KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK SERI
BERPENDINGIN UDARA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK
TENAGA SURYA
TUGAS AKHIR
Diajukan untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Jurusan Teknik Mesin
Disusun Oleh :
FENDI NIM : 045214011
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
THE CHARACTERISTICS OF AIR COOLED
FO
R
FINAL PROJECT
Presented as Partial Fulfillment of Requirements
By :
FENDI
Student Nu 45214011
MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM
SERIES THERMOELECTRIC
R SOLAR POWER GENERATO
for the Degree of Mechanical Engineering
mber : 0
FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY SANATA DHARMA UNIVERSITY
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA
Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam tugas akhir ini tidak terdapat karya orang yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Penulis
INTISARI
Penelitian ini bertujuan untuk mengatasi masalah tentang krisis energi listrik yang dihadapi di Indonesia khususnya daerah pedesaan yang masih jauh dari perkotaan. Dimana termoelektrik memanfaatkan tenaga panas surya untuk menghasilkan energi listrik.
Karakteristik termoelektrik susunan seri pembangkit listrik tenaga surya dengan pendingin udara merupakan salah satu solusi alternatif untuk memecahkan masalah krisis energi. Penelitian ini terdiri dari modul termoelektrik TEC1 – 12706, termoelektrik ini dapat mengkonversikan energi panas menjadi energi listrik. Termoelektrik ini berbahan bismuth telluride yang dilapisi keramik dan hanya berukuran 4cm x 4cm. Selain menggunakan termoelektrik, penelitian ini juga menggunakan kolektor pelat datar sebagai pengumpul radiasi surya yang masuk dan dikolektor inilah fluida minyak dipanaskan. Fluida minyak yang telah dipanasi ini akan naik ke tangki penyimpan panas, disini fluida panas akan mentransfer panas ke sisi panas termoelektrik dan pada sisi dingin termoelektrik didinginkan dengan sirip maka pada termoelektrik terdapat perbedaan temperatur, perbedaan temperatur inilah yang mengakibatkan munculnya energi listrik. Termoelektrik yang digunakan pada penelitian sebannyak 20 buah disusun dengan 2 variasi yaitu : susunan seri dan susunan seri – paralel
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya hanturkan kepada Tuhan atas berkat, rahmat dan bimbinganNya selalu sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir (TA) saya dengan judul “karakteristik termoelektrik seri berpendingin udara untuk pembangkit listrik tenaga surya” ini dengan baik dan lancar. Dalam penulisan Tugas Akhir ini saya menyadari banyaknya bantuan, bimbingan serta dukungan yang diberikan dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini sehingga naskah ini dapat selesai pada waktunya. Oleh karena itu pada kesempatan ini saya ingin menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:
1. Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat dan rahmatnya sehingga Tugas Akhir ini berjalan dengan lancar.
2. Romo Ir. Greg. Heliarko, S.J, S.S, B.S.T., M.Sc., M.A. selaku Dekan Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta. 3. Orangtua tercinta yang telah memberikan semangat dan dukungannya. 4. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Wakil Dekan I (satu) Jurusan
Fakultas Teknik Mesin.
5. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin. 6. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang
telah sungguh-sungguh membimbing.
7. Laboran laboratorium mekanika fluida, laboratorium teknologi mekanik dan laboratorium perpindahan panas atas bantuannya selama pembuatan Alat untuk Tugas Akhir.
8. Vivi, Juwanta Yeonardy, Supriady, Hengky Setiyawan, Shirleen Yohana dan Yanuar Nanang yang telah memberikan masukan dan dukungannya. 9. Seluruh Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin (khususnya angkatan 2004)
Penulis mengharapkan agar Tugas Akhir ini dapat berguna, baik bagi penulis maupun pihak lain, sebagai modal pengetahuan dan informasi. Penulis menyadari bahwasanya isi dari subtansial dari Tugas Akhir ini masih jauh dari kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis dengan tangan terbuka dan hati lapang siap menerima berbagai kritik, saran, masukan konstruktif demi peningkatan kualitas dan kompetensibilitas di kemudian hari.
