D. PENGAMATAN DAN PENGUKURAN
8. Nilai Efek Peltier ( Φ pn)
Nilai efek Peltier menjadi dasar dari pendinginan termoelektrik. Bahwa arus yang mengalir pada dua sambungan semikonduktor yang berbeda akan terjadi perpindahan panas dari sambungan satu ke sambungan yang lain. Nilai tersebut dapat dihitung dari persamaan berikut:
Φpn = αpn x Td x I ...(48)
9. Nilai Konduktivitas Panas Pada Bahan (kp+ kn)
Aliran panas pada modul termoelektrik terhubung secara paralel (Culp, 1979). Nilai konduktivitas panas pada bahan modul termoelektrik dapat dihitung dari rumus pada persamaan (16), (18) dan (19) sehingga diperoleh: ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ × + × × = L k A L k A m U p n ...(49)
( )
A m L U k kp n × × = + ...(50)10. Nilai Kerja Listrik Yang Dilakukan Modul (Pmasukan)
Kerja listrik yang dilakukan pada termoelektrik dapat didefinisikan sebagai perbedaan antara panas yang dilepaskan pada terminal dingin dan
terminal panas. Perhitungan nilai kerja listrik (Pmasukan) dapat terlihat pada persamaan (24).
11. Nilai COP
Nilai COP menunjukkan performansi atau prestasi dari bahan modul termoelektrik yang digunakan. Semakin tinggi nilai COP, maka semakin bagus bahan yang digunakan sebagai modul. Nilai COP merupakan perbandingan antara kapasitas pendinginan (Qo) dengan nilai kerja listrik (Pmasukan).
Nilai karakteristik dari bahan modul termoelektrik dipengaruhi oleh persamaan-persamaan di atas. Kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul juga sangat berpengaruh terhadap nilai karakteristiknya. Kesesuaian bahan-bahan tersebut ditentukan oleh nilai figure of merit (Z) yang bergantung pada sifat-sifat bahan tersebut. Semakin besar nilai Z, performansi modul akan semakin baik. Untuk mendapatkan nilai Z maksimum, parameter bahan termoelektrik harus memenuhi syarat sebagai berikut: koefisien Seebeck (α) harus besar, resistivitas atau tahanan jenis listrik (ρ) harus kecil, dan konduktivitas panas (k) harus kecil.
Pada penelitian kali ini tidak diketahui jenis bahan modul termoelektrik, sehingga dalam pengkajian karakteristiknya hanya didasarkan pada besarnya nilai figure of merit (Z) dan nilai COP. Culp (1979), menyatakan bahwa untuk memperoleh nilai COP setinggi mungkin, nilai Z harus mempunyai nilai maksimum seperti ditunjukkan pada persamaan berikut ini:
( )
(
p p n n)
pn k k Z ρ ρ α + = 2 max ...(51)Karakteristik bahan yang didasarkan pada besarnya nilai figure of merit (Z) dipengaruhi oleh nilai koefisien Seebeck (αpn), koefisien konduktansi panas keseluruhan (U), jumlah pasangan kaki p-n pada modul dan tahanan listrik (R), seperti terlihat pada persamaan (44). Semakin kecil nilai koefisien konduktansi panas keseluruhan (U) dan nilai tahanan
listrik (R), maka semakin besar nilai Z, sehingga karakteristik bahan yang digunakan semakin bagus.
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A. KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK
Modul termoelektrik ini berfungsi untuk menyerap panas dari dalam kotak pendingin dan membuangnya ke lingkungan. Dengan diberikannya arus listrik searah (DC) pada kedua kaki modul yang merupakan pasangan dari kaki p dan kaki n yang terdiri dari bahan logam atau semikonduktor elektris sebagai pemanas mini, akan terdapat beda suhu pada kedua terminalnya dan terjadi pengambilan panas pada salah satu terminal serta pelepasan panas pada terminal lainnya. Sehingga dalam penerapannya, kedua sisi terminal modul dapat digunakan baik untuk pendinginan maupun pemanasan.
