Rancang Bangun Dan Analisis Termoelektrik Peltier Cooler Untuk Sistem Pendingin
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Beberapa peneliti telah menyelidiki cara kerja generator termoelektrik dan
konversi panas menggunakan kombinasi termodinamika dan non-termodinamika.
Peneliti tersebut menganalisis efek transfer panas antara perangkat termoelektrik
dan panas eksternal tahap tunggal terhadap elemen tunggal generator
termoelektrik dan konversi panas, juga karakteristik multi-elemen dengan
pembalik tekanan perpindahan panas, energi panas di dalam perangkat
termoelektrik, modul microcoolers thermoelectric termoelektrik dan kebocoran
panas melalui kaki-kaki termoelektrik.
Ronggui
Yang
(2004)
dalam
penelitiannya
bahwa
pembuatan
microcoolers thermoelectric memungkinkan termoelektrik untuk dijadikan
komponen microcoolers atau perangkat optoelektronik serta paket pendingin.
Sementara efek pendinginan dalam pendingin termoelektrik dapat digunakan
untuk meningkatkan kinerja perangkat lebih lanjut. Mengenai microdevice yang
perlu ditangani adalah waktu konstan, waktu untuk mencapai suhu minimum
(TRM) dan waktu untuk tetap berada di suhu minimum, yang terpenting untuk
karakterisasi dan pemanfaatan efek pendinginan transien karena efeknya hanya
dapat berkelanjutan untuk waktu yang terbatas. Karena objek yang didinginkan
merupakan beban pada ruang pendingin termoelektrik yang akan mempengaruhi
pencapaian suhu minimum. Dengan menganalisis kerja pendingin objek dan
Universitas Sumatera Utara
sistem pendingin microthermoelectric terintegrasi. Untuk itu Ronggui Yang
merancang sistem pendingin yang dapat diidentifikasi interface dengan
memanfaatan efek pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu.
Kemudian Simon Lineykin (2007) telah meneliti bahwa Modul
Termoelektrik (TEM) merupakan semikonduktor konversi energi yang baik, yang
terdiri dari dua plat array 2N dan dari bahan semikonduktor yang berbeda (p dan
n) membentuk N pasangan termoelektrik yang dialiri panas secara paralel dan
elektrik secara seri. Menurut Simon TEM juga dapat digunakan untuk pendingin,
energi pemanas dan generator. Misalnya sebagai pendingin termoelektrik (TEC),
TEM telah diaplikasikan pada pengaturan panas dan perangkat pengontrol
mikroelektronik seperti laser dioda dan CPU. Untuk generator termoelektrik
(TEG), TEM juga digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik di lokasi terpencil.
Lalu dalam hal memahami fungsi rangkaian elektronik dan memfasilitasi
pemisahan pendinginan atau masalah power generator tanpa memerlukan keahlian
dalam rekayasa panas.
Pada tahun 2009 Lingen Chen, merancang termoelektrik pembangkit
listrik berdasarkan efek Seebeck dan termoelektrik pendingin berdasarkan efek
Peltier. Chen menyelidiki bahwa termoelektrik memiliki kemampuan untuk
dijadikan pembangkit listrik pendingin konvensional dan sistem pemanas.
Menurut Chen, ketiadaan pergerakan komponen dalam peningkatan kehandalan,
pengurangan pemeliharaan dan peningkatan kinerja sistem, memungkinkan
termoelektirk sangat cocok untuk diaplikasikan dalam berbagai skala tanpa
membuat kerugian yang signifikan juga tidak menggunakan freon dapat
menyebabkan kebocoran lingkungan yang berbahaya.
Universitas Sumatera Utara
Chakib Alaoui (2011) membuat pemodelan termoelektrik Peltier untuk
simulasi transien yang dirancang pada suatu ruang pendingin, suhu bagian
dalamnya diukur pada tingkat energi yang berbeda daya inputnya dan membantu
designer memprediksi perilaku panas sistem yang menggunakan termoelektrik
Peltier. Alaoui menyimpulkan bahwa termoelektrik merupakan komponen
semikonduktor berbasis elektronik yang berfungsi sebagai konversi panas
berdasarkan efek Peltier. Jika komponen termoelektrik dialiri arus Direct Current
(DC) dengan tegangan rendah, satu permukaan akan dingin dan permukaan
lainnya menjadi panas. Kemudian jika aliran arus DC dibalik dari arah yang
berlawanan, panas akan bergerak ke arah lain. Dengan demikian perangkat
termoelektrik ini bekerja sebagai pemanas atau pendingin. Termoelektrik Peltier
telah digunakan untuk perangkat medis, sensor teknologi, rangkaian pendingin
terpadu, otomotif dan aplikasi militer.