Yogyakarta, Desember 2007
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ... .i
HALAMAN JUDUL (INGGRIS) ... ii
HALAMAN SOAL ... iii
HALAMAN PENGESAHAN ... iv
PERNYATAAN KEASLIAN KARYA ... .v
INTISARI... vi
KATA PENGANTAR ... vii
DAFTAR ISI ... ix
DAFTAR TABEL... xi
DAFTAR GAMBAR ... xii
BAB I PENDAHULUAN... 1
1.1 Latar Belakang ... 1
1.2 Perumusan Masalah ... 2
1.3 Tujuan Penelitian ... 3
1.4 Kegunaan dan Manfaat ... 4
1.5 Batasan Masalah ... 4
BAB III METODEPENELITIAN... 14
3.1Peralatanpenelitian ... 15
3.2 Langkah Pengambilan dan Pengolahan Data ... 15
3.3 Langkah Penelitian ... 16
3.4 Pelaksanaan Penelitian ... 17
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 18
4.1 Hasil Pengambilan Data ... 18
4.2 Pengolahan Data ... 19
4.3 Pembahasan... 57
BAB V PENUTUP ... 62
5.1 Kesimpulan ... 62
5.2 Saran ... 64
DAFTAR PUSTAKA
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal,
konduktansi termal variasi rangkaian seri termoelektrik ………….. 27
Tabel 4.2 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total
Variasi pemasangan termoelektrik secara seri………28
Tabel 4.3 Hasil perhitungan koefisien Seebeck,, tahanan termal,
konduktansi termal variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik…....29
Tabel 4.4 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total
DAFTAR GAMBAR
Susunan seri
Gambar 4.1 Hubungan antara arus (IO) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 31
Gambar 4.2 Hubungan tegangan (VO) dengan temperatur sisi panas (TH)... 31
Gambar 4.3 Hubungan daya (PO) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 32
Gambar 4.4 Hubungan efisiensi generator (ηG) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 32
Gambar 4.5 Hubungan efisiensi total (ηT) dengan temperatur sisi panas (TH)... 33
Gambar 4.6 Hubungan arus (IO) dengan temperatur sisi dingin (TC) ... 33
Gambar 4.7 Hubungan tegangan (VO) dengan temperatur sisi dingin (TC)... 34
Gambar 4.8 Hubungan daya (PO) dengan temperatur sisi dingin (TC) ... 34
Gambar 4.9 Hubungan efisiensi (ηG) dengan temperatur sisi dingin (TC) ... 35
Gambar 4.10 Hubungan efisiensi total (ηT) dengan temperatur sisi dingin (TC)... 35
Gambar 4.11 Hubungan arus (Io) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 36
Gambar 4.12 Hubungan tegangan (Vo) dengan koefisien (Ti – Ta) ... 36
Gambar 4.13 Hubungan daya (Po) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 37
Gambar 4.14 Hubungan efisiensi generator (ηG)dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 37
Gambar 4.15 Hubungan efisiensi Total (ηT) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 38
Gambar 4.16 Hubungan arus (Io) dengan selisih temperatur ( TΔ ) ... 38
Gambar 4.17 Hubungan tegangan (Vo) dengan selisih temperatur ( TΔ ) ... 39
Gambar 4.18 Hubungan daya (Po) dengan selisih temperatur ( TΔ )... 39
Gambar 4.19 Hubungan efisiensi generator (ηG) dengan selisih temperatur (ΔT)... 40
Susunan seri – paralel
Gambar 4.21 Hubungan arus (Io) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 41
Gambar 4.22 Hubungan tegangan (Vo) dengan temperatur sisi panas (TH)... 41
Gambar 4.23 Hubungan daya (Po) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 42
Gambar 4.24 Hubungan efisiensi (ηG) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 42
Gambar 4.25 Hubungan efisiensi total (ηT) dengan temperatur sisi panas (TH) ... 43
Gambar 4.26 Hubungan arus (Io) dengan temperatur sisi dingin (TC) ... 43
Gambar 4.27 Hubungan tegangan (Vo) dengan temperatur sisi dingin (TC)... 44
Gambar 4.28 Hubungan daya (Po) dengan temperatur sisi dingin (TC) ... 44
Gambar 4.29 Hubungan efisiensi (ηG) dengan temperatur sisi dingin (TC) ... 45
Gambar 4.30 Hubungan efisiensi total(ηT) dengan temperatur sisi dingin (TC)... 45
Gambar 4.31 Hubungan arus (Io) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 46
