Aplikasi Heat Pipe pada Thermoelectric Generator.
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
Aplikasi Heat Pipe pada Thermoelectric Generator
1
(Application of Heat Pipe on Thermoelectric Generator)
Rio Wirawan1, M. Hadi Kusuma1,2, Ranggi Sahmura 1, Wayan Nata Septiadi1,3,
Nandy Putra 1
Applied Heat Transfer Research Group, Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering,
Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok
2
Pusat Teknologi Keselamatan dan Reactor Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional
3
Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Kampus Bukit, Jimbaran, Bali
[email protected]
Abstract
Indonesia’s need of energy keeps on rising along with the development of industries and the rapid growth
of population. Meanwhile the amount of energy available is almost insufficient to fulfill those needs. The
search for alternative energy and more efficient use of available energy are among the options and strategic
ways to overcome the problem; one of them is the application of heat pipe on thermoelectric generator
(TEG). TEG is a module that converts thermal energy to electrical energy. It works with the principle of
Seebeck and TEG effect. This principle would be applied in order to develop thermoelectric generator
which utilize waste heat emitted by vehicles or other equipment. The purpose of this study is to figure out
the amount of electrical energy that could be generated from the thermoelectric module simulation being
designed. The experiment of this study used direct contact heat pipe with fan on the cold side of the
thermoelectric module and Aluminum heater block on the hot side of the thermoelectric module. The
Aluminum block was heated by electric heater with variable input voltage, which are 160 volt, 190 volt and
220 volt. The output voltage was obtained from eight thermoelectric modules connected in series. The
result showed that the maximum output obtained from those 9 modules was 15.6 volt, with the maximum
ΔT of 81.7oC and generating power of 2.4 watt. The TEG could then be used to extract electrical energy
from waste heat of vehicle or other appliance. The cooling process of thermoelectric has significant impact
on the voltage output generated. The bigger the temperature difference between the cold and the hot side,
the bigger the voltage output could be generated.
Keywords: Energy, thermoelectric generator, direct contact heat pipe, cooling.
1.
Pendahuluan
Kebutuhan energi di Indonesia semakin
meningkat seiring dengan semakin berkembangnya
industri dan bertambahnya jumlah penduduk.
Sementara jumlah energi yang ada hampir tidak
mencukupi untuk pemenuhan kebutuhan tersebut.
Konsumsi energi dunia di tahun 2010, telah meningkat
5,5% setelah penurunan kecil konsumsi energi pada
tahun 2009, total konsumsi energi dunia di tahun 2010
sebanyak 12.852 juta ton minyak ekuivalen [1].
Dengan konsumsi tersebut, efisiensi penggunaan
energi dijadikan isu yang signifikan dalam menjaga
pasokan energi dunia. Penghematan energi, efisiensi
penggunaan energi, dan daur ulang energi menjadi
pilihan yang paling gampang dilakukan untuk
mengurangi kebutuhan energi tersebut.
Pada sektor transportasi misalnya, efisiensi
termalnya masih cukup rendah. Hanya sekitar 34%
yang dapat dimanfaatkan, selebihnya merupakan
panas buang yang mengalir ke lingkungan. Dengan
pemanfaatan panas buang yang besar ke lingkungan,
energi panas buangnya dapat digunakan kembali ke
berbagai kebutuhan instrumen listrik pada kendaraan
bermotor, tanpa perlu membebani kerja motor bakar,
tapi justru menambah tingkat efisiensi kerja dari motor
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
bakar tersebut, serta mengurangi emisi gas buang ke
lingkungan. Pemanfaatan 6% dari panas gas buang
kendaraan akan dapat menghemat BBM hingga 10%
[2].
Penggunaan energi alternatif dan peningkatan
efisiensi sumber energi yang ada menjadi salah satu
pilihan dan langkah jitu yang diperlukan untuk
mengatasi hal tersebut di atas.
Thermoelectric generator (TEG) merupakan
modul yang dapat mengubah energi panas menjadi
energi listrik. Prinsip kerjanya memanfaatkan efek
Seebeck. Prinsip ini akan diaplikasikan pada
pengembangan aplikasi TEG dengan memanfaatkan
energi panas buang yang biasanya dihasilkan dari
kendaraan bermotor atau gas buang peralatan lainnya.
Penggunaan modul TEG telah berkembang pesat
sejak 10 tahun terakhir ini dalam konservasi energi
panas buang. Seperti yang telah dilakukan oleh
Darling et.al yang membahas tentang konservasi
panas buang dari kompor kayu bakar sebagai sarana
sumber listrik pada daerah rural [3]. Studi
perbandingan pemanfaatan TEG pada sistem gas
buang suatu kendaraan bermotor dengan sistem gas
buang dari stationary compressed natural gas engine
generator set (CNG) yang dilakukan oleh Karri et.al,
174
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa efek
penggunaan TEG pada sistem gas buang dapat
menghemat penggunaan bahan bakar sebanyak 1,25%
pada kendaraan bermotor [4]. Penggunaan modul TEG
untuk mengkonservasi energi panas buang banyak
dimanfaatkan karena aplikasinya yang mudah, biaya
pengoperasian serta biaya perawatan yang murah, dan
usia pakai modul TEG yang panjang, serta ramah
lingkungan karena tidak mengemisikan gas buang
apapun dalam penggunaannya [5, 6]. Xiaolong et.al
melakukan eksperimen mengenai kinerja dari modul
TEG dalam mengkonservasi energi panas buang yang
ditentukan oleh besarnya temperatur panas buang,
rangkaian seri dari TEG, memperbesar luas area dari
heat sink, serta meningkatkan kapasitas perpindahan
kalor pada sisi dingin dari modul TEG yang
digunakan [7]. Nandy et.al menggunakan modul TEG
sebanyak 12 buah dengan metode konveksi alamiah
yang dilakukan untuk mendinginkan sisi dingin dari
TEG dengan menggunakan sirip [8].
Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui
besaran energi listrik yang dihasilkan dari simulasi
modul TEG yang dirancang. Penelitian ini
menggunakan pipa kalor dengan heat sink fan pada
sisi dingin dari modul TEG.
2.
Skema Pengujian
Pada Gambar 1 dapat dilihat skema pengujian
aplikasi pipa kalor pada TEG Komponen yang akan
digunakan untuk pengujian alat pembangkit TEG
adalah sebagai berikut: Balok berbahan Aluminium
dengan dimensi 180 x 48 x 48 mm dengan sisi dalam
diberi lubang untuk ditempatkan heater (pemanas)
logam berbentuk silinder. Balok yang terisi pemanas
ini disimulasikan sebagai sumber panas pembangkit
TEG. Pada balok ditempatkan modul TEG sebanyak
8 buah, dengan setiap sisi ditempatkan 2 buah
modul TEG. Modul TEG ini akan menyerap sumber
panas. Pemanas dengan daya maksimum 700 watt
digunakan untuk
memanaskan
logam
yang
berdimensi panjang 165mm x diameter 30 mm.
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
Pemanas dihubungkan ke regulator voltage
(pengatur tegangan) sebagai simulasi temperatur
pipa gas buang kendaraan. Pada balok juga
ditempatkan pipa kalor dengan heat sink dan kipas
(kipas) yang berfungsi sebagai pendingin sisi dingin
modul TEG, masing masing 2 unit pipa kalor
ditempatkan pada sisi atas dan sisi bawah balok
Aluminium, dan sisi samping balok Aluminium
masing masing dipasang 1 unit pipa kalor. Pelat
Aluminium ditempatkan pada sisi samping balok
aluminium yang ditempatkan pada sisi samping balok
Aluminium, yang digunakan sebagai perantara antara
pipa kalor dengan modul TEG. Dengan menggunakan
pelat Aluminium, 2 unit modul TEG dapat
m e n dinginkan sisi dingin dengan menggunakan 1
unit pipa kalor. Bracket digunakan untuk menyatukan
pelat Aluminium dengan pipa kalor dan kemudian
d i p a s an g baut ke sisi balok Aluminium. Junction
terminal yang berfungsi untuk menyambungkan
kabel modul TEG menjadi suatu rangkaian seri power
supply yang akan dihubungkan untuk menggerakkan
kipas pada pipa kalor. Kipas digunakan untuk
mendinginkan heat sink. Sepuluh buah titik
termokopel tipe K dipasang pada alat, yaitu pada sisi
panas modul TEG dan sisi dinginnya, temperatur
pada pemanas, dan temperatur lingkungan. Seluruh
termokopel disambungkan ke data akusisi.
Variasi pengujian dilakukan untuk mengetahui
besaran tegangan yang dihasilkan dari rangkaian modul
TEG dalam berbagai kondisi kerja yang dimodelkan.
Variasi pengujian yang dilakukan adalah: variasi
tegangan yang diberikan dari pengatur tegangan,
variasi tegangan dilakukan dengan tujuan untuk melihat
pengaruh perbedaan tegangan yang diberikan pada
pengatur tegangan pada pemanas serta pengaruhnya
terhadap keluaran tegangan yang dihasilkan rangkaian
modul TEG. Variasi tegangan yang diujikan adalah 160
volt, 190 volt dan 220 volt. Perbandingan yang dilihat
adalah keluaran tegangan apabila menggunakan heat
sink pada sisi dingin dengan keluaran tegangan apabila
menggunakan pipa kalor pada sisi dingin modul TEG.
175
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
Gambar 1. Skema pengujian aplikasi pipa kalor pada TEG
3.
Hasil dan Pembahasan
Pengujian alat dilakukan sampai data yang
didapatkan stabil dan tidak mengalami kenaikan atau
penurunan temperatur dan tegangan. Parameter utama
dalam pengambilan data adalah temperatur, karena
temperatur pada pemanas akan mencapai titik puncak
tertentu yang bergantung dari tegangan yang diberikan
melalui pengatur tegangan. Apabila titik temperatur
puncak pada pemanas tercapai, temperatur sisi panas
yang diterima oleh masing masing modul TEG juga
akan mengalami stagnansi, maka pembuangan kalor
pada sisi dingin juga tidak lagi mengalami
peningkatan/menjadi konstan, sehingga dicapai
temperatur keseluruhan yang konstan.
Pada Gambar 2 dapat dilihat perubahan temperatur
terhadap waktu dengan menggunakan pipa kalor. pada
data ini, temperatur sisi panas dan temperatur sisi
dingin yang diperoleh merupakan hasil rata-rata dari
temperatur dari tiap titik yang diukur dengan
menggunakan termokopel, yaitu rata-rata dari
temperatur sisi atas, sisi bawah serta sisi kiri dan sisi
kanan. Data ini menunjukkan bahwa temperatur
maksimum yang bisa dicapai oleh pemanas sebesar
kurang lebih 200C. Dengan temperatur sebesar itu,
maka panas yang dapat diserap oleh sisi panas pada
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
rangkaian modul TEG pada titik pengukuran didapat
mendekati temperatur yang sama, dengan temperatur
sisi panas maksimal sekitar 180-190C dan temperatur
maksimal yang diperoleh pada titik pengukuran sisi
dingin didapatkan sebesar 90-100C dengan perbedaan
temperatur yang diperoleh maksimal berkisar antara 8090C. Kondisi ini didapatkan dengan pemberian
tegangan sebesar 220 volt dari pengatur tegangan kepada
pemanas.
