Aplikasi Termoelektrik Generator Sebagai Sumber Energi Listrik Dengan Lensa Fresnel Sebagai Kolektor Panas Matahari

V

+

-B

B

T2

T1

A

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Efek Seebeck

Penemuan pertama kali terkait dengan termoelektrik terjadi pada tahun 1821, seorang fisikawan Jerman yang bernama Thomas Johan Seebeck melakukan eksperimen dengan menggunakan dua material logam yang berbeda yaitu tembaga dan besi. Kedua logam itu dirangkai menjadi sebuah sambungan dimana salah satu sisi logam dipanaskan dan sedangkan satu sisi logam yang lainya tetap dijaga pada suhu konstan sehingga arus akan mengalir pada rangkaian tersebut. Arus listrik yang mengalir akan mengindikasikan adanya beda potensial antara ujung – ujung kedua sambungan. Jarum kompas yang sebelumnya telah diletakkan diantara dua plat tersebut ternyata mengalami penyimpangan atau bergerak hal ini disebabkam adanya medan magnet yang dihasilkan dari proses induksi elektromagnetik yaitu medan magnet yang timbul karena adanya arus listrik pada logam. Dibawah ini adalah simulasi dari rangkaian kedua logam A dan logam B

Gambar 2.1 Eksperimen Rangkaian dari Efek Seebeck

Hubungan antara tegangan (V) dan perbedaan temperature (T1 dan T2)

antara kedua ujung logam (SA dan SB ) dapat dinyatakan dengan persamaan

berikut.

VAB = ∫_��2(��(�)− ��(�)) ��

1 (2.1)

VAB = (SA – SB)(T2 – T2) (2.2)

Keterangan

VAB : Tegangan pada logam A dan logam B (Volt)

SA dan SB : Koefisien Seebeck dari logam A dan logam B

I

Conductor B Conductor A

2.2 Efek Peltier

Pada tahun 1834 seorang fisikawan Francis bernama Jean Charle Athanase Peltier, menyelidiki kembali eksperimen dari efek Seebeck . Peltier menemukan kebalikan dari fenomena Seebeck ketika arus listrik mengalir pada suatu rangkaian dari material logam yang berbeda terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainya. Pelepasan dan penyerapan panas bersesuaian dengan arah arus listrik pada logam. Arus listrik dengan besar I sepanjang junction dari 2 konduktor yang berbeda A dan B dengan koefisien peltier ᴨA dan ᴨBmenghasilkan kalor dengan

tingkat menurut:

W = (ᴨA - ᴨB).I (2.3)

Pada gambar dibawah, nilai W bisa positif ataupun negatif. Nilai negatif menandakan pendinginan dari junction. Berlawanan dengan pemanasan joule, efek peltier sifatnya reversible dan tergantung dari arah arus listrik.

Gambar 2.2 Efek peltier

Efek peltier terjadi karena adanya arus listrik yang mempunyai arus kalor dalam konduktor homogeni, yang terjadi walaupun temperature dalam keadaan konstan. Akibat dari arus kalor menurut ᴨ . I. Persamaan kalor peltier adalah keseimbangan dari aliran kalor dari dan menujuinterface. Arus kalor bersama arus listrik dapat dijelaskan melalui perbedaan kecepatan aliran elektron yang membawa arus listrik. Kecepatan aliran bergantung pada energi dari elektron yang mengalami konduksi. Contoh, apabila kecepatan aliran dari elektron dengan energi lebih dari potensi kimia (energi Fermi) lebih besar dari elektron dengan energi lebih rendah, arus listrik bersama arus kalor dengan arah berlawanan (karena beban listrik negatif). Dalam hal ini , koefisien peltier bernilai negative.

Situasi yang sama akan terjadi untuk n semikonduktor , dimana arus listrik yang dibawa oleh elektron dalam keadaan ikatan konduksi.

Koefisien Seebeck (S) dan Peltier (ᴨ) menurut hubungan

ᴨ = T.S (2.4)

Yang sudah ditemukan oleh Lord Kelvin, tapi untuk setiap nilai derivasi yang valid hanya dapat dibuktikan setelah menggunakan teori kinetik dari konduksi elektron atau termodinamika setelah menggunakan teori kinetik dari konduksi elektron atau termodinamika ireversibel. Hubungan kelvin menghubungkan material untuk 2 efek fisika yang berbeda, dimana efek peltier mempunyai penjelasan yang simpel seperti yang dijelaskan diatas.

2.3 Elemen Peltier

Konsep dasar dari sel peltier yaitu efek Seebeck dan efek Peltier, dimana sel peltier ini merupakan bahan semikonduktor yang bertipe-p dan tipe-n. semikonduktor merupakan bahan setengah penghantar listrik yang disebabkan perbedaan gaya ikat diantara atom-atom, ion-ion, atau molekul-molekul.

