Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Penyimpan Energi yang TErbuang dari Panas Setrika Listrik Menggunakn Thermoelectric Generator (TEG) T1 612009045 BAB II

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan dibahas secara singkat mengenai teori dasar yang digunakan dalam merealisasikan suatu alat yang memanfaatkan energi terbuang dari panas setrika listrik untuk disimpan dalam suatu baterai.

2.1. Setrika Listrik

Setrika listrik merupakan alat elektronik yang berfungsi menghaluskan kerutan pada pakaian. Bagian setrika yang menempel pada baju terbuat dari logam alumunium, stainless steel, ataupun lapisan teflon. Setrika listrik bekerja dengan mengubah energi listrik menjadi energi panas. Saat dihubungkan pada sumber tegangan, elemen pemanas pada setrika mengalirkan arus listrik yang membangkitkan panas. Semakin besar arus yang mengalir akan menyebabkan semakin tinggi panas yang dihasilkan.

Elemen pemanas yang telah teraliri oleh arus listrik akan mengalami pemanasan. Termostat pada setrika berfungsi mengatur agar panas yang dihasilkan setrika stabil dan tidak berlebih. Saat sudah mencapai suhu maksimal, termostat pada setrika akan memutuskan aliran arus dari sumber tegangan dengan membuat salah satu logam pada saklar mengalami pemuaian dan saklar akan terbuka sehingga lampu mati karena tidak ada arus mengalir. Kemudian termostat akan mengalirkan arus kembali saat suhu sudah mulai kurang optimal. Proses ini akan berulang secara otomatis atau disebut automatic on-off system. Panas yang dihasilkan kemudian dialirkan menuju alas setrika yang bersentuhan langsung dengan pakaian. Berikut adalah bagian- bagian setrika yang ditunjukkan oleh Gambar 2.1.

Gambar 2.1. Bagian setrika listrik[4].

2.2. Thermoelectric Generator (TEG)

TEG merupakan modul yang akan mengubah energi panas dari gradien temperatur menjadi energi listrik berdasar efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas J. Seebeck pada tahun 1821. Ia melakukan pengamatan besar tegangan terhadap dua buah tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian yang di antaranya diletakkan jarum kompas. Saat sisi logam dipanaskan, jarum kompas bergerak karena disebabkan oleh medan magnet yang timbul akibat aliran listrik yang terjadi pada logam. Cara kerja TEG berdasar efek Seebeck ditunjukkan pada Gambar 2.2 berikut.

Gambar 2.2. Cara kerja TEG berdasar efek Seebeck[5].

Gambar 2.3. Konstruksi elemen TEG[6] Gambar 2.3 menunjukkan sebuah elemen TEG yang tersusun dari suatu elemen tipe-n (material dengan kelebihan elektron) dan tipe-p (material dengan kekurangan elektron). Aliran panas yang mengalir dari satu sisi dan dibuang ke sisi lain menghasilkan tegangan pada sambungan thermoelectric yang besarnya tergantung pada gradien temperatur dari kedua sisi. Besarnya koefisien Seebeck yang dihasilkan didefinisikan dengan persamaan[7]:

=∆�

∆ (2.1) Dimana : S = Koefisien Seebeck (V/K)

∆V= beda potensial (V)

∆T= beda temperatur (K)

TEG dibuat dari bahan semikonduktor yang memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi-Te dengan figure of merit (Z)tertinggi.

Besarnya Z dapat dihitung dengan persamaan[7]: � = �

� (2.2) Dimana : S = Koefisien Seebeck (V/K)

σ = Konduktivitas listrik bahan (V/Am)

λ = Konduktivitas panas bahan (W/mK)

Besarnya efisiensi maksimum pembangkit listrik thermoelectric generator ini dapat dihitung menggunakan persamaan berikut[7]:

�_{� �} = ℎ− �

ℎ [

√ + ∗_{̅ −}

√ + ∗_{̅ +} ] (2.3)

Dimana : ̅ = Temperatur rata-rata Th dan Tc

Th dan Tc = Temperatur sisi panas dan dingin

Z *= Nilai figure of merit optimum dari kopel tipe-n/tipe-p

2.3. Karakteristik Pendingin

TEG akan menghasilkan listrik jika terdapat gradien temperatur antara kedua sisi. Semakin optimal gradien suhu yang terjadi, semakin besar arus listrik yang dihasilkan. Dibandingkan dengan pendingin udara, pendingin cair lebih banyak digunakan dalam menjaga kestabilan suhu.

