KARAKTERISTIK GENERATOR TERMOELEKTRIK TUGAS AKHIR - Karakteristik generator termoelektrik - USD Repository

KARAKTERISTIK GENERATOR TERMOELEKTRIK TUGAS AKHIR

  Ditujukan untuk memenuhi sebagian persyaratan Mencapai derajat Sarjana S-1

  Program Studi Teknik Mesin Diajukan Oleh :

  KRISTOFORUS AGASTYA MUNIS 095214075

  Kepada :

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA 2013

  

CHARACTERISTICS OF THERMOELECTRIC GENERATOR

FINAL PROJECT

  Presented as partial fulfilment of the requirements to obtain the Sarjana Teknik degree in Mechanical Engineering

  Submitted by : KRISTOFORUS AGASTYA MUNIS

  095214075

  

TO

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

DEPARTMENT OF MECHANICHAL ENGINEERING

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

2013

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK GENERATOR TERMOELEKTRIK

  Disusun oleh : KRISTOFORUS AGASTYA MUNIS

  095214075 Telah disetujui oleh :

  Yogyakarta, 21 Januari 2014 Pembimbing Utama Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T.

  

TUGAS AKHIR

KARAKTERISTIK GENERATOR TERMOELEKTRIK

  Yang dipersiapkan dan disusun oleh KRISTOFORUS AGASTYA MUNIS

  095214075 Telah dipertahankan di depan Dewan Penguji pada tanggal 21 Januari 2014 dan dinyatakan telah lulus memenuhi syarat.

  Susunan Dewan Penguji : Nama Lengkap Tanda Tangan Ketua : Dr. Drs. Vet. Asan Damanik, M.Si. ……………………..

  Sekretaris : A. Prasetyadi, S.Si, M.Si. …………………….. Anggota : Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. ……………………..

  Yogyakarta, 21 Januari 2014 Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma

  Dekan Paulina Heruningsih Prima Rosa, S.Si., M.Sc.

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA

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

  Surakarta, 21 Januari 2014 Kristoforus Agastya Munis

  

LEMBAR PERNYATAAN PERSETUJUAN PUBLIKASI

KARYA ILMIAH UNTUK KEPENTINGAN AKADEMIS

  Yang bertanda tangan di bawah ini, saya mahasiswa Universitas Sanata Dharma : Nama : Kristoforus Agastya Munis Nomor Mahasiswa : 095214075 Demi pengembangan ilmu pengetahuan, saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma karya ilmiah saya yang berjudul :

KARAKTERISTIK GENERATOR TERMOELEKTRIK

  Beserta perangkat yang diperlukan. Dengan demikian saya memberikan kepada Perpustakaan Universitas Sanata Dharma hak untuk menyimpan, me-ngalihkan dalam bentuk media lain, mengelolanya dalam bentuk pangkalan data, mendistribusikan secara terbatas, dan mempublikasikannya di internet atau media lain untuk kepentingan akademis tanpa perlu meminta ijin dari saya maupun memberikan royalti kepada saya selama tetap mencantumkan nama saya sebagai penulis.

  Demikian pernyataan ini yang saya buat dengan sebenarnya.

  Yogyakarta, 21 Januari 2014 Yang menyatakan Kristoforus Agastya M

  

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ……………………………………………………………. i

HALAMAN PERSETUJUAN ……………………………………………..…. ii

HALAMAN PENGESAHAN ………………………………..……………….. iii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ……………………………………… iv

LEMBAR PERSETUJUAN PUBLIKASI ……………………..…………….. v

DAFTAR ISI ……………………………..…………………………………….. vi

KATA PENGANTAR ……………………………………………………..… ix

  

INTISARI …………………………..……………………………….……….… xi

.

  

BAB I PENDAHULUAN ………………………………………………………. 1

  

1.1 Latar Belakang …………………………………………………………. 1

  

1.1.1 Termoelektrik ………………………….…………….………………….. 1

  

1.2 Tujuan ……………………..………………………….……………………. 5

  

1.3 Batasan Masalah ………………………………………………………….. 6

  

1.4 Skematik Rancangan Generator Termoelektrik …………………..…….. 7

  

1.5 Manfaat …………………………………………………………………….. 8

.

  

BAB II DASAR TEORI DAN TINJAUAN PUSTAKA …………………… 9

  

2.1 Dasar Teori ………….…………………………………………………….. 9

  

2.1.1 Perpindahan Kalor ………………………………………………………. 9

  

2.1.2 Sirip …….……………………………………..…………………………. 15

  

2.1.3 Termoelektrik …………………………………………………………… 16

  

2.1.4 Daya Listrik …………………………………………………………… 21

2.2 Tinjauan Pustaka ……………………………………………………….… 22 .

BAB III PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENELITIAN …… 26

  

3.1 Komponen Generator Termoelektrik …………………………………… 26

  

3.2 Skema Generator Termoelektrik ………………………………………… 26

  

3.3 Peralatan pendukung Pembuatan Alat ………………………………….. 30

  

3.4 Pembuatan Generator Termoelektrik ………………………………….. 30

  