Sebagai perbandingan juga ditampilkan perubahan
temperatur terhadap waktu pada Gambar 3 dengan
menggunakan heat sink pada sisi dingin dari modul
TEG. Sebagai catatan, pada pengujian perbandingan
dengan menggunakan heatsink ini, tegangan yang
diberikan pengatur tegangan tidak dapat diberikan
sebesar tegangan pada pipa kalor, karena pembuangan
kalor yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan
pipa kalor, maka perbedaan temperatur pada modul
TE G jauh lebih kecil dibandingkan dengan
penggunaan pipa kalor pada sisi dingin modul TEG.
Dari Gambar 3 terlihat perbedaan temperatur
ma ksi ma l antara sisi panas dan sisi dingin dari
modul TE G hanya pada kisaran 30ºC. Temperatur
maksimal yang dapat dicapai hanya sebesar 140 0C.
Panas yang diberikan masih dapat terus meningkat,
namun karena perbedaan temperatur yang kecil
176
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
diantara sisi dingin dan sisi panas pada modul TEG,
maka beberapa modul TEG mengalami kerusakan
karena temperatur kerja yang terlalu tinggi sementara
panas yang dibuang dari sisi dingin sangat rendah.
Hal ini membuat performa modul TEG menurun
drastis dan menyebabkan kerusakan pada beberapa
modul TEG.
yang tinggi pada modul tegangan.
Gambar 4. Perubahan tegangan terhadap s el i s i h
temperatur pada saat pemanas diberi tegangan 160
volt.
Gambar 2 . Data temperatur terhadap waktu dengan
menggunakan pipa kalor
Gambar 3 . Perubahan temperatur terhadap waktu
dengan menggunakan heat sink
Pada Gambar 4 terlihat perubahan tegangan
terhadap selisih temperatur pada variasi pengujian
yang pertama yaitu pemberian tegangan dari
pengatur tegangan sebesar 160 volt. Dari gambar
terlihat dengan meningkatnya perubahan temperatur
menyebabkan kenaikan tegangan yang dihasilkan.
Perubahan temperature sebesar 35°C menyebabkan
kenaikan tegangan sebesar 8 volt dari rangkaian
modul TEG yang disusun cara seri. Grafik yang
didapat
bersifat
linier
seperti grafik-grafik
sebelumnya. Adanya lekukan yang terjadi pada
grafik dapat disebabkan karena tingkat sensitivitas
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
Pada Gambar 5 terlihat tegangan yang dihasilkan
pada saat pemanas diberikan tegangan 1 90 volt.
Dengan kondisi pengujian seperti ini, didapat
tegangan pada rentang 12-13 volt, dengan selisih
temperatur hampir mendekati 60°C.
Gambar 5. Perubahan tegangan terhadap selisih
temperatur pada saat pemanas diberi tegangan 190 volt.
Pada Gambar 6 merupakan data tegangan yang
dihasilkan dengan variasi pengujian input tegangan dari
pengatur tegangan sebesar 220 volt. Dengan perbedaan
temperatur maksimum antara sisi dingin dan sisi
panas yang berada pada kisaran 80°C didapat
tegangan yang berada pada kisaran 14-16 volt.
Terjadinya penurunan tegangan yang signifikan secara
tiba-tiba lebih disebabkan karena sensitivitas modul
tegangan. Karena pada saat penurunan data tegangan
terjadi, lampu yang ada sebagai beban tetap dapat
menyala, dan saat diukur dengan menggunakan
177
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
multimeter, tegangan yang dihasilkan tetap berada
pada kisaran 14-16 volt.
Pada pembebanan ini, saat kondisi ΔT mencapai di
atas 80C sisi panas mencapai tingkat temperatur sangat
tinggi yang dibarengi oleh permukaan sisi dingin yang
menjadi makin panas. Walaupun ΔT yang dihasilkan
besar, namun mengakibatkan tegangan yang dihasilkan
menurun secara ekstrem.
50 menit, tegangan yang dihasilkan stabil berkisar 15
volt.
Gambar 8 . Daya yang dihasilkan terhadap
tegangan pada pipa kalor dan heat sink.
Gambar 6 . Perubahan tegangan terhadap selisih
temperatur keseluruhan pada saat pemanas diberikan
tegangan 220 volt
Gambar 7 . P erubahan tegangan terhadap selisih
temperatur keseluruhan
Pada Gambar 7 terlihat data perbandingan
tegangan yang dihasilkan secara keseluruhan dari TEG
dengan menggunakan heat sink dan dengan
menggunakan pipa kalor pada sisi dinginnya. Dapat
dilihat tegangan yang dihasilkan pada heat sink
sebesar 3,5 volt dengan perbedaan temperatur
maksimum yang didapatkan sebesar 35°C. Sementara
dengan menggunakan pipa kalor pada sisi dinginnya,
didapatkan perbedaan temperatur maksimum sebesar
85°C dengan tegangan yang didapat mendekati 16 volt.
