Pengujian Dan Perhitungan Beban Panas Pada Kotak Pendingin Yang Menggunakan Elemen Pendingin Termoelektrik Dengan Sumber Energi Surya

TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA

SKRIPSI

Skripsi Yang Diajukan Untuk Melengkapi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Hendri NIM. 100401033

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

KATA PENGANTAR

Namo Sanghyang Adi Buddhaya, puji syukur penulis panjatkan kehadirat

Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan karunia-Nyalah penulis dapat

menyelesaikan skripsi ini yang berjudul “PENGUJIAN DAN PERHITUNGAN BEBAN PANAS PADA KOTAK PENDINGIN YANG MENGGUNAKAN ELEMEN PENDINGIN TERMOELEKTRIK DENGAN SUMBER ENERGI SURYA”.

Skripsi ini disusun untuk memenuhi syarat menyelesaikan Pendidikan

Strata-1 (S1) pada Departemen Teknik Mesin Sub bidang Konversi Energi

Fakultas Teknik, Universitas Sumatera Utara.

Dalam menyelesaikan skripsi ini tidak sedikit kesulitan yang dihadapi

penulis, namun berkat dorongan, semangat, do’a, dan bantuan baik materiil,

moril, maupun spirituil dari berbagai pihak akhirnya kesulitan itu dapat teratasi.

Untuk itu sebagai manusia yang harus tahu terimakasih, dengan penuh ketulusan

hati penulis mengucapkan terimakasih yang tak terhingga kepada :

1. Bapak Tulus B. Sitorus, ST,MT selaku Dosen pembimbing yang dengan

penuh kesabaran telah memberikan bimbingan dan motivasi kepada

penulis.

2. Dosen pembanding I Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri dan Dosen

Pembanding II Bapak Dipl.-Ing. Samar, S.T. yang telah memberikan

masukan dan saran dalam penyelesaian skripsi ini.

3. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri selaku Ketua Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

4. Bapak Ir. M. Syahril Gultom, MT. selaku Sekretaris Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

5. Kedua orang tua penulis, Jan Tjie Min dan Tjen Lien serta abang dan adik

penulis, Hendra dan Hendro yang tidak pernah putus-putusnya

memberikan dukungan, do’a serta kasih sayangnya yang tak terhingga

kepada penulis.

6. Seluruh staf pengajar dan staf tata usaha Departemen Teknik Mesin, yang

telah membimbing serta membantu segala keperluan penulis selama

7. Rekan-rekan khususnya Dwiyanto, Wilsen, Stefanus, Wunardi, dan

seluruh rekan mahasiswa angkatan 2010 serta semua rekan mahasiswa

Teknik Mesin yang telah mendukung dan memberi semangat kepada

penulis.

8. Teman – teman yang selalu memotivasi khususnya Helbert, Christianto,

Darman, Hosea, Kenny dan semua teman – teman yang berada di

Keluarga Mahasiswa Buddhis yang telah memberi semangat.

Penulis meyakini bahwa tulisan ini masih jauh dari sempurna. Oleh

karena itu penulis akan sangat berterimakasih dan dengan senang hati menerima

saran, usul, dan kritik yang membangun demi tercapainya tulisan yang lebih baik.

Akhir kata penulis berharap semoga tulisan ini dapat memberi manfaat kepada

pembaca, Terima kasih.

Medan, 10 Maret 2015

ABSTRAK

Saat ini penggunaan mesin pendingin dengan refrigeran sebagai sumber pendingin banyak digunakan oleh masyarakat, akan tetapi penggunaan dari refrigeran seperti CFC dan HFC dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon di angkasa dan juga menyebabkan efek rumah kaca. Termoelektrik dapat digunakan sebagai sumber pendingin alternatif utama dalam memenuhi kebutuhan masyarakat. Salah satu contoh penggunaan termoelektrik adalah kotak pendingin (cooling box). Tujuan penelitian ini adalah untuk menguji dan menganalisis pendinginan pada kotak pendingin yang menggunakan termoelektrik dengan sumber energi surya. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental dimana kotak pendingin yang telah dirancang, diuji untuk mengetahui temperatur di dalam kotak dengan menggunakan termokopel. Parameter lainnya seperti kelembaban relatif, intensitas radiasi Matahari, dan temperatur embun diukur menggunakan alat pendeteksi suhu dan cuaca. Parameter – Parameter yang telah diperoleh kemudian diolah dan dihitung menggunakan persamaan matematika untuk diperoleh beban pendingin di dalam kotak pendingin. Penelitian ini difokuskan pada perhitungan efisiensi fotovoltaik, perhitungan nilai performansi dari termoelektrik, perhitungan kapasitas baterai (accu) dalam menyimpan energi, dan menganalisis beban pendingin. Hasil analisis menunjukkan bahwa rata – rata beban pendingin di dalam kotak pendingin dengan lima buah air mineral 240 ml adalah 126,94 Watt, efisiensi dari fotovoltaik adalah 15,57%, nilai performansi termoelektrik adalah 0,754 dan nilai performansi dari sistem kotak pendingin adalah 0,225.

ABSTRACT

Nowadays the use of cooling engine with refrigerant as its cooling source used by most people, but the use of these refrigerants such as CFCs and HFCs can cause thinning of the ozone layer in the atmosphere and also cause the greenhouse effect. Thermoelectric coolers can be used as a main source of alternative coolers that people needed. One example is the use of cooling box. The purpose of this study was to examine and analyze the cooling load in the cooling box that uses thermoelectric with energy came from photovoltaic. The study was done by using an experimental method in which the cooling box that has been designed, tested to determine the temperature inside the box by using a thermocouple. Other parameters such as Relative Humidity, Intensity of solar radiation, Dew-point Temperature were measured using HOBO data logger. Parameters that have been obtained then processed and calculated using mathematical equations to obtain the cooling load inside the cooling box. This study focused on the calculation of the efficiency of the photovoltaic, the calculation of the coefficient of performance of thermoelectric, the calculation of the capacity of battery to store energy, and analyze the cooling load. The analysis showed that the average cooling load in the cooling box with five 240 ml mineral water is 126,94 Watt, efficiency of photovoltaic is 15,57%, coefficient of performance of thermoelectric is 0,754 and the coefficient of performance of the system in cooling box is 0,225.

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... i

ABSTRAK ... iii

ABSTRACT ... iv

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR TABEL ... viii

DAFTAR GAMBAR ... ix

DAFTAR LAMPIRAN ... xi

DAFTAR NOTASI ... xii

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Tujuan Penelitian ... 2

1.3 Manfaat Penelitian ... 2

1.4 Batasan Masalah dan Asumsi ... 3

1.4.1 Batasan Masalah ... 3

1.4.2 Asumsi ... 3

1.5 Sistematika Penulisan ... 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5

2.1 Fotovoltaik (Photovoltaic /PV) ... 5

2.2 Elemen Peltier/Pendingin Termoelektrik (Thermo-Electric Cooler) ... 10

2.2.1 Mekanisme Kerja Peltier/Pendingin Termoelektrik (TEC) 10

2.2.2 Efek Termoelektrik ... 12

2.2.2.1 Efek Seebeck ... 12

2.2.2.2 Efek Peltier ... 13

2.2.2.3 Efek Thomson ... 13

2.2.2.4 Efek Joulean ... 15

2.2.2.5 Efek Konduksi ... 15

2.2.3 Koefisien Performansi (Coefficient of Performance/COP) Peltier ………... 15

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi ... 17

2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi ... 19

2.3.2.1 Perpindahan Panas Konveksi Bebas ... 20

2.3.2.2 Perpindahan Panas Konveksi Paksa ... 21

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi ... 22

2.4 Psikometrik ... 23

4.1 Hasil Pengujian dan Analisa Data... 41

4.1.1 Hasil Pengujian dari Alat Pendeteksi Suhu dan Cuaca ... 41

4.1.2 Hasil Pengujian dari Alat Termokopel ... 46

4.2 Perhitungan Pada Modul Fotovoltaik (Photovoltaic) ... 51

4.3 Perhitungan Baterai (Accu) ... 54

4.4 Perhitungan Elemen Pendingin Termoelektrik (Peltier) ... 54

4.5 Perhitungan Beban Pendingin Pada Kotak Pendingin ... 57

4.5.1 Perhitungan Panas Eksternal ... 57

4.5.1.1 Perhitungan Panas Eksternal melalui Konduksi .... 59

4.5.1.2 Perhitungan Panas Eksternal melalui Konveksi .... 62

4.5.1.3 Perhitungan Panas Eksternal melalui Radiasi .... 68

4.5.2 Perhitungan Panas Internal ... 70

4.5.2.1 Perhitungan Panas Internal Pada Minuman ... 70

.. 4.5.2.2 Perhitungan Panas Internal akibat Kipas Angin .. 70

4.7 Perhitungan Panas Sensibel dan Panas Laten ... 74

4.8 Perhitungan Panas Total di Dalam Kotak Pendingin dan COP Sistem ... 75

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 77

5.1 Kesimpulan ... 77

5.2 Saran ... 78

DAFTAR PUSTAKA ... 79

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Tabel Koefisien Seebeck ... 13

