Prinsip kerja dari Termoelektrik adalah dengan berdasarkan Efek Seebeck yaitu “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”.( Muhaimin, 1993). Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian. Di antara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Belakangan diketahui, hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut kemudian dikenal dengan efek Seebeck.
Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini, seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, atau pemanfaatan panas bumi. Kesulitan terbesar dalam pengembangan energi ini adalah mencari material termoelektrik yang memiliki efisiensi konversi energi yang tinggi. Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit suatu material. Idealnya, material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Namun kenyataannya sangat sulit
mendapatkan material seperti ini, karena umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi.
Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi 2 Te 3, PbTe, dan SiGe. Saat ini Bi2 Te3 memiliki figure of merit tertinggi. Namun, karena terurai dan teroksidasi pada suhu di atas 500 oC, pemakaiannya masih terbatas. Rendahnya figure of merit ini menyebabkan rendahnya efisiensi konversi yang dihasilkan, di mana saat ini efisiensinya masih berkisar di bawah 10 persen. Nilai ini masih berkurang sampai 5 persen setelah menjadi sebuah sistem pembangkit listrik. Masih cukup jauh dibandingkan dengan solar cell yang sudah mencapai 15 persen. Namun, penelitian ini masih terus berkembang, apalagi setelah Yamaha Co Ltd berhasil menaikkan figure of merit sebesar 40 persen dari yang ada selama ini. Setelah itu, perkembangan termoelektrik tidak diketahui dengan jelas sampai kemudian dilanjutkan oleh WW Coblenz pada tahun 1913 yang menggunakan tembaga dan constantan (campuran nikel dan tembaga). Dengan efisiensi konversi sebesar 0,008 persen, sistem yang dibuatnya itu berhasil membangkitkan listrik sebesar 0,6 mW. AF Ioffe melanjutkan lagi dengan bahan-bahan semikonduktor dari golongan II-V, IV-VI, V-VI yang saat itu mulai berkembang. Hasilnya cukup mengejutkan, di mana efisiensinya meningkat menjadi 4 persen. Ioffe melakukan satu lompatan besar di mana ia berhasil menyempurnakan teori yang berhubungan dengan material termoelektrik. Teori itu dibukukan tahun 1956 yang kemudian menjadi rujukan para peneliti hingga saat ini.
Penelitian termoelektrik muncul kembali tahun 1990-an setelah sempat menghilang hampir lima dasawarsa karena efisiensi konversi yang tidak bertambah. Setidaknya ada tiga alasan yang mendukung kemunculan tersebut. Pertama, ada harapan besar ditemukannya material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi, yaitu sejak ditemukannya material superkonduktor High-Tc pada awal tahun 1986 dari bahan yang selama ini tidak diduga (ceramic material). Kedua, sejak awal 1980-an, teknologi material berkembang pesat dengan kemampuan menyusun material tersebut dalam level nano. Teknologi analisis dengan XPS, UPS, STM juga memudahkan analisis struktur material. Ketiga, pada awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah lingkungan
sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi alternatif.(Asyafe,2008). Teknologi termoelektrik bekerja dengan mengonversi energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik, material termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai. Kerja pendingin termoelektrik pun tidak jauh berbeda. Jika material termoelektrik dialiri listrik, panas yang ada di sekitarnya akan terserap. Dengan demikian, untuk mendinginkan udara, tidak diperlukan kompresor pendingin seperti halnya di mesin-mesin pendingin konvensional. Untuk keperluan pembangkitan lisrik tersebut umumnya bahan yang digunakan adalah bahan semikonduktor. Semikonduktor adalah bahan yang mampu menghantarkan arus listrik namun tidak sempurna. Semikonduktor yang digunakan adalah semikomduktor tipe n dan tipe p. Bahan semikonduktor yang digunakan adalah bahan semikonduktor ekstrinsik. Persoalan untuk Termoelektrik adalah untuk mendapatkan bahan yang mampu bekerja pada suhu tinggi. Terdapat tiga sifat bahan Termoelektrik yang penting, yaitu :
1. Koefisien Seebeck 2. Konduktifitas panas 3. Resistivitas
3.2 PENGEMBANGAN ENERGI TERMOELEKTRIK
Sejak awal tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi yang ramah lingkungan sangat besar. Ini memberikan imbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi alternatif. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik selain pada RTG yang digunakan oleh Voyager 1.