3.5 Variasi Penelitian ……………………………………………………….. 32

  

3.6 Cara Pengambilan Data ………………………………………………….. 33

  

3.6.1 Pengambilan Data Penelitian I …………..…………………………… 34

  

3.6.2 Pengambilan Data Penelitian II …………..………………………….. 35

  

3.6.3 Pengambilan Data Penelitian III …………….………………………. 36

  

3.6.4 Pengambilan Data Penelitian IV ……………………………………… 38

  

3.6.5 Pengambilan Data Penelitian V ………………………………………. 39

  

3.7 Metode Pengolahan Data ……………………………………………….. 40

  

3.8 Cara Mendapatkan Kesimpulan …………………………….………….. 41

.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ……………………………………… 42

4.1 Hasil Penelitian …………………………………………………………… 42

  

4.1.1 Hasil Penelitian I …..………………………………………………….. 42

  

4.1.2 Hasil Penelitian II ……..……………………………………………… 46

  

4.1.3 Hasil Penelitian III …………………………………………………….. 50

  

4.1.4 Hasil Penelitian IV …………………………………………………….. 54

  

4.1.5 Hasil Penelitian V ……………………………………………………… 58

4.2 Perbandingan Hasil Penelitian dan Pembahasan ……………………… 62 .

BAB V Kesimpulan Dan Saran ……………………………………………. 75

  

5.1 Kesimpulan ……………………………………………………………… 75

  

5.2 Saran ………………..……………….…………………………………….. 76

.

  

DAFTAR PUSTAKA …………………………………………………………. 77

.

  

LAMPIRAN ………………………………………..………………………….. 78

.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas berkat dan rahmat yang diberikan, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir yang berjudul

  “Karakteristik Generator Termoelektrik” .

  Tugas Akhir bagi seorang mahasiswa adalah puncak dari rangkaian studi yang telah ditempuh selama kuliah beberapa semester. Melalui tugas akhir mahasiswa dapat mengaplikasikan apa yang telah dipelajari selama kuliah , disamping itu juga merupakan salah satu mata kuliah prasyarat dalam mencapai gelar sarjana strata satu pada Prodi Teknik Mesin, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Sanata Dharma.

  Pada kesempatan ini penulis juga mengucapkan terimakasih atas segala bantuannya sehingga tugas akhir ini dapat terselesaikan dengan baik, kepada :

  1. Ir. Petrus Kanisius Purwadi, M.T. selaku Dosen pembimbing sekaligus Kepala Program Studi Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta, yang telah memberi dukungan baik moral dan spiritual kepada penulis.

  2. Alb. Murdianto, M.Pd. selaku Kepala SMK Katolik Mikael yang telah memberi dukungan baik moral dan spiritual kepada penulis.

  3. P. C. Wisnu Haryanto, S.Pd, M.M. selaku Kepala Unit Kerja Workshop SMK Katolik Mikael yang selalu memberi dukungan dan bantuan sarana dan prasarana di SMK Katolik Mikael atas terselesaikannya tugas akhir ini.

  4. Orang tua yang telah membesarkan dan merawat penulis serta saudara- saudara yang selalu memberi motivasi kepada penulis.

  5. Rekan-rekan kerja serta para siswa SMK Katolik Mikael, terima kasih atas dukungannya.

  6. Penulis menyadari dalam pembuatan laporan dan penulisan masih terdapat banyak kekurangan, maka penulis menerima segala bentuk saran dan kritik yang diberikan.

  Surakarta, 2 Desember 2013 Penulis

  

INTISARI

  Sekarang ini kebutuhan akan energi listrik semakin besar, sebagian besar manusia saat ini sangat tergantung pada energi listrik dalam kehidupan sehari- hari. Listrik merupakan energi yang sangat mudah untuk diubah menjadi bentuk energi lainya, sehingga manusia semakin dipermudah dengan adanya energi listrik. Akan tetapi dibalik kemudahan tersebut terdapat ancaman krisis energi, tidak dapat dipungkiri energi listrik saat ini terutama di negeri kita tercinta Indonesia sebagian besar berasal dari energi fosil yang bisa dikatakan mulai menipis. Di negara-negara maju saat ini mulai meninggalkan energi dari fosil dan beralih ke bentuk energi yang tebarukan dari alam antara lain kincir angin, kincir air dan sel surya. Selain daripada itu saat ini mulai dikembangkan bentuk konversi energi menggunakan termoelektrik yang prinsipnya menggunakan perbedaan suhu yang ditemukan oleh Seebeck. Oleh karena itu penulis tertarik untuk meneliti termoelektrik ini dengan membuat generator termoelektrik, mengingat belum banyak yang belum melakukan penelitian ini. Diharapkan penelitian yang dibuat dapat digunakan sebagai referensi dari peneliti lain yang akan meneliti termoelektrik sebagai alat konversi energi.

