THE CHARACTERISTIC OF WATER COOLED PARALLEL THERMOELECTRIC FOR SOLAR POWER GENERATOR A FINAL PROJECT

  

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL

BERPENDINGIN AIR UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA SURYA

TUGAS AKHIR

  Untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat sarjana S-1 Program Studi Teknik Mesin

  Jurusan Sains dan Teknologi Disusun oleh :

  

SUPRIADY

NIM : 045214003

  Kepada

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA, Januari 2008 THE CHARACTERISTIC OF WATER COOLED PARALLEL THERMOELECTRIC FOR SOLAR POWER GENERATOR A FINAL PROJECT

  Submitted For The Partial Fulfillment Of The Requirements For The Degree Of Mechanical Engineering

  Mechanical Engineering Program Study Faculty of Sains and Technology

  By :

  SUPRIADY NIM : 045214003 FOR MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA, January 2008

  

PERNYATAAN

  Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam Tugas Akhir ini tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

  Yogyakarta, 20 Desember 2007 Supriady Tanda tangan dan nama terang

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur saya hanturkan kepada Tuhan atas berkat, rahmat dan bimbinganNya selalu sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir (TA) saya dengan judul “karakteristik termoelektrik paralel berpendingin air untuk pembangkit listrik tenaga surya” ini dengan baik dan lancar. Dalam penulisan Tugas Akhir ini saya menyadari banyaknya bantuan, bimbingan serta dukungan yang diberikan dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini sehingga naskah ini dapat selesai pada waktunya. Oleh karena itu pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

  1. Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat dan rahmatnya sehingga Tugas Akhir ini berjalan dengan lancar.

  2. Romo Ir. Greg. Heliarko, S.J, S.S, B.S.T., M.Sc., M.A. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3. Orangtua tercinta yang telah memberikan semangat dan dukungannya.

  4. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Wakil Dekan I (satu) Jurusan Fakultas Teknik Mesin.

  5. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin.

  6. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang telah sungguh-sungguh membimbing. dan laboratorium perpindahan panas atas bantuannya selama pembuatan Alat untuk Tugas Akhir.

  8. Vivi, Juwanta Yeonardy, Fendi, Hengky Setiyawan, Shirleen Yohana dan Yanuar Nanang yang telah memberikan masukan dan dukungannya.

  9. Seluruh Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin (khususnya angkatan 2004) Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Penulis mengharapkan agar Tugas Akhir ini dapat berguna, baik bagi penulis maupun pihak lain, sebagai modal pengetahuan dan informasi. Penulis menyadari bahwasanya isi dari subtansial dari Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis dengan tangan terbuka dan hati lapang siap menerima berbagai kritik, saran, masukan konstruktif demi peningkatan kualitas dan kompetensibilitas di kemudian hari.

  Yogyakarta, Desember 2007 Penulis

  

INTISARI

  Tugas Akhir ini bertujuan untuk mengatasi masalah yang sedang dihadapi di Indonesia khususnya daerah yang terpencil. Di daerah perkotaan dan desa-desa yang sudah maju energi listrik amat mudah didapatkan tetapi di daerah-daerah terpencil yang belum terdapat jaringan listrik, energi listrik tidak mudah didapatkan atau bahkan tidak tersedia.

  Karakteristik termoelektrik paralel pembangkit listrik tenaga surya dengan pendingin air merupakan salah satu solusi alternatif masalah krisis energi. Alat ini terdiri dari modul termoelektrik TEC1-12706 yang dapat mengkonversi energi panas menjadi energi listrik, termoelektrik ini berbahan bismuth telluride dan berukuran 4cm x 4cm. Alat ini juga dilengkapi dengan kolektor surya pelat rata tipe pipa paralel berukuran 0,6m x 1m. Di tempat inilah fluida minyak dipanaskan sehingga tangki penyimpan panas dapat mentransferkan panas ke salah satu sisi termoelektrik. Sisi bersebelahan didinginkan oleh tangki air pendingin. Perbedaan temperatur pada kedua sisi termoelektrik mengakibatkan munculnya energi listrik. Termoelektrik yang digunakan pada penelitian sebanyak 20 buah disusun dengan 2 variasi yaitu :susunan paralel dan susunan seri-paralel.

  Hasil yang dicapai dari penelitian adalah rangkaian termoelektrik yang disusun secara seri-paralel merupakan susunan yang paling baik untuk menghasilkan efisiensi total dan daya. Susunan seri-paralel menghasilkan efisiensi total 0,0109 % dan daya 0,716 W sedangkan susunan paralel menghasilkan efisiensi total 0,0057 % dan daya 0,168 W.