Semua ikatan zat padat atau bahan padat yang lainya disebabkan adanya gaya listrik dan tergantung pada jumlah elektron terluar pada struktur atom. Bahan padat yang dimaksud adalah bahan padat seperti , isolator, semikonduktor atau pun superkonduktor. Untuk penyusun dari bahan padat terbagi menjadi dua bagian yaitu bahan padat Kristal dan bahan padat amorf. Bahan padat Kristal merupakan suatu bahan padat dengan struktur partikelnya disusun secara keteraturan yang panjang dan berulang secara periodic, contohnya Silicon, Germanium, Gallium, Arsenid, dsb. Sedangkan bahan padat amorf struktur partikelnya disusun dengan keteraturan yang pendek dan tidak berulang secara periodic, contohnya Amorphos Silicon.

Gambar 2.3Struktur Elemen Peltier

Semikonduktor terbagi menjadi dua yaitu semikonduktor instrinsik (murni) dan semikonduktor ekstrinsik (tidak murni). Semikonduktor instrinsik merupakan jenis semikonduktor yang murni dengan elektron valensi empat, misalnya silicon dan germanium, keduanya terletak pada kolom empat dan table periodic. Silicon dan germanium dibentuk oleh tetrahedral dimana setiap atom akan menggunakan bersama atom elektron valensi dengan atom – atom tetangganya.

Semikonduktor ekstrinsik merupakan semikonduktor tidak murni dimana terjadi penambah elektron. Proses penambahan disebut Doping untuk mendapatkan elektron valensi bebas dalam jumlah lebih banyak dan permanen, yang diharapkan agar dapat menghantarkan listrik. Doping dibagi menjadi dua tipe yaitu tipe-N dan tipe-P, dimana semikonduktor tipe-N ynag menghasilkan muatan negatif dan merupakan donor untuk melepaskan elektron sedangkan semikonduktor tipe-P menghasilkan muatan positif.

Dalam penjelasan semikonduktor maka dapat disimpulkan bahwa didalma sel Peltier terdapat bahan semikonduktor tipe-N dan tipe P yang apabila kedua tipe tersebut diberi arus listrik akan menimbulkan beda potensial.

n p Th

Tc

I

+

-R

Gambar 2.4 Modul termoelektrik mengkonversi panas menjadi listrik

Dengan adanya perbedaan suhu pada kedua titik junction maka akanada beda potensial diantara kedua titik trsebut, yang dapat ditentukan dengan rumus:

∆V = ∫ �_��₁2 ���� (2.5)

Dimana SAB adalah koefisien Seebeck dengan T1 < T2(Shepta,DH. 2012)

2.4 Termoelektrik Generator

Dengan menggunakan prinsip efek Seebeck, pembangkit termoelektrik (termoelektrik generator) mengubah energy termal pada elemen peltier yang ada pada termoelektrik, menjadi energy listrik. Dengan perbedaan temperature antara sisi dingin dan sisi panas pada elemen termoelektrik, pada elemen ini akan mengalir arus sehingga terjadi perbedaan tegangan. Aplikasi pembangkit termoelektrik digunakan secara luas, terutama dalam berbagai hal yang menggunakan sumber panas sebagai penghasil listrik. System gas buang kendaraan, burner dan furnace adalah beberapa contoh dari aplikasi pembangkit termoelektrik.

Secara umum, beberapa material pembangkit termoelektrikyang telah diproduksi menggunakan:

1. Silicon Germanium 2. Lead Telluride

3. Bismuth Telluride alloys

Ketiga material ini terbagi berdasarkan temperatur kerjanya. Untuk material Silicon Germanium , temperatur kerja paling tinggi diantara 2 material lainya. Material ini dapat menyerap panas dalam range temperature 7500C sampai

10000C . Material ini dapat menyerap beda potensial yang lebih tinggi dari material termoelektrik lainya. Kekurangan dari material ini adalah tingginya harga, sehingga menaikkan ongkos produksinya.

Material Lead Telluride merupakan material dengan temperature kerja menegah, dibawah material Silicon Germanium, dan diatas temperature kerja Bismuth Telluride alloys. Material ini mempunyai temperature kerja dengan rentang antara 4000C – 6500C.

Material yang paling umum digunakan dalam elemen termoelektrik adalah material Bismuth Telluride alloys. Dengan rentang temperature kerja hingga 3500C , material ini umum dipakai sebagai elemen pendingin pada aplikasi pendinginan, atau kombinasi pendinginan dan pemanasan dengan adanya perbedaan temperature yang membuat timbulnya daya listrik dibandingkan dengan dua material yang lain, daya keluaran serta efisiensi pembangkit bismuth telluride lebih kecil, tetapi dengan tersedianya sumber termal, daya yang diinginkan akan dapat tercapai.

Modul pembangkit termoelektrk mempunyai bentuk dasar dengan dua jenis, antara lain linier shape modulue (bisa dibentu sesuai penempatanya) dengan biaya produksi yang lebih tinggi dan umumnya memerlukan pesananan dengan spesifikasi khusu. Dan traditional square module yang dijual secara umum dengan bentuk persegi.

Karakteristik dari elemen termoelektrik adalah internal resistance , thermal conductivity dan termoelektrik power yang merupakan hubungan kecepatan perpindahan elektron valensi pada dua material.