  Generator ini menggunakan 4 (empat) modul termoelektrik seri 12706A, sebenarnya modul yang digunakan adalah termoelektrik untuk pendingin akan tetapi karena termoelektrik generator yang sesungguhnya terlalu mahal dan termoelektrik pendingin mempunyai karakteristik yang hampir sama dengan termoelektrik generator maka untuk meminimalkan biaya modul yang digunakan cukup menggunakan termoelektrik pendingin sebagai generator.

  Dari hasil penelitian generator ini mampu mengasilkan tegangan listrik terbuka maksimum 12,06 volt dan daya rata-rata sebesar 2,08 watt pada perbedaan suhu 88°C dengan rangkaian termoelektrik seri.

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Baru-baru ini termoelektrik mulai banyak dikenal sebagai alternatif

  pendinginan maupun pembangkit listrik. Dalam penelitian ini penulis mencoba membuat sebuat pembangkit listrik yang memanfaatkan termoelektrik.

1.1.1. Termoelektrik

  Termoelektrik adalah suatu alat yang memanfatkan energi dari perubahan suhu dan listrik. Ada dua macam termoelektrik, pertama adalah pendingin termoelektrik (peltier cooler atau TEC) seperti pada Gambar 1.1 yaitu alat yang memanfatkan energi listrik untuk memompa kalor dari permukaan satu terhadap permukaan yang lainya.

Gambar 1.1 Penampang termoelektrik pendingin Kedua adalah termoelektrik generator (peltier generator atau TEG) pada

Gambar 1.2 yaitu alat yang memanfaatkan perbedaan suhu dari panas dan dingin untuk menghasilkan listrik.Gambar 1.2 Penampang termoelektrik generator

  Kedua jenis ini pada dasarnya menggunakan prinsip kerja yang sama yaitu memanfaatkan perbedaan suhu, sehingga jika TEC pada sisi panas dan dingin terjadi perbedaan suhu maka akan timbul arus listrik di kedua kutub TEC. Sedangkan TEG jika dialiri listrik di kedua kutubnya maka akan terjadi perbedaan suhu di sisi panas dan dingin TEG tersebut. Dari kedua termoelektrik tersebut yang berbeda adalah kekuatan bahan dari konduktor terhadap panas. Untuk TEG bisa mencapai 250 celcius dan TEC hanya sampai 175 celcius. Beberapa contoh penggunaan termoelektrik generator adalah sebagai berikut.

  1. Pemanfatan panas pada exhaust mobil hibrid Pada Gambar 1.3 dapat dijelaskan bahwa panas yang dihasilkan karena pembakaran dimanfaatkan kembali unutk membangkitkan listrik dengan menggunakan TEG.

Gambar 1.3 Mobil hibrid dengan TEG

  2. Jam tangan thermal Jam tangan termal memanfaatkan panas dari tubuh manusia untuk membangkitkan listrik sehingga dapat menyuplai kebutuhan listrik pada jam tangan seperti pada Gambar 1.4

Gambar 1.4 Jam tangan termal

  3. Kipas termoelektrik.

  Dengan memanfaatkan perbedaan suhu dari es dan air panas seperti

Gambar 1.5. TEG dapat mengkonversi perbedaan suhu tersebut untuk menggerakkan kipas melalui listrik yang dihasilkan dari TEGGambar 1.5 Kipas termoelektrik 4. Pengisian baterai termoelektrik.

  Pada Gambar 1.6 dapat diperhatikan TEG memanfaatkan panas dari api lilin untuk mengisi baterai pada senter.

Gambar 1.6 Pengisi baterai dengan termoelektrik Mengingat sumber daya dari energi fosil untuk saat ini sudah menipis, sudah saatnya untuk menggunakan energi alternatif. Penggunaan TEG untuk pembangkit dirasa cukup baik untuk digunakan, karena dapat menggunakan berbagai macam sumber daya panas. Oleh karena itu penulis mencoba untuk melakukan penelitian terhadap kinerja dari TEG dengan membandingkan panas yang diserap dan energi listrik yang dihasilkan. Karena TEG dan TEC memiliki karakteristik yang hampir sama dan TEG dirasa cukup mahal maka penulis menggunakan modul TEC sebagai penelitian karena harga TEC cukup murah.

1.2. Tujuan

  Tugas akhir yang dibuat mempunyai beberapa tujuan diantaranya : a.

  Membuat generator dengan memanfaatkan panas dan modul Peltier / TEC.

  b.

  Mengetahui karakterisitik dari TEC jika digunakan sebagai generator antara lain : Mengetahui hubungan besarnya perbedaan suhu (delta T) terhadap

• tegangan listrik yang dihasilkan dari masing – masing variasi pendinginan pada sisi dingin.
• masing – masing pendinginan sisi dingin dan diambil daya terbesar.

  Membandingkan besarnya daya yang dihasilkan oleh TEC dari variasi

• termoelektrik disambung seri dan paralel dan diambil daya terbesar.

  Membandingkan besarnya daya yang dihasilkan jika keluaran listrik dari

• masing variasi pendinginan sisi dingin.