  DAFTAR ISI

  TITLE PAGE ............................................................................................... i HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... ii DAFTAR DEWAN PENGUJI .................................................................... iii LEMBAR PERNYATAAN.......................................................................... iv KATA PENGANTAR .................................................................................. v

  INTISARI .................................................................................................... vii DAFTAR ISI ................................................................................................ viii DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xi DAFTAR TABEL......................................................................................... xv

  BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ............................................................................... 1 I.2 Perumusan Masalah ....................................................................... 2 I.3 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3 I.4 Manfaat Penelitian ........................................................................ 3 I.5 Batasan Masalah ............................................................................ 4 BAB II DASAR TEORI

  2.1 Pengertian Termoelektrik .............................................................. 5

  2.2 Perhitungan Pada Termoelektrik.................................................... 7

  2.2.1 Perhitungan Pada Satu Termoelektrik ................................. 10

  2.3 Perhitungan Pada Radiasi Surya .................................................... 13

  2.4 Perhitungan Pada Kolektor ........................................................... 14

  2.5 Perhitungan Efisiensi Alat Penelitian ........................................... 16

  BAB III METODE PELAKSANAAN PENELITIAN

  3.1 Skema Alat .................................................................................... 17

  3.2 Peralatan Penelitian ....................................................................... 18

  3.3 Langkah Penelitian ........................................................................ 19

  3.3.1 Pembuatan Alat .................................................................... 19

  3.3.2 Pelaksanaan Penelitian ......................................................... 20

  3.3.3 Pengolahan dan Analisa Data .............................................. 21

  3.4 Parameter yang Diukur ................................................................. 21

  BAB IV HASIL PENGAMBILAN DATA

  4.1 Data Penelitian Susunan Paralel .................................................. 22

  4.2 Data Penelitian Susunan Seri-Paralel ............................................ 23

  BAB V ANALISA PENELITIAN

  5.1 Perhitungan ................................................................................... 25

  5.2 Grafik Karakteristik Modul Termoelektrik.................................... 38

  5.3 Pembahasan ................................................................................... 57

  BAB VI PENUTUP

  6.1 Kesimpulan ................................................................................... 64

  DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 66 LAMPIRAN ................................................................................................. 67

  DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pembangkit energi listrik termoelektrik.................................... 5Gambar 2.2 Cara kerja termoelektrik............................................................ 7Gambar 2.3 Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel .............. 12Gambar 2.4 Bagian-bagian kolektor datar ................................................... 15Gambar 3.1. Skema alat penelitian ............................................................... 17Gambar 3.2. Detil pemasangan pembangkit listrik termoelektrik ................ 18Gambar 5.1 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan paralel........................................ 38Gambar 5.2 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan paralel........................................ 39Gambar 5.3 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan paralel........................................ 39Gambar 5.4 Grafik hubungan efisiensi generator ( η ) dengan temperatur G sisi panas (T H ) pada susunan paralel........................................ 40Gambar 5.5 Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan temperatur

  η sisi panas (T H ) pada susunan paralel........................................ 40

Gambar 5.6 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi dingin (T C ) pada susunan paralel....................................... 41

  sisi dingin (T ) pada susunan paralel....................................... 41

  C

Gambar 5.8 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi dingin (T ) pada susunan paralel....................................... 42

  C

Gambar 5.9 Grafik hubungan efisiensi generator ( η ) dengan temperatur G sisi dingin (T C ) pada susunan paralel....................................... 42Gambar 5.10 Grafik hubungan efisiensi total ( ) dengan temperatur

  total

  η sisi dingin (T C ) pada susunan paralel....................................... 43

Gambar 5.11 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur ( Δ T) pada susunan paralel ................................... 43Gambar 5.12 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih temperatur ( Δ T) pada susunan paralel ................................... 44Gambar 5.13 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih

  Δ

  temperatur ( T) pada susunan paralel .................................... 44

Gambar 5.14 Grafik hubungan efisiensi generator ( η ) dengan selisih

  G

  temperatur ( Δ T) pada susunan paralel .................................. 45

Gambar 5.15 Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan selisih

  η temperatur ( Δ T) pada susunan paralel .................................. 45

Gambar 5.16 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan seri-paralel................................ 46

  sisi panas (T

Gambar 5.21 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur sisi dingin (Tc) pada susunan seri-paralel............................... 48Gambar 5.26 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur ( ) pada susunan seri-paralel ............................ 51 T

  sisi dingin (Tc) pada susunan seri-paralel............................... 50

  total ) dengan temperatur

  η

Gambar 5.25 Grafik hubungan efisiensi total (

  sisi dingin (Tc) pada susunan seri-paralel............................... 50

  η G ) dengan temperatur

Gambar 5.24 Grafik hubungan efisiensi generator (Gambar 5.23 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi dingin (Tc) pada susunan seri-paralel............................... 49Gambar 5.22 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur sisi dingin (Tc) pada susunan seri-paralel............................... 49

  ) pada susunan seri-paralel................................ 48

  H

  H

  sisi panas (T

  total ) dengan temperatur

  η

Gambar 5.20 Grafik hubungan efisiensi total (Gambar 5.19 Grafik hubungan efisiensi generator ( η G ) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan seri-paralel................................ 47

  ) pada susunan seri-paralel................................ 47

  H

Gambar 5.18 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi panas (T

  ) pada susunan seri-paralel................................ 46

  Δ

  temperatur ( Δ T ) pada susunan seri-paralel ............................ 51

Gambar 5.28 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih temperatur ( Δ ) pada susunan seri-paralel ............................ 52

  T

Gambar 5.29 Grafik hubungan efisiensi generator ( η G ) dengan selisih

  Δ

  temperatur ( T ) pada susunan seri-paralel ............................ 52

Gambar 5.30 Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan selisih

  η temperatur ( Δ T ) pada susunan seri-paralel ............................ 53

Gambar 5.31 Grafik hubungan arus generator (I o ) dengan selisih temperatur ( Δ ) pada susunan seri-paralel ............................ 53