Hampir semua zat cair dapat digunakan sebagai pendingin. Saat air biasa mencapai titik didihnya yaitu 100°C, unsur oksigen pada air akan bereaksi dan mengeluarkan gelembung udara yang justru akan menempel pada besi atau alumunium dan menyebabkan korosi apabila berkepanjangan. Terlebih apabila air yang digunakan berasal dari sumur yang memiliki kandungan zat besi yang lebih mempercepat proses korosi. Oleh karena itu

lebih baik jika menggunakan pendingin yang tidak korosif misalnya berupa oli yang memiliki titik didih lebih tinggi yaitu ˃300˚C[8].

2.4. Perpindahan Kalor

Panas mengalir dari suhu yang tinggi menuju suhu yang lebih rendah. Terdapat tiga cara dalam perpindahan kalor, namun dalam TEG terjadi dua proses. Perpindahan kalor yang pertama yaitu konduksi yang terjadi pada alas alumunium sisi panas dan yang kedua adalah konveksi oleh cairan pendingin pada sirip heat sink.

2.4.1. Konduksi

Konduksi yaitu proses perpindahan kalor antar zat tanpa melibatkan perpindahan molekul zat tersebut. Kita dapat menghitung persamaan perpindahan kalor induksi atau yang dikenal dengan hukum fourier sebagai berikut[7]:

� = −�� _��− (2.4) Dimana: q= energi kalor (W)

k= konduktivitas thermal (W/m.K) dimana tanda (-) menunjukkan arah aliran kalor

A= luas permukaan (m²)

��= tebal penampang permukaan(m) = temperatur yang lebih tinggi (K) = temperatur yang lebih rendah (K)

2.4.2. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi dengan disertai dengan pergerakan molekul benda tersebut. Konveksi panas terjadi akibat perpindahan partikel zat bertemperatur tinggi dengan mengalir secara sendirinya sehingga terjadi perpindahan panas melalui perpindahan massa. Konveksi yang terjadi pada bagian heat sink TEG ini merupakan konveksi secara alami, dikarenakan bagian heat sink diberi cairan pendingin yaitu oli akan tetapi zat cair tersebut tidak mengalir. Persamaan dalam perpindahan konveksi atau dikenal hukum pendinginan Newton sebagai berikut[7]:

� = ℎ × � × � (2.5) Dimana: q=energi kalor(W)

h=koefisien perpindahan kalor konveksi(W/m².K) A= luas area permukaan(m²)

� = gradien temperatur (K)

2.5. Regulator Switching

Regulator switching merupakan rangkaian yang bertugas untuk menghasilkan keluaran yang stabil, yaitu mengubah VIN menjadi VOUT yang diinginkan. Transistor daya bekerja sebagai saklar, baik saat on ataupun off. Energi yang dihasilkan akan disimpan dalam induktor (L) dan kapasitor (C). Dalam pembuatan skripsi ini digunakan regulator switching tipe buck- boost converter. Gambar 2.4 berikut iniadalah skema dari buck-boost converter.

Gambar 2.4. Skema Buck-boost converter[9].

2.5.1. IC (Integrated Circuit) LM2577-Adj

IC LM2577-Adj[10] merupakan salah satu IC regulator penaik tegangan. Dalam aplikasinya, IC ini hanya membutuhkan sedikit rangkaian luar. Susunan pin dan diagram blok dari IC ini tampak pada Gambar 2.5 berikut:

Gambar 2.6. Blok diagram IC LM2577-Adj[10] sebagai boost converter. IC LM2577-Adj ini bekerja dengan mengubah keluaran saklar on dan off pada frekuensi 52kHz dan akan menghasilkan energi pada induktor (L). Ketika saklar transistor NPN dalam keadaan on, arus induktor akan melakukan pengisian dengan nilai sebesar VIN/L, kemudian arus akan disimpan dalam induktor (L). Sebaliknya saat saklar transistor dalam keadaan off, induktor (L) akan melakukan pengosongan arus melalui dioda (D) menuju kapasitor keluaran (COUT) dengan nilai sebesar (V

OUT-VIN)/L. Dengan demikian, energi yang tersimpan dalaminduktor selama saklar on akan

dipindahkan ke output saat saklar off. VOUT ditentukan oleh jumlah energi yang dipindahkan yang mana ditentukan juga dengan cara memodulasi arus induktor puncak (IIND(PK)) yaitu dengan memberikan umpan balik sebagian VOUT pada error amp, yang memberikan penguatan pada selisih Vfeedbackdan Vrefsebesar 1,230V. VOUT pada error amp dibandingkan dengan V yang sebanding dengan arus switch ISW(arus konduktor selama periode switch on). Komparator akan menghentikan switch ketika dua tegangan sama besar, dengan demikian menentukan ISW(PK) sehingga akan

