mathematical equations to obtain the cooling load inside the cooling box. This study focused on the calculation of the efficiency of the photovoltaic, the calculation of the coefficient of performance of thermoelectric, the calculation of the capacity of battery to store energy, and analyze the cooling load. The analysis showed that the average cooling load in the cooling box with five 240 ml mineral water is 126,94 Watt, efficiency of photovoltaic is 15,57%, coefficient of performance of thermoelectric is 0,754 and the coefficient of performance of the system in cooling box is 0,225.

(14)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xi

DAFTAR NOTASI ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Manfaat Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah dan Asumsi ... 3

1.4.1 Batasan Masalah ... 3

1.4.2 Asumsi ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Fotovoltaik (Photovoltaic /PV) ... 5

2.2 Elemen Peltier/Pendingin Termoelektrik (Thermo-Electric Cooler) ... 10

2.2.1 Mekanisme Kerja Peltier/Pendingin Termoelektrik (TEC) 10

2.2.2 Efek Termoelektrik ... 12

2.2.2.1 Efek Seebeck ... 12

2.2.2.2 Efek Peltier ... 13

2.2.2.3 Efek Thomson ... 13

2.2.2.4 Efek Joulean ... 15

2.2.2.5 Efek Konduksi ... 15

2.2.3 Koefisien Performansi (Coefficient of Performance/COP) Peltier ………... 15

(15)

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 17

2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 19

2.3.2.1 Perpindahan Panas Konveksi Bebas ... 20

2.3.2.2 Perpindahan Panas Konveksi Paksa ... 21

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 22

2.4 Psikometrik ... 23

2.5 Panas Sensibel dan Laten ... 27

BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 28

3.1 Objek Pengujian ... 28

3.2 Parameter Pengujian ... 28

3.3 Waktu dan Tempat ... 28

3.4 Bahan dan Peralatan yang Digunakan ... 28

3.4.1 Alat yang Digunakan ... 28

3.4.2 Bahan yang Digunakan ... 33

3.5 Model Objek Pengujian ... 34

3.6 Skema Pengujian ... 36

3.7 Prosedur Pengujian ... 37

3.8 Diagram Alir Pengujian ... 40

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 41

4.1 Hasil Pengujian dan Analisa Data... 41

4.1.1 Hasil Pengujian dari Alat Pendeteksi Suhu dan Cuaca ... 41

4.1.2 Hasil Pengujian dari Alat Termokopel ... 46

4.2 Perhitungan Pada Modul Fotovoltaik (Photovoltaic) ... 51

4.3 Perhitungan Baterai (Accu) ... 54

4.4 Perhitungan Elemen Pendingin Termoelektrik (Peltier) ... 54

4.5 Perhitungan Beban Pendingin Pada Kotak Pendingin ... 57

4.5.1 Perhitungan Panas Eksternal ... 57

4.5.1.1 Perhitungan Panas Eksternal melalui Konduksi .... 59

4.5.1.2 Perhitungan Panas Eksternal melalui Konveksi .... 62

4.5.1.3 Perhitungan Panas Eksternal melalui Radiasi .... 68

4.5.2 Perhitungan Panas Internal ... 70

4.5.2.1 Perhitungan Panas Internal Pada Minuman ... 70

.. 4.5.2.2 Perhitungan Panas Internal akibat Kipas Angin .. 70

(16)

4.7 Perhitungan Panas Sensibel dan Panas Laten ... 74

4.8 Perhitungan Panas Total di Dalam Kotak Pendingin dan COP Sistem ... 75

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 77

5.1 Kesimpulan ... 77

5.2 Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... 79 LAMPIRAN

(17)

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Koefisien Seebeck ... 13 Tabel 2.2 Koefisien Konduktivitas Termal Material pada 27 °C ... 19 Tabel 2.3 Emisivitas Termal Material ... 23

Tabel 4.1 Data HOBO yang diperoleh selama Pengujian (6 Januari – 22 Januari 2015) ... 41

Tabel 4.2 Data Temperatur yang diperoleh selama Pengujian (6 Januari – 22 Januari 2015) ...46

Tabel 4.3 Data Temperatur Pada Kotak Pendingin (6 Januari 2015) .... 47 Tabel 4.4 Data Temperatur Pada Kotak Pendingin (22 Januari 2015) .. 49 Tabel 4.5 Data – Data Kotak Pendingin ... 58 Tabel 4.6 Laju Perpindahan Panas Konduksi selama Pengujian ... 61 Tabel 4.7 Data untuk Properti Udara di Luar Kotak Pendingin

diambil dari Lampiran 3 ... 62 Tabel 4.8 Laju Perpindahan Panas Konveksi Bebas selama Pengujian . 64 Tabel 4.9 Data untuk Properti Udara di Dalam Kotak Pendingin

diambil dari Lampiran 3 ... 65 Tabel 4.10 Laju Perpindahan Panas Konveksi Paksa selama Pengujian . 67 Tabel 4.11 Laju Perpindahan Panas Radiasi selama Pengujian ... 69 Tabel 4.12 Data – Data Psikometrik Kotak Pendingin (6 Januari 2015) . 71 Tabel 4.13 Beban Pendingin Rata – Rata Perhari ... 76

(18)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Elemen Peltier (Thermo – Electric Cooler) ... 10

Gambar 2.2 Aliran Arus Listrik yang menimbulkan Suhu Dingin dan Panas ... 11

Gambar 2.3 Cara Kerja Peltier ... 11

Gambar 2.4 Ilustrasi Temperatur Bola Kering dan Bola Basah ... 25

Gambar 3.1 Kotak Pendingin ... 29

Gambar 3.2 Panel Surya ... 29

Gambar 3.3 Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller/SCC) ... 30

Gambar 3.4 Baterai (Accu) ... 30

Gambar 3.5 Termokopel ... 31

Gambar 3.6 Pendeteksi Suhu dan Cuaca ... 31

Gambar 3.7 Laptop ... 32

Gambar 3.8 Flash Disk (USB Flash Driver) ... 32

Gambar 3.9 Gunting ... 32

Gambar 3.10 Tang ... 33

Gambar 3.11 Air Mineral 240 ml ... 33

Gambar 3.12 Kabel Listrik ... 33

Gambar 3.13 Selotip ... 34

Gambar 3.14 Kain Lap ... 34

Gambar 3.15 Desain Kotak Pendingin dan Letak Plat Aluminium ... 35

Gambar 3.16 Aliran Udara di Dalam Kotak Pendingin Hasil Simulasi untuk Temperatur ... 35

Gambar 3.17 Skema Pengujian Kotak Pendingin yang menggunakan Elemen Pendingin Termoelektrik (Peltier) ... 36

Gambar 3.18 Diagram Balok Pengujian Kotak Pendingin ... 36

Gambar 3.19 Persiapan Alat dan Bahan Pengujian ... 37

Gambar 3.20 Solar Charge Controller/SCC ... 38

Gambar 3.21 Susunan Sejajar Minuman di Dalam Kotak Pendingin ... 38

Gambar 3.22 Letak Kabel Termokopel ... 39

Gambar 3.23 Diagram Alir Pengujian ... 40

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Udara (22 Januari 2015) ... 42

(19)

Gambar 4.3 Grafik DewPt (22 Januari 2015) ... 43

Gambar 4.4 Grafik Radiasi Matahari /Solar Radiation (22 Januari 2015) ... 43

Gambar 4.5 Grafik Temperatur Udara (14 Januari 2015) ... 44

Gambar 4.6 Grafik Kelembaban Relatif Udara (14 Januari 2015) ... 44

Gambar 4.7 Grafik DewPt (14 Januari 2015) ... 45

Gambar 4.8 Grafik Radiasi Matahari /Solar Radiation (14 Januari 2015) ... 45

Gambar 4.9 Grafik Temperatur Pada Kotak Pendingin (6 Januari 2015) ... 48

Gambar 4.10 Kotak Pendingin dengan bantuan Es ... 50

Gambar 4.11 Grafik Temperatur Pada Kotak Pendingin (22 Januari 2015) ... 50

Gambar 4.12 Panas Eksternal Pada Kotak Pendingin ... 58

Gambar 4.13 Tiga Lapisan Pada Kotak Pendingin ... 59

Gambar 4.14 Lapisan Batas di Dalam Kotak Pendingin ... 71

Gambar 4.15 Grafik Psikometrik ...73

(20)

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Grafik Suhu dan Cuaca selama Pengujian ... 82 Lampiran 2 Grafik Temperatur Kotak Pendingin selama Pengujian .. 100 Lampiran 3 Tabel Properti dari Udara PadaTekanan Atmosfir [4] ...107 Lampiran 4 Grafik Psikometrik[2] ... 108

(21)

DAFTAR NOTASI

Q = Energi Kalor (Joule)

= Laju Perpindahan Panas / Kalor (Watt) = Koefisien Konduktivitas Termal (W/m.K)

= Konduktansi Keseluruhan (W/K) = Luas Permukaan (m2)

= Gradien Temperatur (K/m)

= Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (W/m2.K) = Jarak Lapisan Batas (m)

= Temperatur Permukaan / Surface (K) = Temperatur Lingkungan / Ambient (K)

= Bilangan Reynolds

= Bilangan Rayleigh

= Bilangan Prandl

= Viskositas Kinematik (m/s2) = Difusitas Termal (m/s2)

= Koefisien Ekspansi Termal (K-1)

= Percepatan Gravitasi Bumi = 9,81 (m/s2) = Densitas / Kerapatan (kg/m3)

= Kecepatan Objek terhadap Fluida (m/s) = Kecepatan Dinamik (Ns/m2)

̅̅̅̅̅ = Bilangan Nusselt

= Emisivitas Termal Material, antara 0 – 1

= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 (W/m2.K4)