Pada Gambar 12 terlihat skema modul termoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini dengan jenis TEC1-12706, dengan spesifikasi 1 modul termoelektrik sebagai berikut:
Ukuran = (40 x 40 x 3.8) mm A = 1.69 x 10-6 m2 L = 0.0016 m Imax = 6.4 Ampere Vmax = 14.9 Volt Qmax = 53 Watt (∆T = 0) ∆Tmax = 68 oC R = 1.98 ohm m = 128 pasang
Untuk meningkatkan kapasitas pendinginan, diperlukan beberapa modul termoelektrik. Dalam percobaan ini digunakan tiga buah modul yang dirangkai secara paralel. Masing-masing modul memiliki 128 pasang kaki p-n termoelektrik.
Karakteristik bahan modul termoelektrik yang digunakan, dalam penerapannya perlu diketahui karena hal ini berhubungan dengan besarnya tenaga listrik yang mampu dihasilkan modul, arus dan tegangan yang stabil, nilai figure of merit (Z) pada bahan, nilai koefisien performansi (COP) maksimum pada modul, dan besarnya kapasitas pendinginan yang mampu dihasilkan oleh modul termoelektrik tersebut.
Tabel 2. Data hasil percobaan dengan 3 modul TEC1-12706 dirangkai paralel Nilai Rata-rata Percobaan
1
Percobaan 2
Percobaan 3
Suhu terminal dingin (Td), oC 4.28 1.66 1.02
Suhu terminal panas (Tp), oC 43.30 38.90 39.20
Perbedaan suhu (∆T), oC 39.02 37.24 38.18
Arus listrik (I), Ampere 8.45 8.61 8.92
Tegangan (V), Volt 9.96 9.87 10.56
Figure of merit (Z) 1.77 x 10-3 1.80 x 10-3 1.81 x 10-3 Kapasitas pendinginan (Qo), W 37.72 54.83 54.85 Nilai kerja listrik (Pmasukan), W 190.40 191.82 204.72 Coefficient of Performance
(COP)
0.21 0.29 0.27
Tabel 2 menunjukkan data percobaan untuk 3 modul termoelektrik yang dirangkai paralel selama 3 kali percobaan dalam nilai rata-rata. Percobaan pertama dilakukan pada tanggal 14 Juli 2006 dalam waktu 90 menit, sedangkan percobaan kedua dilakukan pada tanggal 15 Juli 2006 dalam waktu 45 menit, dan percobaan ketiga dilakukan pada tanggal 16 Juli 2006 dalam waktu 80 menit. Perbedaan waktu yang dilakukan pada saat pengujian didasarkan pada kondisi kemampuan baterai untuk memberi arus yang dibutuhkan oleh modul dan suhu konstan. Apabila tegangan pada baterai menurun, maka arus pada baterai yang mengalir ke modul juga akan menurun. Oleh karena itu, dengan semakin kecil arus yang diterima oleh modul akan mengakibatkan suhu terminal dingin pada modul akan naik, sehingga pengukuran akan dihentikan dan baterai akan cepat rusak karena baterai bekerja dalam kondisi tegangan minimum yang dapat mengurangi kinerja dari baterai.
Perbedaan lain dari ketiga percobaan di atas adalah dilakukan pada rataan suhu lingkungan yang berbeda, yaitu pada percobaan pertama pada kondisi suhu 32.28 oC, sedangkan percobaan kedua dilakukan pada kondisi suhu 31.6 oC, dan percobaan ketiga dilakukan pada kondisi suhu mencapai 33.48 oC.
Ketiga percobaan di atas diberi perlakuan yang sama, yaitu pemasangan heat sink pada terminal panas dan sebagian sisi heat sink direndam dengan air dalam wadah untuk membantu dalam proses pembuangan panas. Sedangkan pada terminal dingin, diletakkan dalam ruangan terbuka tempat pengujian. Pengukuran arus dan tegangan dilakukan setiap 5 menit selama waktu pengujian.