Tabel 2.2 Koefisien Konduktivitas Termal Material pada 27 °C ... 19

Tabel 2.3 Emisivitas Termal Material ... 23

Tabel 4.1 Data HOBO yang diperoleh selama Pengujian

(6 Januari – 22 Januari 2015) ... 41

Tabel 4.2 Data Temperatur yang diperoleh selama Pengujian

(6 Januari – 22 Januari 2015) ...46

Tabel 4.3 Data Temperatur Pada Kotak Pendingin (6 Januari 2015) .... 47

Tabel 4.4 Data Temperatur Pada Kotak Pendingin (22 Januari 2015) .. 49

Tabel 4.5 Data – Data Kotak Pendingin ... 58

Tabel 4.6 Laju Perpindahan Panas Konduksi selama Pengujian ... 61

Tabel 4.7 Data untuk Properti Udara di Luar Kotak Pendingin

diambil dari Lampiran 3 ... 62

Tabel 4.8 Laju Perpindahan Panas Konveksi Bebas selama Pengujian . 64

Tabel 4.9 Data untuk Properti Udara di Dalam Kotak Pendingin

diambil dari Lampiran 3 ... 65

Tabel 4.10 Laju Perpindahan Panas Konveksi Paksa selama Pengujian . 67

Tabel 4.11 Laju Perpindahan Panas Radiasi selama Pengujian ... 69

Tabel 4.12 Data – Data Psikometrik Kotak Pendingin (6 Januari 2015) . 71

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Elemen Peltier (Thermo – Electric Cooler) ... 10

Gambar 2.2 Aliran Arus Listrik yang menimbulkan Suhu Dingin dan Panas ... 11

Gambar 2.3 Cara Kerja Peltier ... 11

Gambar 2.4 Ilustrasi Temperatur Bola Kering dan Bola Basah ... 25

Gambar 3.1 Kotak Pendingin ... 29

Gambar 3.2 Panel Surya ... 29

Gambar 3.3 Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller/SCC) ... 30

Gambar 3.4 Baterai (Accu) ... 30

Gambar 3.15 Desain Kotak Pendingin dan Letak Plat Aluminium ... 35

Gambar 3.16 Aliran Udara di Dalam Kotak Pendingin Hasil Simulasi untuk Temperatur ... 35

Gambar 3.17 Skema Pengujian Kotak Pendingin yang menggunakan Elemen Pendingin Termoelektrik (Peltier) ... 36

Gambar 3.18 Diagram Balok Pengujian Kotak Pendingin ... 36

Gambar 3.19 Persiapan Alat dan Bahan Pengujian ... 37

Gambar 3.20 Solar Charge Controller/SCC ... 38

Gambar 3.21 Susunan Sejajar Minuman di Dalam Kotak Pendingin ... 38

Gambar 3.22 Letak Kabel Termokopel ... 39

Gambar 3.23 Diagram Alir Pengujian ... 40

Gambar 4.1 Grafik Temperatur Udara (22 Januari 2015) ... 42

Gambar 4.3 Grafik DewPt (22 Januari 2015) ... 43

Gambar 4.4 Grafik Radiasi Matahari /Solar Radiation (22 Januari 2015) ... 43

Gambar 4.5 Grafik Temperatur Udara (14 Januari 2015) ... 44

Gambar 4.6 Grafik Kelembaban Relatif Udara (14 Januari 2015) ... 44

Gambar 4.7 Grafik DewPt (14 Januari 2015) ... 45

Gambar 4.8 Grafik Radiasi Matahari /Solar Radiation (14 Januari 2015) ... 45

Gambar 4.9 Grafik Temperatur Pada Kotak Pendingin (6 Januari 2015) ... 48

Gambar 4.10 Kotak Pendingin dengan bantuan Es ... 50

Gambar 4.11 Grafik Temperatur Pada Kotak Pendingin (22 Januari 2015) ... 50

Gambar 4.12 Panas Eksternal Pada Kotak Pendingin ... 58

Gambar 4.13 Tiga Lapisan Pada Kotak Pendingin ... 59

Gambar 4.14 Lapisan Batas di Dalam Kotak Pendingin ... 71

Gambar 4.15 Grafik Psikometrik ...73

DAFTAR LAMPIRAN

Lampiran 1 Grafik Suhu dan Cuaca selama Pengujian ... 82

Lampiran 2 Grafik Temperatur Kotak Pendingin selama Pengujian .. 100

Lampiran 3 Tabel Properti dari Udara PadaTekanan Atmosfir [4] ...107

DAFTAR NOTASI

Q = Energi Kalor (Joule)

= Laju Perpindahan Panas / Kalor (Watt)

= Koefisien Konduktivitas Termal (W/m.K)

= Konduktansi Keseluruhan (W/K)

= Luas Permukaan (m2)

= Kecepatan Objek terhadap Fluida (m/s)

, = Koefisien Seebeck Material X dan Y (Volt/K)

= Kalor yang diserap oleh Termoelektrik (Watt)

= Kalor yang dilepas oleh Termoelektrik (Watt)

= Kalor Maksimum yang dapat diserap pada sisi dingin ketika

I = dan ∆T = 0°C (Watt)

= Koefisien Performansi / Coefficient of Performance

= Massa Udara (kg uap air/kg udara)

= Tekanan Parsial Uap Air (Pa, atm)

= Tekanan Uap Saturasi (Pa, atm)

= Tekanan Atmosfir (Pa, atm), biasanya 101.325 Pa

RH = Kelembaban Relatif (%)

T = Temperatur Udara Mutlak (K)

= Temperatur Bola Basah / Wet Bulb Temperature (°C) = Temperatur Bola Kering / Dry Bulb Temperature (°C)

hfg = Panas Penguapan Air Pada Temperatur Bola Basah (kJ/kg)

w1 = Rasio Kelembaban Pada Temperatur Bola Basah (kg/kg)

w0 = Rasio Kelembaban Pada Temperatur Bola Kering (kg/kg)

cpa = Panas Jenis Udara (kJ/kg.K)

= Volum Spesifik (m3/kg)

Td = Temperatur Embun / Dew-Point Temperature (°C)

ha = Entalpi Udara (kJ/kg)

Q = Laju Aliran Udara (L/s)

= Volume Udara yang Masuk (m3)

= Panas Sensibel (Watt)

ABSTRAK

Saat ini penggunaan mesin pendingin dengan refrigeran sebagai sumber pendingin banyak digunakan oleh masyarakat, akan tetapi penggunaan dari refrigeran seperti CFC dan HFC dapat menyebabkan penipisan lapisan ozon di angkasa dan juga menyebabkan efek rumah kaca. Termoelektrik dapat digunakan sebagai sumber pendingin alternatif utama dalam memenuhi kebutuhan masyarakat. Salah satu contoh penggunaan termoelektrik adalah kotak pendingin (cooling box). Tujuan penelitian ini adalah untuk menguji dan menganalisis pendinginan pada kotak pendingin yang menggunakan termoelektrik dengan sumber energi surya. Penelitian dilakukan dengan metode eksperimental dimana kotak pendingin yang telah dirancang, diuji untuk mengetahui temperatur di dalam kotak dengan menggunakan termokopel. Parameter lainnya seperti kelembaban relatif, intensitas radiasi Matahari, dan temperatur embun diukur menggunakan alat pendeteksi suhu dan cuaca. Parameter – Parameter yang telah diperoleh kemudian diolah dan dihitung menggunakan persamaan matematika untuk diperoleh beban pendingin di dalam kotak pendingin. Penelitian ini difokuskan pada perhitungan efisiensi fotovoltaik, perhitungan nilai performansi dari termoelektrik, perhitungan kapasitas baterai (accu) dalam menyimpan energi, dan menganalisis beban pendingin. Hasil analisis menunjukkan bahwa rata – rata beban pendingin di dalam kotak pendingin dengan lima buah air mineral 240 ml adalah 126,94 Watt, efisiensi dari fotovoltaik adalah 15,57%, nilai performansi termoelektrik adalah 0,754 dan nilai performansi dari sistem kotak pendingin adalah 0,225.