Dengan temperatur yang stabil, maka tegangan yang
didapatkan pada pipa kalor akan menjadi stabil, seperti
ditunjukkan pada saat variasi pengujian dengan
pengatur tegangan 220 volt. Selama hampir 40 sampai
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
Dengan menggunakan perhitungan rumus daya dan
dengan menggunakan tegangan sebagai input serta
resistor 100 ohm sebagai input, maka dapat diketahui
daya yang dihasilkan berdasarkan tegangan yang
dihasilkan. Dari perhitungan, didapatkan daya mendekati
2,5 watt dengan tegangan mendekati angka 15 volt. Daya
ini didapat dengan menggunakan pipa kalor sebagai
pendingin pada sisi dingin dari modul TEG. Sementara
dengan menggunakan heat sink pada sisi dingin dari
modul T E G , didapatkan daya yang sangat kecil,
dibawah 0,5 watt seperti terlihat dari Gambar 8.
Rendahnya daya yang dihasilkan, disebabkan oleh adanya
hambatan listrik (electric resistance) dari karakteristik
TEG. Pada sebuah sebuah TEG, selain dapat
membangkitkan suatu daya, juga mempunyai hambatan
dalam sistem internal yang menyebabkan daya yang
dikeluarkan menjadi lebih rendah. Nilai hambatan dari
suatu TEG adalah berbeda-beda.
Hal lain yang mempengaruhi pembangkitan daya
adalah gaya termal, yakni suatu karakteristik dari TEG,
yang menjelaskan besarnya temperatur yang diterima
oleh modul TEG karena adanya perbedaan potensial
antara dua lapisan semikonduktor. Hal ini menyebabkan
adanya aliran elektron. Semakin besar gaya termal
maka semakin besar aliran elektron yang dipindahkan.
Namun untuk mendapatkan gaya termal yang maksimal,
diperlukan perpindahan kalor dan pelepasan kalor pada
kedua sisi secara optimal. Jika perpindahan kalor tidak
merata, maka perpindahan elektron akan menjadi
tersendat. Hal ini disebabkan karena adanya perpindahan
elektron yang lebih lambat karena perbedaan temperatur
yang tidak merata pada sisi lain.
Dari perbedaan temperatur sisi dingin dan sisi panas
dan besarnya tegangan yang didapat, maka dapat
dihitung koefisien Seebeck sebagai berikut:
pada pipa kalor
178
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
pada heat sink
Dimana S adalah koefisien Seebeck yang dicari,
adalah tegangan yang didapatkan, serta
adalah
perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin.
Kemudian dengan mengetahui koefisien Seebeck,
kita dapat menghitung figure of merit (Z)
Dimana:
pada pipa kalor
5. Nuwayhid, R., D. Rowe, and G. Min, Low cost stovetop thermoelectric generator for regions with
unreliable electricity supply. Renewable energy,
2003. 28(2): p. 205-222.
6. Rowe, D.M., CRC handbook of thermoelectrics.
1995: CRC press.
7. Gou, X., H. Xiao, and S. Yang, Modeling,
experimental study and optimization on lowtemperature waste heat thermoelectric generator
system. Applied energy, 2010. 87(10): p. 3131-3136.
8. Putra, N., et al., Potensi Pembangkit Daya
Termoelektrik Untuk Kendaraan Hibrid. MAKARA
Journal of Technology Series, 2010. 13(2).
pada heat sink
Dengan Z adalah figure of merit, adalah konduktivitas
listrik dan adalah konduktivitas termal.
Semakin besar nilai Z pada pengujian, maka nilai
efisiensi termodinamika dari modul TEG yang dijalankan
akan semakin baik. Namun yang menjadi masalah selama
ini dalam pengembangan pemanfaatan pembangkit TEG
adalah efisiensi termalnya yang rendah, hanya berkisar
4% [1].
4. Kesimpulan
Termoelektrik dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan
energi listrik dari energi sisa panas buang. Hasil yang
didapatkan menunjukkan tegangan maksimal sebesar
15,6 volt dengan susunan rangkaian seri 8 buah modul
TEG, daya yang dihasilkan sebesar 2,4 watt. Keakuratan
instalasi alat pengujian akan sangat berpengaruh pada
tegangan keluaran yang dihasilkan. Proses pendinginan
pada TEG akan sangat menentukan besarnya tegangan
yang dihasilkan, karena semakin besar ΔT yang
dihasilkan, semakin besar tegangan keluaran yang
didapatkan. Kualitas daya tahan dari modul TEG yang
digunakan akan sangat menentukan hasil tegangan yang
dikeluarkan.
Daftar pustaka
1. Vázquez, J., et al. State of the art of thermoelectric
generators based on heat recovered from the exhaust
gases of automobiles. in Proc. 7th European
Workshop on Thermoelectrics. 2002.
2. Rinalde, G., et al., Development of thermoelectric
generators for electrification of isolated rural homes.
International Journal of Hydrogen Energy, 2010.
35(11): p. 5818-5822.
3. Darling, C.R. and R.H. Rinaldi, On the thermoelectric properties of bismuth alloys, with special
reference to the effect of fusion. With a note on
thermo-electric re-inversion. Proceedings of the
Physical Society of London, 1923. 36(1): p. 281.
4. Karri, M., E. Thacher, and B. Helenbrook, Exhaust
energy conversion by thermoelectric generator: two
case studies. Energy Conversion and Management,
2011. 52(3): p. 1596-1611.
