KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL BERPENDINGIN UDARA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

  

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL

BERPENDINGIN UDARA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA SURYA

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat

Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

  

Jurusan Teknik Mesin

  Disusun oleh :

  

Nama : Juwanta Yeonardy

NIM : 045214001

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

  

2008

  i

  

THE CHARACTERISTICS OF AIR COOLED PARALLEL

THERMOELECTRIC FOR SOLAR POWER GENERATOR

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement

for the Degree of Mechanical Engineering

  

Mechanical Engineering Department

  by :

  

Name : Juwanta Yeonardy

Student Number : 045214001

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

  

2008

  ii

PERNYATAAN KEASLIAN

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

  Yogyakarta, 14Januari 2008 Penulis (Juwanta Yeonardy)

  v

INTI SARI

  Energi listrik sekarang merupakan kebutuhan primer bagi masyarakat kota tetapi masih ada juga daerah yang masih belum terdapat jaringan listrik. Apalagi akhir-akhir ini mulai heboh masalah krisis energi khususnya di Indonesia karena eksploitasi besar-besaran terhadap sumber daya alam terutama bahan tambang sebagai bahan bakar untuk pembangkit energi maka dilakukan penelitian untuk mencari sumber energi alternatif lain yang ramah lingkungan dan berkesinambungan salah satunya adalah dengan menggunakan termoelektrik. Termoelektrik adalah cara perpindahan kalor padat melalui material semikonduktor yang berbeda (tipe n dan tipe p).

  Dalam Tugas Akhir ini mencoba meneliti sebuah pembangkit listrik tenaga

  2

  surya kolektor datar susunan pipa paralel berukuran 0,6m dengan menggunakan termoelektrik susunan paralel. Tujuan penelitian untuk mengetahui karakteristik dari modul termoelektrik seri TEC1-12706 sebagai generator listrik. Termoelektrik divariasikan dengan susunan paralel dan seri-paralel. Parameter yang diukur atau dihitung adalah pengukuran suhu sisi panas (T H ) dan sisi dingin (T ) dari termoelektrik, koefisien Seebeck (S ) serta efisiensi dari kolektor (

  

C M η) dan

efisiensi generator ( g ).

  η

  Dari penelitian ini diperoleh unjuk kerja susunan termoelektrik secara paralel adalah yang terbaik dengan hasil efisiensi total 0,434% dan untuk variasi termoelektrik susunan seri-paralel menghasilkan efisiensi total 0,159%. Hasil ini menunjukkan untuk memperoleh unjuk kerja yang baik harus dipilih termoelektrik yang disusun secara paralel.

KATA PENGANTAR

  Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis telah dapat menyelesaikan Tugas Akhir ini dengan lancar.

  Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan pendidikan Strata-1 di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

  Pada kesempatan ini atas segala bantuan baik material maupun spiritual sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan, dengan hormat penulis menyampaikan terima kasih kepada :

  1. Ayah dan ibu tercinta yang selalu setia mendukung dari segi moril dan materiil dan juga adik-adik yang selalu memberikan semangat.

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

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

  4. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta..

  5. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir 6. Ir. Fx. Agus Unggul Santosa, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

  7. Seluruh dosen dan staff serta laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mengajarkan berbagai pengetahuan kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik Mesin.

  8. Teman-teman kelompok studi penelitian ini (Supriady, Fendi, Hendro Simatupang), dan seluruh mahasiswa Teknik Mesin.

  9. Teman-teman kost dan kontrakan di manapun sekarang, dan semua pihak yang telah membantu.

  Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penelitian dan penulisan tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis berharap bahwa hasil penelitian ini tetap dapat memberikan kontribusi dalam pengembangan ilmu pengetahuan. Atas kritik dan saran yang bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis mengucapkan terima kasih.