  Mengetahui perbedaan suhu (delta T) yang paling besar dari masing –

1.3. Batasan-Batasan

  Dalam penelitian ini terdapat batasan-batasan supaya lebih mengarah kepada tujuan yang ingin dicapai antara lain a.

  40 x 40 x 4 mm.

  b.

  Energi panas dari pembakaran spiritus.

  c.

  Lama pengambilan data kondisi tanpa beban adalah 10 menit atau sampai suhu 130°C d.

  Pembebanan listrik dengan bohlam lampu senter sampai dengan 6 (enam) lampu dengan pengambilan data setiap 1(satu) lampu e.

  Sirip pendingin menggunakan heatsink fin ukuran 80 x 180 x 60 mm dengan variasi fluida pendingin.

  f.

  Variasi susunan keluaran listrik termoelektrik secara seri dan paralel g.

  Variasi beban lampu secara seri dan paralel h. Variasi fluida pendingin Konveksi alami fluida udara.

• Konveksi alami fluida air.
• Konveksi paksa fluida air (pompa).
• Pendinginan dengan air es.
• i.

  Pengukuran suhu dengan termokopel digital pada sisi panas dan dingin. j.

  Pengukuran keluaran listrik dengan multitester digital. k.

  Pengukuran kuat arus menggunakan amperemeter konvensional.

1.4. Skematik Rancangan Mesin Pendingin

  Pada rancangan ini modul disusun berurutan terhadap satu permukaan yang dipanaskan dan satu permukaan yang didinginkan seperti pada Gambar 1.7. untuk rangkaian dapat dibuat seri Gambar 1.9 ataupun paralel Gambar 1.8

• Sisi yang dipanaskan

Gambar 1.7 Pemasangan modul TEG

• (-)

Gambar 1.8 Rangkaian Paralel

• (-)

Gambar 1.9 Rangkaian Seri

  Sisi yang didinginkan TEC 12706A TEC 12706A TEC 12706A TEC 12706A

  TEC 12706A TEC 12706A TEC 12706A TEC 12706A

1.5. Manfaat Penelitian

  Penelitian ini diharapkan mempunyai manfaat yang lebih bagi dunia ilmu pengetahuan diantaranya sebagai berikut a.

  b.

  Dapat dipergunakan sebagai referensi untuk para peneliti yang lain.

  c.

  Dapat dipergunakan sebagai referensi untuk energi alternatif.

  d.

  Alat yang digunakan dapat digunakan sebagai referensi bagi peneliti lain

BAB II TINJAUAN PUSTAKA DAN DASAR TEORI 2.1. Dasar Teori. Beberapa teori diperlukan dalam penelitian ini, diantaranya teori tentang

  perpindahan kalor dan daya listrik

2.1.1 Perpindahan Kalor

  Perpindahan kalor merupakan suatu perpindahan energi yaitu energi kalor yang disebabkan karena perbedaan suhu maka kalor mengalir dari suhu tinggi menuju suhu rendah dan karena sifat alam yang selalu mencari titik kesetimbangan. Perpindahan kalor dapat berlangsung pada benda padat, cair dan gas dan dapat terjadi dalam tiga mekanisme yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi terlihat pada Gambar 2.1. Syarat setiap mekanisme dapat berlangsung jika terdapat perbedaan suhu.

Gambar 2.1 Perpindahan Kalor A.

  Perpindahan Kalor Konduksi Perpindahan kalor konduksi yaitu perpindahan energi kalor tanpa terjadi perpindahan pada media perambatan kalor tersebut dan umumnya terjadi pada benda padat seperti terlihat pada Gambar 2.2, walaupun tidak menutup kemungkinan pada benda cair dan gas dapat terjadi perpindahan kalor konduksi meskipun kecil.

  T ∆ k

Gambar 2.2 Perpindahan panas secara konduksi

  Besarnya laju perpindahan kalor secara konduksi dapat dihitung dengan mempergunakan persamaan (2.1) :

  ∆

  = ( ) (2.1)

  ∆

  pada persamaan (2.1) : laju perpindahan kalor konduksi, watt

  o

  k : konduktivitas termal atau koefisien perpindahan kalor konduksi, W/m C.

  2 A : luas permukaan tegak lurus arah aliran kalor, m o

  : perbedaan suhu, C. ∆ ∆ : panjang atau ketebalan bahan , meter Nilai konduktivitas termal berbagai bahan disajikan pada Lampiran Tabel 1 Sifat material pada 21

  ⁰ C.

  B.

  Perpindahan Kalor Konveksi Perpindahan kalor konveksi terjadi pada fluida yang mengalir (zat cair dan gas) dan disertai dengan perpindahan media dari perpindahan kalor tersebut.

  Perpindahan kalor konveksi tidak dapat berlangsung pada benda padat. Proses perpindahan kalor konveksi dibedakan 2 macam yaitu konveksi paksa dan konveksi bebas (konveksi alami) dapat dilihat pada Gambar 2.3.