ABSTRACT

Nowadays the use of cooling engine with refrigerant as its cooling source used by most people, but the use of these refrigerants such as CFCs and HFCs can cause thinning of the ozone layer in the atmosphere and also cause the greenhouse effect. Thermoelectric coolers can be used as a main source of alternative coolers that people needed. One example is the use of cooling box. The purpose of this study was to examine and analyze the cooling load in the cooling box that uses thermoelectric with energy came from photovoltaic. The study was done by using an experimental method in which the cooling box that has been designed, tested to determine the temperature inside the box by using a thermocouple. Other parameters such as Relative Humidity, Intensity of solar radiation, Dew-point Temperature were measured using HOBO data logger. Parameters that have been obtained then processed and calculated using mathematical equations to obtain the cooling load inside the cooling box. This study focused on the calculation of the efficiency of the photovoltaic, the calculation of the coefficient of performance of thermoelectric, the calculation of the capacity of battery to store energy, and analyze the cooling load. The analysis showed that the average cooling load in the cooling box with five 240 ml mineral water is 126,94 Watt, efficiency of photovoltaic is 15,57%, coefficient of performance of thermoelectric is 0,754 and the coefficient of performance of the system in cooling box is 0,225.

BAB I PENDAHULUAN

Pada bab pendahuluan ini akan dibahas hal – hal mengenai latar belakang

masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, batasan masalah, asumsi, dan

sistematika penulisan.

1.1 Latar Belakang Masalah

Penggunaan alat pendingin akhir – akhir ini menjadi sesuatu yang sering

dijumpai dan menjadi benda yang harus dimiliki, tidak hanya sebagai

peningkatan kualitas dan kenyamanan hidup, namun juga sudah menyentuh hal

– hal penting penunjang kehidupan manusia. (Arora, 2001) Teknologi pendingin ini digunakan pada banyak bidang terutama dalam bidang perdagangan

makanan yaitu untuk penyimpanan makanan (khususnya makanan basah) agar

tetap awet, selain itu juga terdapat pada bidang perkantoran, pengkondisian

udara, transportasi, maupun penggunaan pendingin dalam proses kimia.

Mesin pendingin yang banyak digunakan umumnya mesin pendingin

dengan menggunakan refrigeran. Jenis refrigeran yang digunakan yaitu jenis

refrigeran CFC dan HFC. Refrigeran CFC adalah salah satu penyebab terjadinya

penipisan lapisan ozon di angkasa (WMO, 2007; IPCC, 2005) dan refrigeran

HFC termasuk gas rumah kaca. (Kruse, 2000; O’shea and Goodge, 2007) Hal

ini yang menyebabkan adanya pembatasan penggunaan refrigeran jenis ini

dalam mesin pendingin. Sifat refrigeran CFC yang dapat merusak ozon

dikemukakan pertama kali oleh Rowland dan Molina (1974) yang didukung

oleh pengukuran lapangan oleh Farman et al., (1985). Pada tahun 2006,

Indartono memperkirakan lapisan ozon akan rusak sekitar 3% per-dekadenya.

Pada tahun 2002, Calm mengemukakan bahwa lapisan ozon yang berada

pada lapisan stratosphere berfungsi sebagai penghalang masuknya sinar UV-B

ke permukaan bumi. Sinar UV-B yang berlebihan akan menyebabkan masalah

kesehatan bagi manusia dan gangguan pada tumbuhan di permukaan bumi.

Akibat adanya perusakan lingkungan oleh refrigerant mesin pendingin, maka

dilakukan penelitian untuk mencari cara pengkondisian udara yang ramah

Dari kondisi diatas, maka pada penelitian ini akan dilakukan tanpa

menggunakan refrigeran CFC maupun HFC. Pada penelitian ini digunakan

komponen elektronik yang disebut peltier / pendingin termoelektrik sebagai

sumber pendingin dengan sumber energi surya. Peltier akan dirangkai dengan

peredam panas (heatsink) dan kipas kecil yang diletakkan dibagian luar dan dua

buah kipas diletakkan di bagian dalam kotak pendingin. Kotak pendingin

terbuat dari stirofoam dimana akan dilakukan pengujian pada temperatur dingin

yang dihasilkan yaitu dengan menggunakan termokopel yang dipasang pada

bagian luar dan dalam kotak. Data temperatur yang diperoleh akan diolah

sehingga dapat dihitung beban panas, kalor yang berpindah, dan performansi

kerja sistem pada kotak pendingin tersebut

1.2 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan yang ingin dicapai dari penelitian ini adalah :

1. Mengetahui temperatur terendah yang ada di dalam kotak pendingin.

2. Mengetahui beban pendingin yang ada di dalam kotak pendingin.

3. Menghitung laju perpindahan panas yang masuk dari luar ke dalam kotak

pendingin yaitu secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

4. Mengetahui lamanya waktu kotak pendingin dapat mempertahankan

temperatur dinginnya (maksimal bertemperatur 25°C dengan RH 100%).

5. Mengetahui efisiensi dan nilai performansi dari fotovoltaik, mesin

pendingin termoelektrik dan sistem kerja kotak pendingin bertenaga surya.

1.3 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah :

1. Bagi Penulis

a. Merupakan wahana menerapkan pengetahuan teori yang telah diperoleh

dibangku kuliah, serta membandingkannya dengan kondisi dilapangan.

b. Mengetahui perbandingan nilai performansi kerja mesin pendingin

dengan beban pendingin yang ada.

2. Bagi Akademik

a. Merupakan pustaka tambahan dalam menunjang proses perkuliahan.

b. Sebagai referensi dasar untuk dilakukannya penelitian lebih mendalam

3. Bagi Masyarakat sekitar

a. Memberikan solusi terhadap masalah ketersediaan mesin pendingin yang

murah dan ramah lingkungan.

b. Sebagai kontribusi positif dalam mencegah perusakan lapisan ozon.

c. Sebagai salah satu peralatan pendingin alternatif yang digunakan ketika

sumber listrik tidak tersedia.

1.4 Batasan Masalah dan Asumsi

Dalam pengujian nilai performansi kerja mesin pendingin ini, terdapat banyak

faktor yang mempengaruhi. Oleh karena itu, diperlukan batasan masalah dan

asumsi agar pembahasan tidak melebar dan fokus ke tujuan utama.

1.4.1 Batasan Masalah

Berikut adalah batasan masalah di dalam penelitian ini :

1. Perhitungan hanya dibatasi pada perpindahan panas ideal yaitu

perpindahan panas secara konduksi, konveksi, dan radiasi.

2. Pengujian dilakukan sesuai dengan jam kerja yaitu 8 jam.

3. Pengujian dilakukan dengan meletakkan lima buah minuman air mineral

240 ml dengan susunan yang sudah ditentukan.

1.4.2 Asumsi

Berikut adalah asumsi di dalam penelitian ini :

1. Laju perpindahan panas yang terjadi diasumsikan adalah aliran udara

stedi, satu-dimensi, nilai dari konduktivitas termal material konstan, dan

menggunakan rumus untuk satu-dimensi.

2. Kebocoran (Infiltrasi) diasumsikan tidak ada karena kotak pendingin telah

diisolasi pada bagian tutupnya selama pengujian.

4. Temperatur permukaan luar triplek dianggap sama ke semua sisinya.

5. Temperatur permukaan pada setiap sisi kotak diasumsikan terdistribusi

merata sehingga peletakkan alat uji hanya pada titik tengahnya yaitu

temperatur sisi atas sama dengan sisi bawah, sisi kiri sama dengan sisi

1.5 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan tugas akhir ini terdiri atas beberapa bab yaitu :

Bab I PENDAHULUAN

Bab ini berisikan latar belakang pemilihan tugas akhir, tujuan, manfaat, batasan

masalah dan asumsi, dan sistematika penulisan tugas akhir.

Bab II TINJAUAN PUSTAKA

Berisikan landasan teori dan studi literatur yang berhubungan dengan pokok

permasalahan penelitian baik teori dasar maupun teori penunjang lainnya yang

diperoleh dari berbagai sumber seperti : buku – buku pedoman, jurnal, paper,

tugas akhir, e-book, dan e-news.

Bab III METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ini mencakup metode pengujian yang digunakan yaitu dengan metode

eksperimental dan membahas mengenai objek, waktu, peralatan, langkah –

langkah dan skema penelitian.

Bab IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Pada bab ini berisi data – data hasil pengujian akan diolah / dihitung

menggunakan persamaan – persamaan matematika.

Bab V KESIMPULAN DAN SARAN

Berisikan tentang kesimpulan atau jawaban – jawaban yang menjadi tujuan dari

dilakukannya penelitian / tugas akhir dan saran yang mendukung kedepannya.

DAFTAR PUSTAKA

Berisikan seluruh referensi yang digunakan selama proses penelitian dalam

membuat tugas akhir.