  T

Gambar 5.32 Grafik hubungan tegangan generator (V o ) dengan selisih

  Δ

  temperatur ( T ) pada susunan seri-paralel ............................ 54

Gambar 5.33 Grafik hubungan daya generator (P o ) dengan selisih

  Δ

  temperatur ( T ) pada susunan seri-paralel ............................ 54

  η

Gambar 5.34 Grafik hubungan efisiensi generator ( G ) dengan selisih temperatur (

  ΔT) pada susunan seri-paralel ............................. 55

  Ti Ta ⎛ − ⎞ η

Gambar 5.34 Grafik hubungan efisiensi kolektor ( ) dengan ..... 55

  ⎜ ⎟ G ⎝ ⎠ η

Gambar 5.35 Grafik hubungan efisiensi total ( TOTAL ) dengan selisih

  Δ

  temperatur ( T ) ..................................................................... 56

Gambar 5.36 Grafik hubungan IO dengan NP.............................................. 58Gambar 5.37 Grafik hubungan IO dengan NP/NS ....................................... 58

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan paralel .............. 23Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel ........ 24Tabel 5.1 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi termal variasi rangkaian paralel termoelektrik .................................... 34Tabel 5.2 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi pemasangan termoelektrik secara paralel ............................................ 36Tabel 5.3 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi termal variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik .............................. 38Tabel 5.4 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi pemasangan termoelektrik secara seri-paralel ...................................... 40

  

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

  Energi listrik memegang peranan penting dalam kehidupan manusia sehari-hari, hampir semua aktivitas manusia saat ini sangat tergantung pada energi ini baik di industri, rumah tangga, kantor-kantor, hotel, dan sebagainya. Di daerah perkotaan dan desa-desa yang sudah maju energi listrik amat mudah didapatkan tetapi di daerah-daerah terpencil yang belum terdapat jaringan listrik, energi listrik tidak mudah didapatkan atau bahkan tidak tersedia.

  Banyak penelitian dan pengembangan teknologi dilakukan untuk mencari pembangkit energi listrik alternatif guna memenuhi kebutuhan energi listrik di daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik. Selain itu penelitian mencari pembangkit energi listrik alternatif ini dilakukan secara intensif terutama sejak krisis energi (1973) yang bertujuan mengantisipasi habisnya sumber energi alam yang tidak terbarukan seperti bahan bakar minyak yang saat ini merupakan salah satu sumber pembangkit energi listrik.

  Sumber alam yang terbarukan dan tersedia di daerah seperti energi surya, angin, air, panas bumi, biomassa, dan sebagainya menjadi perhatian para peneliti untuk dimanfaatkan dan dikembangkan menjadi sumber pembangkit energi listrik alternatif. Termoelektrik merupakan suatu cara alternatif yang digunakan untuk berasal dari surya, uap atau panas buangan suatu proses produksi.

  Pada prinsipnya termoelektrik mengkonversi panas menjadi listrik berdasarkan efek Seebeck. Metode ini sangat sesuai terutama jika sumber panasnya mempunyai temperatur di bawah 500 K. Pada umumnya termoelektrik digunakan sebagai pendingin atau pemanas sehingga literatur tentang penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik belum banyak.

1.2 Perumusan Masalah

  Penggunaan termoelektrik sebagai salah satu cara alternatif pembangkit energi listrik dapat menjadi jawaban untuk memenuhi kebutuhan energi listrik terutama di daerah terpencil seperti yang banyak terdapat di Indonesia. Hal ini disebabkan termoelektrik dapat mengkonversikan panas dari energi surya menjadi energi listrik. Tetapi energi surya hanya tersedia pada pagi sampai sore dengan jumlah yang tidak konstan karena sangat tergantung pada cuaca.

  Pada penelitian ini panas dari energi surya yang diterima oleh kolektor termal pelat datar tidak langsung dimanfaatkan untuk memanasi termoelektrik tetapi digunakan untuk memanasi minyak dalam tangki penyimpan yang terhubung dengan kolektor. Panas yang digunakan untuk memanasi termoelektrik diambil dari panas minyak yang tersimpan dalam tangki. Dalam hal ini minyak berfungsi sebagai penyimpan panas sehingga pemanasan termoelektrik tetap dapat termoelektrik dapat diletakkan di dalam rumah sehingga terlindung dari cuaca.

  Penelitian ini mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan operasional yang ada) termoelektrik yang ada di pasaran di Yogyakarta jika digunakan sebagai pembangkit energi listrik menggunakan sumber panas energi surya dengan menggunakan kolektor termal pelat datar.

  1.3 Tujuan Penelitian

  Tujuan yang ingin dicapai oleh peneliti yaitu :

  1. Menjajagi kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik dengan energi surya.

  2. Mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan kondisi operasi) termoelektrik sebagai pembangkit listrik energi surya.

  3. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan menggunakan termoelektrik.

  1.4 Manfaat Penelitian

  Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini :

  1. Dapat mengetahui karakteristik pembangkit listrik menggunakan termoelektrik dengan memanfaatkan energi surya. surya dengan termoelektrik yang sesuai dengan kondisi daerah terpencil yang ada di Indonesia.