  Yogyakarta, 14 Januari 2008 Juwanta Yeonardy

  

DAFTAR ISI

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

TITLE PAGE ..................................................................................................... ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ..............................................iii

HALAMAN PENGESAHAN ............................................................................iv

HALAMAN PERNYATAAN ............................................................................ v

  

INTI SARI ..........................................................................................................vi

KATA PENGANTAR ....................................................................................... vii

DAFTAR ISI .......................................................................................................ix

DAFTAR LAMBANG ...................................................................................... xii

DAFTAR TABEL .............................................................................................xiv

DAFTAR GAMBAR ......................................................................................... xv

BAB I Pendahuluan

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

  1.2 Perumusan Masalah ........................................................................... 3

  1.3 Tujuan Penelitian ............................................................................... 4

  1.4 Batasan Masalah ................................................................................ 4

  BAB II Dasar Teori

  2.1 Tinjauan Pustaka ................................................................................ 6

  2.2 Persamaan yang Digunakan ............................................................... 7

  2.2.1 Persamaan output dari generator ......................................... 7

  2.2.2 Persamaan unjuk kerja kolektor ......................................... 11

  BAB III Metode Penelitian

  3.1 Peralatan Penelitian ........................................................................... 13

  3.2 Cara kerja alat ................................................................................... 13

  3.3 Peralatan yang Digunakan ................................................................ 14

  3.4 Parameter yang diukur ...................................................................... 15

  3.5 Langkah Penelitian ............................................................................ 15

  3.6 Parameter yang Dihitung .................................................................. 17

  BAB IV Pengambilan Data

  4.1 Langkah Pengambilan Data .............................................................. 18

  4.2 Data Hasil Penelitian.......................................................................... 20

  BAB V Pengolahan Data

  5.1 Perhitungan Data................................................................................ 22

  5.2 Tabel Hasil Pengolahan Data ............................................................ 29

  5.3 Grafik-Grafik Hasil Pengolahan Data ............................................... 33

  5.3.1 Termoelektrik disusun secara paralel ................................. 33

  5.3.2 Termoelektrik disusun secara seri-paralel .......................... 43

  BAB VI Analisa Data dan Pembahasan

  6.1 Analisa Data ...................................................................................... 56

  6.2 Pembahasan ....................................................................................... 60

  BAB VII Penutup

  7.1 Kesimpulan ....................................................................................... 62

  7.2 Saran .................................................................................................. 63

  

DAFTAR PUSTAKA ......................................................................................... 64

LAMPIRAN

DAFTAR LAMBANG

  new

  Faktor transmitan-absorpan kolektor

  .K)) τα

  2

  .K)) ≈ 8 (W/(m

  2

  Temperatur fluida kerja masuk kolektor (K) U L Koefisien kerugian (W/(m

  i

  Temperatur sekitar (K) T

  a

  ) T

  2

  Jumlah pasangan semikonduktor untuk modul yang baru I new Arus optimum atau maksimum modul yang baru (A) T Temperatur modul (K) R L Tahanan beban (ohm) F R Faktor pelepasan panas G Radiasi yang datang (W/m

  T H Temperatur sisi panas (K) T C Temperatur sisi dingin (K) NT Total modul NS Modul seri NP Modul paralel

  I Arus keluaran generator (A) V o Tegangan keluaran generator (V) P o Daya keluaran generator (W) Q H Energi panas masuk generator (W) DT Selisih suhu sisi panas dan sisi dingin termoelektrik (

  K M Konduktansi termal modul (W/K) K MTH Konduktansi termal modul pada sisi panas T H (W/K) K MTC Konduktansi termal modul pada sisi dingin T C (W/K) K new Konduktansi termal untuk modul yang baru (W/K) k Koefisien konduktansi termal untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 A

  Tahanan listrik untuk modul yang baru (ohm) r Koefisien tahanan listrik untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 A

  new

  R M Tahanan listrik modul (ohm) R MTH Tahanan listrik modul pada sisi panas T H (ohm) R MTC Tahanan listrik modul pada sisi dingin T C (ohm) R

  (V/K) S new Koefisien Seebeck untuk modul yang baru (V/K) s Koefisien Seebeck untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 A

  C

  Koefisien Seebeck modul pada sisi dingin T

  MTC

  (V/K) S

  H

  Koefisien Seebeck modul pada sisi panas T

  MTH

  C) S M Koefisien Seebeck (V/K) S

  N

  A C Luasan kolektor (m

  2

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

  Massa fluida kerja dalam pipa di kolektor (kg) T a Temperatur sekitar (K) T i Temperatur fluida kerja masuk kolektor (K) T o Temperatur fluida kerja keluar kolektor (K) η

  g

  Efisiensi generator η

  Efisiensi kolektor termal surya η

  total Efisiensi secara keseluruhan

  