= Tegangan Maksimal Open-Circuit (Volt) = Arus Maksimal Close-Circuit (Ampere)

ST = Radiasi Global Matahari perjam (W/m2)

FF = Fill Factor = Efisiensi (%)

= Daya Masuk (Watt) = Daya Keluar (Watt)

(22)

, = Koefisien Seebeck Material X dan Y (Volt/K)

= Koefisien Seebeck antara Material X dan Y (Volt/K)

, = Koefisien Peltier Material X dan Y (Volt)

= Koefisien Peltier antara Material X dan Y (Volt)

= Koefisien Thomson (Volt)

= Perpindahan Panas Thomson (W/m)

= Temperatur Termokopel Panas dan Dingin (K)

= Tegangan (Volt) = Arus (Ampere)

= Kalor yang diserap oleh Termoelektrik (Watt) = Kalor yang dilepas oleh Termoelektrik (Watt)

= Kalor Maksimum yang dapat diserap pada sisi dingin ketika

I = dan ∆T = 0°C (Watt)

= Arus Optimum (Ampere)

= Arus Input ketika ∆T maksimal (Ampere) = Tegangan ketika ∆T maksimal (Volt)

= Temperatur antara sisi panas dan dingin (°C) = Perbedaan Temperatur maksimal pada TEC (K)

= Jumlah Elemen TEC

= Koefisien Performansi / Coefficient of Performance = Kalor Jenis pada Tekanan Kontan ( )

= Tahanan Listrik (Ω.cm) R = Tahanan dari Couple(Ω.cm) R = Tahanan Termal (°C/Watt)

K = Konduktivitas Termal Couple (W/K) Z = Figure of merit (K-1)

L = Panjang (m)

W = Lebar (m)

k = Koefisien Termal Couple (W/cm.K) r = Hubungan Tahanan Listrik (Ω.cm2)

w = Rasio Kelembaban

(23)

= Massa Udara (kg uap air/kg udara) = Tekanan Parsial Uap Air (Pa, atm)

= Tekanan Uap Saturasi (Pa, atm)

= Tekanan Atmosfir (Pa, atm), biasanya 101.325 Pa

RH = Kelembaban Relatif (%) T = Temperatur Udara Mutlak (K)

= Temperatur Bola Basah / Wet Bulb Temperature (°C) = Temperatur Bola Kering / Dry Bulb Temperature (°C)

hfg = Panas Penguapan Air Pada Temperatur Bola Basah (kJ/kg)

w1 = Rasio Kelembaban Pada Temperatur Bola Basah (kg/kg)

w0 = Rasio Kelembaban Pada Temperatur Bola Kering (kg/kg)

cpa = Panas Jenis Udara (kJ/kg.K)

= Volum Spesifik (m3/kg)

Td = Temperatur Embun / Dew-Point Temperature (°C)

ha = Entalpi Udara (kJ/kg)

Q = Laju Aliran Udara (L/s)

= Volume Udara yang Masuk (m3) = Panas Sensibel (Watt)

(24)

ABSTRAK

(25)

ABSTRACT

(26)

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab pendahuluan ini akan dibahas hal – hal mengenai latar belakang masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, asumsi, dan sistematika penulisan.

1.1 Latar Belakang Masalah

Penggunaan alat pendingin akhir – akhir ini menjadi sesuatu yang sering dijumpai dan menjadi benda yang harus dimiliki, tidak hanya sebagai peningkatan kualitas dan kenyamanan hidup, namun juga sudah menyentuh hal – hal penting penunjang kehidupan manusia. (Arora, 2001) Teknologi pendingin ini digunakan pada banyak bidang terutama dalam bidang perdagangan makanan yaitu untuk penyimpanan makanan (khususnya makanan basah) agar tetap awet, selain itu juga terdapat pada bidang perkantoran, pengkondisian udara, transportasi, maupun penggunaan pendingin dalam proses kimia.

Mesin pendingin yang banyak digunakan umumnya mesin pendingin dengan menggunakan refrigeran. Jenis refrigeran yang digunakan yaitu jenis refrigeran CFC dan HFC. Refrigeran CFC adalah salah satu penyebab terjadinya penipisan lapisan ozon di angkasa (WMO, 2007; IPCC, 2005) dan refrigeran HFC termasuk gas rumah kaca. (Kruse, 2000; O’shea and Goodge, 2007) Hal ini yang menyebabkan adanya pembatasan penggunaan refrigeran jenis ini dalam mesin pendingin. Sifat refrigeran CFC yang dapat merusak ozon dikemukakan pertama kali oleh Rowland dan Molina (1974) yang didukung oleh pengukuran lapangan oleh Farman et al., (1985). Pada tahun 2006, Indartono memperkirakan lapisan ozon akan rusak sekitar 3% per-dekadenya.

Pada tahun 2002, Calm mengemukakan bahwa lapisan ozon yang berada pada lapisan stratosphere berfungsi sebagai penghalang masuknya sinar UV-B ke permukaan bumi. Sinar UV-B yang berlebihan akan menyebabkan masalah kesehatan bagi manusia dan gangguan pada tumbuhan di permukaan bumi. Akibat adanya perusakan lingkungan oleh refrigerant mesin pendingin, maka dilakukan penelitian untuk mencari cara pengkondisian udara yang ramah lingkungan serta tahan lama.

(27)

Dari kondisi diatas, maka pada penelitian ini akan dilakukan tanpa menggunakan refrigeran CFC maupun HFC. Pada penelitian ini digunakan komponen elektronik yang disebut peltier / pendingin termoelektrik sebagai sumber pendingin dengan sumber energi surya. Peltier akan dirangkai dengan peredam panas (heatsink) dan kipas kecil yang diletakkan dibagian luar dan dua buah kipas diletakkan di bagian dalam kotak pendingin. Kotak pendingin terbuat dari stirofoam dimana akan dilakukan pengujian pada temperatur dingin yang dihasilkan yaitu dengan menggunakan termokopel yang dipasang pada bagian luar dan dalam kotak. Data temperatur yang diperoleh akan diolah sehingga dapat dihitung beban panas, kalor yang berpindah, dan performansi kerja sistem pada kotak pendingin tersebut

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah :

1. Mengetahui temperatur terendah yang ada di dalam kotak pendingin. 2. Mengetahui beban pendingin yang ada di dalam kotak pendingin.

3. Menghitung laju perpindahan panas yang masuk dari luar ke dalam kotak pendingin yaitu secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

4. Mengetahui lamanya waktu kotak pendingin dapat mempertahankan temperatur dinginnya (maksimal bertemperatur 25°C dengan RH 100%).

5. Mengetahui efisiensi dan nilai performansi dari fotovoltaik, mesin pendingin termoelektrik dan sistem kerja kotak pendingin bertenaga surya.

1.3 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah : 1. Bagi Penulis

a. Merupakan wahana menerapkan pengetahuan teori yang telah diperoleh dibangku kuliah, serta membandingkannya dengan kondisi dilapangan. b. Mengetahui perbandingan nilai performansi kerja mesin pendingin dengan beban pendingin yang ada.

2. Bagi Akademik

a. Merupakan pustaka tambahan dalam menunjang proses perkuliahan. b. Sebagai referensi dasar untuk dilakukannya penelitian lebih mendalam pada jenjang yang lebih tinggi.

(28)

3. Bagi Masyarakat sekitar

a. Memberikan solusi terhadap masalah ketersediaan mesin pendingin yang murah dan ramah lingkungan.

b. Sebagai kontribusi positif dalam mencegah perusakan lapisan ozon. c. Sebagai salah satu peralatan pendingin alternatif yang digunakan ketika

sumber listrik tidak tersedia.

1.4 Batasan Masalah dan Asumsi

Dalam pengujian nilai performansi kerja mesin pendingin ini, terdapat banyak faktor yang mempengaruhi. Oleh karena itu, diperlukan batasan masalah dan asumsi agar pembahasan tidak melebar dan fokus ke tujuan utama.

1.4.1 Batasan Masalah

Berikut adalah batasan masalah di dalam penelitian ini :

1. Perhitungan hanya dibatasi pada perpindahan panas ideal yaitu perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

2. Pengujian dilakukan sesuai dengan jam kerja yaitu 8 jam.

3. Pengujian dilakukan dengan meletakkan lima buah minuman air mineral 240 ml dengan susunan yang sudah ditentukan.

1.4.2 Asumsi

Berikut adalah asumsi di dalam penelitian ini :

1. Laju perpindahan panas yang terjadi diasumsikan adalah aliran udara stedi, satu-dimensi, nilai dari konduktivitas termal material konstan, dan menggunakan rumus untuk satu-dimensi.

2. Kebocoran (Infiltrasi) diasumsikan tidak ada karena kotak pendingin telah diisolasi pada bagian tutupnya selama pengujian.

4. Temperatur permukaan luar triplek dianggap sama ke semua sisinya. 5. Temperatur permukaan pada setiap sisi kotak diasumsikan terdistribusi

merata sehingga peletakkan alat uji hanya pada titik tengahnya yaitu temperatur sisi atas sama dengan sisi bawah, sisi kiri sama dengan sisi kanan, dan sisi depan sama dengan sisi belakang.

(29)

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tugas akhir ini terdiri atas beberapa bab yaitu : Bab I PENDAHULUAN

Bab ini berisikan latar belakang pemilihan tugas akhir, tujuan, manfaat, batasan masalah dan asumsi, dan sistematika penulisan tugas akhir.

Bab II TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berhubungan dengan pokok permasalahan penelitian baik teori dasar maupun teori penunjang lainnya yang diperoleh dari berbagai sumber seperti : buku – buku pedoman, jurnal, paper, tugas akhir, e-book, dan e-news.