  3. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik alternatif menggunakan termoelektrik.

1.5 Batasan Penelitian

  Batasan penelitian karakteristik termoelektrik pembangkit listrik tenaga surya dengan pendingin air adalah

  1. Menghitung effisiensi keseluruhan pada model pembangkit listrik tenaga surya.

  2. Variasi pemasangan modul termoelektrik paralel dan seri-paralel.

DASAR TEORI

2.1 Prinsip Kerja Termoelektrik

  Modul termoelektrik berbahan dasar bismuth telluride umumnya digunakan untuk pendinginan dengan arus listrik DC sebagai masukkannya.

  Dengan modul termoelektrik yang sama tetapi penggunaannya yang dibalik yakni masukkannya bukan arus listrik DC tetapi justru energi panas maka dimungkinkan untuk membangkitkan daya listrik. Skema modul termoelektrik untuk pembangkit energi listrik dapat dilihat pada gambar 2.1.

Gambar 2.1 Pembangkit energi listrik termoelektrik

  (sumber : www.thermo.com) dan panas. Prinsip kerja termoelektrik lebih mudah dijelaskan dengan menggunakan sebuah kotak berisi gas partikel bermuatan. Pada sisi kotak ditempel pada permukaan yang panas dan sisi bersebelahan pada permukaan dingin. Molekul di sisi panas akan bergerak lebih cepat dibanding sisi dingin.

  Molekul panas yang lebih cepat akan menyebar lebih lanjut dibanding molekul dingin sehingga akan terbangun molekul dengan kerapatan tinggi di sisi dingin.

  Perbedaan kerapatan akan menyebabkan molekul berdifusi kembali ke sisi panas. Dalam keadaan steadi, secara persis efek dari perbedaan kerapatan berbanding terbalik dengan perbedaan temperatur sehingga tidak ada aliran molekul.

  Termoelektrik terdapat molekul-molekul bermuatan maka bangunan muatan pada sisi dingin juga akan menghasilkan pulsa gaya elektrostatik (tegangan listrik) untuk mendorong muatan balik ke sisi panas. Tegangan listrik dihasilkan oleh perbedaan temperatur dikenal sebagai Efek Seebeck dan secara perbandingan konstan dinamakan koefisien Seebeck.. Oleh karena itu, pembawa bebas semikonduktor tipe n akan memproduksi potensial negatif pada sisi dingin dan potensial potensial positif pada sisi panas sehingga elektron akan bergerak dari potensial positif ke negatif, sedangkan pembawa bebas semikonduktor tipe p sebaliknya. Skema prinsip kerja termoelektrik dapat dilihat pada gambar 2.2.

Gambar 2.2 Cara kerja termoelektrik

  (sumber : )

2.2 Perhitungan Pada Termoelektrik

  Harga-harga koefesien Seebeck (S ), tahanan listrik (R ), dan

  M M

  konduktansi termal (K M ) pada modul termoelektrik tergantung dari temperatur dan harga-harganya dapat dihitung dengan persamaan (berlaku untuk kisar

  O O

  temperatur –100 C sampai +150

  C) :

• Koefisien Seebeck (Buist, halaman 4):

  

2

  3

  4

  s T s T s T

  3

  4 S atau S = s T (1)

• 2

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 S M = (S MTh - S MTc ) / DT (2) S : koefisien Seebeck modul pada sisi panas T (V/K)

  MTH H

  S MTC : koefisien Seebeck modul pada sisi dingin T C (V/K) Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper :

• -2 -5 -7 -9

  s

  1 = 1,3345.10 , s 2 = - 5,37574 x 10 , s 3 = 7,42731 x 10 , s 4 = - 1,27141 x 10

• Tahanan listrik modul termoelektrik (Buist, halaman 5):

  

2

  3

  4

  r T r T r T

  2

  3

  4

• R atau R = r T (3) + +

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 R M = (R MTH - R MTC ) / DT (4) dengan : R M : tahanan listrik modul (ohm) T : temperatur rata-rata modul (K) R : tahanan listrik modul pada sisi panas T (ohm)

  MTH H

  R MTC : tahanan listrik modul pada sisi dingin T C (ohm) Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper :

• 2 -5 -8

  r

  1 = 2,08317, r 2 = - 1,98763 x 10 , r 3 = 8,53832 x 10 , r 4 = - 9,03143 x 10

• Konduktansi termal modul (Buist, halaman 5):

  

2

  3

  4

  k T k T k T

  2

  3

  4

• K atau K = k T (5) + +

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 K M = (K MTH - K MTC ) / DT (6) dengan : T : temperatur rata-rata modul (K) K MTH : konduktansi termal modul pada sisi panas T H (W/K) K : konduktansi termal modul pada sisi dingin T (W/K)

  MTC C

  Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper :

• 1 -6 -6 -8

  k

  1 = 4,76218x10 , k 2 = -3,89821x10 , k 3 = -8,64864x10 , k 4 = 2,20869x10

  Untuk modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor dan arus selain 71 pasang dan 6 amper maka harga S M , R M , dan K M diatas harus dikonversi dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut (Buist, halaman 6):

  N

  new

  S = S x (7)

  new M

  71

  6 N

  new

  R = R x x (8)

  new M

  I

  71

  new

  I N

  new new

  K = K x x (9)

  new M

  6

  71 dengan : S new : koefisien Seebeck untuk modul yang baru (V/K) R : tahanan listrik untuk modul yang baru (

  new

  Ω) K new : konduktansi termal untuk modul yang baru (W/K) N : jumlah pasangan semikonduktor untuk modul yang baru

  new

  I new : arus optimum atau maksimum untuk modul yang baru (A) tergantung pada jumlah termoelektrik yaitu satu termoelektrik dan beberapa termoelektrik.