Gambar 4.32 Hubungan tegangan (Vo) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 46
Gambar 4.33 Hubungan daya (Po) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 47
Gambar 4.34 Hubungan efisiensi generator (ηG) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 47
Gambar 4.35 Hubungan efisiensi total (ηT) dengan koefisien (Ti – Ta)/G ... 48
Gambar 4.36 Hubungan arus (Io) dengan selisih temperatur (ΔT) ... 48
Gambar 4.37 Hubungan tegangan (Vo) dengan selisih temperatur (ΔT) ... 49
Gambar 4.38 Hubungan daya (Po) dengan selisih temperatur (ΔT)... 49
Gambar 4.39 Hubungan efisiensi generator (ηG) dengan selisih temperatur (ΔT)... 50
Susunan seri dan seri – paralel
Gambar 4.41 Hubungan arus (Io) dengan selisih temperatur ( TΔ ) ... 51
Gambar 4.42 Hubungan tegangan (Vo) dengan selisih temperatur ( TΔ )... 51
Gambar 4.43 Hubungan daya keluaran (Po) dengan selisih temperatur (ΔT)... 52
Gambar 4.44 Hubungan efisiensi generator (ηG) dengan selisih temperatur (ΔT) ... 52
Gambar 4.45 Hubungan efisiensi total (ηT) dengan selisih temperatur (ΔT) ... 53
Gambar 4.46 Hubungan efisiensi kolektor (η) dengan (Ti-Ta)/G ... 53
Gambar 4.47 Hubungan tegangan pengukuran (V) dengan selisih temperatur (ΔT) .... 54
Gambar 4.48 Hubungan Arus (I) dari tegangan pengukuran dengan Selisih Temperatur(ΔT)...54
Gambar 4.49 Hubungan daya ( P) dengan selisih temperatur ( TΔ ) ... 55
Gambar 4.50 Grafik Hubungan Arus (Io) dengan Ns ... 55
BAB I PENDAHULUAN
1.1.Latar Belakang
Salah satu media yang sangat menarik untuk dicermati adalah termoelektrik. Termoelektrik merupakan suatu cara alternatif yang digunakan untuk mengkonversikan panas menjadi energi listrik, panas yang diperlukan dapat berasal dari surya, laut, uap atau panas buangan suatu proses produksi.
Pada prinsipnya termoelektrik mengkonversi panas menjadi listrik berdasarkan efek Seebeck metode ini sangat sesuai terutama jika sumber panasnya mempunyai temperatur di bawah 500 K. Pada umumnya termoelektrik digunakan sebagai pendingin atau pemanas sehingga literatur tentang penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik belum banyak.
1.2. Perumusan Masalah
Pada penelitian ini panas dari energi surya yang diterima oleh kolektor termal pelat datar tidak langsung dimanfaatkan untuk memanasi termoelektrik tetapi digunakan untuk memanasi minyak dalam tangki penyimpan yang terhubung dengan kolektor. Panas yang digunakan untuk memanasi termoelektrik diambil dari panas minyak yang tersimpan dalam tangki. Dalam hal ini minyak berfungsi sebagai penyimpan panas sehingga pemanasan termoelektrik tetap dapat dilakukan walaupun cuaca mendung atau pada malam hari.
Penelitian ini akan mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan operasional yang ada) termoelektrik yang ada di pasaran di Yogyakarta jika digunakan sebagai pembangkit energi listrik menggunakan sumber panas energi surya dengan menggunakan kolektor termal pelat datar.
1.3.Tujuan Penelitian
Tujuan yang ingin dicapai oleh peneliti yaitu :
1. Menjajagi kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik dengan energi surya dan sumber panas lain.
2. Mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan kondisi opereasi) termoelektrik sebagai pembangkit listrik energi surya.
1.4.Kegunaan dan Manfaat
Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini :
1. Dapat mengetahui karakteristik pembangkit listrik menggunakan termoelektrik dengan memanfaatkan energi surya.
2. Dapat dikembangkan untuk membuat prototipe pembangkit listrik energi surya dengan termoelektrik yang sesuai dengan kondisi daerah terpencil yang ada di Indonesia.
3. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik alternatif menggunakan termoelektrik.
4. Mengetahui yang dicari seperti efisiensi kolektor, efisiensi generator, koefisien seebeck, arus dan tegangan yang dihasilkan.