Salah satunya adalah penerapan teknologi termoelektrik pada pembangkitan listrik dari sumber panas. Sampai saat ini pembangkitan listrik dari sumber panas harus melalui beberapa tahap proses. Bahan bakar fosil akan menghasilkan putaran turbin apabila dibakar dengan tekanan yang sangat tinggi. Hasil putaran turbin tersebut akan dipakai untuk memproduksi tenaga listrik.
Efisiensi energi pembangkit ini masih rendah akibat beberapa kali proses konversi. Panas yang dihasilkan banyak yang dilepas atau terbuang percuma. Dapat digunakan suatu metode yang dikenal sebagai cogeneration di mana panas yang dihasilkan selama proses dapat digunakan untuk tujuan alternatif. Dengan menggunakan termoelekrik, panas yang dihasilkan selama proses diubah menjadi listrik, sehingga panas yang dihasilkan tidak terbuang secara percuma dan energi yang dihasilkan oleh pembangkit menjadi lebih besar, serta efisiensi energi menjadi lebih tinggi.
Contoh penerapan lainnya yang sedang dikembangkan saat ini adalah pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, sistem hybrid pada kendaraan bermotor yang memanfaatkan motor listrik dan mesin pembakaran, serta pemanfaatan pada pembangkit listrik tenaga surya.
Kesulitan terbesar dalam pengembangan energi ini adalah mencari material termoelektrik yang memiliki efisiensi konversi energi yang tinggi. Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit suatu material. Idealnya, material termoelektrik memiliki konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Namun kenyataannya sangat sulit mendapatkan material seperti ini, karena umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi.
Walaupun demikian, teknologi material yang saat ini sedang berkembang pesat terutama kemampuan menyusun material dalam level nano diharapkan dapat menghasilkan suatu material termoelektrik dengan efisiensi yang tinggi.
3.3 PEMBANGKIT TERMOELEKTRIK
Pembangkit termoelektrik adalah suatu pembangkit yang menggunakan modul termoelektrik yang mengubah energi panas menjadi energi listrik dengan memanfaatkan Seebeck Effect. Seebeck Effect berperan dalam kenaikan beda potensial akibat perbedaan temperatur yang tejadi pada junction dengan material berbeda.
Sumber panas dapat diserap oleh sisi panas modul termoelektrik baik secara konduksi, konveksi maupun radiasi. Seiring dengan bertambahnya temperatur pada sisi panas modul termoelektrik, muatan pembawa pada tiap-tiap semikonduktor berdifusi menuju sisi dingin termoelektrik. Pada semikonduktor tipe-n, pembawa muatan disebut elektron. Konduksi terjadi karena adanya elektron bebas dan muatan negatif yang terkumpul pada sisi dingin modul termoelektrik. Pada semikonduktor tipe-p pembawa muatan disebut hole. Konduksi pada semikondutor tipe-p terjadi karena adanya hole dan muatan positif yang berkumpul pada sisi dingin modul termoelektrik. Elektron dan hole tersebut mempengaruhi semikonduktor intrinsik dan berefek pada perpindahan masing- masing muatan pembawa. Medan listrik timbul karena adanya difusi muatan yang telah mencapai poin keseimbangan sehingga tegangan open circuit dihasilkan
Potensi pembangkitan daya dari modul termoelektrik tunggal akan berbeda-beda tergantung pada ukurannya, konstruksinya, dan perbedaan temperaturnya. Perbedaan temperatur yang makin besar antara sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik akan menghasilkan tegangan yang makin besar.
3.4 PENDINGIN TERMOELEKTRIK
Pendingin termoelektrik bekerja berdasarkan efek peltier, ketika modul termoelektrik dilewatkan arus searah (DC), maka salah satu sisi dari modul termoelektrik akan menimbulkan panas dan sisi yang lain dingin. Prinsip kerja pendingin termoelektrik dapat di ilustrasikan pada gambar berikut.