2.2.1 Perhitungan Pada Satu Termoelektrik

  Pada keadaan tanpa beban (R L ) tegangan open circuit adalah V = S x DT (10) dengan :

  V : tegangan keluaran dari termoelektrik (generator) (V) S : koefisien Seebeck rata-rata (V/K) DT : beda temperatur sisi panas dan sisi dingin (K) = T H – T C

  Pada saat beban dihubungkan tegangan keluaran turun dan karena adanya tahanan dalam generator. Arus yang melalui beban dapat dihitung dengan persamaan (Duffie, halaman 22) :

  S x DT I = (11) _{C L} + R R

  dengan : I : arus keluaran generator (A) R C : tahanan dalam rata-rata termoelektrik (ohm) R : tahanan beban (ohm)

  L

  Total masukkan energi panas (Q H ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Duffie, halaman 24):

  2

  dengan : Q H : masukkan energi panas (watt) K : konduktansi termal termoelektrik (W/K)

  C

  T H : temperatur sisi panas termoelektrik (K) Efisiensi generator ( η G ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Duffie, halaman 26):

  V x

  I

  (13)

  η = G Q H

  Persamaan di atas berlaku untuk sepasang semikonduktor dalam sebuah modul termoelektrik tetapi karena sebuah modul termoelektrik terdiri dari sejumlah pasangan semikonduktor maka persanaan-persamaan di atas harus disesuaikan dengan keadaan sebenarnya sebagai berikut (Duffie, halaman 30):

  V O = S M x DT = I x (R M + R L ) (14) dengan :

  V O : tegangan keluaran generator (V) S : koefisien Seebeck rata-rata modul termoelektrik (V/K)

  M

  R M : tahanan rata-rata modul termoelektrik (ohm) Daya keluaran modul termoelektrik (P O ) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Duffie, halaman 37) :

  2

  ⎡ S x DT ⎤

  M

  P = R x (15)

  O L

  ⎢ ⎥

• R R

  M L

  ⎣ ⎦

2.2.2 Perhitungan Pada Beberapa Termoelektrik

  Pada pemakaiannya generator termoelektrik terdiri dari beberapa modul yang terhubung seri atau pararel, seperti dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel

  Satu rangkaian seri terdiri atas NS modul dan satu rangkaian paralel terdiri atas NP modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (Duffie, halaman 32): NT = NS x NP (16)

  Arus (I) dalam Amper yang melewati tahanan beban R dapat dihitung dengan

  L

  persamaan (Duffie, halaman 34) :

  NS x S x DT M

  I (17) = NS x R

• M

  R L NP

  Tegangan keluaran generator (V O ) dalam Volt dapat dihitung dengan persamaan (Duffie, halaman 36) :

  ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ NS x S x DT _{M (18)} V = R x _{O L} ⎢ ⎥

  NS x R _M

²

⎢ ⎥

• R _L ⎢ ⎥ ⎣ NP ⎦

  (Duffie, halaman 37):

  

2

NT x S x DT ( )

  M

  P = V x I = (19)

  O O

  4 x R

  M

  Total energi panas masuk ke generator Q H dalam watt dapat dihitung dengan persamaan (Buist, halaman 8):

  2

  ⎡ ⎤

  S x T x

  I I ⎡ ⎤

  Q = NT x − 0,5 x x R K x DT (20) ⎢

• M H

  ⎥

  H M M

  NP NP ⎢⎣ ⎥⎦

  ⎢ ⎥

  ⎣ ⎦

  Efisiensi generator ( η G ) dapat dihitung dengan persamaan (Buist, halaman 10): P

  O

  η = x 10 % (21)

  G

  Q

  H

2.3 Perhitungan Pada Radiasi Surya

  Pengukuran radiasi matahari dengan menggunakan sel surya tidak bisa langsung diukur tetapi berupa tegangan keluaran dari sel surya (V G ). Oleh karena itu tegangan keluaran diubah menjadi arus (I ). Arus sel surya dapat dihitung

  G

  dengan persamaan :

  V _G

  I _G = (22) R _G

  Dengan : R G : Hambatan yang digunakan pada sel surya, berupa 10 ohm

  Radiasi yang datang yang dihitung dengan persamaan (23) dan mengukur arus pada sel surya (buku panduan alat):

  I _G G x 1000 (23) = ,

  4

2.4 Perhitungan Pada Kolektor

  Efisiensi kolektor termal surya sangat menentukan unjuk kerja secara keseluruhan pembangkit listrik dan bagian-bagian kolektor pelat datar yang terlihat pada gambar 2.4. Efisiensi kolektor merupakan fungsi temperatur fluida kerja masuk kolektor, temperatur lingkungan dan radiasi matahari. Efisiensi kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan (Arismunandar, halaman 68):