DAFTAR GAMBAR

  Gambar 1.Termoelektrik pembangkit energi listrik................................................ 6 Gambar 2. Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel............................ 6 Gambar 3. Bagian bagian kolektor datar............................................................... 11 Gambar 4. Skema alat penelitian .......................................................................... 13 Gambar 5. Detil pembangkit listrik termoelektrik ................................................ 14 Gambar 6. Grafik hubungan arus keluaran (i o ) dengan temperatur sisi panas (t h ) susunan paralel ......................................................................................

  ........................................................................................................... 33 Gambar 7. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan temperatur sisi panas

  (t ) susunan paralel ............................................................................ 33

  h

  Gambar 8. Grafik hubungan daya keluaran (p o ) dengan temperatur sisi panas (t h ) susunan paralel .................................................................................. 34 Gambar 9. Grafik hubungan efisiensi generator ( ) dengan temperatur sisi panas

  η g

  (t h ) susunan paralel ............................................................................ 34 Gambar 10. Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan temperatur sisi panas

  η

  (t h ) susunan paralel ............................................................................ 35 Gambar 11. Grafik hubungan arus keluaran (i o ) dengan temperatur sisi dingin (t c ) susunan paralel .................................................................................. 35 Gambar 12. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan temperatur sisi dingin (t ) susunan paralel ................................................................. 36

  c

  Gambar 13. Grafik hubungan daya keluaran (p o ) dengan temperatur sisi dingin (t c ) susunan paralel .................................................................................. 36 Gambar 14. Grafik hubungan efisiensi generator ( ) dengan temperatur sisi

  η g

  dingin (t c ) susunan paralel ................................................................. 37

  Gambar 15. Grafik hubungan efisiensi total (

  Gambar 20. Grafik hubungan efisiensi total (

  (t h )susunan seri-paralel ...................................................................... 43 Gambar 27. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan temperatur sisi panas

  radiasi matahari yang datang susunan paralel ................................... 42 Gambar 26. Grafik hubungan arus keluaran (i o ) dengan temperatur sisi panas

  η total ) dengan beda suhu dibagi

  radiasi matahari yang datang susunan paralel ................................... 42 Gambar 25. Grafik hubungan efisiensi total (

  η g ) dengan beda suhu dibagi

  ) dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang susunan paralel ............................................... 41 Gambar 24. Grafik hubungan efisiensi generator (

  o

  Gambar 21. Grafik hubungan arus keluaran (i o ) dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang susunan paralel ............................................... 40 Gambar 22. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang susunan paralel ................................... 41 Gambar 23. Grafik hubungan daya keluaran (p

  ∆t) susunan paralel..................................................... 40

  termoelektrik (

  η total ) dengan selisih suhu

  ∆t) susunan paralel..................................................... 39

  η total ) dengan temperatur sisi dingin

  termoelektrik (

  η g ) dengan selisih suhu

  Gambar 19. Grafik hubungan efisiensi generator (

  ∆t) susunan paralel ........................................................................... 39

  ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  o

  Gambar 18. Grafik hubungan daya keluaran (p

  ∆t) susunan paralel..................................................... 38

  Gambar 17. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) susunan paralel ........................................................................... 38

  (

  (t c ) susunan paralel ............................................................................ 37 Gambar 16. Grafik hubungan arus keluaran (i o ) dengan selisih suhu termoelektrik

  (t h ) susunan seri-paralel ..................................................................... 43

  Gambar 28. Grafik hubungan daya keluaran (p o ) dengan temperatur sisi panas (t h ) susunan seri-paralel ........................................................................... 44 Gambar 29. Grafik hubungan efisiensi generator (

  (t c ) susunan seri-paralel ..................................................................... 47 Gambar 36. Grafik hubungan arus keluaran (i

  termoelektrik (

  η total ) dengan selisih suhu

  Gambar 40. Grafik hubungan efisiensi total (

  ∆t) susunan seri-paralel.............................................. 49

  termoelektrik (

  η g ) dengan selisih suhu

  Gambar 39. Grafik hubungan efisiensi generator (

  ∆t) susunan seri-paralel .................................................................... 49