Gambar 2.5 Perbedaan Kalor pada Peltier

Kalor yang dilepaskan pada sisi dingin sebanding dengan suhu absolut pada sisi tersebut dan sebanding dengan jumlah elektron yang dipindahkan. Jika kedua sisi elemen peltier mempunyai suhu yang berbeda, sejumlah kalor akan berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin. Hal ini dapat menyebabkan power loss. Oleh karena itu power loss ini harus dapat dikurangi dengan mengurangi heat capacity dalam peltier. Dapat dikatakan bahwa, kalor yang dipancarkan oleh sisi panas adlah jumlah dari kalor yang diserap oleh sisi dingin dan electrical power loss.

Modul pembangkit termoelektrik tersusun dari dua lapisan keramik pada sisi paling luarnya yang berfungsi sebagai insulator listrik, dengan lapisan yang berbentuk seperti wafer. Sisi luar pada modul pembangkit termoelektrik berguna sebagai medium perpindahan kalor. Setelah sisi luar keramik, terdapat konduktor listrik pada lapisan bawahnya yang menggunakan material tembaga atau timah, material ini berfungsi sebagai penghubung antara kedua semikonduktor tipe-p dan tipe-n, yang terdapat pada lapisan dibawahnya lagi, yang tersusun secara bergantian sesuai dengan karakteristik yang dipunyai oleh elemen termoelektrik yang dijelaskan sebelumnya, dimana internal resistance atau tahanan dalam dari elemen peltier/elemen termoelektrik adalah tahan listrik dalam peltier. Kemudian

thermal conductivity atau konduktivitas termal adalah perpindahan kalor yang terjadi pada material yang satu dengan yang lain dalam elemen termoelektrik.

Hal yang perlu diperhatikan dalam pembangkit termoelektrik adalah menjaga perbedaan temperatur sebesar mungkin, pada umumnya untuk mencapai perbedaan temperatur yang besar, digunakan perangkat untuk mendinginkan sisi dingin dari elemen peltier, berbagai variasi perangkat pendinginan telah digunakan sebelumnya dalam penelitian antara lain penggunaan heatsink.

Efisiensi dari power generated ini dapat diukur dengan menggunakan rasio dari daya listrik (P0) terhadap heat flow (Qh).

Ƞ = ��

�ℎ (2.6)

Sedangkan daya yang diperoleh

Po = I2Ro (2.7)

Heat flow yang terjadi pada sisi panas terdiri dari tiga komponen. Heat flow yang melalui material termoelektrik karena sifat konduktivitas dari material tersebut, K∆T. Panas yang terabsorbsi pada hot side dari termoelektrik karena efisiensi peltier, dua panas yang disebabkan oleh daya yang dihasilkan, I2R, dengan asumsi setengah panas masuk kedalam sisi pans, setengah masuk pada sisi bagian dingin. Dan R adalah hambatan dari material termoelektrik.

Qh= α Th I + K (Th – Tc) - ��

2 �2 (2.8)

Arus yang melalui modul ini dapat disesuaikan dengan merubah beban dari modul tersebut. Efesiensi optimal dapat diketahui dengan rumus.

Ƞ =

∆�

�ℎ ( √1+���−1)

√1+��� + ��

�ℎ

(2.9)

Dengan �� = ��+ �ℎ

2 sebagai suhu rata – rata dan Z = �2_�

� adalah figure of merit . semakin tinggi nilai figure of merit ,maka semakin tinggi nilai efisiensi dari termoelektrik. (Wirawan, Rio. 2012).

2.5 Daya Listrik

Energi listrik merupakan bentuk energi yang dihasilkan dari adanya beda potensial antara dua titik, sehingga membentuk sebuah arus listrik dan mendapatkan kerja listrik. Energy listrik dinyatakan sebagai arus listrik yang

bermuatan listrik negative atau elektron karena adanya perbedaan beda potensial. Pada tahun (1787-1854) Georg Simon Ohm menentukan dan melakukan eksperimen bahwa arus I pada logam sebanding dengan beda potensial V. Kemudian jika pada logam atau kawat diberikan hambatan R terhadap arus maka elektron-elektron diperlambat karena adanya interaksi dengan atom-atom. Sehingga makin tinggi hambatan, makin kecil arus I pada suatu tegangan V.

Energi listrik yang diubah menjadi energy panas atau cahaya akan terjadi banyak tumbukan elektron yang bergerak dan ataom pada kawat sehingga menyebabkan arus menjadi besar. Pada kawat setiap tumbukan , sebagian energy elektron ditransfer ke atom yang ditumbuknya akibatnya energy kinetic atom bertambah dengan demikian temperature elemen kawat bertambah. Energy panas yang bertambah dapat ditransfer sebagai kalor dengan perpindahan panas secara konduksi dan konveksi.