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
179
ISSN 2355 – 6927
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
Aplikasi Heat Pipe pada Thermoelectric Generator
1
(Application of Heat Pipe on Thermoelectric Generator)
Rio Wirawan1, M. Hadi Kusuma1,2, Ranggi Sahmura 1, Wayan Nata Septiadi1,3,
Nandy Putra 1
Applied Heat Transfer Research Group, Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering,
Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok
2
Pusat Teknologi Keselamatan dan Reactor Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional
3
Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Kampus Bukit, Jimbaran, Bali
[email protected]
Abstract
Indonesia’s need of energy keeps on rising along with the development of industries and the rapid growth
of population. Meanwhile the amount of energy available is almost insufficient to fulfill those needs. The
search for alternative energy and more efficient use of available energy are among the options and strategic
ways to overcome the problem; one of them is the application of heat pipe on thermoelectric generator
(TEG). TEG is a module that converts thermal energy to electrical energy. It works with the principle of
Seebeck and TEG effect. This principle would be applied in order to develop thermoelectric generator
which utilize waste heat emitted by vehicles or other equipment. The purpose of this study is to figure out
the amount of electrical energy that could be generated from the thermoelectric module simulation being
designed. The experiment of this study used direct contact heat pipe with fan on the cold side of the
thermoelectric module and Aluminum heater block on the hot side of the thermoelectric module. The
Aluminum block was heated by electric heater with variable input voltage, which are 160 volt, 190 volt and
220 volt. The output voltage was obtained from eight thermoelectric modules connected in series. The
result showed that the maximum output obtained from those 9 modules was 15.6 volt, with the maximum
ΔT of 81.7oC and generating power of 2.4 watt. The TEG could then be used to extract electrical energy
from waste heat of vehicle or other appliance. The cooling process of thermoelectric has significant impact
on the voltage output generated. The bigger the temperature difference between the cold and the hot side,
the bigger the voltage output could be generated.
Keywords: Energy, thermoelectric generator, direct contact heat pipe, cooling.
1.
Pendahuluan
Kebutuhan energi di Indonesia semakin
meningkat seiring dengan semakin berkembangnya
industri dan bertambahnya jumlah penduduk.
Sementara jumlah energi yang ada hampir tidak
mencukupi untuk pemenuhan kebutuhan tersebut.
Konsumsi energi dunia di tahun 2010, telah meningkat
5,5% setelah penurunan kecil konsumsi energi pada
tahun 2009, total konsumsi energi dunia di tahun 2010
sebanyak 12.852 juta ton minyak ekuivalen [1].
Dengan konsumsi tersebut, efisiensi penggunaan
energi dijadikan isu yang signifikan dalam menjaga
pasokan energi dunia. Penghematan energi, efisiensi
penggunaan energi, dan daur ulang energi menjadi
pilihan yang paling gampang dilakukan untuk
mengurangi kebutuhan energi tersebut.
Pada sektor transportasi misalnya, efisiensi
termalnya masih cukup rendah. Hanya sekitar 34%
yang dapat dimanfaatkan, selebihnya merupakan
panas buang yang mengalir ke lingkungan. Dengan
pemanfaatan panas buang yang besar ke lingkungan,
energi panas buangnya dapat digunakan kembali ke
berbagai kebutuhan instrumen listrik pada kendaraan
bermotor, tanpa perlu membebani kerja motor bakar,
tapi justru menambah tingkat efisiensi kerja dari motor
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
bakar tersebut, serta mengurangi emisi gas buang ke
lingkungan. Pemanfaatan 6% dari panas gas buang
kendaraan akan dapat menghemat BBM hingga 10%
[2].
Penggunaan energi alternatif dan peningkatan
efisiensi sumber energi yang ada menjadi salah satu
pilihan dan langkah jitu yang diperlukan untuk
mengatasi hal tersebut di atas.
Thermoelectric generator (TEG) merupakan
modul yang dapat mengubah energi panas menjadi
energi listrik. Prinsip kerjanya memanfaatkan efek
Seebeck. Prinsip ini akan diaplikasikan pada
pengembangan aplikasi TEG dengan memanfaatkan
energi panas buang yang biasanya dihasilkan dari
kendaraan bermotor atau gas buang peralatan lainnya.
Penggunaan modul TEG telah berkembang pesat
sejak 10 tahun terakhir ini dalam konservasi energi
panas buang. Seperti yang telah dilakukan oleh
Darling et.al yang membahas tentang konservasi
panas buang dari kompor kayu bakar sebagai sarana
sumber listrik pada daerah rural [3]. Studi
perbandingan pemanfaatan TEG pada sistem gas
buang suatu kendaraan bermotor dengan sistem gas
buang dari stationary compressed natural gas engine
generator set (CNG) yang dilakukan oleh Karri et.al,
174
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa efek
penggunaan TEG pada sistem gas buang dapat
menghemat penggunaan bahan bakar sebanyak 1,25%
pada kendaraan bermotor [4]. Penggunaan modul TEG
untuk mengkonservasi energi panas buang banyak
dimanfaatkan karena aplikasinya yang mudah, biaya
pengoperasian serta biaya perawatan yang murah, dan
usia pakai modul TEG yang panjang, serta ramah
lingkungan karena tidak mengemisikan gas buang
apapun dalam penggunaannya [5, 6]. Xiaolong et.al
melakukan eksperimen mengenai kinerja dari modul
TEG dalam mengkonservasi energi panas buang yang
ditentukan oleh besarnya temperatur panas buang,
rangkaian seri dari TEG, memperbesar luas area dari
heat sink, serta meningkatkan kapasitas perpindahan
kalor pada sisi dingin dari modul TEG yang
digunakan [7]. Nandy et.al menggunakan modul TEG
sebanyak 12 buah dengan metode konveksi alamiah
yang dilakukan untuk mendinginkan sisi dingin dari
TEG dengan menggunakan sirip [8].
Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui
besaran energi listrik yang dihasilkan dari simulasi
modul TEG yang dirancang. Penelitian ini
menggunakan pipa kalor dengan heat sink fan pada
sisi dingin dari modul TEG.
2.
Skema Pengujian
Pada Gambar 1 dapat dilihat skema pengujian
aplikasi pipa kalor pada TEG Komponen yang akan
digunakan untuk pengujian alat pembangkit TEG
adalah sebagai berikut: Balok berbahan Aluminium
dengan dimensi 180 x 48 x 48 mm dengan sisi dalam
diberi lubang untuk ditempatkan heater (pemanas)
logam berbentuk silinder. Balok yang terisi pemanas
ini disimulasikan sebagai sumber panas pembangkit
TEG. Pada balok ditempatkan modul TEG sebanyak
8 buah, dengan setiap sisi ditempatkan 2 buah
modul TEG. Modul TEG ini akan menyerap sumber
panas. Pemanas dengan daya maksimum 700 watt
digunakan untuk
memanaskan
logam
yang
berdimensi panjang 165mm x diameter 30 mm.
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
Pemanas dihubungkan ke regulator voltage
(pengatur tegangan) sebagai simulasi temperatur
pipa gas buang kendaraan. Pada balok juga
ditempatkan pipa kalor dengan heat sink dan kipas
(kipas) yang berfungsi sebagai pendingin sisi dingin
modul TEG, masing masing 2 unit pipa kalor
ditempatkan pada sisi atas dan sisi bawah balok
Aluminium, dan sisi samping balok Aluminium
masing masing dipasang 1 unit pipa kalor. Pelat
Aluminium ditempatkan pada sisi samping balok
aluminium yang ditempatkan pada sisi samping balok
Aluminium, yang digunakan sebagai perantara antara
pipa kalor dengan modul TEG. Dengan menggunakan
pelat Aluminium, 2 unit modul TEG dapat
m e n dinginkan sisi dingin dengan menggunakan 1
unit pipa kalor. Bracket digunakan untuk menyatukan
pelat Aluminium dengan pipa kalor dan kemudian
d i p a s an g baut ke sisi balok Aluminium. Junction
terminal yang berfungsi untuk menyambungkan
kabel modul TEG menjadi suatu rangkaian seri power
supply yang akan dihubungkan untuk menggerakkan
kipas pada pipa kalor. Kipas digunakan untuk
mendinginkan heat sink. Sepuluh buah titik
termokopel tipe K dipasang pada alat, yaitu pada sisi
panas modul TEG dan sisi dinginnya, temperatur
pada pemanas, dan temperatur lingkungan. Seluruh
termokopel disambungkan ke data akusisi.
Variasi pengujian dilakukan untuk mengetahui
besaran tegangan yang dihasilkan dari rangkaian modul
TEG dalam berbagai kondisi kerja yang dimodelkan.
Variasi pengujian yang dilakukan adalah: variasi
tegangan yang diberikan dari pengatur tegangan,
variasi tegangan dilakukan dengan tujuan untuk melihat
pengaruh perbedaan tegangan yang diberikan pada
pengatur tegangan pada pemanas serta pengaruhnya
terhadap keluaran tegangan yang dihasilkan rangkaian
modul TEG. Variasi tegangan yang diujikan adalah 160
volt, 190 volt dan 220 volt. Perbandingan yang dilihat
adalah keluaran tegangan apabila menggunakan heat
sink pada sisi dingin dengan keluaran tegangan apabila
menggunakan pipa kalor pada sisi dingin modul TEG.
175
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
Gambar 1. Skema pengujian aplikasi pipa kalor pada TEG
3.
Hasil dan Pembahasan
Pengujian alat dilakukan sampai data yang
didapatkan stabil dan tidak mengalami kenaikan atau
penurunan temperatur dan tegangan. Parameter utama
dalam pengambilan data adalah temperatur, karena
temperatur pada pemanas akan mencapai titik puncak
tertentu yang bergantung dari tegangan yang diberikan
melalui pengatur tegangan. Apabila titik temperatur
puncak pada pemanas tercapai, temperatur sisi panas
yang diterima oleh masing masing modul TEG juga
akan mengalami stagnansi, maka pembuangan kalor
pada sisi dingin juga tidak lagi mengalami
peningkatan/menjadi konstan, sehingga dicapai
temperatur keseluruhan yang konstan.
Pada Gambar 2 dapat dilihat perubahan temperatur
terhadap waktu dengan menggunakan pipa kalor. pada
data ini, temperatur sisi panas dan temperatur sisi
dingin yang diperoleh merupakan hasil rata-rata dari
temperatur dari tiap titik yang diukur dengan
menggunakan termokopel, yaitu rata-rata dari
temperatur sisi atas, sisi bawah serta sisi kiri dan sisi
kanan. Data ini menunjukkan bahwa temperatur
maksimum yang bisa dicapai oleh pemanas sebesar
kurang lebih 200C. Dengan temperatur sebesar itu,
maka panas yang dapat diserap oleh sisi panas pada
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
rangkaian modul TEG pada titik pengukuran didapat
mendekati temperatur yang sama, dengan temperatur
sisi panas maksimal sekitar 180-190C dan temperatur
maksimal yang diperoleh pada titik pengukuran sisi
dingin didapatkan sebesar 90-100C dengan perbedaan
temperatur yang diperoleh maksimal berkisar antara 8090C. Kondisi ini didapatkan dengan pemberian
tegangan sebesar 220 volt dari pengatur tegangan kepada
pemanas.