  Gambar 38. Grafik hubungan daya keluaran (p o ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) susunan seri-paralel.............................................. 48

  Gambar 37. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) susunan seri-paralel .................................................................... 48

  ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  o

  η total ) dengan temperatur sisi dingin

  η g ) dengan temperatur sisi panas

  ) dengan temperatur sisi dingin (t

  (t

  h

  ) susunan seri-paralel ..................................................................... 44 Gambar 30. Grafik hubungan efisiensi total (

  η total ) dengan temperatur sisi panas

  (t h ) susunan seri-paralel ..................................................................... 45 Gambar 31. Grafik hubungan arus keluaran (i

  o

  c

  ) susunan seri-paralel .......................................................... 47 Gambar 35. Grafik hubungan efisiensi total (

  ) susunan seri-paralel ........................................................................... 45 Gambar 32. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan temperatur sisi dingin (t

  c

  ) susunan seri-paralel .......................................................... 46 Gambar 33. Grafik hubungan daya keluaran (p o ) dengan temperatur sisi dingin (t c ) susunan seri-paralel ........................................................................... 46 Gambar 34. Grafik hubungan efisiensi generator (

  η g ) dengan temperatur sisi

  dingin (t

  c

  ∆t) susunan seri-paralel.............................................. 50

  Gambar 41. Grafik hubungan arus keluaran (i o ) dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel ........................................ 50 Gambar 42. Grafik hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel ............................ 51 Gambar 43. Grafik hubungan daya keluaran (p o ) dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel ........................................ 51 Gambar 44. Grafik hubungan efisiensi generator ( ) dengan beda suhu dibagi

  η g

  radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel ............................ 52 Gambar 45. Grafik hubungan efisiensi total ( total ) dengan beda suhu dibagi

  η

  radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel ............................ 52 Gambar 46. Grafik hubungan antara efisiensi kolektor dengan beda suhu dibagi radiasi matahari yang datang l ........................................................... 53 Gambar 47. Grafik perbandingan hubungan arus keluaran (i o ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-

  paralel ................................................................................................ 53 Gambar 48. Grafik perbandingan hubungan tegangan keluaran (v o ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan

  seri-paralel ......................................................................................... 54 Gambar 49. Grafik perbandingan hubungan daya keluaran (p o ) dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan

  seri-paralel ......................................................................................... 54 Gambar 50. Grafik perbandingan hubungan efisiensi generator dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan

  seri-paralel ......................................................................................... 55 Gambar 51. Grafik perbandingan hubungan efisiensi total dengan selisih suhu termoelektrik (

  ∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-

  paralel ................................................................................................ 55

  Gambar 52. Grafik hubungan arus keluaran dengan jumlah termoelektrik yang disusun paralel (np) ........................................................................... 58 Gambar 53. Grafik hubungan arus keluaran dengan np/ns ................................... 58

  DAFTAR TABEL

  Tabel 1 Hasil pengamatan dengan variasi termoelektrik tersusun secara paralel

  20 Tabel 2 Hasil pengamatan dengan variasi termoelektrik tersusun secara seri- paralel

  21 Tabel 3 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal, konduktansi termal dari variasi rangkaian paralel termoelektrik

  29 Tabel 4 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total dari variasi pemasangan termoelektrik secara paralel

  30 Tabel 5 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal, konduktansi termal dari variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik

  31 Tabel 6 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total dari variasi pemasangan termoelektrik secara seri-paralel

  32

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Pada era yang maju ini penggunaan energi listrik kian meningkat. Hampir

  semua kegiatan ataupun aktivitas manusia sangat erat kaitannya dengan energi listrik bahkan dapat dikatakan ketergantungan akan energi listrik. Aplikasinya dapat kita lihat pada penggunaan yang berskala besar seperti industri, kantor- kantor dan hotel-hotel sedangkan penggunaan energi listrik dalam skala kecil seperti halnya rumah tangga dan lain-lain. Sekarang ini baik kota maupun di desa mulai mengalami masalah krisis energi listrik, mengapa dapat dikatakan demikian? Sebab di sebagian kota sudah diterapkan sistem pemadaman listrik secara bergilir sedangkan di daerah terpencil seperti sebagian daerah pedesaan yang belum ada jaringan listrik, sehingga energi listrik tidak mudah didapatkan atau bahkan tidak tersedia.