Daya merupakan suatu besaran yang penting dalam rangkaian listrik. Daya merupakan kecepatan perubahan energy. Untuk mencari daya yang diubah ke listrik maka energy yang diubah merupakan muatan Q yang bergerak melintasi beda potensial sebesar V sehingga perubahan tersebut ditulis Q. Jadi persamaan matematika dalam menghitung daya (P)

P =��

� (2.9)

Jika suatu tegangan V dikenakan pada unsur dimana di dalamnya menglair arus (A) , sehingga daya (P) dapat ditulis dengan persamaan berikut:

P = V I (2.10)

Dimana :

P = Daya listrik (Watt atau J/det) I = Arus listrik (A)

V = Beda potensial (Volt)

Untuk menghitung daya pada hambatan (R) dapat ditulis dengan hukum Ohm, sehingga daya listrik dapat juga dihitung dengan menggunakan persamaan berikut ini:

P = �

2

� (2.11)

Dimana :

I = Arus listrik (A) R = Hambatan (Ω) 2.6 Perpindahan Panas

Perpindahan panas dapat didefenisikan sebagai berpindahnya energi dari suatu daerah ke daerah lainnya sebagai akibat dari beda suhu antara daerah – daerah tersebut. Tiga cara perpindahan panas yang berbeda: radiasi (radiation), konduksi (conduction ; juga dikenal dengan istilah hantaran), dan konveksi (convection).

2.6.1 Konduksi

Konduksi adalah proses dengan panas mengalir dari daerah yang bersuhu lebih tinggi kedaerah yang bersuhu lebih rendah didakam suatu medium (padat, cair atau gas) atau antara medium – medium yang berlainan yang bersinggungan secara langsung. Dalam aliran panas konduksi, perpindahan energi terjadi karena hubungan molekul secara langsung tanpa adanya perpindahan molekul yang cukup besar. Konduksi adalah satu – satunya mekanisme dimana panas dapat mengalir dalam zat padat yang tidak dapat tembus cahaya.

Laju perpindahanpanaskonduksi dapat dinyatakan dengan Hukum Fourrier.

q = -kA ���

��� (2.12)

Dimana :

q = Laju perpindahan panas (W)

k = Konduktivitas Termal bahan (W/mK)

A = Luas penampang dimana panas mengalir (m2)

dT/dx = Gradien suhu pada penampang atau laju perubahan suhu T terhadap jarak dalam arah aliran panas x (K)

2.6.2 Konveksi

Konveksi adalah proses transfer energi dengan kerja gabungan dari konduksi panas, penyimpanan energi dan gerakan mencampur. Perpindahan energi dengan cara konveksi dari suatu permukaan yang suhunya diatas suhu fluida sekitarnya berlangsung dalam beberapa tahap. Pertama, panas akan mengalir dengan cara

konduksi dari permukaan ke partikel – partikel fluida yang berbatasan. Energi yang berpindah dengan cara demikian akan menaikkan suhu dan energi dalam partikel fluida ini. Kemudian partikel fluida tersebut akan bergerak ke daerah yang bersuhu lebih rendah di dalam fluida dimana partikel tersebut akan bercamp\ur dan memindahkan sebaian energinya pada partikel fluida lainnya. Dalam hal ini alirannya adalah aliran fluida maupun energi. Energi disimpan didalam partikel – partikel fluida dan diangkut sebagai akibat gerakan massa partikel tersebut.

Pada umumnya laju perpindahan panas dapat dinyatakan dengan hukum persamaan pendinginan Newton sebagai berikut:

q = h A ∆T (2.13)

Dimana:

q = Laju perpindahan panas konveksi (W)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2K) A = Luas penampang (m2)

∆T = Perubahan atau perbedaan suhu (K) 2.6.3 Radiasi

Perpindahan panas dari benda dengan suhu tinggi ke benda dengan suhu lebih rendah bila benda dipisahkan dalam ruang (bisa ruang hampa) berkat fenomena analogi pancaran sinar dan gelombang elektromagnetik (radiasi matahari).

Persamaan untuk mencari perpindahan panas radiasi adalah sebagai berikut:

q = ɛ σ A T 4 (2.14)

Dimana

q = lajuperpindahan panas radiasi (W)

ɛ = emisivitas bahan

σ = konstanta Stefan-Boltzmann, (5.67x10-8 W/m2 K4) A = luas permukaan (m2)

T = suhu permukaan T (K).

2.7 Kolektor Surya

Kolektor surya merupakan piranti utamadalam sistem surya termal yang berfungsimengumpulkan dan menyerap radiasi sinarmatahari dan mengkonversinya menjadienergi panas. Ketika cahaya mataharimenimpa absorber pada kolektor surya,sebagian cahaya akan dipantulkan kembalike lingkungan, sedangkan sebagianbesarnya akan diserap dan dikonversimenjadi energi panas, lalu panastersebut dipindahkan kepada fluida yangbersirkulasi di dalam kolektor surya untukkemudian dimanfaatkan pada berbagaiaplikasi yang membutuhkan panas.

Kolektor surya yang pada umumnya memiliki komponen-komponen utama, yaitu:

1. Cover berfungsi untuk mengurangi rugi panas secara konveksi menuju lingkungan.

2. Absorber berfungsi untuk menyerap panas dari radiasi cahaya matahari. 3. Kanal berfungsi sebagai saluran transmisi fluida kerja .