Richard J, (2011) juga dalam penelitiannya menyimpulkan bahwa pada
dasarnya pembangkit listrik termoelektrik merupakan alat paling baik untuk
mengkonversi aliran panas langsung menjadi tenaga listrik melalui efek Seebeck.
Richard memperhatikan, ada banyak sumber energi tingkat rendah yang melimpah
di alam, salah satunya energi konversi termoelektrik. Misalnya panas laut, energi
uap, matahari dan berbagai bentuk limbah panas lainnya. Untuk itu beliau
memanfaatkan modul termoelektrik tidak hanya sebagai pendingin, melainkan
menjadikan modul termoelektrik sebagai pilihan terbaik untuk aplikasi konversi
energi. Karena terbuat dari bahan semikonduktor dengan efisiensi tinggi pada
suhu nominal dan cocok digunakan sebagai perangkat daya generator untuk
sumber energi intensitas rendah.
Universitas Sumatera Utara
Manoj S. Raut (2012), merevolusi sistem Heating Ventilation and Air
Conditioner (HVAC) baru dengan menggunakan elemen termoelektrik. Manoj S
memperhatikan bahwa laju pertambahan jumlah penduduk dan peningkatan polusi
yang saat ini sudah pada tingkat mengkhawatirkan, mendorong beliau untuk
merancang dan membuat Thermoelectric Cooler (TEC) sebagai solusi. Perangkat
kompresor pendingin konvensional dinilai memiliki banyak kekurangan yang
berkaitan dengan efisiensi energi dan penggunaan pendingin Chlor Flour Carbon
(CFC). Menurut Manoj S, kedua faktor tersebut secara tidak langsung akan
mengakibatkan pemanasan global. Karena sebagian besar pembangkit listrik
bergantung pada pembangkit listrik batu bara yang menambah gas rumah kaca ke
atmosfer adalah penyebab utama pemanasan global. Pada aplikasinya,
termoelektrik terus dikembangkan pada kulkas kecil, paket pendingin elektronik
dan kamera thermal imaging. Sementara dibidang industri terus dikembangkan
dan diamati, termasuk pendingin air, pendingin insulin portable, wadah minuman
portable dan lain-lain. Sampai saat ini, alternatif yang lebih baik untuk pendingin
CFC masih diteliti dan dikembangkan.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, masalah yang
diangkat dalam penelitian ini adalah bagaimana mengembangkan aplikasi
termoelektrik Peltier Cooler sebagai perangkat pendingin yang berkapasitas lima
liter air, ramah lingkungan, terjangkau masyarakat dan bagaimana merancang
Universitas Sumatera Utara
pendingin sebadan dalam control interface juga bagaimana memanfaatan efek
pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu.
1.3 Batasan Masalah
Perancangan penelitian ini dilakukan dengan batasan masalah sebagai berikut:
1. Menggunakan termoelektrik Peltier Cooler sebagai pendingin.
2. Menggunakan ruang kipas untuk pendingin sisi panas dari termoelektrik
Peltier Cooler
3. Menggunakan kipas untuk mensimulasikan aliran udara di dalam ruang
pendingin.
4. Menggunakan mikrokontroler data sebagai monitoring suhu termoelektrik
Peltier Cooler.
5. Menggunakan buzzer sebagai indikator pengontrol suhu objek yang
didinginkan.
1.4 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan sebagai berikut :
1. Untuk dapat memonitor suhu objek yang didinginkan sampai batas dingin
maksimum.
2. Untuk membuat prototype alat pendingin yang ramah lingkungan.
3. Untuk dapat mengukur gradien kecepatan pendinginan pada ruang
pendingin berdasarkan efek suhu minimum.
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian
Pembuatan alat ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut :
1. Mamapu membuat suatu prototype instrumentasi yang dapat dikontrol
untuk mendinginkan air.