5. Membandingkan hasil dari penelitian modul termoelektrik variasi secara susunan seri dengan susunan seri – paralel.
1.5.Batasan Masalah
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
Modul termoelektrik umumnya digunakan untuk pendinginan dengan arus listrik DC sebagai masukkannya. Modul termoelektrik dibungkus oleh keramik tipis yang berisikan batang-batang Bismuth Telluride di dalamnya, Lapisan
keramik ini berfungsi untuk menyatukan keseluruhan struktur termoelektrik secara mekanis dan juga sebagai isolator listrik antar tiap elemen semikonduktor. Komponen ini juga dikenal dengan nama Peltier. Skema modul termoelektrik
untuk pembangkit energi listrik dapat dilihat pada gambar 1 berikut :
Gambar 1. Elemen termoelektrik pembangkit energi listrik
elektron mengalir ke tiap elemen semikonduktor (tipe N dan tipe P) yang terhubung seri dengan konduktor listrik. Pada sisi panas energi (kalor) dilepas elektron ketika elektron mengalir dari elemen semikonduktor level energi tinggi (tipe N) ke elemen semikonduktor level energi rendah (tipe P), kalor kemudian dibuang dari sisi panas ke lingkungan melalui sebuah penukar kalor (heatsink). Pada pemakaiannya generator termoelektrik terdiri dari beberapa modul yang terhubung seri atau paralel, seperti dapat dilihat pada gambar 2 :
Gambar 2. Modul termoelektrik yang terangkai seri dan pararel
Satu rangkaian seri terdiri atas NS modul dan satu rangkaian paralel terdiri atas NP modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :
NT = NS x NP (1)
L
Tegangan keluaran generator (VO) dalam volt dapat dihitung dengan persamaan
(Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :
Daya keluaran generator (PO) dalam watt dapat dihitung dengan persamaan
(Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :
Total energi panas masuk ke generator QH dalam watt dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :
Efisiensi generator (ηG) dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist and
Harga-harga SM, RM, dan konduktansi termal (KM) modul termoelektrik
tergantung dari temperatur dan harga-harganya dapat dihitung dengan persamaan (berlaku untuk kisar temperatur –100OC sampai +150OC) :
Koefisien Seebeck :
4
Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper :
s1 =1.33450x10-2 , s2 =-5.37574x10-5 ,s3 = 7.42731 x 10-7 ,s4 = -1.27141 x 10-9
Tahanan listrik modul termoelektrik :
dengan :
RM : tahanan listrik modul (ohm)
T : temperatur rata-rata modul (K)
RMTH : tahanan listrik modul pada sisi panas TH (ohm)
RMTC : tahanan listrik modul pada sisi dingin TC (ohm)
Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper : r1 = 2.08317, r2 = -1.98763 x 10-2 , r3 = 8.53832 x 10-5, r4 = -9.03143 x 10-8
Konduktansi termal modul :
Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper : k1= 4.76218x10-1 , k2 =-3.89821x10-6, k3=-8.64864x10-6 , k4=2.20869x10-8
Untuk modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor dan arus selain 71 pasang dan 6 amper maka harga SM, RM, dan KM diatas harus dikonversi dengan
menggunakan persamaan-persamaanberikut (Richard J. Buist and Paul G. Lau,1997) :
Nnew : jumlah pasangan semikonduktor untuk modul yang baru
Daya keluaran modul termoelektrik (PO) persamaan (Richard J. Buist and Paul G.
Efisiensi kolektor termal surya sangat menentukan unjuk kerja secara keseluruhan pembangkit listrik. Efisiensi kolektor merupakan fungsi temperatur fluida kerja masuk kolektor dan dapat dinyatakan dengan persamaan (Arismunandar, Wiranto, 1995):
( )
⎟Gambar 3. Bagian bagian kolektor datar
Faktor pelepasan panas kolektor (FR) dihitung dengan persamaan (Arismunandar,
TO : temperatur fluida kerja keluar kolektor (K)
UL : koefisien kerugian (W/(m2.K) ≈ 8 W/(m2.K)
τ
α
: faktor transmitan-absorpan kolektorEfisiensi secara keseluruhan (ηTOTAL) dapat dihitung dengan persamaan
(Arismunandar, Wiranto, 1995) :
η η =
ηTOTAL G x (19)
BAB III
METODE PENELITIAN
3.1.Peralatan Penelitian.
