KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA DENGAN PENDINGIN AIR TUGAS AKHIR - Karakteristik termoelektrik untuk pembangkit listrik tenaga surya dengan pendingin air - USD Repository

  

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK UNTUK

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

DENGAN PENDINGIN AIR

TUGAS AKHIR

Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Mencapai derajat sarjana S-1

  

Program Studi Teknik Mesin

Jurusan Tenik Mesin

Disusun oleh :

HENDRO SIMATUPANG

  

NIM : 045214026

Kepada

  

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2009

  

THE CHARACTERISTIC OF WATER COOLED

THERMOELECTRIC FOR SOLAR POWER GENERATOR

A FINAL PROJECT

  Submitted For The Partial Fulfillment Of The Requirements To abstain The Sarjana Teknik Degree

  In Mechanical Engineering Program Study By :

  

HENDRO SIMATUPANG

NIM : 045214026

FOR

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

SCIENE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

KATA PENGANTAR

  Puji dan syukur penulis hanturkan kepada Tuhan atas berkat, rahmat dan bimbinganNya selalu sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan judul Karakteristik Termoelektrik Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Surya Dengan Pendingin Air. Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis banyak mendapat bantuan, sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai pada waktunya. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

  1. Romo Dr.Ir.Paulus Wiryono Priyotamtama, S.J selaku Rektor Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T.selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  3. Budi Sugiharto S.T., M.T. selaku ketua Program Studi Teknik Mesin.

  4. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir.

  5. Ir. Fx. Agus Unggul Santoso selaku dosen pembimbing akademik.

  6. Mas Ag. Ronny Windaryawan selaku Laboran laboratorium mekanika fluida

  7. Seluruh Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Tugas Akhir ini baru permulaan dan masih perlu banyak pembenahan. Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak diterima penulis dengan senang hati. Harapan penulis semoga Tugas Akhir ini bermanfaat bagi para pembaca.

  Yogyakarta, Oktober 2009 Penulis

  

INTISARI

  Tugas Akhir ini dibuat 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.

  Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini untuk menjajaki kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik dengan energi surya, membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan menggunakan termoelektrik dan mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan kondisi operasi) termoelektrik sebagai pembangkit listrik tenaga surya. Karakteristik termoelektrik susunan seri 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 seri 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 susunan seri menghasilkan efisiensi total 0,0159% dan daya 0,240 W

  DAFTAR ISI

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

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

  BAB I PENDAHULUAN

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

  1.2 Perumusan Masalah ....................................................................... 2

  1.3 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3

  1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................ 3

  1.5 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

  2.2.2 Perhitungan Pada Rangkaian Termoelektrik ........................ 12

  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 Seri ....................................................... 22

  4.2 Data Penelitian Susunan Seri-Paralel ............................................ 24

  BAB V ANALISA PENELITIAN

  5.1 Perhitungan ................................................................................... 26

  5.2 Grafik Karakteristik Modul Termoelektrik .................................... 39

  5.3 Pembahasan ................................................................................... 47

  BAB VI PENUTUP

  6.1 Kesimpulan ................................................................................... 50

  DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 52 LAMPIRAN ................................................................................................. 53

  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 ................ 19Gambar 5.1 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi panas (T ) pada susunan seri dan seri-paralel ................... 39

  H

Gambar 5.2 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan seri dan seri-paralel ................... 40Gambar 5.3 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi panas (T H ) pada susunan seri dan seri-paralel ................... 40Gambar 5.4 Grafik hubungan efisiensi generator ( η ) dengan temperatur G sisi panas (T H ) pada susunan seri dan seri-paralel ................... 41Gambar 5.5 Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan temperatur

  η sisi panas (T ) pada susunan seri dan seri-paralel ................... 41

  H

Gambar 5.6 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi dingin (T C ) pada susunan seri dan seri-paralel .................. 42Gambar 5.7 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur sisi dingin (T C ) pada susunan seri dan seri-paralel .................. 42Gambar 5.8 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi dingin (T C ) pada susunan seri dan seri-paralel .................. 43Gambar 5.9 Grafik hubungan efisiensi generator (

  η ) dengan temperatur _G sisi dingin (T ) pada susunan seri dan seri-paralel .................. 43

  C

Gambar 5.10 Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan temperatur

  η sisi dingin (T C ) pada susunan seri dan seri-paralel .................. 44

Gambar 5.11 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel ............... 44Gambar 5.12 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel ............... 45Gambar 5.13 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel ................ 45Gambar 5.14 Grafik hubungan efisiensi generator ( η G ) dengan selisih temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel .............. 46Gambar 5.15 Grafik hubungan efisiensi total ( ) dengan selisih

  total

  η temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel .............. 46

  DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri ................... 24Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel ........ 26Tabel 5.1 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi termal variasi rangkaian seri termoelektrik ..........................................