Persamaan yang digunakan untuk mengetahui besar arus maksimum

ILOAD(MAX) keluaran IC yaitu sebagai berikut:

ILOAD(max) ≤

, � × �� �

� (2.6)

dimana VIN(min) = tegangan masukan minimum (V)

VOUT = tegangan keluaran yang teregulasi (V)

ILOAD(max) = arus maksimum pada beban (A)

Persamaan yang digunakan untuk menghitung maksimum duty cycle, D(max) ,

adalah sebagai berikut:

D(max) = � + �� − �� �

� + �� − , V (2.7)

dimana VF = 0,5V untuk dioda Schottky dan 0,8V untuk dioda fast recovery.

Jika diperoleh nilai D ≤ 0,85 perhitungan untuk mencari LMINmenggunakan Persamaan 2.9 dan 2.10. Persamaan 2.8 digunakan untuk menghitung nilai minimum induktor (LMIN) jika diperoleh nilai D≥ 0,85

LMIN = , (�� � − , V) D ax−

− D ax µH (2.8)

E ∙ T = ax �� i − , �

. � (2.9) �_{� ,} = , × � � ax

− ax (2.10)

Kemudian dari persamaan di atas, nilai induktor minimum yang digunakan dapat dilihat pada grafik yang ditunjukkan Gambar 2.7 berikut

Gambar 2.7. Grafik Pemilihan Nilai Induktor Pada LM2577-Adj[10]. Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai RCdan CC yang terhubung dengan pin 1 sebagai berikut

RC≤

× ILOAD ax × �

�� � (2.11)

CC≥ , × � ×

× �_{� �} (2.12) Nilai COUT berdasarkan dua persamaan berikut

COUT≥

, × � × × ILOAD ax

�� � × � (2.13)

Dan

COUT≥ �� � × × �� � + , × × �

. × � (2.14) Tegangan keluaran VOUT dari IC ini dapat dihitung dengan persamaan

Dari Persamaan 2.15, rangkaian yang menggunakan LM2577-Adj ini dapat berfungsi sebagai regulator buck karena VOUT(min) = 1,23V yaitu ketika R1=0. Jadi

dengan mengatur nilai R1, VOUT bisa lebih besar atau lebih kecil dari VIN yang diberikan.

lebih baik jika menggunakan pendingin yang tidak korosif misalnya berupa oli yang memiliki titik didih lebih tinggi yaitu ˃300˚C[8].

2.4. Perpindahan Kalor

Panas mengalir dari suhu yang tinggi menuju suhu yang lebih rendah. Terdapat tiga cara dalam perpindahan kalor, namun dalam TEG terjadi dua proses. Perpindahan kalor yang pertama yaitu konduksi yang terjadi pada alas alumunium sisi panas dan yang kedua adalah konveksi oleh cairan pendingin pada sirip heat sink.

2.4.1. Konduksi

Konduksi yaitu proses perpindahan kalor antar zat tanpa melibatkan perpindahan molekul zat tersebut. Kita dapat menghitung persamaan perpindahan kalor induksi atau yang dikenal dengan hukum fourier sebagai berikut[7]:

� = −�� _��− (2.4) Dimana: q= energi kalor (W)

k= konduktivitas thermal (W/m.K) dimana tanda (-) menunjukkan arah aliran kalor

A= luas permukaan (m²)

��= tebal penampang permukaan(m) = temperatur yang lebih tinggi (K) = temperatur yang lebih rendah (K)

2.4.2. Konveksi

Konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi dengan disertai dengan pergerakan molekul benda tersebut. Konveksi panas terjadi akibat perpindahan partikel zat bertemperatur tinggi dengan mengalir secara sendirinya sehingga terjadi perpindahan panas melalui perpindahan massa. Konveksi yang terjadi pada bagian heat sink TEG ini merupakan konveksi secara alami, dikarenakan bagian heat sink diberi cairan pendingin yaitu oli akan tetapi zat cair tersebut tidak mengalir.