4. Isolator berfungsi meminimalisasi kehilangan panas secara konduksi dari absorber menuju lingkungan.

5. Frame berfungsi sebagai struktur pembentuk dan penahan beban kolektor.

2.7.1 Jenis Kolektor Surya

Kinerja sistem surya termal sangatdipengaruhi oleh rancangan dan pemilihanjenis kolektor surya, desain sistem / aplikasi, serta pemilihan material. Kolektor suryadapat dibuat dalam berbagai bentuk danukuran tergantung pada aplikasi yangdibutuhkan. Saat ini terdapat berbagaijenis kolektor surya termal, antara lain a. Kolektor surya pelat datar

Kolektor surya pelat datar merupakanjenis kolektor yang saat ini sudahbanyak dipasaran. Kolektor iniumumnya digunakan untukmemanaskan air atau udara dengansuhu operasi yang cukup rendah, yaitudibawah 800C. Ciri khas kolektor pelatdatar adalah berupa kotak logam/baja terisolasi yang memiliki pelatpenyerap (absorber) berwarna hitamdan ditutupi oleh lapisan kaca/plastic transparan/tembus cahaya. Kolektorjenis ini bekerja seperi efek rumahkaca yang menjebak panas didalampelat kaca transparan dan kemudianmentransfernya ke

fluida cair atauudara. Keuntungan kolektor suryajenis ini adalah tidak membutuhkanbiaya yang tinggi dan dapat menerimaradiasi surya langsung maupun radiasisebaran.

Gambar 2.6 Kolektor Surya Pelat Datar (sumber : www.powerfromthesun.net)

b. Kolektor tabung hampa (vacuum tube collector)

Jenis ini dirancang untuk menghasilkanenergi panas dengan temperatur yanglebih tinggi. Keistimewaannya terletakpada efisiensi transfer panasnyayang tinggi tetapi faktor kehilanganpanasnya yang relatif rendah. Halini dikarenakan fluida yang terjebakdiantara absorber dan cover-nyadikondisikan dalam keadaan vakum,sehingga mampu meminimalisasikehilangan panas yang terjadi daripermukaan luar absorber menujulingkungan.Kolektor jenis ini menggunakanteknologi tinggi dan mahal sehinggalebih sesuai untuk aplikasi besarseperti sistem pendingin danpembangkit listrik.

Gambar 2.7 Kolektor Surya Tabung Hampa

c. Kolektor parabola / konsentrator

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yangmembutuhkan energi panas pada temperature tinggi > 100 0C. Kolektorsurya jenis ini mampu memfokuskanenergi radiasi cahaya mataharipada suatu receiver, sehingga dapatmeningkatkan kuantitas energi panasyang diserap oleh absorber. Komponenkonsentrator harus terbuat darimaterial dengan transmisivitas tinggi.

Gambar 2.7 Kolektor Parabola

d. Kolektor Surya Prismatik (Prismatic Solar Colector)

Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor pelat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari 4 bidang yang membentuk prisma, 2 bidang berbentuk segi-tiga sama kaki dan 2 bidang yang lain berbentuk segi-empat siku-siku. Keunggulan dari kolektor surya tipe prismatik ini adalah kemampuannya untuk dapat menerima energi radiasi matahari dari segala posisi matahari.

e. Lensa

Lensa merupakan benda bening yang dibatasi oleh dua bidang lengkung. Dua bidang lengkung yang membatasi lensa berbentuk silindris maupun bola. Lensa silindris bersifat memusatkan cahaya dari sumber titik yang jauh pada suatu garis, sedangkan lensa yang berbentuk bola yang melengkung ke segala arah memusatkan cahaya dari sumber yang jauh pada suatu titik.

Ada dua jenis lensa yaitu lensa cembung dan lensa cekung yaitu sebagai berikut ini;

a. Lensa cembung adalah lensa yang bagian tengah lebih tebal daripada bagian tepinya. Sinar – sinar bias lensa cembung bersifat mengumpul (konvergen). Lensa cembung digolongkan menjadi cembung rangkap (bikonveks), cembung datar (plan-konveks) dan cembung-cekung (konkaf-konveks)

b. Lensa Cekung adalah lensa yang bagian tengahnya lebih tipis daripada bagian tepinya. Sinar-sinar bias lensa cekung bersifat memancar (divergen).

Lensa Cekung digolongkan menjadi cekung rangkap (bikonkaf), cekung datar (plan-konkaf) dan cekung-cembung (konveks – konkaf)

(Marbun, Nesten M.2009)

2.8 Lensa Fresnel

Lensa Fresnel adalah lensa kaca atau plastik yang awalnya diciptakan untuk meningkatkan kemampuan mercusuar. Terdiri dari konsentris bahan cincin siku, lensa Fresnel menggunakan cincin ini untuk fokus cahaya ke bagian tengah lensa. Meskipun lensa Fresnel tidak umum di mercusuar hari ini, ada banyak aplikasi lain yang menggunakannya.