Sebagai perbandingan juga ditampilkan perubahan
temperatur terhadap waktu pada Gambar 3 dengan
menggunakan heat sink pada sisi dingin dari modul
TEG. Sebagai catatan, pada pengujian perbandingan
dengan menggunakan heatsink ini, tegangan yang
diberikan pengatur tegangan tidak dapat diberikan
sebesar tegangan pada pipa kalor, karena pembuangan
kalor yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan
pipa kalor, maka perbedaan temperatur pada modul
TE G jauh lebih kecil dibandingkan dengan
penggunaan pipa kalor pada sisi dingin modul TEG.
Dari Gambar 3 terlihat perbedaan temperatur
ma ksi ma l antara sisi panas dan sisi dingin dari
modul TE G hanya pada kisaran 30ºC. Temperatur
maksimal yang dapat dicapai hanya sebesar 140 0C.
Panas yang diberikan masih dapat terus meningkat,
namun karena perbedaan temperatur yang kecil
176
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
diantara sisi dingin dan sisi panas pada modul TEG,
maka beberapa modul TEG mengalami kerusakan
karena temperatur kerja yang terlalu tinggi sementara
panas yang dibuang dari sisi dingin sangat rendah.
Hal ini membuat performa modul TEG menurun
drastis dan menyebabkan kerusakan pada beberapa
modul TEG.
yang tinggi pada modul tegangan.
Gambar 4. Perubahan tegangan terhadap s el i s i h
temperatur pada saat pemanas diberi tegangan 160
volt.
Gambar 2 . Data temperatur terhadap waktu dengan
menggunakan pipa kalor
Gambar 3 . Perubahan temperatur terhadap waktu
dengan menggunakan heat sink
Pada Gambar 4 terlihat perubahan tegangan
terhadap selisih temperatur pada variasi pengujian
yang pertama yaitu pemberian tegangan dari
pengatur tegangan sebesar 160 volt. Dari gambar
terlihat dengan meningkatnya perubahan temperatur
menyebabkan kenaikan tegangan yang dihasilkan.
Perubahan temperature sebesar 35°C menyebabkan
kenaikan tegangan sebesar 8 volt dari rangkaian
modul TEG yang disusun cara seri. Grafik yang
didapat
bersifat
linier
seperti grafik-grafik
sebelumnya. Adanya lekukan yang terjadi pada
grafik dapat disebabkan karena tingkat sensitivitas
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
Pada Gambar 5 terlihat tegangan yang dihasilkan
pada saat pemanas diberikan tegangan 1 90 volt.
Dengan kondisi pengujian seperti ini, didapat
tegangan pada rentang 12-13 volt, dengan selisih
temperatur hampir mendekati 60°C.
Gambar 5. Perubahan tegangan terhadap selisih
temperatur pada saat pemanas diberi tegangan 190 volt.
Pada Gambar 6 merupakan data tegangan yang
dihasilkan dengan variasi pengujian input tegangan dari
pengatur tegangan sebesar 220 volt. Dengan perbedaan
temperatur maksimum antara sisi dingin dan sisi
panas yang berada pada kisaran 80°C didapat
tegangan yang berada pada kisaran 14-16 volt.
Terjadinya penurunan tegangan yang signifikan secara
tiba-tiba lebih disebabkan karena sensitivitas modul
tegangan. Karena pada saat penurunan data tegangan
terjadi, lampu yang ada sebagai beban tetap dapat
menyala, dan saat diukur dengan menggunakan
177
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
multimeter, tegangan yang dihasilkan tetap berada
pada kisaran 14-16 volt.
Pada pembebanan ini, saat kondisi ΔT mencapai di
atas 80C sisi panas mencapai tingkat temperatur sangat
tinggi yang dibarengi oleh permukaan sisi dingin yang
menjadi makin panas. Walaupun ΔT yang dihasilkan
besar, namun mengakibatkan tegangan yang dihasilkan
menurun secara ekstrem.
50 menit, tegangan yang dihasilkan stabil berkisar 15
volt.
Gambar 8 . Daya yang dihasilkan terhadap
tegangan pada pipa kalor dan heat sink.
Gambar 6 . Perubahan tegangan terhadap selisih
temperatur keseluruhan pada saat pemanas diberikan
tegangan 220 volt
Gambar 7 . P erubahan tegangan terhadap selisih
temperatur keseluruhan
Pada Gambar 7 terlihat data perbandingan
tegangan yang dihasilkan secara keseluruhan dari TEG
dengan menggunakan heat sink dan dengan
menggunakan pipa kalor pada sisi dinginnya. Dapat
dilihat tegangan yang dihasilkan pada heat sink
sebesar 3,5 volt dengan perbedaan temperatur
maksimum yang didapatkan sebesar 35°C. Sementara
dengan menggunakan pipa kalor pada sisi dinginnya,
didapatkan perbedaan temperatur maksimum sebesar
85°C dengan tegangan yang didapat mendekati 16 volt.