  Konveksi paksa terjadi jika aliran fluida yang mengalir disebabkan adanya peralatan bantu yang memaksa fluida mengalir, sedangkan konveksi bebas atau konveksi alami, tidak ada peralatan bantu yang dipergunakan untuk memaksa mengalirkan fluida. Aliran fluida pada konveksi bebas terjadi karena adanya perbedaan kerapatan. Perbedaan kerapatan massa disebabkan karena perbedaan suhu. Untuk massa fluida yang sudah tertentu jumlahnya, semakin tinggi suhunya, semakin rendah massa jenisnya. Pada konveksi apa bila semakin cepat fluida (cair atau gas) maka akan semakin cepat pula laju aliran perpindahan panas yang terjadi.

Gambar 2.3 Perpindahan kalor konveksi

  Persamaan (2.2) yang diperlukan untuk menghitung besarnya perpindahan kalor konveksi didapat dari Gambar 2.4:

Gambar 2.4 Skema laju perpindahan kalor konveksi

  = ℎ (∆ ) = ℎ ( − ) (2.2) Pada persamaan (2.2)

  : Laju perpindahan kalor konveksi, watt

  2 h : Koefisien perpindahan kalor konveksi, W/m C.

  2 As : Luas permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida, m o Ts : Suhu permukaan, C. o

  : Suhu fluida, C. Nilai koefisien perpindahan kalor konveksi untuk beberapa kasus tertentu disajikan pada Tabel 2.1

Tabel 2.1 Nilai Koefisien Perpindahan Kalor Konveksi

  Nilai koefisien No Proses konveksi

  2 W/m K

  1 Konveksi bebas, udara 2 – 25

  2 Konveksi bebas, air 10 – 1.000

  3 Konveksi paksa, udara 25 – 250

  4 Konveksi paksa, air 50 – 20.000

  5 Air mendidih 2.500 – 100.000

2.1.2. Sirip

  Fungsi sirip adalah untuk memperluas permukaan dari benda yang dipasangi sirip. Jika sirip dipasang di sisi dingin dari elemen pendingin maka sirip akan dapat membantu memperbesar dalam hal perbedaan suhu dengan sisi yang dipanaskan, sehingga dapat diperoleh keluaran listrik yang maksimal. Semakin besar luas permukaan sirip yang dipasang, akan semakin besar kalor yang akan dipindahkan ke fluida sekitar. Demikian juga, semakin banyak sirip yang dipasang akan semakin besar kalor yang mampu dipindahkan. Pemilihan bahan sirip juga berpengaruh terhadap besarnya kalor yang dapat dipindahkan. Semakin besar nilai konduktivitas termal bahan sirip, semakin besar kalor yang dapat dilepas oleh sirip. Pengaruh luas A dan pengaruh bahan sirip terhadap efisiensi sirip, diperlihatkan pada Gambar 2.5. Semakin tinggi efisiensi, semakin besar kalor yang mampu dipindahkan. Dengan logika sama, jika sirip dipasang di sisi permukaan dingin dari elemen pendingin. Perbedaan dalam hal ini adalah sirip dipergunakan membantu mempercepat proses pendinginan fluida di sekitar sirip.

Gambar 2.5 Hubungan efisiensi sirip

2.1.3. Termoelektrik (TE)

  Termoelektrik adalah teknologi yang bekerja dengan cara mengkonversi energi kalor menjadi energi listrik secara langsung atau sebaliknya dari energi listrik menjadi energi kalor. Dengan teknologi ini, aliran listrik dapat dihasilkan dengan adanya aliran kalor dan aliran kalor dapat dihasilkan dengan adanya aliran listrik. Seperti yang telah dijelaskan pada Bab 1, termoelektrik dikategorikan menjadi 2 yaitu termoelektrik pendingin dan termoelektrik generator. Pada dasarnya kedua termoelektrik tersebut mempunyai karakteristik yang sama, yang membedakan adalah material penyusunnya. Untuk TE generator menggunakan semikonduktor paduan PbTe dan Si/Ge, sedangkan TE pendingin menggunakan semikunduktor paduan Bi, Sb, Te dan Si. Dari sisi efisiensi hampir sama, untuk mencapai efisiensi yang tinggi suhu kerja yang disarankan antara 180K pada sisi dingin sampai 400K pada sisi panas. Namun untuk jangkauan suhu TE generator memiliki ketahanan panas sampai 500K (228°C) sedangkan TE pendingin hanya sampai 138°C, meskipun demikian TE pendingin masih bisa tahan sampai suhu 200°C tetapi hanya dalam waktu singkat saja. Dari sisi harga TE generator lebih mahal berkali-kali lipat dibanding TE pendingin, dan untuk mendapatkan TE generator di pasaran lebih sulit dibandingkan TE Pendingin. Pada penelitian ini penulis memutuskan menggunakan TE pendingin yang difungsikan sebagai TE generator, adapun efek timbulnya beda potensial karena perbedaan suhu pada termoelektrik adalah efek Seebeck

  Efek Seebeck diketemukan oleh seorang ahli ilmu alam asal Jerman yang bernama Thomas J. Seebeck pada tahun 1823. Efek Seebeck memperlihatkan bahwa adanya aliran kalor dalam 2 material yang berbeda dapat menimbulkan arus listrik searah.