Bab III METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini mencakup metode pengujian yang digunakan yaitu dengan metode eksperimental dan membahas mengenai objek, waktu, peralatan, langkah – langkah dan skema penelitian.

Bab IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini berisi data – data hasil pengujian akan diolah / dihitung menggunakan persamaan – persamaan matematika.

Bab V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisikan tentang kesimpulan atau jawaban – jawaban yang menjadi tujuan dari dilakukannya penelitian / tugas akhir dan saran yang mendukung kedepannya. DAFTAR PUSTAKA

Berisikan seluruh referensi yang digunakan selama proses penelitian dalam membuat tugas akhir.

LAMPIRAN

(30)

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam Tinjauan pustaka ini berisi tentang fotovoltaik (Photovoltaic) yang merupakan sumber energi dari kotak pendingin (Cooling Box), elemen pendingin termoelektrik (Thermo-Electric Cooler) sebagai mesin pendingin alternatif yang digunakan pada kotak pendingin, dan perpindahan panas yang terjadi dari luar kotak ke dalam kotak pendingin.

2.1 Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Energi Surya merupakan energi yang berasal dari Matahari, yang dipancarkan dalam bentuk sinar dan panas. Karena permintaan akan energi bersih yang terus meningkat, maka energi ini memiliki potensi yang besar kedepannya untuk terus dikembangkan karena merupakan energi yang dapat diperbaharui. Panas dan sinar yang diterima bumi dari Matahari dapat radiasi surya sekitar 174 petawatt (PW). Sekitar 30 % dipantulkan kembali ke luar angkasa, sedangkan sisanya diserap oleh awan, lautan, dan daratan. Energi ini dapat dimanfaatkan dengan menggunakan serangkaian teknologi seperti pemanas surya, fotovoltaik surya, listrik panas surya, arsitektur surya, dan fotosintesis buatan. Pemanfaatan energi matahari yang paling sering digunakan adalah fotovoltaik surya.

Di Indonesia khususnya di Kota Medan, cahaya Matahari melimpah karena wilayah Indonesia dilewati garis Khatulistiwa, sehingga fotovoltaik digunakan/diterapkan sebagai sumber energi dalam pengujian kotak pendingin. Selain karena kebutuhan daya yang relatif rendah dari kotak pendingin, pengunaan fotovoltaik dalam pengujian ini juga tidak menghasilkan polusi udara maupun polusi suara.

Efek Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Sistem fotovoltaik adalah suatu sistem mengubah energi cahaya menjadi energi listrik. (Papadopoulou, 2011:31) Konversi ini didasarkan pada fenomena efek fotovoltaik. Efek ini ditemukan oleh fisikawan asal Perancis bernama Antoine – Cesar Becquerel pada tahun 1839. Fenomena efek fotovoltaik adalah suatu fenomena dimana timbulnya tegangan listrik akibat

(31)

adanya loncatan elektron antara dua elektroda yang dihubungkan dengan sistem padatan/cairan ketika sinar matahari menyinari permukaan bahan PV.

Radiasi cahaya matahari terdiri dari biasan foton dengan tingkat energi yang berbeda – beda sesuai dengan panjang gelombang dari spektrum cahaya. Ketika sinar matahari menyinari permukaan bahan fotovoltaik, foton –foton dari cahaya matahari akan dibiaskan, diserap, ataupun diteruskan menembus sel fotovoltaik. Foton yang terserap oleh sel PV akan menyebabkan electron menyembur keluar yang memicu timbulnya energi listrik.

Sel Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Sel fotovoltaik adalah suatu perangkat yang mengonversi energi radiasi cahaya umumnya Matahari ke dalam bentuk energi listrik. Sistem sel PV terdiri dari ikatan antara sisi positif dan negatif (p-n junction) di dalam sebuah sistem semikonduktor. Sel fotovoltaik pertama kali dibangun oleh Charles Fritts di sekitar 1883 menggunakan sambungan yang dibentuk oleh lapisan selenium (semikonduktor) dengan lapisan sangat tipis emas dan memiliki efisiensi dibawah 1 %.

Sel PV terbuat dari suatu jenis silikon yang mampu menghasilkan muatan listrik kecil bila terkena sinar matahari. Dalam penggunaannya, sel PV disusun saling berhubungan untuk menghasilkan energi yang lebih banyak dan daya yang besar yang dikenal dengan istilah panel atau modul PV. Arus yang dihasilkan dari sel PV pada umumnya adalah arus searah (Direct Current/DC), tetapi dengan menggunakan inverter, arus ini dapat dibuat menjadi arus bolak-balik (Alternating Current/AC).

Ada tiga jenis sel fotovoltaik, yaitu :

1. Sel Monocystalline, adalah sel – sel fotovoltaik yang paling efisien tetapi juga yang paling mahal. Sel –sel ini terdiri dari satuan kristal hasil potongan dari silikon ingot.

2. Sel Polycrystalline, adalah sel - sel fotovoltaik yang terdiri dari sejumlah kristal kecil sehingga memiliki efisiensi yang sedikit lebih rendah dari sel Monocrystalline.

3. Sel Amorphous, adalah sel yang memiliki efisien yang paling rendah dan murah. Sel ini dibuat dengan menyebarkan silikon di atas material alternatif seperti baja tahan karat (stainless steel).

(32)

Mekanisme Konversi Energi

Konsep dasar konversi energi dari energi cahaya menjadi energi listrik terjadi akibat adanya perpindahan elektron bebas di dalam suatu atom. Banyaknya elektron bebas yang berpindah tergantung pada konduktivitas elektron / kemampuan transfer elektron dari suatu material.

Sel PV pada umumnya menggunakan material semikonduktor sebagai penghasil elektron bebas. Material semikonduktor adalah suatu material berbentuk padat (solid) yang memiliki konduktivitas elektrik yang cukup tinggi dan akan meningkat secara signifikan ketika temperaturnya bertambah tinggi. Konduktivitas elektrik suatu material bergantung pada elektron valensi atau elektron pada kulit terluar dari suatu atom. Hal ini yang menyebabkan penggunaan material semikonduktor sebagai bahan dasar dari sel PV. Contoh material semikonduktor yang umum digunakan pada sel PV adalah Silikon (Si) dan Germanium (Ge). Silikon yang digunakan biasanya dalam bentuk kristal, dan Germanium berada dalam bentuk padatan.

Ketika sebuah foton dari suatu sumber cahaya menumbuk suatu lempengan material semikonduktor, ada tiga proses yang terjadi yaitu :

1. Foton dapat melewati lempengan semikonduktor, biasanya terjadi pada foton dengan energi rendah.

2. Foton terpantul dari permukaan.

3. Foton diserap oleh lempengan semikonduktor yang menghasilkan panas atau menghasilkan pasangan elekron-lubang (hole).

Untuk memisahkan elektron valensi dari atom semikonduktor, dibutuhkan energi foton yang cukup besar yaitu lebih besar dari celah pita lempengan semikonduktor. Terlepasnya elektron ditentukan oleh energi yang diserap dari cahaya dan ikatan antara elektron terluar dengan atom inti. Ketika elektron terlepas, elektron akan bergerak bebas di dalam bidang kristal dan elektron tersebut akan bermuatan negatif yang akan bergerak ke daerah pita konduksi dari material semikonduktor. Struktur kristal yang kehilangan elektronnya akan terbentuk suatu “lubang (hole)” yang bermuatan positif.

Daerah semikonduktor yang bermuatan negatif (dengan elektron bebas) akan bertindak sebagai pendonor elektron yang disebut tipe negatif

(33)

(n-type). Untuk daerah semikonduktor yang bermuatan positif (dengan lubang) akan bertindak sebagai penerima elektron disebut tipe positif (p-type). Ikatan dari kedua sisi positif dan negatif (p-n junction) menghasilkan energi listrik internal yang akan mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak kearah yang berlawanan. Elektron akan bergerak ke sisi positif dan lubang (hole) akan bergerak ke sisi negatif. Ketika kedua sisi positif dan negatif dihubungkan dengan sebuah beban (tahanan), maka akan tercipta sebuah arus listrik.

Efisiensi Energi Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Berdasarkan definisinya, efisiensi energi dari sistem fotovoltaik surya (Solar Photovoltaic System/SPS) dinyatakan sebagai rasio dari daya keluar (output) maksimal dari panel surya dengan daya intensitas matahari / radiasi matahari yang sampai di permukaan PV. Efisiensi energi PV dapat dihitung dengan persamaan [12][15]:

_{x 100% ... (2.1)}

dimana : = Daya keluar (output) maksimal dari PV (W)

ST = Radiasi global Matahari jam-an (W/m2), dapat dianggap

sama dengan radiasi Matahari STC (Standart Test Conditions) yang digunakan oleh pabrik yaitu 1000W/m2 dengan temperatur sel 25°C dan massa udara 1,5.

