BAB II TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pendingin Termoelektrik
2.1.1 Sejarah Perkembangan Termoelektrik
Termoelektrik merupakan alat yang dapat mengubah energi elektrik menjadi energi termal. Konsep termoelektrik pertama sekali diperkenalkan oleh Thomas .J. Seebeck pada tahun 1821. Seebeck menunjukkan bahwa medan magnet dapat diproduksi dengan membuat perbedaan panas di antara dua konduktor elektrik yang berbeda[6][17].
Tiga belas tahun setelah penemuan Seeback, J. Peltier menemukan efek termoelektrik yang kedua. Dia menemukan bahwa bagian dari arus listrik yang dilalui oleh dua konduktor elektrik dapat menghasilkan panas dan dingin bergantung pada arah pegerakan elektronnya[6][17].
Pada awalnya, tidak terlihat adanya hubungan antara penemuan Seeback dan Peltier. Namun, pada 1855, W. Thomson (yang kemudian menjadi Lord Kelvin) menemukan keterkaitan antara dua penemuan tersebut. Dengan menerapkan teori termodinamika, dia mendapatkan hubungan antara koefisien yang ditetapkan Seebeck dan efek Peltier. Thomson menemukan bahwa perlu adanya teori ketiga dari termoelektrik untuk menunjukkan keterkaitan yang terdapat dalam sebuah konduktor yang homogen. Efek ini dikenal sebagai efek Thomson, yaitu: terdiri dari pemanasan dan pendinginan yang memiliki kemampuan keterbalikan ketika sedang berlangsung pemanasan dan pendinginan dengan aliran arus elektron[6][11][17][19].
Prinsip kerja dari termoelektrik adalah dengan berdasarkan efek Seebeck. Jika 2 buah logam yang berbeda disambungkan salah satu ujunganya, kemudian diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan tegangan pada ujung yang satu dengan ujung yang lain. Pendingin termoelektrik mempunyai kemampuan mendinginkan dan memanaskan sekaligus dimana perubahan polaritas tegangan akan membalikkan fungsi dari panas ke dingin dan sebaliknya. Jika sebuah elemen termoelektrik dialiri arus listrik DC maka kedua sisi elemen ini akan menjadi panas dan dingin. Sisi dingin inilah yang dimanfaatkan sebagai pendingin udara ruangan dengan bantuan heatsink dan fan atau blower[11][19][21].
Ketika peltier di alirkan arus listrik, elektron – elektron pada mengalir dari kutub negatif ke kutub positif dalam rangkaian. Elektron dari material yang kekurangan elektron (P – Type Semiconductor) berpindah ke material yang kelebihan elektron (N – Type Semiconductor). Dalam keadaan ini, konektor akan menyerap energi sehingga sisi ini akan bersuhu dingin. Di sisi lain, ketika elektron berpindah dari tipe - n ke tipe - p , konektor akan melepaskan energi sehingga pada sisi ini akan bersuhu panas. Cara kerja dari peltier dapat dilihat pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Modul pendingin termoelektrik[36]
Panas yang diserap ( sisi dingin)
konduktor elektrik Semikonduktor tipe - p Semikonduktor tipe - n Positif (+) Negatif (-) Insulator elektrik Panas yang dibuang (sisi panas)
Hasilnya, nilai kalor yang dilepaskan pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap di sisi dingin ditambah dengan daya yang diberikan ke modul termoelektrik[4][6][9][11][14][15][17][19][21].
qh = qc + Pin……… (2.1)
Dimana,
qh = kalor yang dilepaskan pada bagian sisi panas elemen Peltier (Watt)
qc = kalor yang diserap pada bagian sisi dingin elemen Peltier (Watt)
Pin = daya input (Watt)
Pada kondisi ideal, jumlah kalor yang diserap pada sisi dingin dan dilepas pada sisi panas bergantung pada koefisien Peltier dan arus listrik yang digunakan. Pada saat dioperasikan jumlah kalor yang diserap pada sisi dingin akan berkurang dikarenakan dua faktor, yaitu kalor yang terbentuk pada material semikonduktor dikarenakan perbedaan temperatur antara sisi dingin dan sisi panas modul dan Joule Heat yang nilainya akan sama dengan kuadrat dari arus listrik yang digunakan]. Arah dari aliran listrik yang terjadi di termoelektrik seperti pada gambar 2.2.