Elektron mengalir dari tingkat energi yang lebih rendah pada semikonduktor tipe-p ke tingkat energi yang lebih tinggi pada semikonduktor tipe- n. Agar elektron pada semikonduktor tipe-p dapat mengalir maka elektron menyerap kalor sehingga sisi modul menjadi dingin. Sedangkan pelepasan kalor ke lingkungan terjadi pada sambungan sisi panas, dimana elektron mengalir dari energi yang lebih tinggi (semikonduktor tipe-n) ke ingkat energi yang lebih rendah (semikonduktor tipe-p). Untuk dapat mengalir ke semikonduktor tipe-p, kelebihan energi pada semikonduktor tipe-n dibuang menjadi panas.
3.5 PARAMETER PENGGUNAAN MODUL TERMOELEKTRIK
Setiap modul termoelektrik yang digunakan untuk aplikasi pendingin dikarakterisasikan kedalam beberapa parameter penggunaan yang menentukan pemilihan modul yang lebih akurat diantara banyak pilihan modul yang tersedia. Berikut beberapa parameter yang menjadi dasar pemilihan modul termoelektrik :
• Jumlah kalor yang akan diserap oleh sisi dingin modul.
• Perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin modul ketika beroperasi.
• Arus listrik yang digunakan oleh modul. • Tegangan listrik yang diugunakan oleh modul.
• Temperatur tertinggi dan terendah lingkungan dimana modul beroperasi.
3.6 SISTEM PENDINGINAN SISI PANAS TERMOELEKTRIK
Sebagai pompa kalor, modul termoelektrik akan menyerap kalor dari salah satu sisinya dan dialirkan ke sisi lainnya. Pada pendingin termoelektrik hal ini yang akan menjadi kunci bagi kita untuk mencapai temperatur yang lebih rendah pada sisi dinigin modul. Mengalirkan kalor dari sisi panas secara alami, tanpa bantuan alat tambahan bukanlah ide yang baik pada pendingin termoelektrik apabila target kita ingin mendapatkan temperatur sisi dingin yang lebih rendah. Ada beberapa alat yang bisa digunakan untuk membantu mengalirkan kalor dari sisi panas modul, diantaranya :
• Heat Sink
Heat sink yang baik seharusnya memiliki nilai hambatan termal yang rendah. Hal ini dikarenakan kemampuan heat sink untuk mengalirkan kalor yang tidak dinginkan dan mecegah terjadinya overheat akan menentukan juga nilai dari
coefficient of performance (COP) dari sistem pendingin termoelektrik.
• Heat Pipe
Teknologi heat pipe telah lebih dahulu digunakan secara luas pada bidang teknologi peralatan ruang angkasa. Heat pipe memiliki nilai konduktivitas termal yang sangat tinggi, jika dibandingkan dengan logam – logam lainnya heat pipe
memiliki nilai konduktivitas termal ratusan kali lebih besar. Dengan sifatnya ini,
heat pipe mampu memindahkan kalor dengan penurunan temperatur sepanjang
heat pipe lebih kecil.
3.7 DIAGRAM BLOK SISTEM
Gambar 3.1 Gambar Blok Diagram Mikrokontroller
ATMega 8535 LM 35
PSA
3.8 RANGKAIAN POWER SUPPLY (PSA)
Rangkaian power supplay berfungsi mensupplay arus tegangan keseluruh rangkaian yang ada. Rangankaian PSA yang dibuat terdiri dari dua keluaran, yaitu 5 volt dan 12 volt, keluara 5 volt digunakan untuk mensupplay tegangan keseluruh rangkaian, sedangkan 12 volt digunakan untuk mensupplay tegangan pada aplikasi yaitu rangkaian Seven Segment. Rangkaian power supplay ditunjukkan pada gambar berikut ini:
Gambar 3.2 Rangkaian Power Supplay (PSA)
Trafo CT merupakan trafo stepdown yang berfungsi untuk menurunkan tegangan dari 220 volt AC menjadi 12 volt AC. Kemudian 12 volt AC akan diserahkan dengan menggunakan dua buah dioda, selanjutnya 12 volt DCakan diratakan oleh kapasitor 2200µF. Regulator tegangan 5 volt (LM7805CT) digunakan agar keluaran yang dihasilkan tetap 5 volt walaupun terjadi perubahan pada tegangan masukannya. LED hanya sebagai indikator apabila PSA dinyalakan. Transistor PNP TIP 32 disini berfungsi untuk mensupplay arus apabila terjadi kekurangan arus pada rangkaian, sehingga regulator tegangan (LM7805CT) tidak akan panas ketika rangkaian butuh arus yang cukup besar. Tegan 12 volt DC langsung diambil dari keluaran 2 buah dioda penyearah.