  Energi Material 1 kalor

  B Suhu

  Material 2 Material 2 Suhu

  T T

Gambar 2.6 Efek Seebeck Dengan memperhatikan Gambar 2.6 efek Seebeck dapat dijelaskan sebagai berikut, bila dua penghantar yang berbeda bahan (misalnya : material 1 : besi dan material 2 : tembaga) disambungkan pada ujung ujungnya (yaitu sambungan A dan sambungan B) sehingga membentuk rangkaian yang tertutup, dan apabila antara sambungan satu (sambungan A) dengan sambungan yang lainnya (sambungan B) dikondisikan sedemikian rupa sehingga kedua sambungan mempunyai perbedaan suhu (misalnya T), maka di dalam rangkaian tersebut akan timbul gaya gerak listrik (electromotive force = emf) yang disebut dengan gaya gerak listrik Seebeck. Arus listrik yang ditimbulkan adalah arus listrik searah (DC). Pada Gambar 2.6, sambungan A bersuhu T dan sambungan B bersuhu T .

  c h

  Suhu T lebih tinggi dari suhu T . Perbedaan suhu sambungan antara T dan T

  h c h c adalah T.

  Jika di salah satu penghantar pada rangkaian diputuskan, maka akan terjadi suatu tegangan listrik atau beda potensial diantara kutub kutub yang diputuskan.

  Beda potensial ini sebanding dengan perbedaan suhu dan tergantung dari sifat bahan penghantarnya. Persamaan yang menghubungkan beda potensial ( E) dengan perbedaan suhu ( T) adalah :

  

E = T ( 2.3 )

XY.

  Pada persamaan (2.3) E : beda potensial yang dibangkitkan, volt

  : koefisien Seebeck relatif dari material 1 terhadap material 2, volt/K

  XY

  T : perbedaan suhu antara suhu di sambungan A dengan suhu di sambungan

  B, K Koefisien Seebeck relatif ( ) dari rangkaian, tergantung dari jenis bahan

  XY

  penghantar. Besarnya nilai koefisien Seebeck relatif ditentukan dari selisih nilai koefisien Seebeck mutlak material pertama ( ) dengan nilai koefisien mutlak

  X

  material kedua. Jadi persamaannya dapat dinyatakan dengan persamaan (2.4)

• – = (2.4 ) XY.

  X Y

  Perbedaan tegangan listrik dapat positif atau negatif tergantung arah penurunan temperatur. Berdasarkan Persamaan (2.4) jika nilai koefisien mutlak material X lebih positif dari nilai koefisien mutlak material Y (atau koefisien Seebeck relatif XY positif) dan jika T1<T2 maka arus listrik (I) mengalir pada sambungan B (sambungan bersuhu tinggi) dengan arah dari material 1 ke material

  2. Efek Seebeck bersifat reversibel, yaitu disambungan B (sambungan bersuhu rendah yang sebelumnya bersuhu tinggi) arah arus listrik dari material 2 ke material 1. Nilai koefisien Seebeck dari beberapa material disajikan dalam Tabel 2.2.

Tabel 2.3 Koefisien Seebeck mutlak pada material logam dan semikonduktor

  Koefisien Koefisien Semikonduktor Logam

  Seebeck Seebeck µV/K µV/K

  Se 900 Antimony

  47 Te 500 Nichrome

  25 Si 440 Molybdenum

  10 Ge 300 Cadmium 7,5 n-type Bi Te -230 Wolfram 7,5

  2

  3

  Koefisien Koefisien Semikonduktor Logam

  Seebeck Seebeck p-type 300 Emas 6,5

  Bi Sb Te

  2x x

  3

  p-type Sb Te 185 Perak 6,5

  2

3 PbTe -180 Tembaga 6,5

  Pb Ge Se 1670 Rhodium

  6

  03

  39

  58 Pb Ge Se 1410 Tantalum 4,5

  06

  36

  58 Pb Ge Se -1360 Timbal

  4

  09

  33

  58 Pb Ge Se -1710 Aluminum 3,5

  13

  29

  58 Pb Ge Se -1990 Karbon

  3

  15

  37

  58 SnSb Te

  25 Merkuri 0,6

  4

  7 SnBi Te 120 Platina

  4

  7 SnBi Sb Te 151 Sodium -2,0

  3

  1

  7 SnBi Sb Te 110 Potassium -9,0 2,5 1,5

  7 SnBi Sb Te

  90 Nikel -15

  2

  2

  7 PbBi Te -53 Constantan -35

  4

  7 Bismuth -72

  Termoelektrik pada umumnya tersusun mengunakan material semikonduktor dan insulator sebagai berikut :

1. Semi konduktor jenis N (n type semicondutcor) dari bahan Bismuth Telluride

  (Bi Te )

  2

  3 2.

  Semi konduktor jenis P (p type semicondutcor) dari bahan Bismuth Antimony Telluride (Bi SbxTe )

  2x

  3 3.