  Keterbatasan energi listrik saat ini mendorong para ahli untuk berlomba- lomba membuat suatu alat yang dapat menyediakan energi listrik. Banyak penelitian dan pengembangan teknologi dilakukan untuk mencari pembangkit energi alternatif. Penelitian-penelitian tersebut dilakukan secara intensif sejak tahun 1973 terutama untuk mengantisipasi habisnya sumber enegi alam yang tidak terbarukan seperti bahan bakar minyak yang saat ini merupakan salah satu sumber pembangkit energi listrik.

  Energi matahari merupakan potensi alam yang terbesar dan tak ada habisnya. Para peneliti mencoba memanfaatkan energi matahari sebagai salah satu sumber pembangkit energi listrik alternatif, walaupun di samping itu masih ada energi alternatif lain seperti energi angin, air, panas bumi, biomassa dan sebagainya. Dalam pemanfaatan energi surya perlu suatu alat untuk dapat menangkap dan memerangkap energi surya agar dapat digunakan, alat yang dipakai adalah kolektor surya yang memakai sistem termosifon. Sistem

  1 termosifon merupakan sistem yang paling sederhana, dan efisien. Sistem ini hanya terdiri dari tangki penyimpan yang ditempatkan lebih tinggi pada jarak minimal 25 cm dari bagian atas kolektor. Selain menggunakan kolektor dengan sistem termosifon juga dipadu dengan termoelektrik. Termoelektrik merupakan cara perpindahan kalor padat melalui material semikonduktor yang berbeda tipe (tipe n dan tipe p). Termoelektrik ini digunakan untuk mengkonversi panas menjadi energi listrik, panas yang diperlukan dapat berasal dari surya, laut, 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. Beberapa keuntungan dari termoelektrik antara lain (1)ramah lingkungan, (2)tidak berisik, (3) ukuran kecil dan ringan, (4)mudah dioperasikan, (5)dapat dikombinasikan dengan kolektor surya untuk menghasilkan listrik dan bila diinput dengan daya listrik akan menghasilkan sisi panas dan sisi dingin.

  Sistem ini sangat sesuai dengan kondisi Indonesia karena dapat menggunakan sumber matahari sehingga daerah yang belum ada jaringan listrik pun dapat menggunakannya. Saat ini termoelektrik banyak yang dipakai pada beberapa alat rumah tangga seperti pendingin air minum, pendingin makanan, elektronik, dll.

  Pada tugas akhir ini akan diteliti karakteristik termoelektrik untuk pembangkit listrik tenaga surya dengan sususan termoelektrik secara paralel dan pendinginan sisi dingin termoelektrik dengan menggunakan udara sekitar.

  

2

1.2. Perumusan Masalah

  Kesulitan untuk mendapatkan energi listrik pada daerah terpencil akan teratasi dengan penggunaan termoelektrik sebagai salah satu energi alternatif pembangkit listrik. Termoelektrik yang dijual di pasaran di Indonesia umumnya dengan nomer seri TEC1-12706 yang biasa dipakai dalam alat pendingin. TEC1 berarti termoelektrik hanya satu tingkat, 127 artinya jumlah pasang elemen semikonduktor dan 06 adalah arus masuk maksimal. Data tambahan yang berasal dari internet bahwa termoelektrik seri TEC1-12706 berukuran 40 ×40×3,8 mm, berat 27 gr, arus maksimum (I max ) =6,4 A, tegangan maksimal (V max ) =14,9 V .