Daya keluar (output) dapat dinyatakan sebagai daya listrik maksimal yang dapat dihasilkan oleh SPS, dapat dihitung dengan persamaan [19]:

... (2.2)

dimana :

= Tegangan maksimum saat rangkaian terbuka (open-circuit) (Volt) = Arus maksimum saat rangkaian tertutup (close-circuit) (Ampere) = Fill Factor

Persamaan Fill Factor (FF) menggunakan parameter tegangan rangkaian terbuka ( ) dari hasil pengukuran secara langsung pada panel surya pada karakteristik V-I suatu panel surya. Nilai fill factor umumnya terletak antara 0,7 – 0,85. Semakin besar nilai FF suatu panel surya, maka

(34)

kinerja panel surya tersebut semakin baik, dan akan memiliki efisiensi panel surya yang semakin tinggi. Nilai dari Fill Factor dapat dihitung dengan persamaan [19]:

... (2.3)

dimana nilai 0,72 merupakan konstanta untuk mendapatkan hasil yang akurat. Estimasi Biaya yang dibutuhkan dalam sistem fotovoltaik

Untuk mengetahui jumlah biaya yang dikeluarkan dalam sistem panel surya ini, terlebih dahulu harus diketahui daya yang dibutuhkan / digunakan perharinya. Daya yang digunakan dapat diketahui dengan menghitung daya rata – rata perbulannya, dengan persamaan [9]:

. (2.4) Setelah diketahui penggunaan listrik perhari, maka dapat ditentukan output daya dari PV yang dibutuhkan perharinya dengan persamaan [9] :

... (2.5) Kapasitas daya modul fotovoltaik dapat diperhitungkan dengan memperhatikan beberapa faktor, yaitu kebutuhan energi sistem yang diinginkan, insolasi matahari, dan faktor penyesuaian (adjustment factor). Faktor penyesuaian untuk instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) adalah 1,1[21].

Kapasitas daya modul dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut [21]:

... (2.6) Jumlah jam kerja matahari yang optimum berkisar antara 4 – 6 jam perharinya. Faktor penyesuaian adalah efisiensi dari suatu sistem yang digunakan sehingga bila efisiensi semakin besar maka harga yang dikeluarkan untuk sistem PV akan berkurang.

Jumlah modul yang digunakan yaitu [21]:

... (2.7) Estimasi biaya yang dikeluarkan untuk suatu sistem PV adalah [9]: ... (2.8)

(35)

2.2 Elemen Peltier / Pendingin Termoelektrik (Thermo - Electric Cooler)

Elemen Peltier adalah suatu alat / komponen listrik yang dapat menghasilkan suhu dingin pada satu sisi dan suhu panas pada sisi lainnya bila dialiri arus listrik. Elemen ini disebut juga Thermo – Electric Cooler (TEC). Kenaikan atau penurunan temperatur di persambungan bergantung pada arah aliran arus listrik. Peltier ditemukan oleh Jean Peltier pada tahun 1834 dan kemudian diperluas oleh Emil Lenz pada tahun 1838. Setelah melakukan beberapa percobaan, Lenz menyimpulkan bahwa panas yang dihasilkan atau diserap bergantung pada arah dari aliran arus listrik. Aplikasi yang sering digunakan oleh peltier adalah dengan memanfaatkan temperatur dingin yang dihasilkan yaitu sebagai pendingin processor, AC mini, kulkas pada dispenser, pendingin minuman, dan pengatur suhu akuarium. Sedangkan suhu panasnya dapat dibuang dengan memasangkan peredam panas (heat sink) dan kipas.

Gambar 2.1 Elemen Peltier (Thermo – Electric Cooler)[30]

2.2.1 Mekanisme Kerja Peltier / Pendingin Termoelektrik (TEC)

Dalam perakitannya, TEC menggunakan beberapa termokepel yang disusun seri, yang memungkinkan sejumlah besar perpindahan panas. Bagian luar dari komponen ini dibungkus sejenis keramik tipis yang berisikan batang – batang semikonduktor Bismuth Telluride di dalamnya. Material tersebut adalah suatu semikonduktor yang di dalamnya ditambahkan suatu zat tambahan. Zat tambahan tersebut bertujuan untuk memberikan kelebihan elektron bebas (n-Type Semiconductor) atau memberikan kekurangan elektron bebas (p-Type Semiconductor). Ketika peltier di alirkan arus listrik, elektron –

(36)

elektron mengalir dari kutub negatif ke kutub positif dalam rangkaian. Elektron dari material yang kekurangan elektron (p–Type Semiconductor) berpindah ke material yang kelebihan elektron (n–Type Semiconductor). Dalam keadaan ini, konektor akan menyerap energi sehingga sisi ini akan bertemperatur dingin. Di sisi lain, ketika elektron berpindah dari tipe-n ke tipe-p, konektor akan melepaskan energi sehingga pada sisi ini akan bertemperatur panas. Membuang panas dari sisi panas akan menurunkan temperatur pada sisi dingin dengan cepat, besarnya penurunan bergantung dari arus listrik yang diberikan. Ilustrasi kerja elemen pertier ditunjukkan pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Aliran arus listrik yang menimbulkan suhu dingin dan panas[28]

Gambar 2.3 Cara Kerja Peltier[24] N P

Panas Masuk Q

Panas Keluar Q Sisi Dingin

Sisi Panas Konduktor

Isolator Keramik

Isolator Keramik Semi Konduktor

Aliran Arus Listrik

Isolator Listrik (Keramik)

Kutub Negatif (-) Kutub Positif (+)

Panas yang diserap (Sisi Dingin)

Panas yang dibuang (Sisi Panas)

Konduktor Listrik (Tembaga) Semikonduktor tipe-p Semikonduktor tipe-n

(37)

2.2.2 Efek Termoelektrik

Ada lima efek yang dapat diamati ketika arus listrik dialiri dalam rangkaian termokopel yaitu efek Seebeck, Peltier, Thomson, Joulean dan konduksi. Efek Seebeck menjelaskan timbulnya tegangan atau kekuatan listrik (electromotive/EMF) ketika adanya perbedaan gradien temperatur di sepanjang kawat. Perubahan dalam bahan EMF sehubungan dengan perubahan temperatur disebut koefisien Seebeck atau sensitivitas termoelektrik. Koefisien ini biasanya merupakan fungsi nonlinier dari temperatur. Efek Peltier menjelaskan perbedaan temperatur yang dihasilkan oleh EMF dan merupakan kebalikan dari efek Seebeck. Efek Thomson berhubungan dengan gradien panas yang bersifat dapat dibalik (reversible) dan EMF dalam suatu penghantar homogen. Efek Joulean berhubungan dengan adanya energi listrik yang hilang ketika sebuah konduktor dialiri arus listrik. Sedangkan, efek konduksi menjelaskan tentang perpindahaan panas dari tempat yang bertemperatur lebih panas ke yang lebih dingin.

2.2.2.1 Efek Seebeck

Pada tahun 1821, fisikawan asal Jerman-Estonia bernama Thomas Johann Seebeck (1770-1831) menemukan bahwa logam berbeda yang terhubung pada dua lokasi yang berbeda (sambungan) akan menimbulkan tegangan mikro pada kedua sisinya bila kedua sisi ada pada temperatur yang berbeda. Efek ini dikenal sebagai “Efek Seebeck”, itu adalah dasar untuk termometer termokopel.

Dalam percobaannya, Seebeck menghubungkan logam besi dan tembaga dalam suatu rangkaian. Kemudian diantara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika satu sisi logam dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Setelah diselidiki, ternyata panas yang diberikan pada satu sisi logam menimbulkan tegangan yang mengalirkan listrik mikro yang mengakibatkan timbulnya medan magnet disekitar logam. Medan magnet yang timbul menggerakkan jarum kompas.

Tegangan yang timbul tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan :

(38)

Dimana :

= Tegangan yang dihasilkan (Volt)

= Koefisien Seebeck material X dan Y (Volt/K) = Temperatur Termokopel panas dan dingin (K)

Nilai dari koefisien Seebeck untuk beberapa material dapat dilihat pada tabel di bawah ini :

Tabel 2.1 Tabel Koefisien Seebeck[16]

Logam (Metal) Koefisien Seebeck

Logam (Metal)

Koefisien Seebeck

Antimony 47 Carbon 3,0

Nikrom 25 Raksa 0,6

Besi 19 Platinum 0,0

Molybdenum 10 Natrium -2,0

Cadmium 7,5 Kalium -9,0

Tungsten 7,5 Nikel -15

Emas 6,5 Constantan -35

Perak 6,5 Bismuth -72

Tembaga 6,5 Semiconductor Koefisien Seebeck

Rhodium 6,0 Selenium 900

Tantalum 4,5 Telurium 500

Timbal 4,0 Silikon 440

Aluminium 3,5 Germanium 300

2.2.2.2 Efek Peltier

Pada tahun 1834, seorang fisikawan Perancis bernama Jean Charles Peltier menemukan kebalikan dari efek Seebeck, yang sekarang dikenal sebagai “Efek Peltier”. Beliau menemukan bahwa ketika sebuah termokopel diberikan tegangan, maka akan timbul perbedaan suhu pada kedua sisinya”. Teori ini dikenal dengan nama Thermo – Elektric Cooler (TEC).

Pada tahun 1838, Lenz menunjukkan bahwa tergantung pada arah arus listrik, panas dapat dihilangkan dari persambungan untuk membekukan air,

(39)

atau dengan membalik arus listrik, panas dapat dihasilkan untuk mencairkan es. Panas yang diserap atau dihasilkan di persambungan adalah sebanding dengan arus listrik. Konstanta perbandingan dikenal sebagai koefisien Peltier.

Jumlah kalor yang dilepas dan diterima ( ) dapat dinyatakan pada persamaan [7]:

... (2.10) Dimana :

= Koefisien Peltier material X dan Y (Volt) = Arus Listrik yang mengalir (Ampere) = Kalor yang dilepas / diterima (Watt)

Nilai dari tergantung pada komposisi dan temperatur bahan. Silikon tipe-p biasanya mempunyai koefisien Peltier positif dibawah 550 K, tetapi silikon tipe-n biasanya negatif.