  O )

  2

  3 Insulator (elecrical insulator) dari bahan Allumina Ceramic (Al 4.

  Bahan penyambung menggunakan patri dengan jenis paduan timah timbal ( SnPb Alloy) 5. Konduktor (dari bahan tembaga)

2.1.4. Daya listrik

  Untuk mengetahui unjuk kerja sistem pengkonversi energi adalah dengan membandingkan energi output yang dihasilkan oleh sistem dengan energi input yang diberikan ke dalam sistem. Untuk generator listrik, unjuk kerjanya ditunjukkan dari perbandingan energi listrik yang dihasilkan dengan energi panas yang diberikan.

  Indikator yang digunakan untuk menunjukkan unjuk kerja generator listrik adalah efisiensi yang disajikan dalam persamaan (2.5) = × 100% = × 100% (2.5) _!

  Dengan keterangan : W : kerja elektrik (watt)

  e

  W : kerja panas (watt)

  heat

  Besarnya energi listrik (W ) yang diperoleh pada generator listrik

  e

  diperoleh dari persamaan (2.6) berikut : " = & × ' (2.6)

  #$%

  Dengan keterangan: V : Tegangan listrik (Volt) A : Kuat arus listrik (Ampere)

2.2. Tinjauan Pustaka

  Termoelektrik modul sebagai generator mulai banyak diteliti sebagai pembangkit energi ramah lingkungan, beberapa penelitian yang telah dilakukan antara lain sebagai berikut.

  Penelitian ini dilakukan oleh Ardian Roekettino, (2008). Pada Gambar 2.7 penelitian dilakukan dengan menggunakan 12 (dua belas) modul termoelektrik yang keluaran listriknya disusun seri, sumber panas dari gas buang kendaraan bermotor yang disimulasikan dari panas sebuah heater dengan variasi tegangan heater 110V dan 220V. Untuk pendinginan menggunakan sirip pendingin dari aluminum dengan variasi pendinginan konveksi bebas tanpa kipas dan konveksi paksa menggunakan kipas untuk mendekatkan pada kondisi sebenarnya pada kendaraan. Dari hasil pengujian didapatkan tegangan keluaran maksimum sebesar 18,1 volt, kuat arus maksimum 0,46 ampere dan daya maksimum sebesar 8,11 watt.

Gambar 2.7 Penelitian termoelektrik sebagai pembangkit pada kendaraan hibrid

  Penelitian ini dilakukan oleh Sarah Watzman (2013). Menggunakan satu modul termoelektrik dengan panel penangkap sinar matahari ukuran 11,5 x 11,5 inchi didalam kotak kaca seperti terlihat pada Gambar 2.8. Termoelektik yang digunakan adalah jenis TEG (Termoelektrik generator) Tellurex G2-35-0315 dengan spesifikasi ukuran 35x35x4 mm. Dari penelitian yang dilakukan

  2

  didapatkan hasil keluaran tegangan (V) 0,66 volt pada solar flux 834 W/m dan efisiensi maksimum sebesar 0,03%

Gambar 2.8 Penelitian termoelektrik generator tenaga surya Penelitian ini dilakukan oleh R. Dell, C.S. Wei & G. Sidebotham (2013).

  Menggunakan 6 (enam) modul termoelektrik yang dihubungkan secara seri, dengan sumber panas dari pipa uap panas bumi (geothermal) dan pendingin menggunakan pipakalor seperti terlihat pada Gambar 2.9. Dari penelitian tegangan listrik terbuka yang dihasilkan adalah 31 volt, dan arus hubung singkat sebesar

  0,89 ampere, suhu pada sisi panas mencapai 160°C dan sisi dingin mencapai 30°C.

Gambar 2.9 Penelitian termoelektrik sebagai pembangkit listrik pada pipa uap geothermal

BAB III PEMBUATAN ALAT DAN METODOLOGI PENELITIAN 3.1. Komponen Utama Generator Termoelektrik. Untuk membuat generator termoelektrik memerlukan komponen antara lain : a. Modul termoelektrik pendingin tipe 12706A b. Sirip pendingin c. Sirip yang dipanaskan d. Pembakar spiritus e. Kipas pendingin f. Pompa akuarium g. Termometer dan multitester digital h. Rangkaian beban lampu

3.2. Skema Generator Termoelektrik

  Berikut adalah skema pemasangan termoelektrik dan rangkaian beban untuk unjuk kerja dari generator termoelektrik. Dari skema Gambar 3.1 dapat diketahui pemasangan termokopel untuk pengukuran suhu panas dan dingin dari modul peltier, untuk mengatur rangkaian kabel keluaran dari modul peltier kemudian disambungkan pada panel kontrol pada skema Gambar 3.2 untuk mengatur sambungan keluaran modul termoelektrik secara seri dan paralel.