  36 Tabel 5.2 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi pemasangan termoelektrik secara seri ................................................. 37

Tabel 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 ...................................... 39

BAB I 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

  

mengkonversikan panas menjadi energi listrik, panas yang diperlukan dapat

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 dilakukan walaupun cuaca mendung atau pada malam hari. Selain itu peralatan 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. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan menggunakan termoelektrik.

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

1.4 Manfaat Penelitian

  Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini : 1. Dapat mengetahui karakteristik pembangkit listrik menggunakan termoelektrik dengan memanfaatkan energi surya.

  2. Dapat dikembangkan untuk membuat prototipe pembangkit listrik energi 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. kateristik termoelektrik yang diamati adalah effisiensi keseluruhan pada model pembangkit listrik tenaga surya.

2. Pada penelitian ini susunan atau rangkaian termoelektrik seri dan seri- paralel.

BAB II 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) Di dalam sebuah termoelektrik terdapat banyak pembawa bebas muatan 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 : www.PELTIER-INFO.com )

2.2 Parameter - parameter 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

  2

  3

  4

• S atau S = s T (1) + +

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 S M = (S MTh - S MTc ) / DT (2) dengan : S MTH : koefisien Seebeck modul pada sisi panas TH (V/K) S MTC : koefisien Seebeck modul pada sisi dingin TC (V/K) Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper :

• 2 -5 -7 -9

  s

  1 = 1,3345 x 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 RM = (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 : K M : konduktansi termal modul (W/K) 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 N

  6 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 new : jumlah pasangan semikonduktor untuk modul yang baru I : arus optimum atau maksimum untuk modul yang baru (A)

  new

  Perhitungan daya keluaran dan efisiensi pada termoelektrik dapat dihitung tergantung pada jumlah termoelektrik yaitu satu termoelektrik dan beberapa termoelektrik.

2.2.1 Termoelektrik Tunggal

  Pada keadaan tanpa beban (R ) tegangan open circuit adalah

  L

  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 – T

  H 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

  2 Q H = (S x T H x I) – (0,5 x I x R C ) + (K C x DT) (12)

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

  C

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

  η G 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)

2.2.2 Rangkaian 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 ) dalam Volt dapat dihitung dengan persamaan

  O

  (Duffie, halaman 36) :

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

  NS x R _M

² Daya keluaran generator (P O ) dalam watt dapat dihitung dengan persamaan (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

  M H ⎡ ⎤

• Q = NT x − 0,5 x x R K x DT (20)

  H ⎢ M M ⎥

  NP NP ⎢⎣ ⎥⎦

  ⎢ ⎥

  ⎣ ⎦

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

  P O η = x 10 % (21)

  G Q H

2.3 Radiasi Surya yang datang

  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 G ). Arus sel surya dapat dihitung dengan persamaan :

  V _G I = (22) _G 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 Efisiensi 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 ( τα ) − U T − T

  ( ) [ ]

  

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 : temperatur sekitar (K)

  a

  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

BAB III METODE PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Skema Alat

Gambar 3.1. Skema alat penelitian

  Keterangan : Ti : Temperatur fluida masuk kolektor.

  To : Temperatur fluida keluar kolektor. Ta : Temperatur lingkungan. Th : Temperatur sisi panas termoelektrik.

  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

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-

3.3.3 Pengolahan dan Analisa Data

  ), efisiensi generator ( η G ) dan efisiensi total ( η total ) dengan T H , T C dan ∆T.