Menurut Menghani et.al (2012), ada dua tipe Fresnel yaitu lensa bias (refractive lens) dancermin bias (reflective mirrors), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.8. Lensa Fresnel biassebagian besar digunakan dalam aplikasi fotovoltaik sedangkan cermin reflektif banyakdiaplikasikan dalam solar thermal. Disain optical Lensa fresnel lebih fleksibel dan dapatmenghasilkan kerapatan fluks yang seragam pada absorber. Pada tipe lensa fresnel denganfokus titik secara geometri tersusun berupa alur melingkar yang berbentuk prisma dengansudut kemiringan tertentu untuk membentuk fokus (Gambar 2.9)

Gambar 2.9 (a) reflective mirror fresnel, (b) refractive lens fresnel (Menghani et.al, [9])

Gambar 2.10 Bentuk permukaan lensa Fresnel

Beberapa kelebihan lensa fresnel modern (berbahan plastik) dibandingkan dengan tipe lensacembung konvensional (berbahan kaca) adalah 1) lebih ringan lensa fresnel modern berbahanbahan plastik (acrylic, polymethylmethacrylate (PMMA), polycarbonate (PC), polyvinyl chloride (PVC), dan rigid vinyl) bukan dari kaca (glass), 2) permukaan lebih tipis dan bisa dilapisi denganplastik sehingga bentuk datar, 3) pemakaian lebih praktis karena selain tipis dan ringan, jugamenghasilkan fokus yang bisa ditentukan dengan luasan yang sama dan 4) penggunaannya lebihbanyak dibandingkan dengan jenis lensa tipe cembung, seperti untuk traffic light, lighting house,LCD Projector dan untuk konsentrator solar cooker dan lain-lain.(Asrori, dkk.2014)

2.9 Sensor Suhu

Sensor suhu adalah alat yang dapat mendeteksi adanya perubahan suhu menjadi suatu keluaran signal listrik sehingga suhu yang ada pada system dapat terukur. Termokopel merupakan sensor suhu yang terdiri atas sepasang penghantar yang berbeda disambung las atau dileburkan bersama pada satu sisi membentuk penghantar ”panas” atau sambungan pengukuran yang ada ujung ujung bebasnya untuk menghubungkan dengan penghantar ”dingin” atau sambunganreferensi. Perbedaan suhu antara sambungan pengukuran dan sambungan referensi alat ini berfungsi sebagai termokopel dan bisa membangkitkan tegangan dc yang kecil. Tegangan output termokopel hampir berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara sambungan pengukuran (panas) dan sambungan referensi (dingin). (Kristanto, Sigit Adi. 2013)

Sensor suhu yang dipakai menggunakan termokopel tipe K (K-Type Thermocouple) dengan temperature spring probe yang tahan terhadap suhu tinggi, diproses oleh modul digitizer yang menggunakan IC MAX6675 dari Maxim.Fungsi dari termokopel adalah untuk mengetahui perbedaan temperature di bagian ujung dari dua bagian metal yang berbeda dan disatukan. MAX6675 bukan saja mendigitalisasi sinyal analog dari termokopel tipe-K, sirkuit terpadu di dalamnya juga melakukan kompensasi "persimpangan dingin" (cold-junction) untuk akurasi terbaik.

Yang dimaksud cold-junction-compensation adalah fungsi IC Ini untuk mendeteksi fluktuasi suhu lingkungan (ambience temperature) pada ujung dingin (cold-end) — suhu yang dideteksi oleh sensor suhu internal MAX6675, dapat berkisar antara -20°C hingga +85°C — sehingga dapat mengoreksi pembacaan suhu pada ujung panas (hot-end) yang merupakan suhu yang terbaca pada probe (hingga +1024°C, dalam kit ini maksimum suhu dibatasi oleh probe's temperature rating sebesar +800°C).

Mengakses data dari MAX6675 dapat dilakukan dengan mudah dari mikrokontroler melalui protokol SPI (Serial Peripheral Interface). Data yang dilaporkan beresolusi 0,25°C dengan lebar data 12 bit (0~4095).Untuk dapat melakukan pengukuran actual, MAX6675 mengukur tegangan dari output termokopel dan tegangan dari sensing diode.

2.10 Heatsink

Heatsink adalah material yang dapat menyerap dan mendisipasi panas dari suatu tempat yang bersentuhan dengan sumber panas dan membuangnya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 Heatsink digunakan pada beberapa teknologi pendingin seperti refrijerasi, air conditioning, dan radiator pada mobil.

Sebuah heatsink dirancang untuk meningkatkan luas kontak permukaan dengan fluida disekitarnya, seperti udara. Kecepatan udara pada lingkungan sekitar, pemilihan material, desain sirip (atau bentuk lainnya) dan surface treatment adalah beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan thermal dari heatsink. Thermal adhesive (juga dikenal dengan thermal grease) ditambahkan pada dasar permukaan heatsink agar tidak ada udara yang terjebak di antara heatsink dengan bagian yang akan diserap panasnya.

2.11 Sensor Arus

Sensor arus adalah alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik. ACS712 merupakan suatu IC terpaket yang mana berguna untuk mengukur arus. Sensor arus ini menggunakan metode Hall Effect Sensor. Hall Effect merupakan sensor yang digunakan untuk mendeteksi medan magnet.