LAMPIRAN

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam Tinjauan pustaka ini berisi tentang fotovoltaik (Photovoltaic)

yang merupakan sumber energi dari kotak pendingin (Cooling Box), elemen

pendingin termoelektrik (Thermo-Electric Cooler) sebagai mesin pendingin

alternatif yang digunakan pada kotak pendingin, dan perpindahan panas yang

terjadi dari luar kotak ke dalam kotak pendingin.

2.1 Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Energi Surya merupakan energi yang berasal dari Matahari, yang

dipancarkan dalam bentuk sinar dan panas. Karena permintaan akan energi

bersih yang terus meningkat, maka energi ini memiliki potensi yang besar

kedepannya untuk terus dikembangkan karena merupakan energi yang dapat

diperbaharui. Panas dan sinar yang diterima bumi dari Matahari dapat radiasi

surya sekitar 174 petawatt (PW). Sekitar 30 % dipantulkan kembali ke luar

angkasa, sedangkan sisanya diserap oleh awan, lautan, dan daratan. Energi ini

dapat dimanfaatkan dengan menggunakan serangkaian teknologi seperti

pemanas surya, fotovoltaik surya, listrik panas surya, arsitektur surya, dan

fotosintesis buatan. Pemanfaatan energi matahari yang paling sering

digunakan adalah fotovoltaik surya.

Di Indonesia khususnya di Kota Medan, cahaya Matahari melimpah

karena wilayah Indonesia dilewati garis Khatulistiwa, sehingga fotovoltaik

digunakan/diterapkan sebagai sumber energi dalam pengujian kotak

pendingin. Selain karena kebutuhan daya yang relatif rendah dari kotak

pendingin, pengunaan fotovoltaik dalam pengujian ini juga tidak

menghasilkan polusi udara maupun polusi suara.

Efek Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Sistem fotovoltaik adalah suatu sistem mengubah energi cahaya

menjadi energi listrik. (Papadopoulou, 2011:31) Konversi ini didasarkan pada

fenomena efek fotovoltaik. Efek ini ditemukan oleh fisikawan asal Perancis

bernama Antoine – Cesar Becquerel pada tahun 1839. Fenomena efek

adanya loncatan elektron antara dua elektroda yang dihubungkan dengan

sistem padatan/cairan ketika sinar matahari menyinari permukaan bahan PV.

Radiasi cahaya matahari terdiri dari biasan foton dengan tingkat energi

yang berbeda – beda sesuai dengan panjang gelombang dari spektrum cahaya.

Ketika sinar matahari menyinari permukaan bahan fotovoltaik, foton –foton

dari cahaya matahari akan dibiaskan, diserap, ataupun diteruskan menembus

sel fotovoltaik. Foton yang terserap oleh sel PV akan menyebabkan electron

menyembur keluar yang memicu timbulnya energi listrik.

Sel Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Sel fotovoltaik adalah suatu perangkat yang mengonversi energi

radiasi cahaya umumnya Matahari ke dalam bentuk energi listrik. Sistem sel

PV terdiri dari ikatan antara sisi positif dan negatif (p-n junction) di dalam

sebuah sistem semikonduktor. Sel fotovoltaik pertama kali dibangun oleh

Charles Fritts di sekitar 1883 menggunakan sambungan yang dibentuk oleh

lapisan selenium (semikonduktor) dengan lapisan sangat tipis emas dan

memiliki efisiensi dibawah 1 %.

Sel PV terbuat dari suatu jenis silikon yang mampu menghasilkan

muatan listrik kecil bila terkena sinar matahari. Dalam penggunaannya, sel PV

disusun saling berhubungan untuk menghasilkan energi yang lebih banyak dan

daya yang besar yang dikenal dengan istilah panel atau modul PV. Arus yang

dihasilkan dari sel PV pada umumnya adalah arus searah (Direct Current/DC),

tetapi dengan menggunakan inverter, arus ini dapat dibuat menjadi arus

bolak-balik (Alternating Current/AC).

Ada tiga jenis sel fotovoltaik, yaitu :

1. Sel Monocystalline, adalah sel – sel fotovoltaik yang paling efisien

tetapi juga yang paling mahal. Sel –sel ini terdiri dari satuan kristal

hasil potongan dari silikon ingot.

2. Sel Polycrystalline, adalah sel - sel fotovoltaik yang terdiri dari

sejumlah kristal kecil sehingga memiliki efisiensi yang sedikit

lebih rendah dari sel Monocrystalline.

3. Sel Amorphous, adalah sel yang memiliki efisien yang paling

rendah dan murah. Sel ini dibuat dengan menyebarkan silikon di

Mekanisme Konversi Energi

Konsep dasar konversi energi dari energi cahaya menjadi energi listrik

terjadi akibat adanya perpindahan elektron bebas di dalam suatu atom.

Banyaknya elektron bebas yang berpindah tergantung pada konduktivitas

elektron / kemampuan transfer elektron dari suatu material.

Sel PV pada umumnya menggunakan material semikonduktor sebagai

penghasil elektron bebas. Material semikonduktor adalah suatu material

berbentuk padat (solid) yang memiliki konduktivitas elektrik yang cukup

tinggi dan akan meningkat secara signifikan ketika temperaturnya bertambah

tinggi. Konduktivitas elektrik suatu material bergantung pada elektron valensi

atau elektron pada kulit terluar dari suatu atom. Hal ini yang menyebabkan

penggunaan material semikonduktor sebagai bahan dasar dari sel PV. Contoh

material semikonduktor yang umum digunakan pada sel PV adalah Silikon

(Si) dan Germanium (Ge). Silikon yang digunakan biasanya dalam bentuk

kristal, dan Germanium berada dalam bentuk padatan.

Ketika sebuah foton dari suatu sumber cahaya menumbuk suatu

lempengan material semikonduktor, ada tiga proses yang terjadi yaitu :

1. Foton dapat melewati lempengan semikonduktor, biasanya terjadi

pada foton dengan energi rendah.

2. Foton terpantul dari permukaan.

3. Foton diserap oleh lempengan semikonduktor yang menghasilkan

panas atau menghasilkan pasangan elekron-lubang (hole).

Untuk memisahkan elektron valensi dari atom semikonduktor,

dibutuhkan energi foton yang cukup besar yaitu lebih besar dari celah pita

lempengan semikonduktor. Terlepasnya elektron ditentukan oleh energi yang

diserap dari cahaya dan ikatan antara elektron terluar dengan atom inti. Ketika

elektron terlepas, elektron akan bergerak bebas di dalam bidang kristal dan

elektron tersebut akan bermuatan negatif yang akan bergerak ke daerah pita

konduksi dari material semikonduktor. Struktur kristal yang kehilangan elektronnya akan terbentuk suatu “lubang (hole)” yang bermuatan positif.

Daerah semikonduktor yang bermuatan negatif (dengan elektron

(n-type). Untuk daerah semikonduktor yang bermuatan positif (dengan lubang)

akan bertindak sebagai penerima elektron disebut tipe positif (p-type). Ikatan

dari kedua sisi positif dan negatif (p-n junction) menghasilkan energi listrik

internal yang akan mendorong elektron bebas dan hole untuk bergerak kearah

yang berlawanan. Elektron akan bergerak ke sisi positif dan lubang (hole)

akan bergerak ke sisi negatif. Ketika kedua sisi positif dan negatif

dihubungkan dengan sebuah beban (tahanan), maka akan tercipta sebuah arus

listrik.

Efisiensi Energi Fotovoltaik (Photovoltaic / PV)

Berdasarkan definisinya, efisiensi energi dari sistem fotovoltaik surya

(Solar Photovoltaic System/SPS) dinyatakan sebagai rasio dari daya keluar

(output) maksimal dari panel surya dengan daya intensitas matahari / radiasi

matahari yang sampai di permukaan PV. Efisiensi energi PV dapat dihitung

dengan persamaan [12][15]:

x 100% ... (2.1)

dimana : = Daya keluar (output) maksimal dari PV (W)

ST = Radiasi global Matahari jam-an (W/m2), dapat dianggap

sama dengan radiasi Matahari STC (Standart Test

Conditions) yang digunakan oleh pabrik yaitu 1000W/m2

dengan temperatur sel 25°C dan massa udara 1,5.

Daya keluar (output) dapat dinyatakan sebagai daya listrik maksimal

yang dapat dihasilkan oleh SPS, dapat dihitung dengan persamaan [19]:

... (2.2)

dimana :

= Tegangan maksimum saat rangkaian terbuka (open-circuit) (Volt)

= Arus maksimum saat rangkaian tertutup (close-circuit) (Ampere)

= Fill Factor

Persamaan Fill Factor (FF) menggunakan parameter tegangan

rangkaian terbuka ( ) dari hasil pengukuran secara langsung pada panel

surya pada karakteristik V-I suatu panel surya. Nilai fill factor umumnya

kinerja panel surya tersebut semakin baik, dan akan memiliki efisiensi panel

surya yang semakin tinggi. Nilai dari Fill Factor dapat dihitung dengan

persamaan [19]:

... (2.3)

dimana nilai 0,72 merupakan konstanta untuk mendapatkan hasil yang akurat.