Heat sink
Gambar 4. Skema alat penelitian
Detil pembangkit listrik termoelektrik dapat dilihat pada gambar 5 :
Peralatan Penelitian yang Dipergunakan:
1. Kolektor surya pelat datar 2. Rangka pendukung
3. Termoelektrik
4. Alat ukur suhu (termokopel) 5. Pelat aluminium
6. Isolasi
7. Sirip (heat sink) 8. Multimeter 9. Sel surya
3.2.Langkah Pengambilan dan Pengolahan Data
Parameter yang diukur :
TH : temperatur sisi panas termoelektrik
TC : temperatur sisi dingin termoelektrik
IO : arus keluaran
VO : tegangan keluaran
Ta : temperatur udara sekitar
Ti : temperatur fluida kerja masuk kolektor
TO : temperatur fluida kerja keluar kolektor
Pengambilan data dilakukan tiap 10 menit sekali. Untuk pengukuran temperatur digunakan termokopel dan untuk pengukuran radiasi surya digunakan solarcell yang telah dikalibrasi.
Pengolahan dan analisa data.
Pengolahan dan analisa data diawali dengan melakukan perhitungan pada parameter-parameter yang diperlukan dengan menggunakan persamaan (1) sampai dengan persamaan (19). Analisa akan lebih mudah dilakukan dengan membuat
grafik hubungan arus (IO), tegangan (VO), daya (PO), efisiensi generator (ηG) dan
efisiensi total (η) dengan TH, TC dan waktu.
3.3. Langkah Penelitian.
Parameter yang divariasikan :
a. Variasi I : hubungan termoelektrik semua seri.
b. Variasi II : hubungan termoelektrik gabungan seri dan paralel 1. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 4
Pengambilan data dilakukan dengan memvariasikan parameter hubungan termoelektrik yang dihubungkan seri semua (Variasi I).
3. Pada variasi salah satu parameter, parameter lainnya diatur pada salah satu harga variasi yang tetap.
4. Data yang dicatat adalah temperatur sisi panas termoelektrik, temperatur sisi dingin termoelektrik, arus keluaran, tegangan keluaran, temperatur udara sekitar, temperatur fluida kerja masuk kolektor, temperatur fluida kerja keluar kolektor, radiasi surya yang datang pada permukaan kolektor dan waktu.
5. Sebelum melanjutkan pengambilan data untuk varaisi berikutnya kondisi alat harus di diamkan agar kembali ke kondisi awal sebelum dilakukan penelitian.
6. Penelitian dilanjutkan dengan variasi II.
3.4. Pelaksanaan Penelitian
BAB IV
HASIL PENELITIAN DAN PEMBAHASAN
4.1. Hasil Pengambilan Data
a. Modul termoelektrik variasi susunan seri dengan pendingin udara :
• Dilakukan dengan 2 variasi yaitu : seri dan seri - paralel
• Di mulai pada jam : 10.30 WIB
• Lama percobaan : 3 jam
• Termoelektrik yang digunakan : TEC - 12706
• Resistor yang digunakan adalah : 2 ohm
• Kolektor yang digunakan : Tipe paralel
• Kemiringan kolektor : 600
• Luasan kolektor yang digunakan : 0,6 m2
b. Modul termoelektrik variasi susunan seri - paralel dengan pendingin udara
• Dilakukan dengan 2 variasi yaitu : seri dan seri - paralel
• Di mulai pada jam : 10.30 WIB
• Lama percobaan : 3 jam
• Termoelektrik yang digunakan : TEC - 12706
• Resistor yang digunakan adalah : 2 ohm
• Kolektor yang digunakan : Tipe paralel
4.2.Pengolahan Data
Berdasarkan data pertama pada variasi pemasangan termoelektrik secara seri, maka didapatkan :
1. Beda temperatur sisi panas dan sisi dingin (∆T)
∆T= TH – TC
= 309 - 305
= 4 K
2. Koefisien Seebeck (Sm)
Koefisien Seebeck dapat dihitung dengan persamaan 7 dan 8:
SM = (SMTh - SMTc) / DT
=(5,96388 - 5,84366)/4
=0,03006 V/K
3. Koefisien Seebeck untuk jumlah modul yang dipakai (Snew)
Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6 ampere
maka harga SMdikonversi menjadi Snew dengan menggunakan persamaan (13) :
new
4. Tahanan Listrik (Rm)
Tahanan Listrik dapat dihitung dengan persamaan 9 dan 10 :
RMTC
5. Tahanan Listrik untuk jumlah modul yang dipakai (Rnew)
Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6 ampere
maka harga RMdikonversi menjadi Rnew dengan menggunakan persamaan (14) :
=
6. Konduktansi Termal (Km)
KMTH =
=(112,24931-111,05338) / 4