  Oleh sebab itu, termoelektrik digunakan pada penelitian tersebut karena dapat mengkonversikan panas dari energi surya menjadi energi listrik. Namun energi surya tidak tersedia sepanjang hari makanya terpikir untuk dapat menyimpan panas matahari agar dapat digunakan juga pada waktu malam hari. Caranya adalah panas dari energi surya tidak langsung diterima oleh kolektor termal pelat datar dengan susunan pipa paralel tidak langsung dimanfaatkan untuk memanasi termoelektrik tetapi terlebih dahulu untuk memanasi minyak dalam tangki penyimpan (reservoir) yang terhubung dengan kolektor. Panas yang hendak dipakai untuk memanasi termoelektrik diambil dari panas minyak yang tersimpan pada tangki penyimpan. Dalam hal ini minyak menjadi sebagai penyimpan panas sehingga pemanasan termoelektrik tetap dapat dilakukan walaupun cuaca mendung ataupun pada malam hari.

  Penelitian ini akan mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan operasioanl yang ada) termoelektrik yang ada di pasaran Indonesia dengan spesifikasi yang telah disebutkan di atas apabila digunakan sebagai pembangkit energi listrik menggunakan sumber panas energi surya memakai kolektor termal pelat rata.

  3

  1.3. Tujuan Penelitian

  Tujuan yang hendak dicapai yaitu :

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

  2. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan menggunakan termoelektrik yang sesuai dengan kondisi daerah terpencil yang ada di Indonesia.

  3. Mengetahui karakteristik modul termoelektrik sebagai dasar perencanaan pembangkit energi listrik tenaga surya, dengan termoelektrik disusun secara paralel dan seri-paralel.

  4. Menambah kepustakaan teknologi surya yang menggunakan termoelektrik sebagai pengkonversi panas menjadi energi listrik.

  1.4. Batasan Masalah

  Penelitian akan alat-alat yang menggunakan energi surya dan masalah dalam pemanfaatan energi surya sangat kompleks maka dalam hal ini penulis merasa perlu membatasi permasalahan sehingga akan memudahkan dalam perancangan, pengamatan, pengujian dan pembahasannya. Dengan pertimbangan di atas maka penulis membatasi masalah dalam penelitian dan perancangan dengan membahas “Karakteristik Termoelektrik Dengan Susunan Paralel Pendinginan Udara Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya Memakai Kolektor Pelat Datar Dengan Susunan Pipa Paralel”. Kolektor yang dipakai adalah kolektor pelat datar dengan susunan pipa secara paralel. Variasinya adalah termoelektrik dirangkai secara paralel dan untuk variasi selanjutnya termoelektrik dirangkai secara seri-paralel. Termoelektrik yang dipakai berjumlah 20 buah, jadi untuk termoelektrik yang dirangkai secara seri-paralel susunannya adalah 10 buah termoelektrik diserikan dan sisanya diparalelkan. Fluida yang dipakai sebagai penyimpan panas adalah minyak goreng.

  4 Negara Indonesia merupakan negara tropis mempunyai potensi surya yang

  2

  cukup dengan radiasi harian 4,8 KWh/m (Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan dan Konversi Energi (Energi Hijau), Departemen Energi dan Sumber Daya Mineral).

  

5

BAB II DASAR TEORI 2.1. Tinjauan Pustaka Modul termoelektrik berbahan dasar bismuth telluride umumnya digunakan untuk pendinginan dengan arus listrik DC sebagai masukkannya. Dengan modul termoelektrik yang sama tetapi dengan penggunaan 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 1 berikut :

  Gambar 1.Termoelektrik pembangkit energi listrik Pada pemakaiannya generator termoelektrik terdiri dari beberapa modul yang terhubung seri atau pararel, seperti dapat dilihat pada gambar 2 :

  Gambar 2. Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel

2.2. Persamaan yang Digunakan

  Satu rangkaian seri terdiri atas NS modul dan satu rangkaian pararel terdiri atas NP modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  NT = NS x NP (1)

  2.2.1. Persamaan output dari generator Arus (I) dalam amper yang melewati tahanan beban R dapat dihitung dengan

  L

  persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  NS x S x DT M

  (2)

  I = NS x R

• M

  R L NP

  Tegangan keluaran generator (V ) dalam volt dapat dihitung dengan persamaan

  O (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  ⎡ ⎤ ⎢ ⎥

  NS x S x DT

  M

  V = R x (3)

  O L ⎢ ⎥

  NS x R

  

2

M

  ⎢ ⎥

• R

  L

  ⎢ ⎥ ⎣ NP ⎦

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

  (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  2 NT x S x DT ( )

  M

  P = V x I = (4)