3.9 Rangkaian Skematik Sistem Minimum Mikrokontroller ATMEGA8535
Gambar 3.3 Rangkaian Skematik Sistem Minimum Mikrokontroler ATMEGA 8535
Rangkaian skematik dan layout PCB system mikrokontroller ini berfungsi mengontrol apakah seluruh rangkaian sudah bekerja dengan baik. Pada gambar diatas dapat dilihat pada pin 12 dan 13 dihubungkan ke XTAL8 Mhzdan dua buah kapasitor 30pF. XTAL ini akan mempengaruhi kecepatan mikrokontroller Atmega 8535 dalam mengeksekusi setiap perintah dalam program. Pin 9 merupakan masukan reset (aktif rendah). Pulsa tradisi dari dari tinggi ke rendah akan me-reset mikrokontroller ini.
Untuk men-download file heksadesimal ke mikrokontroller , Mosi, Miso, Sck, Reset, Vcc, dan Gnd dari mikrokontroller dihubungkan ke RJ45. RJ45 sebagai konektor yang dihubungkan ke ISP Programmer. Dari ISP Programmer
ini lah dihubungkan ke kompoter melalui port paralel. Kaki Mosi, Miso, Sck, Reset, Vcc dan Gnd pada mikrokontroller terletak pada kaki 6, 7, 8, 9, 10 dan 11. Apabila terjadi keterbalikan pemasangan jalur ke ISP programmer, maka
pemograman mikrokontroller tidak dapat dilakukan karena mikrokontroller tidak akan bisa merespon.
3.10 RANGKAIAN SENSOR LM 35
Sensor suhu (temperature) pada tugas proyek akhir ini menggunakan LM35, dimana output dari LM35 ini dapat memberikan output 8-bit data yang menyatakan kondisi perubahan dari suhu lingkungan. Setiap terjadi perubahan suhu maka akan terjadi perubahan data output yang dihasilkan, dimana perubahan tersebut berupa perbedaan tegangan yang dihasilkan. LM 35 memiliki kelebihan- kelebihan sebagai berikut. Dikalibrasi langsung dalam celcius memiliki faktor skala linear + 10.0 mV/°C, memiliki ketepatan 0,5°C pada suhu +25°C seperti terlihat pada gambar 2.6 jangkauan maksimal suhu antara -55° sampai +150°C, cocok untuk aplikasi jarak jauh, harga yang cukup murah, bekerja pada tegangan catu 4 sampai 30 Volt memiliki arus drain kurang dari 60 uA pemanasan sendiri yang lambat (low self – heating), 0,08°C di udara diam ketidak linearan hanya sekitar ±1_4°C; dan memiliki impedansi keluaran yang kecil, 0,1 W untuk beban 1 mA.
Gambar 3.4 LM 35
LM
35 DZ
3.11 RANGKAIAN DISPLAY (LCD)
Gambar 3.5 rangkaian LCD Karakter 2x16
LCD digunakan untuk menampilkan hasil pengolahan data pada mikrokontroler dalam bentuk tulisan. Pada alat ini, mode pemrograman LCD yang digunakan adalah mode pemrograman 4 bit. Dengan demikian, pin data LCD yang dihubungkan ke mikrokontroler hanya pin D4, D5, D6, dan D7. Sedangkan untuk jalur kontrolnya, pin LCD yang dihubungkan adalah pin RS dan E. LCD pada alat ini hanya digunakan sebagai penampil, sehingga pin R/W-nya dihubungkan ke ground.
3.12 FLOW CHART PROGRAM