2.2.2.3 Efek Thomson

Pada tahun 1851, fisikawan asal Inggris bernama William Thomson menyatakan ketika sebuah konduktor dialiri arus listrik akan timbul perbedaan (gradien) temperatur sesuai dengan perpindahan panas yang disebut efek Thomson, dapat dihitung dengan persamaan [7]:

... (2.11)

Dimana :

= Perpindahan panas Thomson(W/m)

= Koefisien Thomson (Volt/K)

Dengan menggunakan hukum pertama dan kedua termodinamika, Zemansky memperoleh hubungan antara koefisien Seebeck dengan koefisien Peltier yang dapat dilihat pada persamaan (Seebeck,1821) [7]:

... (2.12)

Jika persamaan (9) disubstitusikan dengan persamaan (7) , maka diperoleh [7]:

(40)

Dari persamaan dapat dilihat bahwa untuk mendapatkan nilai pendinginan atau pemanasan yang tinggi, harus tinggi, dan juga arus yang besar.

2.2.2.4 Efek Joulean

Efek Joulean menjelaskan bahwa ketika arus listrik dialirkan pada sebuah konduktor, maka akan terbentuk panas akibat adanya disipasi energi listrik. Efek Joulean dapat ditulis dengan persamaan [7]:

... (2.14) dimana : I = Arus listrik (Ampere)

R = Tahanan listrik (Ohm)

2.2.2.5 Efek Konduksi

Efek konduksi menjelaskan tentang perpindahan panas secara konduksi yaitu adanya perpindahan panas dari temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah dalam suatu material. Persamaannya dapat ditulis yaitu [7]:

... (2.15) dimana : U = Konduktansi keseluruhan (W/K)

k = koefisien konduktivitas termal (W/m.K) A = Luas permukaan material (m2)

L = Panjang material (m)

= Temperatur tinggi dan rendah (°C)

2.2.3 Koefisien Performansi (Coefficient of Performance / COP) Peltier Koefisien Performansi (COP) adalah perbandingan antara kalor yang dihasilkan peltier dengan energi yang disuplai. Untuk memperoleh nilai COP peltier, dapat menggunakan persamaan – persamaan dari buku H.J. Goldsmid, 1964, adalah [3][11][18]:

(41)

1. Luas Penampang dari elemen (A)

Luas penampang elemen adalah berbentuk silinder yang dapat dihitung dengan persamaan :

, cm2 ... (2.16) 2. Tahanan dari couple (R):

, Ω.cm ... (2.17)

3. Konduktivitas termal couple (K) :

, W/K ... (2.18) 4. Figure of merit (Z) :

, 1/K ... (2.19)

5. Arus Optimum (Iopt) :

_(√ ₎ ,A ... (2.20)

6. Kalor yang diserap (qc):

, Watt ... (2.21)

7. Nilai performansi (Coefficient Of Performance/COP) Peltier / TEC : Nilai dari COP pada peltier yaitu:

₍

)

(

₎

( ) ... (2.22)

dimana : d = Diameter elemen (cm) = Tahanan Listrik (Ω.cm)

(42)

L = Panjang tiap elemen (cm)

R = Hubungan tahanan listrik (Ω.cm2) k = Koefisien termal dari couple (W/cm.K)

= Koefisien Seebeck (V/K)

= Suhu antara sisi panas dan dingin (°C), yaitu N = Jumlah elemen (couple)

Nilai performansi (COP) adalah rasio antara kalor/panas yang dapat diserap/dipindahkan dari sistem yang ingin didinginkan terhadap daya yang disuplai (input) ke sistem tersebut. Umumnya nilai dari COP dari suatu mesin pendingin adalah lebih besar dari satu karena nilai qh/qc >1 sehingga nilai dari

W yang merupakan qh-qc akan lebih kecil dibanding qc. Nilai COP dari suatu

sistem refrigerasi yang menggunakan refrigeran adalah antara 2 – 3,6. Untuk elemen pendingin termoelektrik, nilai dari COP berada dibawah satu yaitu berkisar antara 0,4 – 0,8 yang bergantung pada arus, tegangan dan jenis termoelektrik yang digunakan. Jika dibandingkan keduanya, maka penggunaan elemen pendingin termoelektrik dapat dikatakan tidak cukup efektif untuk mendinginkan suatu ruangan. Akan tetapi sistem pendingin dari elemen termoelektrik yang sederhana dapat menjadi pertimbangan penggunaannya jika dibandingkan sistem pendingin yang menggunakan refrigeran yang kompleks.

2.3 Perpindahan Panas / Kalor

Perpindahan panas terjadi disebabkan oleh adanya perbedaan temperatur antara kedua benda / tempat sehingga terjadi aliran energi dari temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Perpindahan panas tersebut juga memindahkan energi yang dapat dihitung dengan persamaan [4]:

... (2.23) Dimana : m = massa zat (kg)

= Kalor jenis pada tekanan tetap (J/kg. C) = perubahan temperatur (

(43)

Berdasarkan medium perantara panas, perpindahan panas dapat terjadi melalui 3 cara yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan energi (kalor) dari partikel zat yang aktif ke partikel yang kurang aktif akibat dari interaksi diantara partikel. Persamaan yang digunakan untuk menghitung perpindahan kalor secara konduksi untuk aliran stedi satu dimensi adalah persamaan Fourier yaitu [4]:

... (2.24)

Untuk mencari nilai tahanan termal (R) dari suatu material padatan dapat menggunakan persamaan :

... (2.25)

Untuk konduktor yang terdiri dari tiga lapisan, persamaan perpindahan panas secara konduksi adalah [4]:

... (2.26)

Untuk menghitung suhu antara kedua buah benda dapat digunakan persamaan :

... (2.27)

dimana : = Temperatur pada permukaan paling luar (°C) = Temperatur permukaan antara material 1 dan 2 (°C) = Temperatur permukaan antara material 2 dan 3 (°C)

= Temperatur pada permukaan paling dalam (°C)

= Koefisien konduktivitas termal material 1, 2 dan 3 (W/m.K)

(44)

Koefisien konduktivitas termal dari beberapa material pada temperatur 27 °C dapat dilihat pada tabel 2.2 :

Tabel 2.2 Koefisien konduktivitas termal material(27 °C) [27]

Material Konduktivitas

Termal (W/m.K) Material

Konduktivitas Termal (W/m.K)

Akrilik 0,2 Grafit 25 - 470

Aluminium Alloy 177 Kaca 1,2

Aluminium Oksida 35 Kayu 0,17

Argon 0,0179 Kuningan 125

Baja Karbon 43 Nikel 90,9

Baja Stainless 18 Plastik 0,23

Bata 1,31 Perak 430

Besi 80,4 Perunggu 50

Besi Tuang 55 Polystyrene 0,033

Beton 1,28 Seng 116

Bismuth 7,97 Tanah 1,15

Emas 318 Tembaga 390

Epoxy 1,038 Timah 35,3

Intan 2200 Titanium 21,9

2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas yang diikuti dengan perpindahan partikel / molekul benda tersebut. Pada perpindahan panas secara konveksi terjadi aliran massa pada benda / subtansi. Perpindahan Panas konveksi terbagi menjadi dua bagian yaitu konveksi bebas dan konveksi paksa. Pada konveksi bebas, pergerakan fluida terjadi karena gaya buoyant akibat perbedaan densitas (kerapatan) fluida. Adanya perbedaan densitas fluida dapat diakibatkan oleh adanya pemanasan pada fluida sehingga fluida yang bertemperatur tinggi akan berkurang densitasnya dan bersirkulasi dengan fluida yang lebih dingin dan densitas yang lebih rapat. Konveksi paksa terjadi apabila pergerakan fluida terjadi akibat pengaruh dari luar seperti kipas dan pompa sehingga fluida bergerak.

(45)

Pada perpindahan panas secara konveksi untuk aliran stedi satu dimensi berlaku hukum pendingin Newton yaitu [4]:

... (2.28)

dimana : = Kalor (Watt)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K) A = Luas permukaan (m2)

= Temperatur pada permukaan material (°C) = Temperatur lingkungan / ambient (°C)

Nilai koefisien konveksi (h) dapat dihitung dengan persamaan [4] :

̅̅̅̅̅̅ ... (2.29) dimana : ̅̅̅̅̅ = Bilangan Nusselt

k = koefisien konduktivitas termal dari fluida (w/m.K) L = Panjang permukaan yang terjadi konveksi (m)

2.3.2.1 Perpindahan Panas Konveksi Bebas

Perpindahan panas konveksi bebas terjadi secara alamiah tanpa adanya gaya dari luar yang membantu terjadinya aliran fluida.

Pada konveksi bebas, untuk menghitung bilangan Nusselt, terlebih dahulu menghitung Bilangan Rayleigh ( ) dengan persamaan [4] :

... (2.30)

dimana : = Percepatan gravitasi bumi, umumnya 9,81 (m/s2) = Koefisien ekspansi termal (K-1)

= difusitas termal (m2/s) = viskositas kinematik (m2/s) Pr = Bilangan Prandlt

Untuk plat tegak lurus : L = tinggi plat (m)

(46)

Untuk plat paralel :

... (2.31)

L = Panjang (m) W = Lebar (m)

Jika nilai bilangan Rayleigh : , maka terjadi aliran Laminar. Menurut Churchill dan Chu, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan [4]:

̅̅̅̅̅

{ }

... (2.32)

Jika nilai bilangan Rayleigh : , maka terjadi aliran Turbulen. Menurut Churchill dan Chu, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan persamaan [4]:

̅̅̅̅̅

[

{ } ]

... (2.33)

2.3.2.2 Perpindahan Panas Konveksi Paksa

Perpindahan panas konveksi paksa terjadi akibat adanya gaya atau pengaruh dari luar seperti kipas dan pompa, sehingga terjadi aliran fluida.