Pada prinsipnya ACS712 sama dengan sensor efek hall lainya yaitu dengan memanfaatkan medan magnetic di sekitar arus kemudian dikonversi menjadi tegnagan yang linier dengan perubahan arus. Nilai variable dari sensor ini diolah. Keluaran ACS712 masih berupa sinyal tegangan AC, agar dapat diolah oleh mikrokontroller maka sinyal tegangan AC ini disearahkan oleh rangkaian penyearah.

fluida cair atauudara. Keuntungan kolektor suryajenis ini adalah tidak membutuhkanbiaya yang tinggi dan dapat menerimaradiasi surya langsung maupun radiasisebaran.

Gambar 2.6 Kolektor Surya Pelat Datar (sumber : www.powerfromthesun.net)

b. Kolektor tabung hampa (vacuum tube collector)

Jenis ini dirancang untuk menghasilkanenergi panas dengan temperatur yanglebih tinggi. Keistimewaannya terletakpada efisiensi transfer panasnyayang tinggi tetapi faktor kehilanganpanasnya yang relatif rendah. Halini dikarenakan fluida yang terjebakdiantara absorber dan cover-nyadikondisikan dalam keadaan vakum,sehingga mampu meminimalisasikehilangan panas yang terjadi daripermukaan luar absorber menujulingkungan.Kolektor jenis ini menggunakanteknologi tinggi dan mahal sehinggalebih sesuai untuk aplikasi besarseperti sistem pendingin danpembangkit listrik.

Gambar 2.7 Kolektor Surya Tabung Hampa

c. Kolektor parabola / konsentrator

Jenis ini dirancang untuk aplikasi yangmembutuhkan energi panas pada temperature tinggi > 100 0C. Kolektorsurya jenis ini mampu memfokuskanenergi radiasi cahaya mataharipada suatu receiver, sehingga dapatmeningkatkan kuantitas energi panasyang diserap oleh absorber. Komponenkonsentrator harus terbuat darimaterial dengan transmisivitas tinggi.

Gambar 2.7 Kolektor Parabola

d. Kolektor Surya Prismatik (Prismatic Solar Colector)

Kolektor surya tipe prismatik dapat digolongkan dalam kolektor pelat datar dengan permukaan kolektor berbentuk prisma yang tersusun dari 4 bidang yang membentuk prisma, 2 bidang berbentuk segi-tiga sama kaki dan 2 bidang yang lain berbentuk segi-empat siku-siku. Keunggulan dari kolektor surya tipe prismatik ini adalah kemampuannya untuk dapat menerima energi radiasi matahari dari segala posisi matahari.

e. Lensa

Lensa merupakan benda bening yang dibatasi oleh dua bidang lengkung. Dua bidang lengkung yang membatasi lensa berbentuk silindris maupun bola. Lensa silindris bersifat memusatkan cahaya dari sumber titik yang jauh pada suatu garis, sedangkan lensa yang berbentuk bola yang melengkung ke segala arah memusatkan cahaya dari sumber yang jauh pada suatu titik.

Ada dua jenis lensa yaitu lensa cembung dan lensa cekung yaitu sebagai berikut ini;

a. Lensa cembung adalah lensa yang bagian tengah lebih tebal daripada bagian tepinya. Sinar – sinar bias lensa cembung bersifat mengumpul (konvergen). Lensa cembung digolongkan menjadi cembung rangkap (bikonveks), cembung datar (plan-konveks) dan cembung-cekung (konkaf-konveks)

b. Lensa Cekung adalah lensa yang bagian tengahnya lebih tipis daripada bagian tepinya. Sinar-sinar bias lensa cekung bersifat memancar (divergen).

Lensa Cekung digolongkan menjadi cekung rangkap (bikonkaf), cekung datar (plan-konkaf) dan cekung-cembung (konveks – konkaf)

(Marbun, Nesten M.2009)

2.8 Lensa Fresnel

Lensa Fresnel adalah lensa kaca atau plastik yang awalnya diciptakan untuk meningkatkan kemampuan mercusuar. Terdiri dari konsentris bahan cincin siku, lensa Fresnel menggunakan cincin ini untuk fokus cahaya ke bagian tengah lensa. Meskipun lensa Fresnel tidak umum di mercusuar hari ini, ada banyak aplikasi lain yang menggunakannya.

Menurut Menghani et.al (2012), ada dua tipe Fresnel yaitu lensa bias (refractive lens) dancermin bias (reflective mirrors), seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 2.8. Lensa Fresnel biassebagian besar digunakan dalam aplikasi fotovoltaik sedangkan cermin reflektif banyakdiaplikasikan dalam solar thermal. Disain optical Lensa fresnel lebih fleksibel dan dapatmenghasilkan kerapatan fluks yang seragam pada absorber. Pada tipe lensa fresnel denganfokus titik secara geometri tersusun berupa alur melingkar yang berbentuk prisma dengansudut kemiringan tertentu untuk membentuk fokus (Gambar 2.9)

Gambar 2.9 (a) reflective mirror fresnel, (b) refractive lens fresnel (Menghani et.al, [9])