  T T −

  ⎛ ⎞

  i a

  η = F ( ) τα − F U ⎜ ⎟ (24)

  R R L

  G ⎝ ⎠ dengan :

  F R : faktor pelepasan panas

  2 G : radiasi yang datang (W/m )

  T : temperatur sekitar (K)

  a

  T i : temperatur fluida kerja masuk kolektor (K)

  2 U L : koefisien kerugian (W/(m .K))

  (τα) : faktor transmitan-absorpan kolektor

Gambar 2.4 Bagian-bagian kolektor datar

  Faktor pelepasan panas kolektor (F R ) dihitung dengan persamaan (Arismunandar, halaman 218):

  .

  m F . C T − T

  ( ) PF O i

  F = (25)

  R

  A G ( ) U T T τα − ( − )

  [ ]

C L i a

  dengan :

2 A C : luasan kolektor (m )

  C PF : panas jenis fluida kerja (J/(kg.K))

2 G : radiasi yang datang (W/m )

  m F : massa fluida kerja dalam pipa di kolektor (kg) T a : temperatur sekitar (K) T i : temperatur fluida kerja masuk kolektor (K) T O : temperatur fluida kerja keluar kolektor (K)

  2

  2 U : koefisien kerugian (W/(m .K) .K) L ≈ 8 W/(m

  (τα) : faktor transmitan-absorpan kolektor

2.5 Perhitungan Efisiensi Alat Penelitian

  Efisiensi secara keseluruhan ( η TOTAL ) dapat dihitung dengan persamaan : η = η x η (26)

  TOTAL G

METODE PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Skema Alat

Gambar 3.1. Skema alat penelitian

  Peralatan-peralatan yang terdapat pada penelitian terlihat pada gambar 3.1 dan detil pembangkit listrik termoelektrik dapat ditunjukkan pada gambar 3.2 :

Gambar 3.2. Detil pemasangan pembangkit listrik termoelektrik

3.2 Peralatan Penelitian

  Peralatan-peralatan yang digunakan saat penelitian sebagai berikut :

• Termoelektrik dengan seri TEC1-12706 sebanyak 20 buah
• Kolektor plat datar pipa paralel
• Tangki penyimpan panas
• Tangki pendingin termoelektrik dan tangki suplai air
• Penampil termokopel dan termokopel
• Multitester • Hambatan 10 ohm dan 2 ohm
• Tangki ekspansi
• Pompa • Sel surya

3.3 Langkah Penelitian

  Jalannya penelitian yang dilakukan dengan 3 tahap yaitu pembuatan alat, pelaksanaan penelitian, pengolahan dan analisa data. Langkah-langkah pada tiap tahap sebagai berikut :

3.3.1 Pembuatan Alat

  Sebelum pembuatan alat, penelitian diawali dengan konsultasi pembuatan alat, survei termoelektrik dan survei harga termokopel. Setelah melakukan survei maka peralatan dan perlengkapan dipersiapkan. Kolektor plat datar tidak dibuat dalam penelitian tetapi meminjam dari laboratorium mekanika fluida. Pembuatan alat penelitian dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : 1. Perancangan dan pembuatan tangki penyimpan panas.

  2. Pengisolasian tangki penyimpan panas.

  3. Perancangan dan pembuatan rangka.

  4. Perancangan dan pembuatan tangki pendingin air.

  5. Pemasangan tangki penyimpan panas dan kolektor plat datar pada rangka.

  6. Pemasangan selang, pipa ekspansi dan termoelektrik.

  7. Pemasangan tangki pendingin.

3.3.2 Pelaksanaan Penelitian

  Sebelum ujicoba maka perlu pengisian fluida pada alat. Fluida yang digunakan adalah minyak goreng. Penelitian dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut : 1. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 3.1.

  2. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan susunan yaitu susunan paralel pada 20 buah termoelektrik.

  3. Variasi susunan dilakukan pengambilan data sebanyak 19 data tiap 10 menit.

  4. Data yang dicatat adalah temperatur sisi panas termoelektrik, temperatur sisi dingin termoelektrik, arus keluaran, tegangan keluaran, temperatur udara sekitar, temperatur fluida kerja masuk kolektor, temperatur fluida kerja keluar kolektor, radiasi surya yang datang pada permukaan kolektor dan waktu. Pengukuran temperatur digunakan termokopel dan pengukuran radiasi surya digunakan sel surya yang telah dikalibrasi.

  5. Sebelum melanjutkan pengambilan data untuk variasi berikutnya kondisi alat harus didiamkan agar kembali ke kondisi awal sebelum dilakukan penelitian

  6. Penelitian dilanjutkan dengan variasi susunan termoelektrik seri- paralel.

3.3.3 Pengolahan dan Analisa Data

  Pengolahan dan analisa data diawali dengan melakukan perhitungan pada parameter-parameter yang diperlukan dengan menggunakan persamaan (1) sampai dengan persamaan (26). Analisa akan lebih mudah dilakukan dengan membuat grafik hubungan arus (I O ), tegangan (V O ), daya (P O ), efisiensi generator ( η G ) dan efisiensi total ( η total ) dengan T H , T C dan ΔT.