Estimasi Biaya yang dibutuhkan dalam sistem fotovoltaik

Untuk mengetahui jumlah biaya yang dikeluarkan dalam sistem panel

surya ini, terlebih dahulu harus diketahui daya yang dibutuhkan / digunakan

perharinya. Daya yang digunakan dapat diketahui dengan menghitung daya

rata – rata perbulannya, dengan persamaan [9]:

. (2.4) Setelah diketahui penggunaan listrik perhari, maka dapat ditentukan

output daya dari PV yang dibutuhkan perharinya dengan persamaan [9] :

... (2.5) Kapasitas daya modul fotovoltaik dapat diperhitungkan dengan

memperhatikan beberapa faktor, yaitu kebutuhan energi sistem yang

diinginkan, insolasi matahari, dan faktor penyesuaian (adjustment factor).

Faktor penyesuaian untuk instalasi Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS)

adalah 1,1[21].

Kapasitas daya modul dapat dinyatakan dengan persamaan sebagai

berikut [21]:

... (2.6)

Jumlah jam kerja matahari yang optimum berkisar antara 4 – 6 jam

perharinya. Faktor penyesuaian adalah efisiensi dari suatu sistem yang

digunakan sehingga bila efisiensi semakin besar maka harga yang dikeluarkan

untuk sistem PV akan berkurang.

Jumlah modul yang digunakan yaitu [21]:

... (2.7)

Estimasi biaya yang dikeluarkan untuk suatu sistem PV adalah [9]:

2.2 Elemen Peltier / Pendingin Termoelektrik (Thermo - Electric Cooler)

Elemen Peltier adalah suatu alat / komponen listrik yang dapat

menghasilkan suhu dingin pada satu sisi dan suhu panas pada sisi lainnya bila

dialiri arus listrik. Elemen ini disebut juga Thermo – Electric Cooler (TEC).

Kenaikan atau penurunan temperatur di persambungan bergantung pada arah

aliran arus listrik. Peltier ditemukan oleh Jean Peltier pada tahun 1834 dan

kemudian diperluas oleh Emil Lenz pada tahun 1838. Setelah melakukan

beberapa percobaan, Lenz menyimpulkan bahwa panas yang dihasilkan atau

diserap bergantung pada arah dari aliran arus listrik. Aplikasi yang sering

digunakan oleh peltier adalah dengan memanfaatkan temperatur dingin yang

dihasilkan yaitu sebagai pendingin processor, AC mini, kulkas pada

dispenser, pendingin minuman, dan pengatur suhu akuarium. Sedangkan suhu

panasnya dapat dibuang dengan memasangkan peredam panas (heat sink) dan

kipas.

Gambar 2.1 Elemen Peltier (Thermo – Electric Cooler)[30]

2.2.1 Mekanisme Kerja Peltier / Pendingin Termoelektrik (TEC)

Dalam perakitannya, TEC menggunakan beberapa termokepel yang

disusun seri, yang memungkinkan sejumlah besar perpindahan panas. Bagian

luar dari komponen ini dibungkus sejenis keramik tipis yang berisikan batang

– batang semikonduktor Bismuth Telluride di dalamnya. Material tersebut adalah suatu semikonduktor yang di dalamnya ditambahkan suatu zat

tambahan. Zat tambahan tersebut bertujuan untuk memberikan kelebihan

elektron bebas (n-Type Semiconductor) atau memberikan kekurangan elektron

elektron 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

bertemperatur dingin. Di sisi lain, ketika elektron berpindah dari tipe-n ke

tipe-p, konektor akan melepaskan energi sehingga pada sisi ini akan

bertemperatur panas. Membuang panas dari sisi panas akan menurunkan

temperatur pada sisi dingin dengan cepat, besarnya penurunan bergantung dari

arus listrik yang diberikan. Ilustrasi kerja elemen pertier ditunjukkan pada

gambar 2.2.

Gambar 2.2 Aliran arus listrik yang menimbulkan suhu dingin dan panas[28]

Gambar 2.3 Cara Kerja Peltier[24]

N

Kutub Negatif (-) Kutub Positif (+)

Panas yang diserap (Sisi Dingin)

2.2.2 Efek Termoelektrik

Ada lima efek yang dapat diamati ketika arus listrik dialiri dalam

rangkaian termokopel yaitu efek Seebeck, Peltier, Thomson, Joulean dan

konduksi. Efek Seebeck menjelaskan timbulnya tegangan atau kekuatan listrik

(electromotive/EMF) ketika adanya perbedaan gradien temperatur di

sepanjang kawat. Perubahan dalam bahan EMF sehubungan dengan

perubahan temperatur disebut koefisien Seebeck atau sensitivitas

termoelektrik. Koefisien ini biasanya merupakan fungsi nonlinier dari

temperatur. Efek Peltier menjelaskan perbedaan temperatur yang dihasilkan

oleh EMF dan merupakan kebalikan dari efek Seebeck. Efek Thomson

berhubungan dengan gradien panas yang bersifat dapat dibalik (reversible)

dan EMF dalam suatu penghantar homogen. Efek Joulean berhubungan

dengan adanya energi listrik yang hilang ketika sebuah konduktor dialiri arus

listrik. Sedangkan, efek konduksi menjelaskan tentang perpindahaan panas

dari tempat yang bertemperatur lebih panas ke yang lebih dingin.

2.2.2.1 Efek Seebeck

Pada tahun 1821, fisikawan asal Jerman-Estonia bernama Thomas

Johann Seebeck (1770-1831) menemukan bahwa logam berbeda yang

terhubung pada dua lokasi yang berbeda (sambungan) akan menimbulkan

tegangan mikro pada kedua sisinya bila kedua sisi ada pada temperatur yang

berbeda. Efek ini dikenal sebagai “Efek Seebeck”, itu adalah dasar untuk

termometer termokopel.

Dalam percobaannya, Seebeck menghubungkan logam besi dan

tembaga dalam suatu rangkaian. Kemudian diantara kedua logam tersebut

diletakkan jarum kompas. Ketika satu sisi logam dipanaskan, jarum kompas

ternyata bergerak. Setelah diselidiki, ternyata panas yang diberikan pada satu

sisi logam menimbulkan tegangan yang mengalirkan listrik mikro yang

mengakibatkan timbulnya medan magnet disekitar logam. Medan magnet

yang timbul menggerakkan jarum kompas.

Tegangan yang timbul tersebut dapat dinyatakan dengan

persamaan :

Dimana :

= Tegangan yang dihasilkan (Volt)

= Koefisien Seebeck material X dan Y (Volt/K) = Temperatur Termokopel panas dan dingin (K)

Nilai dari koefisien Seebeck untuk beberapa material dapat dilihat pada

tabel di bawah ini :

Tabel 2.1 Tabel Koefisien Seebeck[16]

Logam (Metal) Koefisien Seebeck

Logam (Metal)

Tembaga 6,5 Semiconductor Koefisien Seebeck

Pada tahun 1834, seorang fisikawan Perancis bernama Jean Charles

Peltier menemukan kebalikan dari efek Seebeck, yang sekarang dikenal

sebagai “Efek Peltier”. Beliau menemukan bahwa ketika sebuah termokopel

diberikan tegangan, maka akan timbul perbedaan suhu pada kedua sisinya”.

Teori ini dikenal dengan nama Thermo – Elektric Cooler (TEC).

Pada tahun 1838, Lenz menunjukkan bahwa tergantung pada arah arus

atau dengan membalik arus listrik, panas dapat dihasilkan untuk mencairkan

es. Panas yang diserap atau dihasilkan di persambungan adalah sebanding

dengan arus listrik. Konstanta perbandingan dikenal sebagai koefisien Peltier.

Jumlah kalor yang dilepas dan diterima ( ) dapat dinyatakan pada

persamaan [7]:

... (2.10)

Dimana :

= Koefisien Peltier material X dan Y (Volt) = Arus Listrik yang mengalir (Ampere) = Kalor yang dilepas / diterima (Watt)

Nilai dari tergantung pada komposisi dan temperatur bahan. Silikon

tipe-p biasanya mempunyai koefisien Peltier positif dibawah 550 K, tetapi

silikon tipe-n biasanya negatif.