Dari Tabel 2 dapat terlihat nilai rata-rata suhu terminal dingin, suhu terminal panas, arus dan tegangan. Nilai rata-rata mulai dihitung pada menit ke-0, seperti yang terlihat pada Lampiran 2. Pada percobaan pertama, suhu terminal dingin (Td) dapat mencapai nilai rata-rata 4.28 oC, pada percobaan kedua mencapai suhu rata-rata 1.66 oC, dan pada percobaan ketiga mencapai suhu rata-rata 1.02 oC. Suhu terminal panas modul pada percobaan pertama mencapai rata-rata 43.30 oC, pada percobaan kedua mencapai suhu rata-rata 38.90 oC, dan pada percobaan ketiga mencapai suhu rata-rata 39.20 oC. Perubahan suhu yang tercapai selama waktu pengujian dapat dilihat pada Gambar 16, 17, dan 18. 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 60.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Waktu (m enit) S uhu ( oC)
Suhu terminal panas, Tp Suhu terminal dingin, Td Suhu air dalam w adah, Ta Suhu lingkungan, Tl
Gambar 16. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 14 Juli 2006 selama 90 menit dengan Tl = 32.28 oC.
-10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Waktu (m enit) Su h u ( oC)
Suhu terminal panas, Tp Suhu terminal dingin, Td Suhu air dalam w adah, Ta Suhu lingkungan, Tl
Gambar 17. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 15 Juli 2006 selama 45 menit dengan Tl = 31.6 oC.
-10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 0 15 45 10 15 20 35 25 55 75 30 65 70 60 40 80 50 Waktu (m enit) S u hu ( oC)
Suhu terminal panas, Tp Suhu terminal dingin, Td Suhu lingkungan,Tl Suhu air dalam w adah, Ta
Gambar 18. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 16 Juli 2006 selama 80 menit dengan Tl = 33.48 oC.
Untuk masing-masing modul termoelektrik yang digunakan yaitu modul 1, 2, dan 3 seperti yang terlihat pada Gambar 12 diketahui kemampuan modul tersebut untuk bekerja pada arus rata-rata yaitu sebesar 3.58 A, 3.48 A, dan 3.33 A. Sehingga jika ketiga modul tersebut dirangkai menjadi satu dalam rangkaian paralel, maka akan meningkatkan nilai arus yang mengalir ke rangkaian yaitu penjumlahan dari ketiga masing-masing arus yang dibutuhkan oleh modul termoelektrik. Didapatkan bahwa nilai arus untuk 3 modul yang dirangkai secara paralel adalah sebesar 8.66 A. Dalam hubungannya dengan suhu yang dihasilkan saat masing-masing modul termoelektrik bekerja pada rata-rata suhu tersebut dapat dilihat pada lampiran 8.
Dari pengujian masing-masing modul termoelektrik sebelum dirangkai paralel, dilakukan pada rataan suhu lingkungan yang berbeda dan nilai rata-rata mulai dihitung pada menit ke-0 seperti terlihat pada Lampiran 7. Modul 1 dilakukan pada rataan suhu lingkungan 30.89 oC, modul 2 dilakukan pada rataan suhu lingkungan 31.24 oC dan modul 3 dilakukan pada rataan suhu lingkungan 31.36 oC. Ketiga modul tersebut diberi perlakuan yang sama, yaitu pemasangan heat sink pada terminal panas dan sebagian heat sink direndam dalam air pada wadah untuk membantu proses pembuangan panasnya. Pengukuran arus, tegangan dan suhu dilakukan setiap 5 menit selama 30 menit dengan tujuan untuk mengetahui apakah masing-masing modul termoelektrik tersebut dapat bekerja dengan baik.
Suhu terminal dingin yang dapat dicapai masing-masing modul yaitu nilai rataannya untuk modul 1 sebesar 6.09 0C, modul 2 sebesar 6.59 oC dan untuk modul 3 sebesar 5.71 oC. Hasil tersebut tidak berbeda jauh dengan suhu terminal dingin yang dihasilkan dalam penelitian Trenggonowati (2005) dengan menggunakan 1 modul termoelektrik yaitu 6.9 oC. Tipe modul yang sama yang digunakan dalam penelitian, hanya berbeda dalam sistem pembuangan panasnya yaitu penelitian Trenggonowati (2005) menggunakan udara sebagai media pembuang panasnya, sedangkan dalam penelitian kali ini menggunakan air sebagai media pembuang panasnya.