Gambar 2.2 Arah arus listrik yang menimbulkan panas dan dingin[35]
2.1.3 Peredam panas ( Heat Sink )
q panas masuk q panas keluar Konduktor Insulator keramik Insulator keramik Sisi panas Sisi dingin
Arah arus listrik Kaki – kaki
Sistem pendingin termoelektrik yang baik tidak terlepas dari alat pendamping yang bagus yaitu peredam panas. Desain dan pemilihan peredam panas sangat krusial dan mempengaruhi secara keseluruhan pada sistem kerja termoelektrik dalam mempercepat laju pendinginan[37].
Peredam panas yang optimal akan meningkatkan coefficient of performance dari sistem pendingin termoelektrik. Hal ini dapat dilakukan dengan memaksimalkan luas permukaan atau menggunakan peredam panas yang mempunyai kapasitas penyimpanan kalor yang besar sehingga dapat menjaga peredam panas pada temperatur rendah.
Jenis-jenis peredam panas yang ada antara lain[37] :
a. Extruded Heat Sink
Extruded heat sink merupakan contoh yang paling murah dan popular di pasaran. Peredam panas ini terbuat dari alumunium dan mempunyai sifat-sifat perpindahan kalor yang baik dikarenakan memiliki bidang permukaan yang luas.
Gambar 2.3 Extruded Heat Sink[37]
b. Folded Fin Heat Sink
Lembaran logam yang terlipat dipasang (disolder atau dilem dengan menggunakan minyak konduksi kalor adhesive khusus) di dasar peredam panas. Lipatan-lipatan yang terbentuk tampak seperti permukaan sirip. Material dasarnya adalah alumunium dan tembaga. Jika dibandingkan dengan extruded heat sink,
maka teknologi ini dapat digunakan untuk alat-alat yang lebih kecil dengan tingkat keefektifan sama atau bahkan lebih tinggi.
Gambar 2.4 Folded Fin Heat Sink[37]
c. Cold-Forged Heatsink
Teknologi cold pressing memungkinkan tidak hanya pada pembuatan sirip bentuk rectangular tetapi juga pin. Peredam panas seperti ini sebagian besar terbuat dari material alumunium. Tetapi sering juga digunakan tembaga sebagai alasnya untuk mempertinggi sifat-sifat perpindahan kalornya. Peredam panas ini lebih mahal dibandingkan dengan jenis extruded atau folded, tetapi efisiensi termal mereka tidak selalu lebih baik.
d. Bonded/Fabricated Fin Heatsink
Peredam panas ini sangat mirip dengan folded fin heat sink, tetapi ada beberapa perbedaan, yaitu permukaan sirip tidak terbuat dari satu lembar logam melainkan plat-plat tipis terpisah yang disolder atau dilas terhadap peredam panas. Material utamanya adalah tembaga. Pelepas panas ini mempunyai keefektifan termal yang lebih tinggi daripada jenis extruded atau folded. Akan tetapi, hal ini hanya akan terwujud bila kualitas proses produksi diawasi dengan ketat.
Gambar 2.6 Bonded/Fabricated Heat Sink[37]
e. Skived Fin Heatsink
Saat ini, peredam panas jenis ini merupakan peredam panas yang paling banyak berkembang dan mahal. Hal ini disebabkan karena produksinya melibatkan proses permesinan presisi tinggi dari solid blanks (diproses pada mesin presisi tinggi dengan berbasis CPU khusus). Keefektifan termal peredam panas ini adalah yang paling baik. Alumunium dan tembaga adalah material utama. Peredam panas ini dapat menggantikan peredam panas jenis lainnya jika biaya pembuatannya dapat dikurangi sampai ke tingkat yang dapat diterima.