3.4 Parameter yang Diukur

  Data-data penelitian yang diperlukan dalam pengolahan dan analisa dengan mengukur parameter-parameter sebagai berikut :

• T H : temperatur sisi panas termoelektrik
• T C : temperatur sisi dingin termoelektrik

  : arus keluaran

• I O • V O : tegangan keluaran
• Ta : temperatur udara sekitar
• Ti : temperatur fluida kerja masuk kolektor

  : temperatur fluida kerja keluar kolektor

• T O • V G : tegangan keluaran pada sel surya

HASIL PENGAMBILAN DATA

4.1 Data Penelitian Susunan Paralel

  Penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan paralel dilaksanakan dengan keterangan sebagai berikut : Tanggal : 25 Oktober 2007 Tempat Percobaan : Depan Laboratorium Konversi Energi,

  Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Jam : 11:00 Lama percobaan : 3 jam Jenis kolektor : pelat datar pipa paralel

  

o

  Kemiringan kolektor : 60

  2 Luasan kolektor : 0,6 m

  Termoelektrik yang digunakan : TEC-12706 Jumlah termoelektrik pada rangkaian : Seri 1 buah dan paralel 20 buah Tahanan beban (Resistor) : 2 ohm Hasil pengambilan data variasi susunan termoelektrik secara paralel dapat dilihat pada tabel 4.1

  (

  C) Ti

  (

  Atas

  T

  V G (volt)

  C)

  O

  (

  O

  C) T

  O

  Jam T

  O

  C) 11:00 40,5 35,0 0,0496 0.0247 31,0 42,0 72,1 3,00 68,5 11:10 41,6 34,7 0,0515 0.0257 31,2 44,4 83,2 1,80 68,4 11:20 39,9 34,6 0,0411 0.0205 28,7 40,6 66,9 3,12 64,6 11:30 39,4 34,4 0,0451 0.0225 33,7 46,3 82,3 3,94 65,3 11:40 42,2 33,8 0,0611 0.0305 29,7 48,6 88,2 4,07 76,6 11:50 44,3 34,2 0,0659 0.0330 28,3 45,4 83,0 2,50 78,6 12:00 43,2 34,5 0,0500 0.0250 28,7 48,1 83,5 3,93 72,4 12:10 45,3 36,2 0,0593 0.0297 29,1 48,4 85,6 3,57 76,7 12:20 46,0 30,1 0,0651 0.0326 27,0 49,1 89,6 3,54 81,5 12:30 47,9 35,3 0,0681 0.0341 27,2 50,1 89,3 3,47 80,8 12:40 46,0 34,3 0,0634 0.0316 26,1 46,6 85,4 3,48 81,0 12:50 47,4 40,4 0,0558 0.0279 28,0 44,0 71,6 0,80 76,3 13:00 44,3 39,0 0,0383 0.0192 29,3 40,0 60,9 0,67 61,9 13:10 41,5 38,8 0,0274 0.0137 29,6 39,3 55,5 1,27 53,9 13:20 40,3 35,2 0,0243 0.0122 29,7 38,0 56,5 0,81 52,4 13:30 41,4 38,3 0,0222 0.0110 29,5 39,3 55,2 0,70 52,8 13:40 39,3 36,5 0,0140 0.0070 30,4 36,5 49,8 0,54 48,5 13:50 39,5 38,9 0,0113 0.0056 30,5 37,8 50,5 0,64 47,0 14:00 38,8 36,5 0,0085 0.0042 29,6 36,6 48,8 0,61 45,1

  Ta (

  I O (amper)

  V O (volt)

  C)

  O

  (

  C

  C) T

  O

  (

  H

  O

• T Atas : Temperatur fluida minyak goreng pada selang aliran minyak goreng panas di dekat tangki penyimpan panas

4.2 Data Penelitian Susunan Seri-Paralel

  Penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan seri-paralel dilaksanakan dengan keterangan sebagai berikut : Tanggal : 7 Agustus 2007 Tempat Percobaan : Depan Laboratorium Konversi Energi,

  Universitas Sanata Dharma Yogyakarta Jam : 11:00 Lama percobaan : 3 jam

  : Temperatur fluida minyak goreng pada selang aliran minyak goreng panas di dekat tangki penyimpan panas

  Ta (

  Atas

  C) 11:00 44,5 34,8 0,0208 0.0103 28,6 45,3 89,5 3,52 81,4 11:10 46,0 30,6 0,0206 0.0103 32,5 49,8 90,1 3,46 80,2 11:20 45,0 35,9 0,0209 0.0102 30,1 50,7 90,0 3,42 80,4 11:30 41,6 32,0 0,0206 0.0103 29,1 51,4 86,9 3,44 80,8 11:40 46,5 36,1 0,0210 0.0105 31,5 50,6 89,3 3,46 82,4 11:50 44,2 31,3 0,0224 0.0112 29,0 51,8 88,3 3,38 81,9 12:00 48,8 36,6 0,0219 0.0110 29,1 52,2 89,6 3,39 82,4 12:10 49,4 31,7 0,0205 0.0103 27,2 53 90,1 3,16 81,8 12:20 48,5 40,3 0,0179 0.0091 30,0 50,3 85,8 3,27 81,0 12:30 50,4 38,6 0,0191 0.0096 29,5 52,3 88,5 3,30 81,9 12:40 49,7 39,1 0,0188 0.0094 31,0 51,9 85,5 3,07 81,7 12:50 48,8 38,0 0,0180 0.0090 29,0 51,2 85,7 2,63 81,4 13:00 47,5 41,3 0,0161 0.0081 31,9 44,5 68,5 1,60 74,5 13:10 46,5 37,9 0,0119 0.0060 33,4 48,2 73,3 2,92 63,8 13:20 43,3 35,5 0,0101 0.0051 28,7 48,1 73,3 2,75 65,1 13:30 46,5 37,0 0,0091 0.0045 32,2 49,2 70,8 2,55 69,7 13:40 45,7 36,5 0,0093 0.0047 29,3 48,9 75,1 2,63 69,8 13:50 47,9 36,3 0,0125 0.0063 31,2 49,6 77,3 2,40 74,2 14:00 47,8 39,8 0,0208 0.0061 30,4 44,2 66,3 0,53 72,2