Seperti halnya pengukuran suhu dengan menggunakan 3 modul termoelektrik, pengukuran suhu pada masing-masing modul ini juga mengalami kenaikan suhu di terminal panas pada 5 menit pertama pengukuran. Suhu lingkungan sangat berpengaruh terhadap perubahan suhu pada terminal panas, semakin tinggi suhu lingkungan maka suhu terminal panas juga akan semakin tinggi. Demikian juga dengan pemakaian arus pada awal kerja atau pada awal pengukuran menit ke-0, modul termoelektrik membutuhkan arus listrik yang lebih besar dan relatif stabil pada menit-menit sesudahnya.
Apabila sistem pembuangan panas yang dilakukan dapat bekerja dengan baik, maka akan menghasilkan suhu sesuai yang diharapkan, yaitu suhu terminal panas mendekati suhu lingkungan dan suhu terminal dingin
mendekati suhu dingin yang mampu dicapai oleh modul tersebut. Pemasangan modul pada sirip pembuangan panas harus benar-benar rapat agar tidak timbul efek Konduksi dan Joulean, sehingga suhu pada terminal dingin menjadi naik. Pada penelitian sebelumnya oleh Zuhal (1989), suhu terminal panas yang dapat dicapai sebesar 27.6 oC, dan suhu terminal dingin yang dapat dicapai sebesar 17.0 oC. Sedangkan oleh Trenggonowati (2005), suhu terminal panas yang dicapai sebesar 32.8 oC dan suhu terminal dingin sebesar 6.9 oC.
Grafik perubahan suhu untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel pada Gambar 16, 17 dan 18 di atas didapatkan dari hasil pengukuran suhu pada tanggal dan kondisi suhu rataan lingkungan yang berbeda dan pada titik pengukuran yang sama untuk ketiga percobaan yang dilakukan. Dari grafik diatas memperlihatkan bahwa suhu terminal panas naik pada 5 menit pertama, kemudian pada menit-menit pengukuran selanjutnya relatif stabil mulai pada menit ke-20. Sedangkan pada suhu terminal dingin turun pada 5 menit pertama pengukuran dan menit-menit selanjutnya diikuti dengan penurunan yang lambat, tetapi suhu pada terminal dingin mengalami kenaikan suhu ketika arus yang mengalir ke dalam modul juga mengalami penurunan. Suhu terminal panas yang naik dengan cepat pada awal kerja dipengaruhi oleh pemakaian arus listrik. Pada awal kerjanya, modul termoelektrik membutuhkan arus listrik yang lebih besar dari waktu sesudahnya seperti terlihat pada Lampiran 1. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Zuhal (1989), dan Trenggonowati (2005), modul yang digunakan dalam pengujian membutuhkan arus listrik yang lebih besar pada awal kerjanya dan relatif lebih stabil untuk menit-menit sesudahnya yaitu sekitar 2.63 A dan membutuhkan arus rata-rata 2.40 A untuk menit-menit sesudahnya.
Untuk pengukuran tanpa menggunakan kontroler atau menggunakan suplai daya langsung dari Photo Voltaic (PV), arus yang digunakan oleh modul seperti terlihat pada Lampiran 6 sesuai dengan keadaan sinar matahari apakah itu mendung atau cerah. Arus akan semakin turun apabila keadaan sinar matahari redup atau PV tertutup oleh awan. Sedangkan pengukuran yang dilakukan dengan menggunakan kontroler (baterai dan PV), arus yang digunakan oleh modul relatif stabil seperti terlihat pada Lampiran 5. Hal
tersebut dikarenakan sebagian besar modul masih mendapatkan suplai dari baterai dan PV. 15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 0 50 100 150 200 250 300 350 Waktu (m enit) Su h u ( oC)
Suhu lingkungan. Tl Suhu terminal panas, Tp
Suhu terminal dingin, Td Suhu air kondensor, Ta
Gambar 19. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 7 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler.
15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 0 50 100 150 200 250 Waktu (m enit) S uhu ( oC)
Suhu terminal panas, Tp Suhu terminal dingin, Td
Suhu lingkungan, Tl Suhu air kondensor, Ta
Gambar 20. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 8 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler.
15.00 20.00 25.00 30.00 35.00 40.00 0 50 100 150 200 250 Waktu (m enit) S uhu ( oC)
Suhu terminal dingin, Td Suhu terminal panas, Tp
Suhu lingkungan, Tl Suhu air kondensor, Ta
Gambar 21. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 9 Agustus 2006 tanpa menggunakan kontroler.