Pada konveksi paksa, untuk menghitung bilangan Nusselt, terlebih dahulu menghitung Bilangan Reynold ( ) dengan persamaan [4]:

... (2.34)

dimana : = Densitas / Kerapatan (kg/m3)

= Kecepatan objek terhadap fluida (m/s) = Kecepatan dinamik (Ns/m2)

(47)

Jika nilai bilangan Reynold : , maka terjadi aliran Laminar. Bilangan Nusselt untuk plat rata dapat dihitung dengan persamaan [4] berikutini :

̅̅̅̅̅ ... (2.35)

Jika nilai bilangan Reynold : , maka terjadi aliran Turbulen. Bilangan Nusselt untu plat rata dapat dihitung dengan persamaan [4]:

̅̅̅̅̅ ... (2.36)

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas yang tidak melalui medium (ruang vakum), energi dilepaskan oleh benda sebagai gelombang elektromagnetik karena adanya tumpukan energi termal pada semua benda dengan suhu diatas nol mutlak. Radiasi termal muncul akibat perpindahan acak dari atom dan molekul benda. Karena atom dan molekul terdiri dari partikel bermuatan (proton dan elektron), pergerakan mereka menghasilkan pelepasan radiasi elektromagnetik yang membawa energi.

Untuk permukaan rata, kalor radiasi dapat dihitung dengan persamaan Stefan-Boltzmann yaitu [4]:

... (2.37)

Untuk perpindahan panas radiasi pada material berlapis tiga, kalor radiasi dapat dihitung dengan persamaan [4]:

( )

... (2.38)

dimana : = Emisivitas termal material, untuk benda gelap, dan untuk benda putih.

= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 (W/m2.K4) A = Luas permukaan (m2)

(48)

Emisivitas termal dari beberapa material dapat dilihat pada tabel dibawah ini :

Tabel 2.3 Emisivitas termal material [27]

Material Emisivitas

Termal Material

Emisivitas Termal

Aluminium Sheet 0,09 Kaca halus 0,92 – 0,94

Aluminium Foil 0,04 Kaca Kuarsa 0,93

Aluminium dipolis 0,039 – 0,057 Karbon filamen 0,77

Aluminium 0,77 Karet 0,90

Baja dipolis 0,07 Kuningan dipolis 0,03

Baja stainless 0,075 Kuningan plat kusam 0,22

Baja teroksidasi 0,79 Nikel dipolis 0,072

Batubara 0,80 Nikel teroksidasi 0,59 – 0,86

Bata merah 0,93 Perak 430

Besi berkarat 0,61 Perak dipolis 0,02 – 0,03

Besi dipolis 0,14 – 0,38 Plastik 0,91

Besi tempa 0,94 Platinum dipolis 0,054 – 0,104

Besi Tuang 0,44 Polystyrene 0,6

Beton 0,85 Porcelain 0,92

Bismuth 0,34 Seng dipolis 0,045

Cadmium 0,02 Silikon hitam dicat 0,93

Emas 0,47 Tanah liat 0,91

Epoxy hitam dicat 0,89 Tembaga dipolis 0,023 – 0,052

2.4 Psikometrik

Psikometrik atau psychrometry atau higrometri adalah suatu istilah yang digunakan untuk menggambarkan bidang rekayasa yang bersangkutan dengan penentuan sifat fisik dan termodinamika campuran antara udara dengan uap air. Tujuan mempelajari psikometrik adalah untuk mengetahui sifat – sifat termodinamik udara, yang kemudian dapat dihitung besarnya energi yang diperlukan untuk mengkondisikan udara (air conditioning).[1]

Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan sifat – sifat termodinamik udara yaitu menggunakan persamaan – persamaan dan

(49)

menggunakan grafik yang menggambarkan sifat – sifat termodinamik udara atau disebut Grafik Psikometrik (Psychrometric Chart).

Grafik Psikometrik adalah grafik parameter termodinamika dari udara lembab pada tekanan konstan, yang sering disamakan dengan ketinggian relatif terhadap permukaan laut. Grafik Psikometrik yang lengkap dapat dilihat pada lampiran 4. Ada beberapa sifat termodinamik / termofisik udara yang ditampilkan pada grafik psikometrik, yaitu :

1. Rasio Kelembaban (Humidity Ratio)

Rasio kelembaban adalah perbandingan massa uap air (mw) dengan

massa udara (ma). Rasio kelembaban biasanya diplot sebagai ordinat (sumbu

vertikal) pada grafik psikometrik. Persamaan untuk rasio kelembaban dapat dilihat pada persamaan 2.39 : [1]

... (2.39) Dengan menggunakan persamaan gas ideal dan hukum Dalton, yang merumuskan hubungan antara kandungan gas dengan tekanan partial gas, maka rasio kelembaban dapat dinyatakan dengan persamaan 2.40 :

... (2.40)

Dimana :

adalah massa uap air (kg uap air/kg udara) adalah massa udara (kg uap air/kg udara) adalah tekanan parsial uap air (Pa, atm)

adalah tekanan atmosfir (Pa, atm), biasanya 101.325 Pa

2. Kelembaban Relatif (Relative Humidity/RH)

Parameter ini adalah perbandingan fraksi mol uap air pada udara dengan fraksi mol uap air saat udara mengalami saturasi. Persamaan kelembaban relatif / RH dapat dilihat pada persamaan 2.41 : [1]

... (2.41)

Sebagai catatan, pada saat saturasi fraksi mol uap air yang terkandung di dalam udara adalah fraksi mol maksimum.Setelah itu uap air akan mulai mengembun / berubah fasa menjadi cair. Dengan menguraikan definisi fraksi mol dan persamaan gas ideal, kelembaban relatif juga dapat dihitung dengan persamaan 2.42 : [1]

(50)

... (2.42)

adalah tekanan uap saat terjadi saturasi dalam satuan Pa. dapat

dihitung dengan persamaan yang diusulkan ASHRAE yang merupakan fungsi dari temperatur yaitu : [1]

) = ... (2.43)

Dimana : T adalah temperatur udara mutlak (K) = -5,8002206 x 103

= 1,3914993 = -4,8640239 x 10-2 = 4,1764768 x 10-5 = -1,4452093 x 10-8 = 6.5458673

3. Temperatur Bola Kering (Tdb) dan Temperatur Bola Basah (Twb)

Temperatur bola kering (Dry Bulb Temperature) adalah temperatur udara yang ditunjuk oleh alat ukur atau termometer. Dalam grafik psikometrik, temperatur bola kering biasanya diplot sebagai absis (sumbu horizontal).

Temperatur bola basah (Wet Bulb Temperature) adalah temperatur udara pada ruangan terisolasi dimana udara berada pada tekanan konstan, ideal, proses saturasi adiabatik.

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.4 yaitu :

Gambar 2.4 Ilustrasi temperatur bola kering dan bola basah

Udara Udara

Air Air

Awal Akhir

(51)

Untuk menghitung temperatur bola basah (Twb) dapat menggunakan

kesetimbangan energi sehingga diperoleh persamaan 2.44 : [1]

... (2.44)

Dimana :

hfg adalah panas penguapan air pada temperatur bola basah (kJ/kg)

w1 adalah rasio kelembaban pada temperatur bola basah (kg/kg)

w0 adalah rasio kelembaban pada temperatur bola kering (kg/kg)

cpa adalah panas jenis udara (kJ/kg.K)

4. Volum spesifik udara (Specific Volume / v)

Volum spesifik udara adalah volum satu kg udara. Dengan mengingat bahwa udara adalah campuran udara kering dan uap air, dengan persamaan gas ideal dapat dirumuskan persamaan 2.45 : [1]

... (2.45) Dimana : T adalah temperatur udara mutlak (K)

P adalah tekanan (Pa)

adalah densitas / kerapatan (kg/m3)

5. Temperatur Titik Embun (Dew-Point Temperature / DewPt / Td)

Temperatur Tititk Embun (DewPt) adalah temperatur udara saat terjadi kondensasi / temperatur udara pada saat mulai terbentuk embun. Hubungan antara temperatur udara dengan temperatur titik embun dapat dilihat pada persamaan 2.46 :

... (2.46)

Dalam persamaan diatas semua temperatur dihitung dalam Celcius. 6. Entalpi Udara

Entalpi udara adalah kandungan energi total yang dimiliki oleh udara. Di dalam termodinamika, entalpi suatu materi harus dihitung dengan menggunakan nilai acuan (referensi). Dengan menggunakan acuan saat udara 0°C, entalpi udara dalam (kJ/kg) dapat dihitung dengan persamaan :

... (2.47) Dimana T dihitung dalam satuan Celcius.

(52)

2.5 Panas Sensibel dan Laten

Panas Sensibel adalah panas yang diterima/dilepaskan suatu materi sebagai akibat perubahan temperatur. Panas Laten adalah panas yang diterima/dilepaskan suatu materi karena perubahan fasanya[1]. Panas sensible akibat infiltrasi atau adanya ventilasi dapat dihitung dengan persamaan 2.48:[1]

... (2.48)

Untuk panas Laten dapat digunakan persamaan 2.49 :

... (2.49)

Untuk menghitung nilai Q dapat digunakan persamaan 2.50 yaitu :

... (2.50) Dimana :

Q = laju aliran udara yang masuk ke ruangan (L/s) N = Banyaknya bukaan (per jam)

(53)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ketiga ini yaitu metodologi penelitian, akan berisi tentang objek yang diuji, parameter pengujian, waktu dan tempat pengujian, bahan dan peralatan, skema pengujian, prosedur pengujian dan diagram alir pengujian.

3.1 Objek Pengujian

Pengujian ini dilakukan dengan objek pengujian berupa : kotak pendingin yang menggunakan elemen pendingin termoelektrik (peltier) dengan sumber energi fotovoltaik.

3.2 Parameter Pengujian

Parameter yang diperhatikan selama pengujian ini adalah waktu, radiasi matahari, temperatur dan daya yang dibutuhkan selama pengujian.