2.2.2.3 Efek Thomson

Pada tahun 1851, fisikawan asal Inggris bernama William Thomson

menyatakan ketika sebuah konduktor dialiri arus listrik akan timbul

perbedaan (gradien) temperatur sesuai dengan perpindahan panas yang disebut

efek Thomson, dapat dihitung dengan persamaan [7]:

... (2.11)

Dimana :

= Perpindahan panas Thomson(W/m)

= Koefisien Thomson (Volt/K)

Dengan menggunakan hukum pertama dan kedua termodinamika,

Zemansky memperoleh hubungan antara koefisien Seebeck dengan koefisien

Peltier yang dapat dilihat pada persamaan (Seebeck,1821) [7]:

... (2.12)

Jika persamaan (9) disubstitusikan dengan persamaan (7) , maka

diperoleh [7]:

Dari persamaan dapat dilihat bahwa untuk mendapatkan nilai

pendinginan atau pemanasan yang tinggi, harus tinggi, dan juga arus yang

besar.

2.2.2.4 Efek Joulean

Efek Joulean menjelaskan bahwa ketika arus listrik dialirkan pada

sebuah konduktor, maka akan terbentuk panas akibat adanya disipasi energi

listrik. Efek Joulean dapat ditulis dengan persamaan [7]:

... (2.14)

dimana : I = Arus listrik (Ampere)

R = Tahanan listrik (Ohm)

2.2.2.5 Efek Konduksi

Efek konduksi menjelaskan tentang perpindahan panas secara

konduksi yaitu adanya perpindahan panas dari temperatur yang lebih tinggi ke

temperatur yang lebih rendah dalam suatu material. Persamaannya dapat

ditulis yaitu [7]:

... (2.15)

dimana : U = Konduktansi keseluruhan (W/K)

k = koefisien konduktivitas termal (W/m.K)

A = Luas permukaan material (m2)

L = Panjang material (m)

= Temperatur tinggi dan rendah (°C)

2.2.3 Koefisien Performansi (Coefficient of Performance / COP) Peltier

Koefisien Performansi (COP) adalah perbandingan antara kalor yang

dihasilkan peltier dengan energi yang disuplai. Untuk memperoleh nilai COP

peltier, dapat menggunakan persamaan – persamaan dari buku H.J. Goldsmid,

1. Luas Penampang dari elemen (A)

Luas penampang elemen adalah berbentuk silinder yang dapat

dihitung dengan persamaan :

, cm2 ... (2.16)

2. Tahanan dari couple (R):

, Ω.cm ... (2.17)

3. Konduktivitas termal couple (K) :

, W/K ... (2.18)

4. Figure of merit (Z) :

, 1/K ... (2.19)

5. Arus Optimum (Iopt) :

_{(√ )} ,A ... (2.20)

6. Kalor yang diserap (qc):

, Watt ... (2.21)

7. Nilai performansi (Coefficient Of Performance/COP) Peltier / TEC :

Nilai dari COP pada peltier yaitu:

₍

)

(

₎

( ) ... (2.22)

dimana : d = Diameter elemen (cm)

= Tahanan Listrik (Ω.cm)

L = Panjang tiap elemen (cm)

R = Hubungan tahanan listrik (Ω.cm2)

k = Koefisien termal dari couple (W/cm.K)

= Koefisien Seebeck (V/K)

= Suhu antara sisi panas dan dingin (°C), yaitu

N = Jumlah elemen (couple)

Nilai performansi (COP) adalah rasio antara kalor/panas yang dapat

diserap/dipindahkan dari sistem yang ingin didinginkan terhadap daya yang

disuplai (input) ke sistem tersebut. Umumnya nilai dari COP dari suatu mesin

pendingin adalah lebih besar dari satu karena nilai qh/qc >1 sehingga nilai dari

W yang merupakan qh-qc akan lebih kecil dibanding qc. Nilai COP dari suatu

sistem refrigerasi yang menggunakan refrigeran adalah antara 2 – 3,6. Untuk

elemen pendingin termoelektrik, nilai dari COP berada dibawah satu yaitu

berkisar antara 0,4 – 0,8 yang bergantung pada arus, tegangan dan jenis

termoelektrik yang digunakan. Jika dibandingkan keduanya, maka

penggunaan elemen pendingin termoelektrik dapat dikatakan tidak cukup

efektif untuk mendinginkan suatu ruangan. Akan tetapi sistem pendingin dari

elemen termoelektrik yang sederhana dapat menjadi pertimbangan

penggunaannya jika dibandingkan sistem pendingin yang menggunakan

refrigeran yang kompleks.

2.3 Perpindahan Panas / Kalor

Perpindahan panas terjadi disebabkan oleh adanya perbedaan

temperatur antara kedua benda / tempat sehingga terjadi aliran energi dari

temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Perpindahan

panas tersebut juga memindahkan energi yang dapat dihitung dengan

persamaan [4]:

... (2.23)

Dimana : m = massa zat (kg)

Berdasarkan medium perantara panas, perpindahan panas dapat terjadi

melalui 3 cara yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

2.3.1 Perpindahan Panas Konduksi

Perpindahan panas secara konduksi adalah perpindahan energi (kalor)

dari partikel zat yang aktif ke partikel yang kurang aktif akibat dari interaksi

diantara partikel. Persamaan yang digunakan untuk menghitung perpindahan

kalor secara konduksi untuk aliran stedi satu dimensi adalah persamaan

Fourier yaitu [4]:

... (2.24)

Untuk mencari nilai tahanan termal (R) dari suatu material padatan

dapat menggunakan persamaan :

... (2.25)

Untuk konduktor yang terdiri dari tiga lapisan, persamaan perpindahan

panas secara konduksi adalah [4]:

... (2.26)

Untuk menghitung suhu antara kedua buah benda dapat digunakan

persamaan :

=

=

... (2.27)

dimana : = Temperatur pada permukaan paling luar (°C) = Temperatur permukaan antara material 1 dan 2 (°C)

= Temperatur permukaan antara material 2 dan 3 (°C)

= Temperatur pada permukaan paling dalam (°C)

Koefisien konduktivitas termal dari beberapa material pada temperatur

27 °C dapat dilihat pada tabel 2.2 :

Tabel 2.2 Koefisien konduktivitas termal material(27 °C) [27]

Material Konduktivitas

2.3.2 Perpindahan Panas Konveksi

Perpindahan panas secara konveksi merupakan perpindahan panas

yang diikuti dengan perpindahan partikel / molekul benda tersebut. Pada

perpindahan panas secara konveksi terjadi aliran massa pada benda / subtansi.

Perpindahan Panas konveksi terbagi menjadi dua bagian yaitu

konveksi bebas dan konveksi paksa. Pada konveksi bebas, pergerakan fluida

terjadi karena gaya buoyant akibat perbedaan densitas (kerapatan) fluida.

Adanya perbedaan densitas fluida dapat diakibatkan oleh adanya pemanasan

pada fluida sehingga fluida yang bertemperatur tinggi akan berkurang

densitasnya dan bersirkulasi dengan fluida yang lebih dingin dan densitas

yang lebih rapat. Konveksi paksa terjadi apabila pergerakan fluida terjadi

Pada perpindahan panas secara konveksi untuk aliran stedi satu

dimensi berlaku hukum pendingin Newton yaitu [4]:

... (2.28)

dimana : = Kalor (Watt)

h = Koefisien perpindahan panas konveksi (W/m2.K)

A = Luas permukaan (m2)

= Temperatur pada permukaan material (°C)

= Temperatur lingkungan / ambient (°C)

Nilai koefisien konveksi (h) dapat dihitung dengan persamaan [4] :

̅̅̅̅̅̅ ... (2.29)

dimana : ̅̅̅̅̅ = Bilangan Nusselt

k = koefisien konduktivitas termal dari fluida (w/m.K)

L = Panjang permukaan yang terjadi konveksi (m)

2.3.2.1 Perpindahan Panas Konveksi Bebas

Perpindahan panas konveksi bebas terjadi secara alamiah tanpa adanya

gaya dari luar yang membantu terjadinya aliran fluida.

Pada konveksi bebas, untuk menghitung bilangan Nusselt, terlebih

dahulu menghitung Bilangan Rayleigh ( ) dengan persamaan [4] :

... (2.30)

dimana : = Percepatan gravitasi bumi, umumnya 9,81 (m/s2)

= Koefisien ekspansi termal (K-1)

= difusitas termal (m2/s)

= viskositas kinematik (m2/s)

Pr = Bilangan Prandlt

Untuk plat tegak lurus :

Untuk plat paralel :

... (2.31)

L = Panjang (m)

W = Lebar (m)

Jika nilai bilangan Rayleigh : , maka terjadi aliran Laminar. Menurut Churchill dan Chu, bilangan Nusselt dapat dihitung dengan

persamaan [4]:

̅̅̅̅̅ { }

... (2.32)

Jika nilai bilangan Rayleigh : , maka terjadi aliran Turbulen. Menurut Churchill dan Chu, bilangan Nusselt dapat dihitung

dengan persamaan [4]:

̅̅̅̅̅

[

{ }

]

... (2.33)

2.3.2.2 Perpindahan Panas Konveksi Paksa

Perpindahan panas konveksi paksa terjadi akibat adanya gaya atau

pengaruh dari luar seperti kipas dan pompa, sehingga terjadi aliran fluida.