Suhu lingkungan sangat berpengaruh terhadap perubahan suhu pada terminal panas seperti yang terlihat pada grafik di atas, semakin tinggi suhu lingkungan maka semakin tinggi juga suhu terminal pada dingin. Seperti halnya juga percobaan dengan menggunakan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan pada titik pengukuran yang sama untuk ketiga percobaan yang dilakukan, semakin tinggi suhu lingkungan maka suhu pada terminal panas pun akan meningkat seperti ditunjukkan pada Gambar 19, 20, dan 21. Fenomena ini dapat dijelaskan efek konduksi yang selalu menyertai efek Peltier. Dengan adanya efek konduksi, peningkatan suhu pada terminal panas akan menaikkan suhu pada terminal dingin. Untuk menurunkan suhu pada terminal dingin diperlukan sistem pembuangan panas yang bagus pada terminal panasnya, sehingga suhu pada terminal dingin akan sangat rendah walaupun suhu pada terminal panasnya akan sangat tinggi.
Pembuangan panas pada terminal panas modul termoelektrik tidak mudah untuk dilakukan, karena apabila panas tersebut tidak dibuang maka panas itu akan merambat ke bagian terminal dingin sehingga akan mengurangi kinerja dari modul termoelektrik. Untuk melakukan pembuangan panas memerlukan alat bantu yaitu sirip pendingin dan air. Sirip pendingin harus mempunyai nilai konduktivitas panas yang besar dan bahan yang lebih tebal, agar pembuangan panasnya efektif. Pemasangan sirip ini menggunakan sirip yang telah biasa digunakan sebagai pendingin pada transistor. Sirip terbuat dari alumunium, mengingat nilai konduktivitas panas alumunium yang besar yaitu sekitar 208 W/m oC pada suhu 27 oC. Dengan memakai air untuk membantu dalam pembuangan panas, akan lebih bagus dari penggunaan udara karena nilai koefisien konveksinya yang lebih besar dibandingkan udara.
Nilai arus dan tegangan yang terukur selama pengujian digunakan untuk mengatahui daya yang bekerja pada modul termoelektrik. Penurunan nilai arus yang terjadi karena kapasitas arus baterai juga menurun, sehingga perlu dilakukan pengisian ulang (charging) agar tegangan selalu dalam keadaan optimum. Perubahan arus dan tegangan untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel selama waktu pengujian dapat dilihat pada Lampiran 3.
Besarnya arus sangat mempengaruhi nilai kapasitas pendinginan (Qo) seperti terlihat pada persamaan (22). Parameter lain yang mempengaruhi Qo antara lain nilai koefisien Seebeck, suhu terminal dingin (Td), perbedaan suhu antara suhu terminal dingin dan terminal panas (∆T), tahanan listrik (R), dan konduktansi panas antara dua sambungan (U). Semakin besar nilai koefisien Seebeck, arus dan terminal dingin serta semakin rendah perbedaan suhu antara terminal dingin dengan terminal panas, maka nilai kapasitas pendinginan akan semakin besar. Kapasitas pendinginan akan mencapai nilai maksimum pada saat ∆T sama dengan nol.
Nilai kapasitas pendinginan (Qo) rata-rata pada tiga kali pengujian adalah sebesar 49.13 W untuk 3 modul termoelektrik dan 16.37 W untuk 1 modul termoelektrik. Sedangkan pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Zuhal (1989) diperoleh nilai kapasitas pendinginan sebesar 7.76 W untuk 4 modul dan 0.027 W untuk 1 modul, sedangkan Trenggonowati (2005) diperoleh 32.86 W untuk 1 modul. Perbedaan besarnya nilai kapasitas pendinginan ini dipengaruhi oleh besarnya arus listrik yang digunakan oleh modul dan nilai koefisien Seebeck pada bahan modul. Nilai koefisien Seebeck rata-rata pada penelitian sebelumnya oleh Zuhal (1989) sebesar 0.41E-03 V/K dengan arus rata-rata 0.84 A, dan oleh Trenggonowati (2005) diperoleh nilai koefisien Seebeck rata-rata sebesar 0.86E-03 V/K dengan arus rata-rata 2.34 A, sedangkan pada penelitian ini diperoleh nilai rata-rata koefisien Seebeck sebesar 0.36E-03 V/K dengan arus rata-rata 2.89 A untuk 1 modul termoelektrik.