3.3 Waktu dan Tempat

Pengujian kotak pendingin ini dilakukan pada tanggal 6 Januari – 22 Januari 2015 yang berlokasi di lantai IV Gedung Magister Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara.

3.4 Bahan dan Peralatan yang Digunakan

Dalam pengujian ini, dibutuhkan alat yang membantu baik dalam proses pemasangan maupun pendukung pengujian dan bahan – bahan yang digunakan.

3.4.1 Alat yang Digunakan

Adapun alat yang diperlukan dalam pengujian kotak pendingin adalah sebagai berikut :

1. Kotak pendingin

Kotak pendingin merupakan objek dari pengujiaan yang dilakukan. Kotak pendingin ini menggunakan alat pendingin berupa elemen pendingin termoelektrik (peltier) dengan jenis TEC1 12706 yang

(54)

menggunakan tegangan 12 V dan arus 6 A, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.1 :

Gambar 3.1 Kotak Pendingin 2. Panel Surya

Panel Surya digunakan untuk memberikan suplai daya ke baterai dengan sumber energi dari matahari. Panel surya yang digunakan berjumlah satu buah modul, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.2 :

Gambar 3.2 Panel Surya

Spesifikasi Teknik :

- Jumlah TEC1 12706 : 2 buah - Tegangan TEC1 12706 : 12 V - Arus TEC1 12706 : 6 A - Jumlah kipas : 4 buah - Daya kipas : 2,28 W - Arus kipas : 0,19 A+10%

- Kecepatan kipas : 3000+10% rpm - Material luar : Triplek

- Material tengah : Stirofoam - Material dalam : Aluminium - Jumlah peredam panas : 2 buah

Spesifikasi Teknik : - Model : SA100-72M - Daya Maksimum : 100 W - Tegangan Maksimum : 18,9 V - Arus Maksimum : 5,3 A - Tegangan tanpa beban : 22,7 V - Arus hubungan singkat : 5,8 A - Berat : 7,3 kg

- Ukuran : 1032 x 676 x 25 mm - Temperatur : -40°C – +85°C - Bahan bingkai : Aluminium

- Tegangan maksimal sistem : 715 V - STC : 1000 W/m2,AM1,5,25°C

(55)

3. Pengatur tegangan pada panel surya (Solar Charge Controller/SCC)

Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller) digunakan untuk mengatur arus untuk pengisisan dari panel surya ke baterai untuk menghindari kelebihan pengecasan (overcharging) dan kelebihan tegangan (overvoltage), dan menjaga temperatur baterai. Pengatur Tegangan yang digunakan berjumlah satu buah dengan tegangan 12 V, arus 10A, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.3 :

Gambar 3.3 Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller/SCC)

4. Baterai (Accu)

Baterai (Accu) digunakan untuk memberikan daya listrik ke alat pengujiaan yaitu kotak pendingin. Baterai yang digunakan berjumlah satu buah, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.4 :

Gambar 3.4 Baterai (Accu)

Spesifikasi Teknik : - Jenis : PWM

- Tipe : EPHC10-EC(10A,12V) - Tegangan : 12 V

- Arus : 10 – 12 A

Spesifikasi Teknik : - Merek : Garuda Sakti - Code : NS70-65D26R - Tegangan : 12 V - Daya : 70 Ah

(56)

5. Termokopel

Termokopel digunakan untuk mengukur temperatur pada titik – titik yang ingin diketahui, pada pengujian ini khususnya temperatur minuman, permukaan triplek dan permukaan dalam aluminium. Termokopel bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran dalam bentuk perangkat lunak Ms. Excel setiap menitnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.5 :

Gambar 3.5 Termokopel

6. Alat pendeteksi suhu dan cuaca (HOBO)

Alat ini berguna untuk mencatat data – data mengenai suhu dan cuaca seperti temperatur, kelembaban relatif (Relative Humidity / RH), DewPt, dan radiasi Matahari, seperti ditunjukkan pada gambar 3.6 :

Gambar 3.6 Pendeteksi suhu dan cuaca Spesifikasi Teknik :

- Jangkauan suhu luar ruangan (outdoor) : -40.0°C to + 65.0°C (-40°F to +149°F)

- Jangkauan suhu dalam ruangan (indoor) : 0°C to + 50.0°C (32°F to +122°F)

- Jangkauan Kelembaban : 1% sampai 99% (Resolusi1%)

- Jangkauan transmisi sampai dengan 330 feet (100m)

- Frekuensi transimisi : 433MHz

Spesifikasi Teknik : - Type : Agilent 34970A - Buatan : Belanda

- Jumlah sensor termokopel : 20 channels multiplexer - Tegangan : 250 V

(57)

7. Laptop

Laptop digunakan dalam proses perhitungan beban panas dalam perangkat lunak Ms. Excel seperti gambar 3.7 :

Gambar 3.7 Laptop

8. Flash Disk (USB Flash Driver)

Flash Disk (USB Flash Driver) digunakan untuk menyimpan data hasil pengujian dari termokopel dan dipindahkan ke laptop seperti gambar 3.8 :

Gambar 3.8 Flash Disk (USB Flash Driver)

9. Gunting

Gunting digunakan untuk menggunting kabel dan selotip seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.9 :

Gambar 3.9 Gunting[26]

Spesifikasi Teknik :

- Processor:Intel® Core™ i5 3230M - Memori : 4GB DDR3

- Hard Drive : 750GB HDD - Optical Drive : DVD + Multi DL - Display: 14.0” HD LED LCD - Baterai : 6-cell Li ion

Spesifikasi Teknik : - Merek : Kingston - Memori : 4GB

(58)

10. Tang

Tang digunakan untuk mengunting / menjepit kabel seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.10 :

Gambar 3.10 Tang

3.4.2 Bahan yang Digunakan

Berikut ini merupakan bahan - bahan yang digunakan dalam pengujian kotak pendingin yaitu :

1. Air Mineral

Dalam pengujian ini, air mineral digunakan sebagai beban pendingin. Air mineral yang digunakan bervolum 240 ml dan jumlah air mineral yang diuji adalah lima cangkir (cup), seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.11 :

Gambar 3.11 Air Mineral 240 ml[22] 2. Kabel Listrik

Kabel digunakan sebagai mengalirnya arus listrik baik arus. Kabel yang digunakan memiliki diameter yang berbeda – beda sesuai dengan besarnya arus yang dialirkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.12 :

(59)

3. Selotip

Selotip digunakan untuk merekatkan kabel – kabel listrik dan menempelkan kabel termokopel pada titik yang ingin diketahui temperaturnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.13 :

Gambar 3.13 Selotip[29]

4. Kain Lap

Kain lap digunakan untuk mengelap plat aluminium di dalam kotak pendingin apabila ada kebocoran air dan mengelap kaca pada panel surya apabila pada hari pengujian sebelumnya turun hujan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.14 :

Gambar 3.14 Kain Lap[25]

3.5 Model Objek Pengujian

Pada pengujian ini, objek pengujian berupa sebuah kotak pendingin dengan bahan dasar stirofoam yang bagian dalamnya dilapisi dengan plat aluminium setebal 1 mm dan pada bagian luarnya dilapisi dengan triplek dengan ketebalan 1 cm. Objek pengujian ini menggunakan elemen pendingin berupa termoelektrik / peltier (Thermoelectric Cooler) dengan kode TEC1 12706 dengan tegangan 12V arus 6A. Peltier ini dilekatkan dengan peredam panas (heatsink) yang telah digabung dengan kipas dengan daya 2,28 W pada sisi luarnya dan sisi dalamnya hanya dua buah kipas. Perkiraan sirkulasi udara di dalam kotak pendingin dapat dilihat pada

(60)

gambar3.15 dimana kipas berputar ke arah termoelektrik sehingga udara dari belakang kipas akan ditiup mengenai sisi dingin termoelektrik dan keluar melalui sisi samping kipas dan menjadi udara dingin. Sedangkan udara panas dari minuman akan naik ke atas dan bercampur dengan udara dingin dari termoelektrik. Desain / Model kotak pendingin ini dapat dilihat pada gambar 3.15 :

Gambar 3.15 Desain kotak pendingin dan hipotesis aliran udara Dari hasil simulasi yang dilakukan diperoleh aliran udara di dalam kotak pendingin yang lebih komplek seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.16 :

Gambar 3.16 Aliran Udara di dalam kotak pendingin hasil simulasi untuk temperatur

Kotak Styrofoam

Plat Aluminium

Media yang didinginkan Udara Normal

Kipas (fan)

Peredam Panas (Heat Sink)

Peltier

Udara Panas Udara Dingin

Sirkulasi Udara Udara Panas

Triplek

(61)

3.6 Skema Pengujian

Adapun skema pengujiannya dapat dilihat pada skema dibawah ini :

Gambar 3.17 Skema Pengujian kotak pendingin yang menggunakan elemen pendingin termoelektrik (peltier)

Adapaun diagram pengujian kotak pendingin dapat dilihat pada gambar 3.18 :

Gambar 3.18 Blok diagram pengujian kotak pendingin

(62)

3.7 Prosedur Pengujian

Pengujian dilakukan selama delapan jam perharinya yaitu dimulai dari jam 09:00 sampai 17:00, dimana suplai daya dari baterai akan mulai diaktifkan pada jam 09:00 dan dinon-aktifkan pada jam 17:00. Panel Surya akan tetap dibiarkan aktif untuk mengisi daya baterai sehingga baterai akan dapat langsung digunakan pada pagi hari berikutnya tanpa harus mengecas terlebih dahulu.