2. Sebagai pendingin yang ekonomis dan ramah lingkungan.
3. Memanfaatkan elemen Peltier sebagai pendingin.
1.6 Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Atom Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Adapun
metodologi yang digunakan dalam menyusun dan menganalisis hasil penelitian ini
adalah:
1. Studi literatur yang berhubungan dengan perangcangan pembuatan dan
analisis alat ini.
2. Perencanaan dan pembuatan alat
Merencanakan peralatan yang dirancang baik hardware maupun software.
3. Pengujian alat
Alat yang telah dibangun kemudian diuji apakah telah sesuai dengan apa
yang direncanakan.
4. Analisis hasil
Data yang telah didapat dari pengujian alat kemudian dianalisis dengan
menggunakan software IBM SPSS Statistics 2012 Version 21.
Universitas Sumatera Utara
1.7 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemhaman maka penulis membuat
sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Dalam bab ini berisikan mengenai latar belakang, rumusan masalah,
batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi penelitian atau
teknik pengumpulan dan sistematika penulisan.
BAB II DASAR TEORI
Dalam bab ini dijelaskan tenteng teori pendukung untuk pembahasan
prinsip dasar dan prinsip kerja alat. Teori pendukung itu antara lain tentang
termoelekttrik, elemen termoelektrik peltier, prinsip kerja termoelektrik, sensor
kelembaban dan temperatur, catu daya dan relay.
BAB III PERANCANGAN SISTEM
Dalam bab ini membahas tentang perancangan alat, diagram blok dari
rangkaian alat dan diagram alir alat yang diisikan ke dalam mikrokontroler.
BAB IV PENGUJIAN DAN HASIL
Dalam bab ini dibahas data-data hasil analisa alat dan prinsip kerja alat,
gambaran tiap rangkaian blok dan penjelasannya dan pengujian secara
keseluruhan.
Universitas Sumatera Utara
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan penutup yang berupa kesimpulan dari pembahasan
analisis yang dilakukan dari pembuatan alat. Juga saran yang ditujukan pada
pengguna dan pengembang agar pemakaian alat seefisien mungkin.
Universitas Sumatera Utara
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Beberapa peneliti telah menyelidiki cara kerja generator termoelektrik dan
konversi panas menggunakan kombinasi termodinamika dan non-termodinamika.
Peneliti tersebut menganalisis efek transfer panas antara perangkat termoelektrik
dan panas eksternal tahap tunggal terhadap elemen tunggal generator
termoelektrik dan konversi panas, juga karakteristik multi-elemen dengan
pembalik tekanan perpindahan panas, energi panas di dalam perangkat
termoelektrik, modul microcoolers thermoelectric termoelektrik dan kebocoran
panas melalui kaki-kaki termoelektrik.
Ronggui
Yang
(2004)
dalam
penelitiannya
bahwa
pembuatan
microcoolers thermoelectric memungkinkan termoelektrik untuk dijadikan
komponen microcoolers atau perangkat optoelektronik serta paket pendingin.
Sementara efek pendinginan dalam pendingin termoelektrik dapat digunakan
untuk meningkatkan kinerja perangkat lebih lanjut. Mengenai microdevice yang
perlu ditangani adalah waktu konstan, waktu untuk mencapai suhu minimum
(TRM) dan waktu untuk tetap berada di suhu minimum, yang terpenting untuk
karakterisasi dan pemanfaatan efek pendinginan transien karena efeknya hanya
dapat berkelanjutan untuk waktu yang terbatas. Karena objek yang didinginkan
merupakan beban pada ruang pendingin termoelektrik yang akan mempengaruhi
pencapaian suhu minimum. Dengan menganalisis kerja pendingin objek dan
Universitas Sumatera Utara
sistem pendingin microthermoelectric terintegrasi. Untuk itu Ronggui Yang
merancang sistem pendingin yang dapat diidentifikasi interface dengan
memanfaatan efek pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu.
Kemudian Simon Lineykin (2007) telah meneliti bahwa Modul
Termoelektrik (TEM) merupakan semikonduktor konversi energi yang baik, yang
terdiri dari dua plat array 2N dan dari bahan semikonduktor yang berbeda (p dan
n) membentuk N pasangan termoelektrik yang dialiri panas secara paralel dan
elektrik secara seri. Menurut Simon TEM juga dapat digunakan untuk pendingin,
energi pemanas dan generator. Misalnya sebagai pendingin termoelektrik (TEC),
TEM telah diaplikasikan pada pengaturan panas dan perangkat pengontrol
mikroelektronik seperti laser dioda dan CPU. Untuk generator termoelektrik
(TEG), TEM juga digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik di lokasi terpencil.