Gambar 2.7 Skived Fin Heat Sink[37]
2.1.4 Karakteristik Bahan - Bahan Termoelektrik
Kesesuaian bahan-bahan yang dipakai pada sistem termoelektrik ditentukan oleh angka bajik (figure of merit), yaitu angka yang paling efisien atau yang baik. Persamaan yang digunakan untuk menentukan harga figure of merit suatu bahan adalah sebagai berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
……….. (2.2)
Keterangan:
Z = Figure of merit [K-1]
α = Koefisien seebeck atau kekuatan termoelektrik [Volt/K]
R = Tahanan dari kopel [Ohm]
k = Konduktifitas termal [Watt/K]
Bahan semikonduktor yang baik digunakan untuk termoelektrik berdasarkan tabel H.J. Goldsmid, yaitu Bismuth Tellurida (Bi2 Te3) [6], karena:
a. Mempunyai nilai Z yang optimal, karena semakin tinggi nilai Z maka semakin baik bahan tersebut digunakan sebagai bahan termoelektrik.
b. dapat mencapai temperatur drop maksimum. Temperatur drop maksimum merupakan fungsi dari figure of merit (Z) yang terjadi pada temperatur sisi panas.
2.1.5 Efek – Efek Pendinginan Termoelektrik
Efek pendinginan termoelektrik adalah gejala termal yang timbul pada suatu termokopel. Terdapat lima efek yang mempengaruhi atau terjadi pada sistem pendinginan termoelektrik, yaitu efek Seebeck, efek Joule, efek Konduksi, efek Peltier, dan efek Thomson[4][6][9][11][14][15][17][19][21].
1. Efek Seebeck
Thomas J. Seebeck adalah orang pertama yang menemukan fenomena termoelektrik. Apabila dua buah material yang berbeda jenis digabung dan pada salah satu ujungnya diberi sumber panas maka akan mengalir arus. Koefisien seebeck (S) disebut juga daya termoelektrik, seperti pada persamaan berikut [4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
………. (2.3)
Keterangan:
S = Koefisien seebeck [Volt/K] = Potential termoelektri terinduksi [Volt]
T = Temperatur [K]
2. Efek Joule
Akibat timbulnya arus listrik dalam rangkaian tersebut karena adanya efek seebeck, maka akan timbul panas. Hal ini sesuai dengan hukum ohm pada persamaan berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
Keterangan:
qj = Efek joule (panas joule) [Watt]
I = Arus [Ampere]
R = Tahanan [Ohm]
3. Efek Konduksi
Panas akan merambat secara konduksi dari permukaan yang panas ke permukaan yang dingin. Perambatan tersebut bersifat irreversible dan disebut efek konduktivitas. Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan [4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
qc = U.(Th-Tc) ………..………. (2.5)
Keterangan:
qc = Laju aliran kalor sisi dingin [Watt]
U = Konduktivitas termal [Watt/K] Th = Temperatur sisi panas [K]
Tc = Temperatur sisi dingin [K]
4. Efek Peltier
Pada saat arus mengalir melalui termokopel, temperatur sisi panas dan dingin akan berubah dan panas akan diserap pada satu permukaan, sementara permukaan yang lainnya akan membuang panas. Jika sumber arus dibalik, maka permukaan yang panas menjadi dingin dan sebaliknya. Gejala ini disebut efek peltier yang merupakan dasar pendinginan termoelektrik. Dari percobaan diketahui bahwa perpindahan panas sebanding terhadap arus yang mengalir. Persamaan dari efek adalah sebagai berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
Keterangan:
= Koefisien peltier [Volt]
q = Laju perpindahan panas [Watt]
I = Arus [Ampere]
5. Efek Thomson
Pada tahun 1854 seorang berkebangsaan Inggris yang bernama William Thomson mengemukakan hasil penelitiannya bahwa terdapat penyerapan atau pengeluaran panas bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan dalam persamaan berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
………...…..………. (2.7)
Keterangan:
= Koefisien Thomson [Volt/K)
qh = Laju aliran kalor sisi panas [Watt]
I = Arus [Ampere]
= Perbedaan temperature [K]
2.1.6 Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik
Bahan termoelektrik adalah semikonduktor yang merupakan benda padat atau logam yang mempunyai nilai-nilai diantaranya nilai resistansi konduktor dan isolator. Sisi dingin menyerap panas dari produk yang dikondisikan, bagian ini sama fungsinya dengan evaporator pada sistem pendinginan kompresi uap. Sisi panas mengeluarkan atau membuang panas ke luar, bagian ini sama fungsinya dengan kondensor[4][6][9][11][14][15][17][19][21].