Adapun prosedur pengujian yang akan dilakukan yaitu :

1. Disiapkan semua bahan – bahan dan alat – alat yang dibutuhkan selama pengujian dan dilakukan pemeriksaan terhadap alat, seperti gambar 3.19. Alat dan bahan disusun sesuai dengan skema yang ada pada gambar 3.17.

Gambar 3.19 Persiapan alat dan bahan pengujian

2. Modul panel surya dipasang di tempat paling tinggi dari gedung ataupun tempat yang tidak terhalang oleh bayangan gedung ataupun benda lainnya. Untuk di daerah yang dilewati garis khatulistiwa seperti di kota Medan, pada bulan penghujan yaitu dari bulan Oktober sampai bulan Maret, panel surya cukup diletakkan mendatar ataupun dengan kemiringan sebesar 0° - 4° menghadap arah selatan.

(63)

3. Pengatur tegangan panel surya (Solar Charge Controller/SCC) dipasang sesuai dengan petunjuk yang ada, dimana tersedia tiga bagian untuk kabel positif dan negatif yaitu untuk panel surya, baterai, dan beban, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.20 :

Gambar 3.20 Solar Charge Controller/SCC

Ada tiga buah lampu yang terdapat di sebelah kiri pengatur tegangan /SCC, yaitu lampu untuk panel surya, baterai, dan beban. Warna hijau pada lampu artinya bekerja maksimal untuk panel dan terisi penuh untuk baterai, warna kuning artinya kekurangan daya, dan merah artinya sedang melakukan pengecasan.

4. Air mineral yang bervolum 240 ml berjumlah lima cangkir (cup) dimasukkan ke dalam kotak pendingin dengan susunan sejajar antar cangkir sesuai dengan gambar 3.21 :

Gambar 3.21 Susunan sejajar minuman di dalam kotak pendingin 5. Kabel termokopel yang berjumlah lima buah dipasang pada lima

bagian pada kotak pendingin yaitu :

a). Sisi dalam kotak pada bagian depan (Channel 101) b). Sisi dalam kotak pada bagian bawah (Channel 102) Panel Surya

Baterai Beban

(64)

c). Sisi luar kotak pada bagian kiri (Channel 103) d). Sisi dalam kotak pada bagian kiri (Channel 104)

e). Air mineral yang terletak di bagian tengah (Channel 105).

Letak pemasangan kabel termokopel dapat dilihat pada gambar 3.22 :

Gambar 3.22 Letak kabel termokopel

6. Setelah kabel termokopel terpasang pada titiknya, termokopel dihidupkan dengan terlebih dahulu flash disk (usb driver) dicolokkan pada termokopel tersebut.

7. Kemudian kotak pendingin ditutup dan diisolasi dengan menggunakan selotip sehingga temperatur udara dingin didalam kotak tidak bocor keluar dan temperatur panas tidak langsung masuk ke dalam kotak pendingin.

8. Baterai diaktifkan dengan cara menjepitkan kabel dari pengatur tegangan panel surya/SCC ke baterai dan dibiarkan selama delapan jam sehingga termokopel dapat mencatat temperaturnya.

9. Alat / kotak pendingin dinon-aktifkan pada jam 17:00, dan diambil data yang telah diperoleh.

10. Setelah baterai dinon-aktifkan, kotak pendingin tetap dalam keadaan tertutup dan terisolasi dan dibiarkan sampai pagi hari.

11. Baterai akan kembali diaktifkan jam 09:00 pada pagi berikutnya dan kembali diulang pada langkah ke - 6 dengan terlebih dahulu dilakukan pengecekkan pada alat maupun bahan.

a b

c d

(65)

3.8 Diagram Alir Pengujian

Secara garis besar, pelaksanaan pengujian ini dilaksanakan berurutan dan sistematis seperti ditunjukkan pada gambar 3.23.

(66)

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian dilakukan pada tanggal 6 Januari – 22 Januari 2015 di Lantai IV Gedung Magister Departemen Teknik Mesin Universitas Sumatera Utara 4.1 Hasil Pengujian dan Analisa Data

Data diperoleh dari alat pendeteksi Suhu dan Cuaca dan alat termokopel. 4.1.1 Hasil Pengujian dari Alat Pendeteksi Suhu dan Cuaca

Dari alat pendeteksi suhu dan cuaca diperoleh data – data yaitu temperatur, kelembaban relatif (Relative Humidity / RH), DewPt, dan radiasi matahari yang dapat dilihat pada tabel berikut ini :

Tabel 4.1 Data HOBO yang diperoleh selama pengujian (6 Januari – 22 Januari 2015)

Tanggal Temperatur (°C)

Kelembaban

Relatif (%) DewPt (°C)

Radiasi Matahari (W/m2)

Min Max Min Max Min Max Min Max

6 Januari 2015 23,689 32,975 62,0 97,1 23,0 26,3 0,6 909,4 7 Januari 2015 23,761 33,966 58,1 97,3 23,1 26,1 0,6 870,6 8 Januari 2015 23,593 31,842 67,7 96,9 22,8 25,7 0,6 730,6 9 Januari 2015 22,657 32,304 68,1 98,5 22,4 26,3 0,6 865,6 10 Januari 2015 23,040 33,783 60,1 99,0 22,6 26,5 0,6 931,9 11 Januari 2015 23,545 34,360 59,6 98,8 23,4 26,5 0,6 901,9 12 Januari 2015 22,968 35,102 60,8 98,2 22,2 27,9 0,6 899,4 13 Januari 2015 23,376 34,019 62,9 97,8 22,5 26,4 0,6 919,4 14 Januari 2015 22,106 33,027 61,5 98,0 21,8 26,2 0,6 1116,9 15 Januari 2015 22,393 34,651 58,8 97,9 22,0 26,7 0,6 900,6 16 Januari 2015 23,497 33,131 62,9 97,5 22,9 26,1 0,6 903,1 17 Januari 2015 23,112 33,495 58,4 93,8 21,9 25,3 0,6 846,9 18 Januari 2015 22,441 34,045 53,5 90,9 20,2 24,7 0,6 845,6 19 Januari 2015 22,250 34,440 46,5 89,9 19,3 24,7 0,6 793,1 20 Januari 2015 23,665 35,288 52,8 94,8 22,5 25,5 0,6 894,4 21 Januari 2015 24,050 32,691 62,9 95,3 22,6 25,2 0,6 780,6 22 Januari 2015 24,267 31,077 61,1 92,6 21,6 25,1 0,6 688,1

(67)

Dari tabel 4.1 dapat dilihat bahwa selama pengujian, radiasi matahari yang paling kecil yaitu 688,1 W/m2, dimana terjadi pada tanggal 22 Januari 2015, dan radiasi matahari yang paling besar yaitu 1116,9 W/m2, dimana terjadi pada tanggal 14 Januari 2015.

Adapun data HOBO keseluruhan pada tanggal 22 Januari 2015 yang memiliki radiasi matahari terendah, dapat dilihat pada grafik–grafik berikut:

- Grafik Temperatur

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Udara (22 Januari 2015)

Dari gambar 4.1 diatas, temperatur selama pengujian yaitu dari pukul 9:00 sampai 17:00 merupakan temperatur yang panas dimana rata – rata temperatur udara berada diatas 29°C dan puncaknya pada 31,077°C. Kondisi ini mempengaruhi pendinginan di dalam kotak pendingin karena jika temperatur udara di luar kotak meningkat, maka temperatur di dalam kotak juga akan meningkat.

- Grafik Kelembaban Relatif

Gambar 4.2 Grafik Kelembaban Relatif Udara (22 Januari 2015)

15 17 19 21 23 25 27 29 31 33

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00

T em p er at u r ( ° C)

Waktu (jam) Temperatur Udara

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00

RH (

)

(68)

Pada gambar 4.2, kelembaban relatif udara turun selama pengujian yaitu mulai dari pukul 9:00 dan mencapai titik terendahnya pada 61,1 %. Kelembaban udara mempengaruhi kinerja dari panel surya yang digunakan, yaitu semakin rendah kelembaban udara, kinerja panel surya semakin optimal, dan berlaku sebaliknya kinerja panel surya akan berkurang jika udara mengandung butir – butir air yang banyak yang menghambat jatuhnya foton ke panel surya.

- Grafik DewPt

Gambar 4.3 Grafik DewPt (22 Januari 2015)

DewPt (Dew Point Temperature) pada tanggal 22 Januari 2015 memiliki titik terendah pada temperatur 21,8 °C. DewPt memiliki hubungan dengan kelembaban relatif yaitu jika titik embun / DewPt mendekati temperatur udara, kelembaban relatif tinggi dan jika titik embun / DewPt menjauhi temperatur udara, kelembaban relatif lebih rendah.

- Grafik Radiasi Matahari

Gambar 4.4 Grafik Radiasi Matahari / Solar Radiation (22 Januari 2015)

21 22 22 23 23 24 24 25 25 26

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00

T em p er at u r ( ° C)

Waktu (jam) DewPt

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00

S olar Radi at ion (W/m 2)

(1)

Grafik Termokopel pada tanggal 16 Januari 2015

20 25 30 35

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman 20 25 30 35 40

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman

(2)

Grafik Termokopel pada tanggal 17 Januari 2015

Grafik Termokopel pada tanggal 19 Januari 2015

20 25 30 35 40

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman 20 25 30 35 40

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman

(3)

Grafik Termokopel pada tanggal 21 Januari 2015

20 25 30 35

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman 20 25 30 35 40

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman

(4)

Grafik Termokopel pada tanggal 22 Januari 2015

20 25 30 35 40

9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00

T

em

p

er

at

u

r

(

°

C)

Waktu (jam)

Sisi Depan Sisi Bawah Sisi Luar Sisi Kiri Minuman

(5)

(6)