Lalu dalam hal memahami fungsi rangkaian elektronik dan memfasilitasi
pemisahan pendinginan atau masalah power generator tanpa memerlukan keahlian
dalam rekayasa panas.
Pada tahun 2009 Lingen Chen, merancang termoelektrik pembangkit
listrik berdasarkan efek Seebeck dan termoelektrik pendingin berdasarkan efek
Peltier. Chen menyelidiki bahwa termoelektrik memiliki kemampuan untuk
dijadikan pembangkit listrik pendingin konvensional dan sistem pemanas.
Menurut Chen, ketiadaan pergerakan komponen dalam peningkatan kehandalan,
pengurangan pemeliharaan dan peningkatan kinerja sistem, memungkinkan
termoelektirk sangat cocok untuk diaplikasikan dalam berbagai skala tanpa
membuat kerugian yang signifikan juga tidak menggunakan freon dapat
menyebabkan kebocoran lingkungan yang berbahaya.
Universitas Sumatera Utara
Chakib Alaoui (2011) membuat pemodelan termoelektrik Peltier untuk
simulasi transien yang dirancang pada suatu ruang pendingin, suhu bagian
dalamnya diukur pada tingkat energi yang berbeda daya inputnya dan membantu
designer memprediksi perilaku panas sistem yang menggunakan termoelektrik
Peltier. Alaoui menyimpulkan bahwa termoelektrik merupakan komponen
semikonduktor berbasis elektronik yang berfungsi sebagai konversi panas
berdasarkan efek Peltier. Jika komponen termoelektrik dialiri arus Direct Current
(DC) dengan tegangan rendah, satu permukaan akan dingin dan permukaan
lainnya menjadi panas. Kemudian jika aliran arus DC dibalik dari arah yang
berlawanan, panas akan bergerak ke arah lain. Dengan demikian perangkat
termoelektrik ini bekerja sebagai pemanas atau pendingin. Termoelektrik Peltier
telah digunakan untuk perangkat medis, sensor teknologi, rangkaian pendingin
terpadu, otomotif dan aplikasi militer.
Richard J, (2011) juga dalam penelitiannya menyimpulkan bahwa pada
dasarnya pembangkit listrik termoelektrik merupakan alat paling baik untuk
mengkonversi aliran panas langsung menjadi tenaga listrik melalui efek Seebeck.
Richard memperhatikan, ada banyak sumber energi tingkat rendah yang melimpah
di alam, salah satunya energi konversi termoelektrik. Misalnya panas laut, energi
uap, matahari dan berbagai bentuk limbah panas lainnya. Untuk itu beliau
memanfaatkan modul termoelektrik tidak hanya sebagai pendingin, melainkan
menjadikan modul termoelektrik sebagai pilihan terbaik untuk aplikasi konversi
energi. Karena terbuat dari bahan semikonduktor dengan efisiensi tinggi pada
suhu nominal dan cocok digunakan sebagai perangkat daya generator untuk
sumber energi intensitas rendah.
Universitas Sumatera Utara
Manoj S. Raut (2012), merevolusi sistem Heating Ventilation and Air
Conditioner (HVAC) baru dengan menggunakan elemen termoelektrik. Manoj S
memperhatikan bahwa laju pertambahan jumlah penduduk dan peningkatan polusi
yang saat ini sudah pada tingkat mengkhawatirkan, mendorong beliau untuk
merancang dan membuat Thermoelectric Cooler (TEC) sebagai solusi. Perangkat
kompresor pendingin konvensional dinilai memiliki banyak kekurangan yang
berkaitan dengan efisiensi energi dan penggunaan pendingin Chlor Flour Carbon
(CFC). Menurut Manoj S, kedua faktor tersebut secara tidak langsung akan
mengakibatkan pemanasan global. Karena sebagian besar pembangkit listrik
bergantung pada pembangkit listrik batu bara yang menambah gas rumah kaca ke
atmosfer adalah penyebab utama pemanasan global. Pada aplikasinya,
termoelektrik terus dikembangkan pada kulkas kecil, paket pendingin elektronik
dan kamera thermal imaging. Sementara dibidang industri terus dikembangkan
dan diamati, termasuk pendingin air, pendingin insulin portable, wadah minuman
portable dan lain-lain. Sampai saat ini, alternatif yang lebih baik untuk pendingin
CFC masih diteliti dan dikembangkan.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan di atas, masalah yang
diangkat dalam penelitian ini adalah bagaimana mengembangkan aplikasi
termoelektrik Peltier Cooler sebagai perangkat pendingin yang berkapasitas lima
liter air, ramah lingkungan, terjangkau masyarakat dan bagaimana merancang
Universitas Sumatera Utara
pendingin sebadan dalam control interface juga bagaimana memanfaatan efek
pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu.