  O

  O

  ), daya (P

  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

3.4 Parameter yang Diukur

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

  H : temperatur sisi panas termoelektrik

• T

  C

  : temperatur sisi dingin termoelektrik

• T

  O : arus keluaran

• I

  O : tegangan keluaran

• V
• Ta : temperatur udara sekitar
• Ti : temperatur fluida kerja masuk kolektor
• T

  O : temperatur fluida kerja keluar kolektor

  G : tegangan keluaran pada sel surya

• V

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian Susunan seri

  Penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan seri dilaksanakan dengan keterangan sebagai berikut : Tanggal : 08 Agustus 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 seri dapat dilihat pada tabel 4.1

  C) 11:00 45,1 32,5 0,0267 0,1105 30 44,4 82,2 3,75 75,6 11:10 46,1 31,6 0,0302 0,1271 31,5 47,1 90,0 3,66 74,6 11:20 46,2 31,9 0,0340 0,1254 28,4 44,5 86,9 3,91 78,6 11:30 46,9 30,7 0,0370 0,1420 30,2 46,6 88,1 4,00 77,0 11:40 47,0 29,8 0,0320 0,1509 33,2 46,2 83,5 3,43 75,8 11:50 45,6 32,0 0,0288 0,1193 29,7 45,5 79,0 3,68 70,3 12:00 49,0 33,2 0,0345 0,1383 31,0 49,2 88,0 4,00 78,1 12:10 49,6 38,0 0,0335 0,1013 32,2 47,5 78,5 3,96 78.0 12:20 50,0 36,7 0,0313 0,1162 30,0 45,1 77,5 0,69 79,0 12:30 48,5 38,0 0,0264 0,0917 30,0 44,6 73,8 0,58 72,1 12:40 46,8 35,7 0,0232 0,0972 32,4 46,3 72,3 3,00 65,6 12:50 44,0 37,5 0,0187 0,0569 32,0 47,2 72,1 3,55 65,9 13:00 44,4 37,0 0,0195 0,0648 35,0 47,6 75,8 3,26 68,7 13:10 43,5 33,5 0,0191 0,0877 30,0 45,2 72,9 1,32 70,5 13:20 44,1 37,5 0,0191 0,0578 30,0 43,2 65,1 0,66 68,4 13:30 42,4 36,9 0,0158 0,0482 30,0 43,0 63,5 1,35 59,7 13:40 41,8 37,3 0,0134 0,0394 30,4 41,5 58,0 0,72 57,9 13:50 41,9 38,4 0,0109 0,0307 32,0 41,1 57,1 0,81 55,1 14:00 39,2 35 0,0086 0,0369 33,1 40,0 56,4 2,62 50,7

  C) Ti

  O

  T Atas (

  V G (volt)

  C)

  O

  (

  C) T O

  O

  (

  O

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri

  Ta (

  I O (amper)

  V O (volt)

  C)

  O

  (

  C) T C

  O

  (

  Jam T H

• 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 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 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

  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

  C) Ti

  O

  T Atas (

  V G (volt)

  C)

  O

  (

  C) T O

  O

  (

  O

Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel

  Ta (

  I O (amper)

  V O (volt)

  C)

  O

  (

  C) T C

  O

  (

  Jam T H

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

BAB V 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 = 318,1 - 305.5

  = 12,6 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 .318,1 7,42731.10 .318,1 ^-
• = 1,3345.10 .318,1
² + + _{-9 4}

  2

  3

• 1,27141.10 .318,1

   

  4 = 6,24 V/K

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

  2

  3

  4 _{-5 2 -7 3}

5,37574.10 .3

05 , 5 - 7,42731.10 .3 05 ,

  5 ^{2 -}

• = 1,3345.10 .305.5

• + +

    _{-9 4}

  2

  3

• 1,27141.10 .3 05 ,

  5      

  4 = 5,85 V/K S = (S - S ) / DT

  M MTh MTc = (6,24 - 5,85)/12,6 = 0,03 V/K

  3.