  O

  T Atas (

  V G (volt)

  C)

  O

  (

  C) T O

  O

  (

  C) Ti

  O

  I O (amper)

  Kemiringan kolektor : 60

  V O (volt)

  C)

  O

  (

  C) T C

  O

  (

  Jam T H

Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel

  Jumlah termoelektrik pada rangkaian : Seri 10 buah dan paralel 2 buah Tahanan beban (Resistor) : 2 ohm Hasil pengambilan data variasi rangkaian termoelektrik secara seri-paralel dapat dilihat pada tabel 4.2

  2 Termoelektrik yang digunakan : TEC-12706

  Luasan kolektor : 0,6 m

  o

• T

ANALISA PENELITIAN

5.1 Perhitungan

  Berdasarkan data pertama pada variasi pemasangan termoelektrik secara paralel, maka didapatkan :

  1. Beda temperatur sisi panas dan sisi dingin ( ∆T)

  H – T C

  ∆T = T = 313,5-308 = 5,5 K

  2. Koefisien Seebeck (Sm) Koefisien Seebeck dapat dihitung dengan persamaan (1) dan (2): _{2 3 4} s T s T s T _{2 3 4} S = s T _{MTH 1} + + +

  2

  3

  4 _{-5 2 -7 3} 5,37574.10 .313,5 - 7,42731.10 313,5

• = 1,3345.10 .313,5 ^{2 -}
• _-9
₄

  2

  3

• 1,27141.10 .313,5

  4 = 6,1 V/K

  2 ^{3 4}

  s T s T s T _{2 3 4} S = s T _{MTC 1} + + +

  2 _{2 -}

  3

  4 _{-5 2 -7 3}

• 5,37574.10 .3 08 7,42731.10

  3

  08 = 1,3345.10 .308

• _-9
₄

  2

  3

• 1,27141.10 .3

  08

  4 = 5,934 V/K

  S M = (S MTh - S MTc ) / DT = (6,1-5,934)/5,5

  = 0,03 V/K

  3. Koefisien Seebeck untuk jumlah modul yang dipakai (S new ) Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6 ampere maka harga S dikonversi menjadi S dengan menggunakan _{M new} persamaan (7) :

  N _new

  S S x _{new M} =

  71 127 = 0,03 x

  71

  = 0,054 V/K

  = 335,162 ohm R _MTC

  = 327,234 ohm R M = (R MTh -R MTc ) / DT

  4 9,03143.10 08 .3 - ^{4 -8}

  3 -5 2 -2

  2 1,98763.10 08 .3 - 8 2,08317.30

  3 8,53832.10 08 .3

  =

  2 T r T r ^{4 4 3 3 2 2} ₁ + + + =

  3 T r

  4 T r

  4 .313,5 9,03143.10 - ^{4 -8}

  3 -5 2 -2

  3,5 2,08317.31

  2 .313,5 1,98763.10 -

  3 .313,5 8,53832.10

  =

  2 T r T r ^{4 4 3 3 2 2} ₁ + + + =

  3 T r

  4 T r

  Tahanan listrik dapat dihitung dengan persamaan (3) dan (4) : R _MTH

  = (335,162 – 327,234) / 5,5 =1,442 ohm Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6 ampere maka harga R dikonversi menjadi R dengan menggunakan _{M new} persamaan (8) : N

  6 _new R x x

  R = _{new M}

  I _new

  71

  6 127

  = 1,442 x x

  6

  71

  = 2,579 ohm

  6. Konduktansi termal (Km) Konduktansi termal dapat dihitung dengan persamaan (5) dan (6): _{2 3 4} k T k T k T _{2 3 4} K _MTH = k T ₁ + + +

  2

  3

  4 _{-6 2 -6 3 1} - 3,89821.10 .313,5 8,64864.10 .313,5 - ^- = 4,76218.10 .313,5

• _-8
₄

  2

  3 2,20869.10 .313,5

  4 = 113,614 W/K

  2 ^{3 4}

  k T k T k T _{2 3 4} K = k T _{MTC 1} + + +

  2

  3

  4 _{-6 2 -6 3} .308 8,64864.10 308 - - ^{- 1 3,89821.10} + +

• = 4,76218.10 .308 _-8
₄

  2

  3 2,20869.10 308

  4 = 111,949 W/K

  K = (K - K ) / DT

  M MTH MTC

  =(113,614 -111,949)/5,5 =0,303 W/K