Pada konveksi paksa, untuk menghitung bilangan Nusselt, terlebih

dahulu menghitung Bilangan Reynold ( ) dengan persamaan [4]:

... (2.34)

dimana : = Densitas / Kerapatan (kg/m3)

= Kecepatan objek terhadap fluida (m/s)

= Kecepatan dinamik (Ns/m2)

Jika nilai bilangan Reynold : , maka terjadi aliran Laminar. Bilangan Nusselt untuk plat rata dapat dihitung dengan persamaan [4]

berikutini :

̅̅̅̅̅ ... (2.35)

Jika nilai bilangan Reynold : , maka terjadi aliran

Turbulen. Bilangan Nusselt untu plat rata dapat dihitung dengan persamaan [4]:

̅̅̅̅̅ ... (2.36)

2.3.3 Perpindahan Panas Radiasi

Perpindahan panas secara radiasi adalah perpindahan panas yang tidak

melalui medium (ruang vakum), energi dilepaskan oleh benda sebagai

gelombang elektromagnetik karena adanya tumpukan energi termal pada

semua benda dengan suhu diatas nol mutlak. Radiasi termal muncul akibat

perpindahan acak dari atom dan molekul benda. Karena atom dan molekul

terdiri dari partikel bermuatan (proton dan elektron), pergerakan mereka

menghasilkan pelepasan radiasi elektromagnetik yang membawa energi.

Untuk permukaan rata, kalor radiasi dapat dihitung dengan persamaan

Stefan-Boltzmann yaitu [4]:

... (2.37)

Untuk perpindahan panas radiasi pada material berlapis tiga, kalor

radiasi dapat dihitung dengan persamaan [4]:

( )

( )

... (2.38)

dimana : = Emisivitas termal material, untuk benda gelap,

dan untuk benda putih.

= Konstanta Stefan-Boltzmann = 5,67 x 10-8 (W/m2.K4)

A = Luas permukaan (m2)

Emisivitas termal dari beberapa material dapat dilihat pada tabel

dibawah ini :

Tabel 2.3 Emisivitas termal material [27]

Material Emisivitas

Baja dipolis 0,07 Kuningan dipolis 0,03

Baja stainless 0,075 Kuningan plat kusam 0,22

Baja teroksidasi 0,79 Nikel dipolis 0,072

Batubara 0,80 Nikel teroksidasi 0,59 – 0,86

Cadmium 0,02 Silikon hitam dicat 0,93

Emas 0,47 Tanah liat 0,91

Epoxy hitam dicat 0,89 Tembaga dipolis 0,023 – 0,052

2.4 Psikometrik

Psikometrik atau psychrometry atau higrometri adalah suatu istilah

yang digunakan untuk menggambarkan bidang rekayasa yang bersangkutan

dengan penentuan sifat fisik dan termodinamika campuran antara udara

dengan uap air. Tujuan mempelajari psikometrik adalah untuk mengetahui

sifat – sifat termodinamik udara, yang kemudian dapat dihitung besarnya

energi yang diperlukan untuk mengkondisikan udara (air conditioning).[1]

Ada dua cara yang dapat digunakan untuk mendapatkan sifat – sifat

menggunakan grafik yang menggambarkan sifat – sifat termodinamik udara

atau disebut Grafik Psikometrik (Psychrometric Chart).

Grafik Psikometrik adalah grafik parameter termodinamika dari udara

lembab pada tekanan konstan, yang sering disamakan dengan ketinggian

relatif terhadap permukaan laut. Grafik Psikometrik yang lengkap dapat dilihat

pada lampiran 4. Ada beberapa sifat termodinamik / termofisik udara yang

ditampilkan pada grafik psikometrik, yaitu :

1. Rasio Kelembaban (Humidity Ratio)

Rasio kelembaban adalah perbandingan massa uap air (mw) dengan

massa udara (ma). Rasio kelembaban biasanya diplot sebagai ordinat (sumbu

vertikal) pada grafik psikometrik. Persamaan untuk rasio kelembaban dapat

dilihat pada persamaan 2.39 : [1]

... (2.39)

Dengan menggunakan persamaan gas ideal dan hukum Dalton, yang

merumuskan hubungan antara kandungan gas dengan tekanan partial gas,

maka rasio kelembaban dapat dinyatakan dengan persamaan 2.40 :

... (2.40)

Dimana :

adalah massa uap air (kg uap air/kg udara)

adalah massa udara (kg uap air/kg udara)

adalah tekanan parsial uap air (Pa, atm)

adalah tekanan atmosfir (Pa, atm), biasanya 101.325 Pa

2. Kelembaban Relatif (Relative Humidity/RH)

Parameter ini adalah perbandingan fraksi mol uap air pada udara

dengan fraksi mol uap air saat udara mengalami saturasi. Persamaan

kelembaban relatif / RH dapat dilihat pada persamaan 2.41 : [1]

... (2.41)

Sebagai catatan, pada saat saturasi fraksi mol uap air yang terkandung

di dalam udara adalah fraksi mol maksimum.Setelah itu uap air akan mulai

mengembun / berubah fasa menjadi cair. Dengan menguraikan definisi fraksi

mol dan persamaan gas ideal, kelembaban relatif juga dapat dihitung dengan

... (2.42) adalah tekanan uap saat terjadi saturasi dalam satuan Pa. dapat

dihitung dengan persamaan yang diusulkan ASHRAE yang merupakan fungsi

dari temperatur yaitu : [1]

) = ... (2.43)

Dimana : T adalah temperatur udara mutlak (K)

= -5,8002206 x 103

= 1,3914993

= -4,8640239 x 10-2

= 4,1764768 x 10-5

= -1,4452093 x 10-8

= 6.5458673

3. Temperatur Bola Kering (Tdb) dan Temperatur Bola Basah (Twb)

Temperatur bola kering (Dry Bulb Temperature) adalah temperatur

udara yang ditunjuk oleh alat ukur atau termometer. Dalam grafik

psikometrik, temperatur bola kering biasanya diplot sebagai absis (sumbu

horizontal).

Temperatur bola basah (Wet Bulb Temperature) adalah temperatur

udara pada ruangan terisolasi dimana udara berada pada tekanan konstan,

ideal, proses saturasi adiabatik.

Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.4 yaitu :

Gambar 2.4 Ilustrasi temperatur bola kering dan bola basah

Udara Udara

Air Air

Awal Akhir

Untuk menghitung temperatur bola basah (Twb) dapat menggunakan

kesetimbangan energi sehingga diperoleh persamaan 2.44 : [1]

... (2.44)

Dimana :

hfg adalah panas penguapan air pada temperatur bola basah (kJ/kg)

w1 adalah rasio kelembaban pada temperatur bola basah (kg/kg)

w0 adalah rasio kelembaban pada temperatur bola kering (kg/kg)

cpa adalah panas jenis udara (kJ/kg.K)

4. Volum spesifik udara (Specific Volume / v)

Volum spesifik udara adalah volum satu kg udara. Dengan mengingat

bahwa udara adalah campuran udara kering dan uap air, dengan persamaan

gas ideal dapat dirumuskan persamaan 2.45 : [1]

... (2.45)

Dimana : T adalah temperatur udara mutlak (K)

P adalah tekanan (Pa)

adalah densitas / kerapatan (kg/m3)

5. Temperatur Titik Embun (Dew-Point Temperature / DewPt / Td)

Temperatur Tititk Embun (DewPt) adalah temperatur udara saat terjadi

kondensasi / temperatur udara pada saat mulai terbentuk embun. Hubungan

antara temperatur udara dengan temperatur titik embun dapat dilihat pada

persamaan 2.46 :

... (2.46)

Dalam persamaan diatas semua temperatur dihitung dalam Celcius.

6. Entalpi Udara

Entalpi udara adalah kandungan energi total yang dimiliki oleh udara.