Dengan temperatur yang stabil, maka tegangan yang
didapatkan pada pipa kalor akan menjadi stabil, seperti
ditunjukkan pada saat variasi pengujian dengan
pengatur tegangan 220 volt. Selama hampir 40 sampai
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
Dengan menggunakan perhitungan rumus daya dan
dengan menggunakan tegangan sebagai input serta
resistor 100 ohm sebagai input, maka dapat diketahui
daya yang dihasilkan berdasarkan tegangan yang
dihasilkan. Dari perhitungan, didapatkan daya mendekati
2,5 watt dengan tegangan mendekati angka 15 volt. Daya
ini didapat dengan menggunakan pipa kalor sebagai
pendingin pada sisi dingin dari modul TEG. Sementara
dengan menggunakan heat sink pada sisi dingin dari
modul T E G , didapatkan daya yang sangat kecil,
dibawah 0,5 watt seperti terlihat dari Gambar 8.
Rendahnya daya yang dihasilkan, disebabkan oleh adanya
hambatan listrik (electric resistance) dari karakteristik
TEG. Pada sebuah sebuah TEG, selain dapat
membangkitkan suatu daya, juga mempunyai hambatan
dalam sistem internal yang menyebabkan daya yang
dikeluarkan menjadi lebih rendah. Nilai hambatan dari
suatu TEG adalah berbeda-beda.
Hal lain yang mempengaruhi pembangkitan daya
adalah gaya termal, yakni suatu karakteristik dari TEG,
yang menjelaskan besarnya temperatur yang diterima
oleh modul TEG karena adanya perbedaan potensial
antara dua lapisan semikonduktor. Hal ini menyebabkan
adanya aliran elektron. Semakin besar gaya termal
maka semakin besar aliran elektron yang dipindahkan.
Namun untuk mendapatkan gaya termal yang maksimal,
diperlukan perpindahan kalor dan pelepasan kalor pada
kedua sisi secara optimal. Jika perpindahan kalor tidak
merata, maka perpindahan elektron akan menjadi
tersendat. Hal ini disebabkan karena adanya perpindahan
elektron yang lebih lambat karena perbedaan temperatur
yang tidak merata pada sisi lain.
Dari perbedaan temperatur sisi dingin dan sisi panas
dan besarnya tegangan yang didapat, maka dapat
dihitung koefisien Seebeck sebagai berikut:
pada pipa kalor
178
ISSN 2355 – 6927
Pr oceeding
Semi nar Nasi onal Ther mofl uid VI
Yogyakar t a, 29 Apr il 2014
pada heat sink
Dimana S adalah koefisien Seebeck yang dicari,
adalah tegangan yang didapatkan, serta
adalah
perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin.
Kemudian dengan mengetahui koefisien Seebeck,
kita dapat menghitung figure of merit (Z)
Dimana:
pada pipa kalor
5. Nuwayhid, R., D. Rowe, and G. Min, Low cost stovetop thermoelectric generator for regions with
unreliable electricity supply. Renewable energy,
2003. 28(2): p. 205-222.
6. Rowe, D.M., CRC handbook of thermoelectrics.
1995: CRC press.
7. Gou, X., H. Xiao, and S. Yang, Modeling,
experimental study and optimization on lowtemperature waste heat thermoelectric generator
system. Applied energy, 2010. 87(10): p. 3131-3136.
8. Putra, N., et al., Potensi Pembangkit Daya
Termoelektrik Untuk Kendaraan Hibrid. MAKARA
Journal of Technology Series, 2010. 13(2).
pada heat sink
Dengan Z adalah figure of merit, adalah konduktivitas
listrik dan adalah konduktivitas termal.
Semakin besar nilai Z pada pengujian, maka nilai
efisiensi termodinamika dari modul TEG yang dijalankan
akan semakin baik. Namun yang menjadi masalah selama
ini dalam pengembangan pemanfaatan pembangkit TEG
adalah efisiensi termalnya yang rendah, hanya berkisar
4% [1].
4. Kesimpulan
Termoelektrik dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan
energi listrik dari energi sisa panas buang. Hasil yang
didapatkan menunjukkan tegangan maksimal sebesar
15,6 volt dengan susunan rangkaian seri 8 buah modul
TEG, daya yang dihasilkan sebesar 2,4 watt. Keakuratan
instalasi alat pengujian akan sangat berpengaruh pada
tegangan keluaran yang dihasilkan. Proses pendinginan
pada TEG akan sangat menentukan besarnya tegangan
yang dihasilkan, karena semakin besar ΔT yang
dihasilkan, semakin besar tegangan keluaran yang
didapatkan. Kualitas daya tahan dari modul TEG yang
digunakan akan sangat menentukan hasil tegangan yang
dikeluarkan.
Daftar pustaka
1. Vázquez, J., et al. State of the art of thermoelectric
generators based on heat recovered from the exhaust
gases of automobiles. in Proc. 7th European
Workshop on Thermoelectrics. 2002.
2. Rinalde, G., et al., Development of thermoelectric
generators for electrification of isolated rural homes.
International Journal of Hydrogen Energy, 2010.
35(11): p. 5818-5822.
3. Darling, C.R. and R.H. Rinaldi, On the thermoelectric properties of bismuth alloys, with special
reference to the effect of fusion. With a note on
thermo-electric re-inversion. Proceedings of the
Physical Society of London, 1923. 36(1): p. 281.
4. Karri, M., E. Thacher, and B. Helenbrook, Exhaust
energy conversion by thermoelectric generator: two
case studies. Energy Conversion and Management,
2011. 52(3): p. 1596-1611.
Jur usan Teknik Mesin dan I ndust r i
Fakultas Tekni k UGM
179
ISSN 2355 – 6927