  O O

  4 x R

  M

  Total energi panas masuk ke generator Q dalam watt dapat dihitung dengan

  H

  persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  2

  ⎡ ⎤

  S x T x

  I I ⎡ ⎤

  Q = NT x − 0,5 x x R K x DT (5)

• M H

  H ⎢ M M ⎥

  NP NP ⎢⎣ ⎥⎦

  ⎢ ⎥

  ⎣ ⎦ Efisiensi generator ( η G ) dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  P

  O

  η = x 10 % (6)

  G

  Q

  H

  Harga-harga S M , R M , dan konduktansi termal (K M ) modul termoelektrik tergantung dari temperatur dan harga-harganya dapat dihitung dengan persamaan (berlaku

  O O

  untuk kisar temperatur –100 C sampai +150

  C) :

  Koefisien Seebeck :

  2

  

3

  4

  s T s T s T

  2

  3

  4 S atau S s T (7)

  = + + +

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 S = (S - S ) / DT (8)

  M MTh MTc

  dengan :

  S MTH : koefisien Seebeck modul pada sisi panas T H (V/K) S MTC : koefisien Seebeck modul pada sisi dingin T C (V/K)

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

  1 =

  s

  2 =

  s =

  3

  s

  4 = Tahahan listrik modul termoelektrik :

  2

  

3

  4

  r T r T r T

  2

  3

  4 R atau R = r T (9)

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 R M = (R MTH - R MTC ) / DT (10) dengan :

  R M : tahanan listrik modul (ohm) T : temperatur rata-rata modul (K) R MTH : tahanan listrik modul pada sisi panas T H (ohm) R MTC : tahanan listrik modul pada sisi dingin T C (ohm)

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

  1 =

  r

  2 =

  r =

  3

  r

  4 = Konduktansi termal modul :

  2

  3

  4

  k T k T k T

  

2

  3

  4

• K atau K = k T (11)

MTH MTC

  1

  2

  3

  4 K M = (K MTH - K MTC ) / DT (12) 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 MTC : konduktansi termal modul pada sisi dingin T C (W/K)

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

  1 =

  k =

  2

  k

  3 =

  k

  4 =

  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 (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  N

  new

  S = S x (13)

  new M

  71

  6 N

  

new

  R = R x x (14)

  new M

  I

  71

  new

  I N

  new new

  K = K x x (15)

  new M

  6

  71 dengan :

  S new : koefisien Seebeck untuk modul yang baru (V/K) R new : tahanan listrik untuk modul yang baru (ohm) K : konduktansi termal untuk modul yang baru (W/K) new

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

  Daya keluaran modul termoelektrik (P O ) persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

  

2

  ⎡ S x DT ⎤

  M

  P = R x (16)

  O L

  ⎢ ⎥

• R R

  M L

  ⎣ ⎦

  2.2.2. Persamaan unjuk kerja dari kolektor Efisiensi kolektor termal surya sangat menentukan unjuk kerja secara keseluruhan pembangkit listrik. Efisiensi kolektor merupakan fungsi temperatur fluida kerja masuk kolektor dan dapat dinyatakan dengan persamaan (Arismunandar, Wiranto, 1995) :

  T − T ⎛ ⎞

  i a

  η = F ( ) τα − F U (17) ⎜ ⎟

  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) )

  : faktor transmitan-absorpan kolektor

  Gambar 3. Bagian bagian kolektor datar Faktor pelepasan panas kolektor (F R ) dihitung dengan persamaan (Arismunandar, Wiranto, 1995) : . m . C T − T

  

F ( )

PF O i

  F = (18)

  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 : massa fluida kerja dalam pipa di kolektor (kg) F

  T a : temperatur sekitar (K) T i : temperatur fluida kerja masuk kolektor (K) T : temperatur fluida kerja keluar kolektor (K)

  O

  2

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

  : faktor transmitan-absorpan kolektor Efisiensi secara keseluruhan ( TOTAL ) dapat dihitung dengan persamaan η

  (Arismunandar, Wiranto, 1995) : η = η x η (19)