  Dari panel kontrol dapat dilakukan pengukuran arus dan tegangan listrik yang dihasilkan oleh modul termoelektrik. Keluaran listrik selanjutnya disambungkan ke panel beban lampu dengan skema pada Gambar 3.3. Dalam penelitian ini beban lampu berjumlah 6 buah yang akan dihidupkan satu persatu untuk mengetahui besarnya daya maksimum yang dihasilkan generator termoelektrik

Gambar 3.1 Skema generator termoelektrikGambar 3.2 Rangkaian panel keluaran listrik termoelektrik seri dan paralelGambar 3.3 rangkaian panel beban lampu secara seri dan parallel.

3.3. Peralatan Pendukung Pembuatan Alat.

  Dalam pembuatan generator ini alat yang dipergunakan antara lain : a.

  Mesin milling Untuk meratakan sirip yang bersentuhan dengan termoelektrik, membuat wadah pendingin air, membuat lubang tempat termoelektrik, membuat pembakar spiritus b. Gergaji

  Untuk memotong akrilik sebagai wadah pendingin air, memotong pipa pembakar spiritus

  c.

   Ellenkey set Untuk memasang baut antara termoelektik dengan sirip dan wadahnya.

  d.

  Cutter Memotong selang air pendingin.

  e.

  Solder Membuat rangkaian beban lampu, rangkaian jalur listrik untuk pengukuran dan pengambilan data f.

  Obeng Untuk memasang selang pendingin 3.4. Pembuatan Generator Termoelektrik.

  Setelah bahan dan alat telah siap, berikut pembuatan generator termoelektrik a.

  Persiapan dan pembuatan generator Alat dan komponen seperti yang sudah dijelaskan dipersiapkan, kemudian tahap pertama adalah pemotongan akrilik untuk wadah pendingin dilanjutkan dengan proses finishing di mesin milling. Tahap kedua sirip pendingin dan pelat aluminium diratakan dengan mesin miling. Tahap ketiga adalah pemotongan pelat aluminium untuk wadah air sisi panas dan wadah pembakar spiritus. Tahap keempat adalah pembuatan rangkaian elektrik untuk pengambilan data, akrilik sebagai panel pengambilan data dipotong dan dilubangi dengan mesin miling kemudian saklar dan lampu dirangkai dengan menggunakan solder sesuai dengan skema pada Gambar 3.2 dan Gambar 3.3 b.

  Perakitan komponen generator termoelektrik Setelah seluruh komponen selesai dibuat baru kemudian dilakukan perakitan, pertama adalah pemasangan sirip pendingin di dalam wadah akrilik, kemudian penyusunan modul termoelektrik yang dilapisi dengan thermal grease. Kedua adalah pemasangan sirip dan wadah air sisi panas. Ketiga kabel dari termoelektrik dihubungkan ke panel pengambilan data c.

  Ujicoba generator Ujicoba dilakukan dengan cara mengukur suhu di sisi dingin dan sisi panas dengan termometer digital dan mengukur keluaran listrik dengan voltmeter digital. Pastikan kedua sisi panas dan dingin terjadi perbedaan suhu minimal 1°C, bisa dengan cara menuangkan air dingin ke wadah sisi dingin. Ujicoba alat ini berhasil apabila tegangan listrik keluar dari termoelektrik yang ditunjukkan pada voltmeter digital

3.5. Variasi Penelitian

  Penelitian ini dilakukan dengan beberapa variasi diantaranya 4 variasi sisi dingin dan 2 variasi sisi panas yang dijelaskan sebagai berikut : a.

  Penelitian I Sisi panas dipanaskan dengan api spiritus tanpa air didalam sisi panas dan sisi dingin menggunakan fluida pendingin air dengan metode pendinginan konveksi bebas b. Penelitian II

  Sisi panas berisi air dipanaskan dengan api spiritus dan sisi dingin menggunakan fluida pendingin udara dengan metode pendinginan konveksi bebas c. Penelitian III

  Sisi panas berisi air dipanaskan dengan api spiritus dan sisi dingin menggunakan fluida pendingin air es dengan metode pendinginan konveksi bebas d. Penelitian IV

  Sisi panas berisi air dipanaskan dengan api spiritus dan sisi dingin menggunakan fluida pendingin air dengan metode pendinginan konveksi paksa menggunakan pompa air. e.

  Penelitian V Sisi panas berisi air dipanaskan dengan api spiritus dan sisi dingin menggunakan fluida pendingin air dengan metode pendinginan konveksi bebas 3.6. Cara pengambilan data.

  Pengambilan data dilakukan dengan model rangkaian termoelektrik secara seri kemudian dalam keadaan tunak pengambilan data dengan rangkaian beban seri dan paralel, selanjutnya rangkaian termoelektrik diatur menjadi paralel dengan rangkaian beban seri dan paralel.

  Pada rangkaian seri Gambar 3.4 tegangan yang dihasilkan oleh termoelektrik akan terakumulasi sebanyak termoelektrik yang digunakan dengan kuat arus yang tetap.

  TEC TEC TEC TEC 12706A 12706A 12706A 12706A

Gambar 3.4 rangkaian seri

  Pada rangkaian paralel 3.5 kuat arus yang dihasilkan masing-masing termoelektrik akan terakumulasi sebanyak termoelektrik yang digunakan dan tegangan tetap sama.