1.3 Batasan Masalah
Perancangan penelitian ini dilakukan dengan batasan masalah sebagai berikut:
1. Menggunakan termoelektrik Peltier Cooler sebagai pendingin.
2. Menggunakan ruang kipas untuk pendingin sisi panas dari termoelektrik
Peltier Cooler
3. Menggunakan kipas untuk mensimulasikan aliran udara di dalam ruang
pendingin.
4. Menggunakan mikrokontroler data sebagai monitoring suhu termoelektrik
Peltier Cooler.
5. Menggunakan buzzer sebagai indikator pengontrol suhu objek yang
didinginkan.
1.4 Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan sebagai berikut :
1. Untuk dapat memonitor suhu objek yang didinginkan sampai batas dingin
maksimum.
2. Untuk membuat prototype alat pendingin yang ramah lingkungan.
3. Untuk dapat mengukur gradien kecepatan pendinginan pada ruang
pendingin berdasarkan efek suhu minimum.
Universitas Sumatera Utara
1.5 Manfaat Penelitian
Pembuatan alat ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut :
1. Mamapu membuat suatu prototype instrumentasi yang dapat dikontrol
untuk mendinginkan air.
2. Sebagai pendingin yang ekonomis dan ramah lingkungan.
3. Memanfaatkan elemen Peltier sebagai pendingin.
1.6 Metodologi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di Laboratorium Fisika Atom Fakultas
Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Sumatera Utara. Adapun
metodologi yang digunakan dalam menyusun dan menganalisis hasil penelitian ini
adalah:
1. Studi literatur yang berhubungan dengan perangcangan pembuatan dan
analisis alat ini.
2. Perencanaan dan pembuatan alat
Merencanakan peralatan yang dirancang baik hardware maupun software.
3. Pengujian alat
Alat yang telah dibangun kemudian diuji apakah telah sesuai dengan apa
yang direncanakan.
4. Analisis hasil
Data yang telah didapat dari pengujian alat kemudian dianalisis dengan
menggunakan software IBM SPSS Statistics 2012 Version 21.
Universitas Sumatera Utara
1.7 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemhaman maka penulis membuat
sistematika penulisan sebagai berikut:
BAB I PENDAHULUAN
Dalam bab ini berisikan mengenai latar belakang, rumusan masalah,
batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, metodologi penelitian atau
teknik pengumpulan dan sistematika penulisan.
BAB II DASAR TEORI
Dalam bab ini dijelaskan tenteng teori pendukung untuk pembahasan
prinsip dasar dan prinsip kerja alat. Teori pendukung itu antara lain tentang
termoelekttrik, elemen termoelektrik peltier, prinsip kerja termoelektrik, sensor
kelembaban dan temperatur, catu daya dan relay.
BAB III PERANCANGAN SISTEM
Dalam bab ini membahas tentang perancangan alat, diagram blok dari
rangkaian alat dan diagram alir alat yang diisikan ke dalam mikrokontroler.
BAB IV PENGUJIAN DAN HASIL
Dalam bab ini dibahas data-data hasil analisa alat dan prinsip kerja alat,
gambaran tiap rangkaian blok dan penjelasannya dan pengujian secara
keseluruhan.
Universitas Sumatera Utara
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini merupakan penutup yang berupa kesimpulan dari pembahasan
analisis yang dilakukan dari pembuatan alat. Juga saran yang ditujukan pada
pengguna dan pengembang agar pemakaian alat seefisien mungkin.
Universitas Sumatera Utara