  TOTAL G

  BAB III METODE PENELITIAN 3.1. Peralatan Penelitian Skema alat dapat dilihat pada gambar 4 Gambar 4. Skema alat penelitian 3.2. Cara kerja alat : Cahaya matahari yang datang akan ditangkap oleh kolektor surya pelat

  datar dengan tipe paralel. Panas yang datang digunakan untuk memanasi pipa-pipa tembaga yang di dalamnya berisi fluida minyak goreng. Fluida minyak goreng yang dipanasi akan menyebabkan massa jenis minyak goreng menurun, fluida akan mengalir melalui selang menuju ke tangki, fluida dapat mengalir karena adanya desakan (minyak merupakan fluida inkompresibel sehingga di mana ada kekosongan akan diisi)fluida dari tangki sebab ada fluida panas yang mengalir ke tangki. Fluida yang dingin akan menuju ke kolektor untuk dipanasi kembali. Tangki pemanas ini bagian atas terbuat dari aluminium sedangkan sisi lain terbuat dari besi, aluminium yang mempunyai daya hantar panas yang baik ini kontak

  13 dengan salah satu sisi termoelektrik sedangkan sisi lain termoelektrik diberikan sirip untuk pendinginan. Diharapkan dari adanya pemanasan pada salah satu sisi dan pendinginan pada sisi yang lain maka akan diperoleh beda temperatur yang dikatakan sebelumnya kalau termoelektrik diberi inputan berupa panas dan dingin maka akan menghasilkan keluaran listrik. Pada konstruksi alat akan ditemukan katup ekspansi untuk mencegah tekanan berlebih pada alat.

  Detil pembangkit listrik termoelektrik dapat dilihat pada gambar 5 : Gambar 5. Detil pembangkit listrik termoelektrik

  Parameter yang divariasikan : a. Variasi I : hubungan termoelektrik semua paralel.

  b. Variasi II : hubungan termoelektrik gabungan seri dan pararel 3.3.

   Peralatan yang Digunakan :

  1. Termoelektrik (20 buah)

  2. Termokopel

  3. Display Termokopel

  4. Pompa air

  5. Multitester 6.

   Stopwatch 7. Solar cell

  14

  15

  Pengambilan data dilakukan tiap 15-20 menit sekali. Untuk pengukuran temperatur digunakan termokopel dan untuk pengukuran radiasi surya digunakan

  d. Pada variasi salah satu parameter, parameter lainnya diatur pada salah satu harga variasi yang tetap.

  c. Tiap variasi parameter dilakukan pengambilan data sebanyak 30 data tiap 10 menit.

  b. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan parameter hubungan termoelektrik yang dihubungkan paralel semua (variasi I).

  a. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 4

  1. Pada variasi termoelektrik disusun secara paralel (variasi I)

  pendinginan pada sisi dingin termoelektrik menggunakan sirip (pendinginan dengan udara sekitar).

  ∆T = T H - T c yang besar. Termoelektrik disusun dengan 2 variasi dan

  memperoleh

  solar cell yang telah dikalibrasi. Pengambilan data ini juga dilakukan untuk

  G : radiasi surya yang datang pada permukaan kolektor

  8. Steker

  : temperatur fluida kerja keluar kolektor

  V o : tegangan keluaran T a : temperatur udara sekitar T i : temperatur fluida kerja masuk kolektor T o

  : arus keluaran

  I o

   Parameter yang diukur T H : temperatur sisi panas termoelektrik T c : temperatur sisi dingin termoelektrik

  12. Steroform 3.4.

  11. Thermal Paste

  10. Resistor 10 Ω

  9. Sirip (fin)

3.5. Langkah Penelitian

  e. 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.

  f. Sebelum melanjutkan pengambilan data untuk varisi berikutnya kondisi alat harus didiamkan agar kembali ke kondisi awal sebelum dilakukan penelitian g. Penelitian dilanjutkan dengan variasi II .

  h. Setiap variasi yang dilakukan selalu menggunakan pendinginan udara dengan sirip pada bagian sisi dingin termoelektrik.

  2. Pada variasi termoelektrik disusun secara seri-paralel (10 buah diserikan dan 10 buah lagi diparalelkan) (variasi II) a. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 4

  b. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan parameter hubungan termoelektrik yang dihubungkan secara gabungan seri-paralel (variasi II).