  ) new

  Koefisien Seebeck untuk jumlah modul yang dipakai (S 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

  4. Tahanan listrik (Rm) Tahanan listrik dapat dihitung dengan persamaan (3) dan (4) : _{2 3 4} r T r T r T _{2 3 4} R = r T _{MTH 1} + + +

  2

  3

  4 _{-2 2 -5 3} 8,53832.10 .318,1 - 1,98763.10 .318,1 2,08317.31 8,1 =

• _-8
₄

  2

  3

• 9,03143.10 .318,1

     

  4 = 341,94 ohm _{2 3 4} r T r T r T _{2 3 4} R = r T _{MTC 1} + + +

  2

  3

  4 _{-2 2 -5 3}

• 1,98763.10 .305.5 8,53832.10 .305.5 2,08317.30

  5.5 =

• _-8
₄

  2

  3

• 9,03143.10 .305.5

  4 = 323,7 ohm R = (R -R ) / DT

  M MTh MTc = (341,94 – 323,7) / 12,6 =1,447 ohm

  5.

  ) new

  Tahanan listrik untuk jumlah modul yang dipakai (R 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 = R x x _{new M}

  I _new

  71 6 127 = 1,447 x x

  6

  71 = 2,588 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 = k T _{MTH 1} + + +

  2

  3

  4 _{-6 2 -6 3 1 -} - 3,89821.10 - .318,1 8,64864.10 .318,1 = 4,76218.10 .318,1

• _-8
₄

  2

  3 2,20869.10 .318,1  

  4 = 115,033 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 1 -} - 3,89821.10 .305.5 - 8,64864.10 .305.5 = 4,76218.10 .305.5

• _-8
₄

  2

  3 2,20869.10 .305.5  

  4

= 111,188 W/K 145,47+(- 0,182)+(-82,19)+ 48,09 = 111,188

K = (K - K ) / DT

  M MTH MTC        =(115,033 ‐111,188) /  12,6   = 0,305  W/K 

  7. Konduktansi termal (Km) Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6 ampere maka harga K dikonversi menjadi K dengan menggunakan _{M new} persamaan (9) :

  I N _{new new} K = K x x _{new M}

  6

  71 6 127 = 0,305 x x

  6

  71 = 0,545 W/K

  8. Total modul Satu rangkaian seri terdiri atas NS 1 modul dan NP 20 modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (16) : NT = NS x NP

  = 1 x 20 = 20 9. Arus keluaran generator (I) Arus yang melewati tahanan beban R

  

L

dapat dihitung dengan persamaan (17) :
• = 10.
• =
• =
_{M 2 L} ^M _{L O} R NP R x NS DT x S x NS

  A x x x R

  NP R x NS DT x S x NS

  I _{L M} ^M 32 ,

  2

  20 2,588 1 6 ,

  2 1 0,054 1 =

  Tegangan keluaran generator (V O

  ) Tegangan keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (18) : ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢

  ⎢ ⎢ ⎣ ⎡

  R x

  V

  ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ 1 x 0,054 x 12,6

  2 = x ⎢ ⎥ 1 x 2,588 ⎢ ⎥

• 2
² ⎢ ⎥ 20 ⎣ ⎦

  = , 329

  V 11. ) O

  Daya keluaran generator (P Daya keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (19) : ₂ NT x S x DT ( ) _M

  P = _O 4 x R _{M 2} 20 x 0,054 x 12,6

  ( ) = 4 x 2,588

  ,

  89 Watt = 12. )

  H Total energi panas masuk ke generator (Q Total energi panas masuk ke generator dapat dihitung dengan persamaan (20)

  : ₂ ⎡ ⎤ S x T x

  I I

• NT x 0,5 x x R K x DT

  Q = − ^{M H ⎡ ⎤} _H ⎢ M M ⎥ NP NP ⎢⎣ ⎥⎦

  ⎢ ⎥ ⎣ ₂ ⎦ ⎡

  ⎤ 0,054 x 318,1 x 0,32 0,32 ⎡ ⎤

• 2 x 0,5 x x 2,588 , 545 x 12,6 = − ⎢

  ⎥

  20

  ⎥ ⎣ ⎦ = 142,83 Watt

  20 ⎢⎣ ⎥⎦ ⎢

  13.

  η ) _G Efisiensi generator ( Efisiensi generator dapat dihitung dengan persamaan (21) : P _O x

  10 % η = _G Q _H 0,89 = x

  10 % 142,83 = , 62 % 14.

  Radiasi matahari (G)

Radiasi matahari yang datang dapat dihitung menggunakan persamaan (22)

dan (23) :