� = ℎ × � × � (2.5) Dimana: q=energi kalor(W)

h=koefisien perpindahan kalor konveksi(W/m².K) A= luas area permukaan(m²)

� = gradien temperatur (K)

2.5. Regulator Switching

Regulator switching merupakan rangkaian yang bertugas untuk menghasilkan keluaran yang stabil, yaitu mengubah VIN menjadi VOUT yang diinginkan. Transistor daya bekerja sebagai saklar, baik saat on ataupun off. Energi yang dihasilkan akan disimpan dalam induktor (L) dan kapasitor (C). Dalam pembuatan skripsi ini digunakan regulator switching tipe buck- boost converter. Gambar 2.4 berikut iniadalah skema dari buck-boost converter.

Gambar 2.4. Skema Buck-boost converter[9].

2.5.1. IC (Integrated Circuit) LM2577-Adj

IC LM2577-Adj[10] merupakan salah satu IC regulator penaik tegangan. Dalam aplikasinya, IC ini hanya membutuhkan sedikit rangkaian luar. Susunan pin dan diagram blok dari IC ini tampak pada Gambar 2.5 berikut:

Gambar 2.6. Blok diagram IC LM2577-Adj[10] sebagai boost converter.

IC LM2577-Adj ini bekerja dengan mengubah keluaran saklar on dan off pada frekuensi 52kHz dan akan menghasilkan energi pada induktor (L). Ketika saklar transistor NPN dalam keadaan on, arus induktor akan melakukan pengisian dengan nilai sebesar VIN/L, kemudian arus akan disimpan dalam induktor (L). Sebaliknya saat saklar transistor dalam keadaan off, induktor (L) akan melakukan pengosongan arus melalui dioda (D) menuju kapasitor keluaran (COUT) dengan nilai sebesar (VOUT -VIN)/L. Dengan demikian, energi yang tersimpan dalaminduktor selama saklar on akan dipindahkan ke output saat saklar off. VOUT ditentukan oleh jumlah energi yang dipindahkan yang mana ditentukan juga dengan cara memodulasi arus induktor puncak (IIND(PK)) yaitu dengan memberikan umpan balik sebagian VOUT pada error amp, yang memberikan penguatan pada selisih Vfeedbackdan Vrefsebesar 1,230V. VOUT pada error amp dibandingkan dengan V yang sebanding dengan arus switch ISW(arus konduktor selama periode switch on). Komparator akan menghentikan switch ketika dua tegangan sama besar, dengan demikian menentukan ISW(PK) sehingga akan

Persamaan yang digunakan untuk mengetahui besar arus maksimum ILOAD(MAX) keluaran IC yaitu sebagai berikut:

ILOAD(max) ≤

, � × �� �

� (2.6)

dimana VIN(min) = tegangan masukan minimum (V)

VOUT = tegangan keluaran yang teregulasi (V)

ILOAD(max) = arus maksimum pada beban (A)

Persamaan yang digunakan untuk menghitung maksimum duty cycle, D(max) , adalah sebagai berikut:

D(max) = � + �� − �� �

� + �� − , V (2.7)

dimana VF = 0,5V untuk dioda Schottky dan 0,8V untuk dioda fast recovery.

Jika diperoleh nilai D ≤ 0,85 perhitungan untuk mencari LMINmenggunakan Persamaan 2.9 dan 2.10. Persamaan 2.8 digunakan untuk menghitung nilai minimum induktor (LMIN) jika diperoleh nilai D≥ 0,85

LMIN =

, (�� � − , V) D ax−

− D ax µH (2.8)

E ∙ T = ax �� i − , �

. � (2.9)

�_{� ,} = , × � � ax

− ax (2.10)

Kemudian dari persamaan di atas, nilai induktor minimum yang digunakan dapat dilihat pada grafik yang ditunjukkan Gambar 2.7 berikut

Gambar 2.7. Grafik Pemilihan Nilai Induktor Pada LM2577-Adj[10].

Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai RCdan CC yang terhubung dengan pin 1 sebagai berikut

RC≤

× ILOAD ax × �

�� � (2.11)

CC≥ , × � ×

× �_{� �} (2.12)

Nilai COUT berdasarkan dua persamaan berikut

COUT≥

, × � × × ILOAD ax

�� � × � (2.13)

Dan

Dari Persamaan 2.15, rangkaian yang menggunakan LM2577-Adj ini dapat berfungsi sebagai regulator buck karena VOUT(min) = 1,23V yaitu ketika R1=0. Jadi dengan mengatur nilai R1, VOUT bisa lebih besar atau lebih kecil dari VIN yang diberikan.