Di dalam termodinamika, entalpi suatu materi harus dihitung dengan

menggunakan nilai acuan (referensi). Dengan menggunakan acuan saat udara

0°C, entalpi udara dalam (kJ/kg) dapat dihitung dengan persamaan :

... (2.47)

2.5 Panas Sensibel dan Laten

Panas Sensibel adalah panas yang diterima/dilepaskan suatu materi

sebagai akibat perubahan temperatur. Panas Laten adalah panas yang

diterima/dilepaskan suatu materi karena perubahan fasanya[1]. Panas sensible

akibat infiltrasi atau adanya ventilasi dapat dihitung dengan persamaan 2.48:[1]

... (2.48)

Untuk panas Laten dapat digunakan persamaan 2.49 :

... (2.49)

Untuk menghitung nilai Q dapat digunakan persamaan 2.50 yaitu :

... (2.50)

Dimana :

Q = laju aliran udara yang masuk ke ruangan (L/s)

N = Banyaknya bukaan (per jam)

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Pada bab ketiga ini yaitu metodologi penelitian, akan berisi tentang

objek yang diuji, parameter pengujian, waktu dan tempat pengujian, bahan

dan peralatan, skema pengujian, prosedur pengujian dan diagram alir

pengujian.

3.1 Objek Pengujian

Pengujian ini dilakukan dengan objek pengujian berupa : kotak

pendingin yang menggunakan elemen pendingin termoelektrik (peltier)

dengan sumber energi fotovoltaik.

3.2 Parameter Pengujian

Parameter yang diperhatikan selama pengujian ini adalah waktu,

radiasi matahari, temperatur dan daya yang dibutuhkan selama pengujian.

3.3 Waktu dan Tempat

Pengujian kotak pendingin ini dilakukan pada tanggal 6 Januari – 22

Januari 2015 yang berlokasi di lantai IV Gedung Magister Teknik Mesin

Universitas Sumatera Utara.

3.4 Bahan dan Peralatan yang Digunakan

Dalam pengujian ini, dibutuhkan alat yang membantu baik dalam

proses pemasangan maupun pendukung pengujian dan bahan – bahan yang

digunakan.

3.4.1 Alat yang Digunakan

Adapun alat yang diperlukan dalam pengujian kotak pendingin adalah

sebagai berikut :

1. Kotak pendingin

Kotak pendingin merupakan objek dari pengujiaan yang dilakukan.

Kotak pendingin ini menggunakan alat pendingin berupa elemen

menggunakan tegangan 12 V dan arus 6 A, seperti yang ditunjukkan

pada gambar 3.1 :

Gambar 3.1 Kotak Pendingin

2. Panel Surya

Panel Surya digunakan untuk memberikan suplai daya ke baterai dengan

sumber energi dari matahari. Panel surya yang digunakan berjumlah satu

buah modul, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.2 :

Gambar 3.2 Panel Surya

Spesifikasi Teknik :

- Kecepatan kipas : 3000+10% rpm

- Material luar : Triplek

- Material tengah : Stirofoam

- Material dalam : Aluminium

- Jumlah peredam panas : 2 buah

- Bahan bingkai : Aluminium

- Tegangan maksimal sistem : 715 V

- STC : 1000 W/m2,AM1,5,25°C

3. Pengatur tegangan pada panel surya (Solar Charge Controller/SCC)

Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller) digunakan untuk

mengatur arus untuk pengisisan dari panel surya ke baterai untuk

menghindari kelebihan pengecasan (overcharging) dan kelebihan

tegangan (overvoltage), dan menjaga temperatur baterai. Pengatur

Tegangan yang digunakan berjumlah satu buah dengan tegangan 12

V, arus 10A, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.3 :

Gambar 3.3 Pengatur Tegangan (Solar Charge Controller/SCC)

4. Baterai (Accu)

Baterai (Accu) digunakan untuk memberikan daya listrik ke alat

pengujiaan yaitu kotak pendingin. Baterai yang digunakan berjumlah

satu buah, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.4 :

Gambar 3.4 Baterai (Accu)

Spesifikasi Teknik :

- Jenis : PWM

- Tipe : EPHC10-EC(10A,12V)

- Tegangan : 12 V

- Arus : 10 – 12 A

Spesifikasi Teknik :

- Merek : Garuda Sakti

- Code : NS70-65D26R

- Tegangan : 12 V

5. Termokopel

Termokopel digunakan untuk mengukur temperatur pada titik – titik

yang ingin diketahui, pada pengujian ini khususnya temperatur

minuman, permukaan triplek dan permukaan dalam aluminium.

Termokopel bekerja secara otomatis dan mencatat hasil pengukuran

dalam bentuk perangkat lunak Ms. Excel setiap menitnya, seperti yang

ditunjukkan pada gambar 3.5 :

Gambar 3.5 Termokopel

6. Alat pendeteksi suhu dan cuaca (HOBO)

Alat ini berguna untuk mencatat data – data mengenai suhu dan cuaca

seperti temperatur, kelembaban relatif (Relative Humidity / RH),

DewPt, dan radiasi Matahari, seperti ditunjukkan pada gambar 3.6 :

Gambar 3.6 Pendeteksi suhu dan cuaca

Spesifikasi Teknik :

- Jangkauan suhu luar ruangan (outdoor) :

-40.0°C to + 65.0°C (-40°F to +149°F)

- Jangkauan suhu dalam ruangan (indoor) :

0°C to + 50.0°C (32°F to +122°F)

- Jangkauan Kelembaban : 1% sampai 99% (Resolusi1%)

- Jangkauan transmisi sampai dengan 330 feet (100m)

- Frekuensi transimisi : 433MHz

Spesifikasi Teknik :

- Type : Agilent 34970A

- Buatan : Belanda

- Jumlah sensor termokopel :

20 channels multiplexer

7. Laptop

Laptop digunakan dalam proses perhitungan beban panas dalam

perangkat lunak Ms. Excel seperti gambar 3.7 :

Gambar 3.7 Laptop

8. Flash Disk (USB Flash Driver)

Flash Disk (USB Flash Driver) digunakan untuk menyimpan data

hasil pengujian dari termokopel dan dipindahkan ke laptop seperti

gambar 3.8 :

Gambar 3.8 Flash Disk (USB Flash Driver)

9. Gunting

Gunting digunakan untuk menggunting kabel dan selotip seperti yang

ditunjukkan pada gambar 3.9 :

Gambar 3.9 Gunting[26]

Spesifikasi Teknik :

- Processor:Intel® Core™ i5 3230M

- Memori : 4GB DDR3

- Hard Drive : 750GB HDD

- Optical Drive : DVD + Multi DL

- Display: 14.0” HD LED LCD

- Baterai : 6-cell Li ion

Spesifikasi Teknik :

- Merek : Kingston

10. Tang

Tang digunakan untuk mengunting / menjepit kabel seperti yang

ditunjukkan pada gambar 3.10 :

Gambar 3.10 Tang

3.4.2 Bahan yang Digunakan

Berikut ini merupakan bahan - bahan yang digunakan dalam

pengujian kotak pendingin yaitu :

1. Air Mineral

Dalam pengujian ini, air mineral digunakan sebagai beban pendingin.

Air mineral yang digunakan bervolum 240 ml dan jumlah air mineral

yang diuji adalah lima cangkir (cup), seperti yang ditunjukkan pada

gambar 3.11 :

Gambar 3.11 Air Mineral 240 ml[22]

2. Kabel Listrik

Kabel digunakan sebagai mengalirnya arus listrik baik arus. Kabel yang

digunakan memiliki diameter yang berbeda – beda sesuai dengan besarnya

arus yang dialirkan, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.12 :

3. Selotip

Selotip digunakan untuk merekatkan kabel – kabel listrik dan

menempelkan kabel termokopel pada titik yang ingin diketahui

temperaturnya, seperti yang ditunjukkan pada gambar 3.13 :

Gambar 3.13 Selotip[29]

4. Kain Lap

Kain lap digunakan untuk mengelap plat aluminium di dalam kotak

pendingin apabila ada kebocoran air dan mengelap kaca pada panel

surya apabila pada hari pengujian sebelumnya turun hujan, seperti

yang ditunjukkan pada gambar 3.14 :

Gambar 3.14 Kain Lap[25]

3.5 Model Objek Pengujian

Pada pengujian ini, objek pengujian berupa sebuah kotak pendingin

dengan bahan dasar stirofoam yang bagian dalamnya dilapisi dengan plat

aluminium setebal 1 mm dan pada bagian luarnya dilapisi dengan triplek

dengan ketebalan 1 cm. Objek pengujian ini menggunakan elemen

pendingin berupa termoelektrik / peltier (Thermoelectric Cooler) dengan

kode TEC1 12706 dengan tegangan 12V arus 6A. Peltier ini dilekatkan

dengan peredam panas (heatsink) yang telah digabung dengan kipas dengan

daya 2,28 W pada sisi luarnya dan sisi dalamnya hanya dua buah kipas.