B. COEFFICIENT OF PERFORMANCE (COP)
Daya guna yang terdapat di dalam modul termoelektrik ditunjukkan melalui parameter COP. COP merupakan perbandingan antara kemampuan modul termoelektrik untuk mendinginkan beban dengan kerja listrik yang dilakukan oleh modul termoelektrik. Untuk meningkatkan COP tersebut adalah dengan meningkatkan kapasitas pendinginan modul termoelektrik (Qo). Peningkatan Qo terjadi bila nilai-nilai parameter bahan modul termoelektrik dapat meningkatkan pula nilai figure of merit (Z). Langkah
tersebut akan berhubungan langsung dengan teknologi pembuatan modul termoelektrik itu sendiri. Persamaan untuk menghitung COP dapat dilihat pada persamaan (25). Demikian juga nilai kerja listrik (Pmasukan) sangat berpengaruh terhadap COP, semakin tinggi nilai kerja listrik maka semakin rendah daya guna yang dapat ditunjukkan oleh modul termoelektrik.
Pada penelitian kali ini didapatkan nilai COP untuk rataan 3 kali percobaan percobaan dengan menggunakan 3 modul termoelektrik dan suplai daya dari baterai adalah sebesar 0.26 dengan pemakaian arus rata-rata sebesar 8.66 A. Sedangkan nilai COP untuk rataan 3 kali percobaan percobaan dengan menggunakan 3 modul termoelektrik dan suplai daya berasal dari baterai dengan PV adalah sebesar 0.87 dengan menggunakan arus rata-rata sebesar 8.53 A. Untuk percobaan dengan menggunakan suplai daya dari PV tanpa menggunakan kontroler seperti terlihat pada Lampiran 6 mendapatkan nilai COP yang lebih tinggi, karena modul menggunakan arus sebesar 6.35 A yaitu sebesar 1.21. Hal tersebut dapat terjadi karena semakin kecil arus yang digunakan, maka nilai kerja listrik yang dilakukan oleh modul pun akan semakin kecil.
C. FIGURE OF MERIT (Z)
Figure of merit (Z) merupakan karakteristik khusus yang terdapat pada modul termoelektrik. Nilai ini hanya tergantung kepada sifat-sifat bahan yang digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik. Perhitungan nilai Z ini dimasukkan ke dalam Lampiran 2. Dari perhitungan tersebut didapatkan nilai rata-rata dari ketiga modul yang digunakan dalam tiga kali pengujian adalah 1.79E-03. Bahan-bahan yang biasa digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik adalah bahan-bahan semikonduktor seperti Bismuth Tellurium (Bi2Te3), PbTe, SiGe, dan SB2T3. Pada penelitian kali ini digunakan tipe modul yang tidak diketahui jenis bahan pembuat kaki modulnya pada literatur, sehingga pada perhitungan hanya menggunakan data-data spesifikasi modul yang diperoleh dari literatur. Dari perhitungan juga belum dapat diketahui jenis bahan kaki modulnya, hanya didapatkan karakteristik bahan pada modul. Berdasarkan persamaan (29), agar nilai Z dapat ditingkatkan maka:
1. Koefisien Seebeck (α) harus diperbesar 2. Tahanan jenis listrik (ρ) harus diperkecil 3. Konduktivitas panas (k) harus diperkecil
Tabel 3. Data hasil pengujian 3 modul termoelektrik yang dirangkai paralel pada 3 kali percobaan
Nilai rata-rata untuk tiga modul termoelektrik Percobaan 1 Percobaan 2 Percobaan 3 Tahanan jenis listrik (ρp + ρn), Ωm 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 Konduktansi panas keseluruhan (U), W/K 5.55 5.18 5.34 Efek Konduksi + efek Joulean (Qc), W 290.15 267.23 283.13 Koefisien Seebeck (αpn), V/K 3.63-04 3.54E-04 3.60E-04
Efek Peltier (Φpn), W 327.88 322.06 337.97
Konduktivitas panas pada bahan (kp + kn), W/mK
13.68 12.77 13.17
Dari hasil perhitungan pada Tabel 3 adalah untuk 3 modul yang dirangkai secara paralel, sedangkan nilai tahanan jenis listrik untuk satu pasangan kaki modul (ρp + ρn) adalah 5.45E-06 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk satu pasang kaki modul (kp + kn) sebesar 13.21 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata adalah sebesar 1.79E-03 /K. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Zuhal (1989) dengan menggunakan modul termoelektrik yang dikeluarkan oleh pabrik MELCOR dengan jenis CP.1.4-71-06L, nilai tahanan jenis listrik untuk satu pasangan kaki modul (ρp + ρn) adalah 0.02E-03 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk satu pasang kaki modul (kp + kn) sebesar 0.03E-02 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata adalah sebesar 0.28E-02 /K. Trenggonowati (2005) mendapatkan perhitungan untuk nilai tahanan jenis listrik (ρp + ρn) untuk satu pasangan kaki modul untuk modul tipe TEC1-12706, adalah sebesar 0.78E-05 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk satu pasang kaki modul (kp + kn) adalah sebesar 19.87 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata adalah sebesar 0.17E-02 /K.