Gambar 2.10 Bentuk permukaan lensa Fresnel

Beberapa kelebihan lensa fresnel modern (berbahan plastik) dibandingkan dengan tipe lensacembung konvensional (berbahan kaca) adalah 1) lebih ringan lensa fresnel modern berbahanbahan plastik (acrylic, polymethylmethacrylate

(PMMA), polycarbonate (PC), polyvinyl chloride (PVC), dan rigid vinyl) bukan

dari kaca (glass), 2) permukaan lebih tipis dan bisa dilapisi denganplastik sehingga bentuk datar, 3) pemakaian lebih praktis karena selain tipis dan ringan, jugamenghasilkan fokus yang bisa ditentukan dengan luasan yang sama dan 4) penggunaannya lebihbanyak dibandingkan dengan jenis lensa tipe cembung, seperti untuk traffic light, lighting house,LCD Projector dan untuk konsentrator

solar cooker dan lain-lain.(Asrori, dkk.2014)

2.9 Sensor Suhu

Sensor suhu adalah alat yang dapat mendeteksi adanya perubahan suhu menjadi suatu keluaran signal listrik sehingga suhu yang ada pada system dapat terukur. Termokopel merupakan sensor suhu yang terdiri atas sepasang penghantar yang berbeda disambung las atau dileburkan bersama pada satu sisi membentuk penghantar ”panas” atau sambungan pengukuran yang ada ujung ujung bebasnya untuk menghubungkan dengan penghantar ”dingin” atau sambunganreferensi. Perbedaan suhu antara sambungan pengukuran dan sambungan referensi alat ini berfungsi sebagai termokopel dan bisa membangkitkan tegangan dc yang kecil. Tegangan output termokopel hampir berbanding lurus dengan perbedaan suhu antara sambungan pengukuran (panas) dan sambungan referensi (dingin). (Kristanto, Sigit Adi. 2013)

Sensor suhu yang dipakai menggunakan termokopel tipe K (K-Type

Thermocouple) dengan temperature spring probe yang tahan terhadap suhu tinggi,

diproses oleh modul digitizer yang menggunakan IC MAX6675 dari Maxim.Fungsi dari termokopel adalah untuk mengetahui perbedaan temperature di bagian ujung dari dua bagian metal yang berbeda dan disatukan. MAX6675 bukan saja mendigitalisasi sinyal analog dari termokopel tipe-K, sirkuit terpadu di dalamnya juga melakukan kompensasi "persimpangan dingin" (cold-junction) untuk akurasi terbaik.

Yang dimaksud cold-junction-compensation adalah fungsi IC Ini untuk mendeteksi fluktuasi suhu lingkungan (ambience temperature) pada ujung dingin (cold-end) — suhu yang dideteksi oleh sensor suhu internal MAX6675, dapat berkisar antara -20°C hingga +85°C — sehingga dapat mengoreksi pembacaan suhu pada ujung panas (hot-end) yang merupakan suhu yang terbaca pada probe (hingga +1024°C, dalam kit ini maksimum suhu dibatasi oleh probe's temperature

rating sebesar +800°C).

Mengakses data dari MAX6675 dapat dilakukan dengan mudah dari mikrokontroler melalui protokol SPI (Serial Peripheral Interface). Data yang dilaporkan beresolusi 0,25°C dengan lebar data 12 bit (0~4095).Untuk dapat melakukan pengukuran actual, MAX6675 mengukur tegangan dari output termokopel dan tegangan dari sensing diode.

2.10 Heatsink

Heatsink adalah material yang dapat menyerap dan mendisipasi panas dari suatu

tempat yang bersentuhan dengan sumber panas dan membuangnya seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.10 Heatsink digunakan pada beberapa teknologi pendingin seperti refrijerasi, air conditioning, dan radiator pada mobil.

Sebuah heatsink dirancang untuk meningkatkan luas kontak permukaan dengan fluida disekitarnya, seperti udara. Kecepatan udara pada lingkungan sekitar, pemilihan material, desain sirip (atau bentuk lainnya) dan surface

treatment adalah beberapa faktor yang mempengaruhi tahanan thermal dari heatsink. Thermal adhesive (juga dikenal dengan thermal grease) ditambahkan

pada dasar permukaan heatsink agar tidak ada udara yang terjebak di antara

heatsink dengan bagian yang akan diserap panasnya.

2.11 Sensor Arus

Sensor arus adalah alat yang digunakan untuk mengukur kuat arus listrik. ACS712 merupakan suatu IC terpaket yang mana berguna untuk mengukur arus. Sensor arus ini menggunakan metode Hall Effect Sensor. Hall Effect merupakan sensor yang digunakan untuk mendeteksi medan magnet.

Pada prinsipnya ACS712 sama dengan sensor efek hall lainya yaitu dengan memanfaatkan medan magnetic di sekitar arus kemudian dikonversi menjadi tegnagan yang linier dengan perubahan arus. Nilai variable dari sensor ini diolah. Keluaran ACS712 masih berupa sinyal tegangan AC, agar dapat diolah oleh mikrokontroller maka sinyal tegangan AC ini disearahkan oleh rangkaian penyearah.