Sama halnya dengan kondensor yang menggunakan sirip-sirip untuk mempercepat pembuangan panasnya, termoelektrik pada sisi panas juga ditambahkan dengan peredam panas untuk mempercepat proses pembuangan panas. Sumber arus searah pada termoelektrik sama fungsinya dengan kompresor pada sistem kompresi uap. Pengeluaran dan penyerapan panas hanya terjadi pada kedua sisi batas, besarnya kalor yang diserap dan dikeluarkan adalah sebagai berikut [4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
qh=2.α.Tc.I–I2(R/2)–k(Th-Tc) ………. (2.8)
qc=2α.Th.I–K.ΔT + ½ . I2.R ..……….…………..………. (2.9) Keterangan:
qh = laju aliran kalor sisi panas [Watt]
qc = laju aliran kalor sisi dingin [Watt]
ΔT = Perbedaan temperatur [K]
2α = Kekuatan termoelektrik dari 2 material [Volt/K]
R = Tahanan total [Ohm]
K = Konduktifitas termal dari 2 material [Watt/K]
I = Arus yang mengalir [Ampere]
Th = Temperatur sisi panas [K]
Tc = Temperatur sisi dingin [K]
a. Luas permukaan elemen
Luas permukaan elemen dapat dihitung dengan persamaan berikut [4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
Keterangan:
A = luas permukaan elemen dari kopel [cm2]
π = 3,14
d = diameter dari elemen [cm]
b. Tahanan material
Tahanan total dari 2 material dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
……….………. (11)
Keterangan:
R = Tahanan total dari 2 material [ohm]
L = Panjang kopel [cm]
A = Luas penampang elemen kopel [cm2]
ρ = Tahanan listrik [Ohm cm]
r = Hubungan tahanan listrik [Ohm cm2]
c. Konduktifitas termal
Besarnya konduktifitas termal dari 2 material dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
……..………..………...………. (2.12)
Keterangan:
K = Konduktivitas termal dari kopel [Watt/K] k = Koefisien termal dari elemen [Watt/cm.K]
A = Ukuran elemen [cm2]
L = Panjang elemen [cm]
d. Arus optimum
Arus maksimum yang mengalir pada termoelektrik dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
……..………...……. (2.13)
Keterangan:
Iopt = Arus maksimum [Ampere]
α = Kekuatan termoelektrik [V/K] R = Tahanan jenis [Ohm] Th = Temperatur sisi panas [K]
Tc = Temperatur sisi dingin [K]
Z = Figure of merit [K-1]
Tm = Temperatur rata-rata [K]
Temperatur rata-rata dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:
……….………. (2.14)
e. Daya
Daya yang dihitung pada pendingin Termoelektrik ini adalah dengan menggunakan persamaan sebagai berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
Keterangan:
W = Daya [W]
I = Arus [A]
R = Hambatan [ohm]
α = Koefisien Seebeck [V/K] Th = Temperatur sisi panas [K]
Tc = Temperatur sisi dingin [K]
f. Coefisien of Performance (COP)
Coefisien of performance (COP) dari sistem pendingin termoelektrik merupakan perbandingan antara panas yang diserap oleh batas daerah dingin dengan power input. COP termoelektrik dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut[4][6][9][11][14][15][17][19][21]:
………. (2.16)