Nilai figure of merit (Z) dipengaruhi oleh besarnya koefisien Seebeck (αpn), koefisien pindah panas keseluruhan (U), dan tahanan listrik (R). Hal ini dapat terlihat pada persamaan (44). Semakin besar nilai koefisien Seebeck,
semakin kecil nilai koefisien pindah panas keseluruhan dan tahanan listrik, maka nilai figure of merit (Z) akan semakin besar dan begitu juga sebaliknya. Dari nilai koefisien figure of merit (Z) pada penelitian-penelitian sebelumnya diketahui bahwa karakteristik bahan modul termoelektrik yang digunakan oleh Zuhal (1989) lebih bagus dibandingkan dengan penelitian kali ini. Semakin besar nilai Z, performansi termoelektrik akan semakin bagus.
Besarnya nilai figure of merit (Z), juga dapat dipengaruhi oleh besarnya perbedaan suhu antara suhu terminal panas dengan suhu terminal dingin maksimum (∆Tmax), dan besarnya suhu terminal dingin (Td). Hubungan antar ketiganya dapat dilihat pada persamaan (41). Semakin rendah suhu terminal dingin (Td) dan semakin besar perbedaan suhu maksimum (∆Tmax), maka nilai figure of merit (Z) cenderung akan semakin besar, sehingga kualitas bahan termoelektrik yang digunakan semakin bagus. Nilai figure of merit (Z) pada hasil perhitungan untuk 3 modul yang dirangkai paralel juga dipengaruhi oleh besarnya arus yang mengalir pada rangkaian, semakin tinggi nilai rata-rata arus yang dihasilkan, maka nilai Z rerata juga akan semakin tinggi. Grafik hubungan antara suhu terminal dingin (Td) dengan nilai figure of merit (Z) dapat terlihat pada Gambar 22, 23, dan 24.
0.00170 0.00172 0.00174 0.00176 0.00178 0.00180 0.00182 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 8.00 9.00
Suhu Term inal Dingin (oC)
F igur e of M e ri t (Z )
Suhu terminal dingin, Td Linear (Suhu terminal dingin, Td)
Gambar 22. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 14 Juli 2006.
0.00176 0.00177 0.00178 0.00179 0.00180 0.00181 0.00182 0.00183 0.00184 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 Suhu Dingin (oC) F igur e of M e ri t (Z)
Suhu terminal dingin, Td Linear (Suhu terminal dingin, Td)
Gambar 23. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 15 Juli 2006.
1.78E-03 1.79E-03 1.80E-03 1.81E-03 1.82E-03 1.83E-03 1.84E-03 -1.00 -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50
Suhu Term inal Dingin (oC)
F igur e of M e ri t (Z)
Suhu terminal dingin, Td Linear (Suhu terminal dingin, Td)
Gambar 24. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 16 Juli 2006.
D. TEGANGAN LISTRIK
Tegangan listrik yang digunakan pada penelitian berasal dari baterai (accu). Tegangan listrik sangat diperlukan oleh modul termoelektrik dalam proses kerjanya. Tegangan listrik relatif stabil selama proses kerja dan terjadi penurunan tegangan ketika kapasitas elektron dalam baterai tersebut