=0,29898 W/K
7. Konduktansi Termal (Km)
Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6 ampere
maka harga KMdikonversi menjadi Knew dengan menggunakan persamaan (15) :
8. Total Modul
Satu rangkaian seri terdiri atas NS 20 modul dan NP 1 modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (1) :
NT = NS x NP
= 20 x 1
= 20
9. Arus keluaran Generator (I)
Arus yang melewati tahanan beban RL dapat dihitung dengan persamaan (2) :
A
10. Tegangan keluaran generator (VO)
V
11. Daya keluaran generator (PO)
Daya keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (4) :
(
)
12. Total energi panas masuk ke generator (QH)
Total energi panas masuk ke generator dapat dihitung dengan persamaan (5) :
13. Efisiensi generator (ηG)
Efisiensi generator dapat dihitung dengan persamaan 6 :
%
14. Radiasi Matahari (G)
2
15. Faktor pelepasan panas kolektor (FR)
Faktor pelepasan panas kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (18) dengan :
• Fluida kerja dalam pipa di kolektor : 0,0002 kg
• Panas jenis fluida : 2927,72 J/kg.K
• Faktor transmitan-absorpan kolektor : 0,84
Efisiensi kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (17) dengan :
( )
Efisiensi secara keseluruhan dapat dihitung dengan persamaan (19) :
Gambar - gambar hasil pembahasan : 1. Variasi rangkaian secara seri
Gambar 4.1 Grafik hubungan antara arus (IO) dengan temperatur sisi panas
(TH) secara susunan seri
Gambar 4.2 Grafik hubungan tegangan (VO) dengan temperatur sisi panas
Gambar 4.3 Grafik hubungan daya (PO) dengan temperatur
sisi panas (TH) secara susunan seri
Gambar 4.5 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan temperatur
sisi panas (TH) secara susunan seri
Gambar 4.6 Grafik hubungan arus (IO) dengan temperatur
Gambar 4.7 Grafik hubungan tegangan (VO) dengan temperatur sisi dingin
(TC) secara susunan seri
Gambar 4.8 Grafik hubungan daya (PO) dengan temperatur sisi dingin (TC)
Gambar 4.9 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan temperatur sisi dingin (TC) secara susunan seri
Gambar 4.10 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan temperatur sisi
Gambar 4.11 Grafik hubungan arus (Io) dengan (Ti – Ta)/G secara susunan seri
Gambar 4.13 Grafik hubungan daya (Po) dengan (Ti – Ta)/G secara susunan seri
Gambar 4.15 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan (Ti – Ta)/G
secara susunan seri
Gambar 4.16 Grafik hubungan arus (Io) dengan Selisih Temperataur ( ) secara susunan seri
T
Gambar 4.17 Grafik hubungan tegangan (Vo) dengan Selisih temperataur ( TΔ ) secara susunan seri
Gambar 4.19 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan Selisih temperataur ( TΔ ) secara susunan seri
Gambar 4.20 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan Selisih
2. Variasi rangkaian seri-paralel
Gambar 4.21 Grafik hubungan arus (Io) dengan selisih temperatur sisi panas (TH) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.23 Grafik hubungan daya (Po) dengan selisih temperatur sisi panas (TH) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.24 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan Selisih
Gambar 4.25 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan selisih
temperatur sisi panas (TH) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.27 Grafik hubungan tegangan (Vo) dengan selisih temperatur sisi dingin (Tc) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.29 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan selisih
temperatur sisi dingin (Tc) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.30 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan selisih
Gambar 4.31 Grafik hubungan arus (Io) dengan (Ti – Ta)/G secara susunan seri – paralel
Gambar 4.33 Grafik hubungan daya (Po) dengan (Ti – Ta)/G
Gambar 4.34 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan
Gambar 4.35 Grafik hubungan eisiensi total (ηT) dengan (Ti – Ta)/G
secara susunan seri – paralel
Gambar 4.36 Grafik hubungan arus (Io) dengan selisih temperatur ( ) secara susunan seri – paralel
T
Gambar 4.37 Grafik hubungan tegangan (Vo) dengan selisih temperatur ( TΔ ) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.38 Grafik hubungan daya (Po) dengan selisih temperatur ( ) secara susunan seri – paralel
T
Gambar 4.39 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan selisih
temperatur ( TΔ ) secara susunan seri – paralel
Gambar 4.40 Grafik hubungan efisiensi Total (ηT) dengan selisih
Gambar 4.41 Grafik hubungan arus (Io) dengan selisih temperatur (ΔT)
Gambar 4.43 Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan selisih
temperatur ( TΔ )
Gambar 4.45 Grafik hubungan efisiensi total (ηT) dengan selisih
temperatur ( TΔ )
Gambar 4.47 Grafik hubungan tegangan pengukuran (V) dengan selisih temperatur ( TΔ )
Gambar 4.49 Grafik hubungan daya ( P ) dari tegangan pengukuran dengan selisih temperatur ( TΔ )
4.3. Pembahasan
1. Semua hasil perhitungan dan data yang disajikan dalam bentuk gambar di atas merupakan unjuk kerja alat karakteristik termoelektrik untuk pembangkit listrik tenaga surya dengan pendingin udara, dari grafik-grafik ini maka dapat diketahui jumlah arus, tegangan, daya,efisiensi generator serta efisiensi kolektor dari alat tersebut.
2. Pada penelitian ini dipakai kolektor tipe paralel dengan sistem termosifon, hal ini menguntungkan karena menaikkan efisiensi kolektor sebab fluida di dalam mengalir secara alami dan tanpa memakai pompa sehingga fluida tidak teraduk yang menyebabkan fluida yang masuk kolektor dan fluida yang keluar kolektor suhunya hampir sama. Intinya dapat mencapai selisih temperatur yang tinggi atau maksimal pada termoelektrik maka akan menghasilkan arus, tegangan, daya keluaran yang maksimal pula walaupun dengan adanya kerugian efisiensi pada termoelektrik, dengan ∆T yang maksimal untuk termoelektrik sebesar 650C maka akan dihasilkan efisiensi total yang sangat tinggi dengan unjuk kerja yang baik dari “Karakteristik Termoelektrik Pembangkit Listrik Tenaga Surya Dengan Pendingin Udara”.
4. Pada gambar 4.6, 4.7, 4.8, 4.9 dan 4.10 grafik secara seri, gambar 4.26, 4.27, 4.28, 4.29 dan 4.30 secara seri – paralel terlihat bahwa trendline atau kecenderungan grafik menurun ini karena arus, tegangan, daya, efisiensi generator dan efisiensi kolektor dihubungkan dengan sisi dingin pada modul termoelektrik, dimana pada sisi dingin ini tentunya suhu nya lebih rendah dari suhu lingkungan karena dengan rendahnya suhu yang dihasilkan maka akan semakin baik tetapi pada grafik kita lihat bahwa suhu yang diperoleh lebih besar atau sebanding dengan suhu lingkungan ini dikarenakan pemasangan sirip (heatsink) yang tidak sempurna dan kerugian dari lebarnya pelat aluminium yang dipanasi. Daya keluaran maksimum diperoleh pada susunan seri sebesar 0,051 watt sedangkan pada susunan seri – paralel sebesar 0,03 watt semakin panas suhu yang dihasilkan pada sisi dingin maka daya keluaran yang dihasilkan semakin kecil. Pada efisiensi generator susunan seri dihasilkan efisiensi 0,056% dan efisiensi total maksimum pada susunan seri dihasilkan 0,0039%
6. Pada gambar 4.14 grafik secara seri dan gambar 4.34 secara seri – paralel terlihat bahwa trendline memiliki bentuk yang hampir sama, menunjukkan kenaikan output efisiensi generator secara kontinyu dan seragam ini karena hasil daya dan energi total yang masuk seragam. Pada gambar 4.15 grafik secara seri dan gambar 4.35 secara seri – paralel terlihat bahwa trendline atau kecenderungan grafik mengalami penurunan, karena efisiensi kolektor yang kurang baik maka efisiensi total keluaran yang dihasilkan juga kurang baik (menurun).
7. Pada gambar 4.16, 4.17, 4.18, 4.19 dan 4.20 grafik secara seri, gambar 4.36, 4.37, 4.38, 4.39 dan 4.40 secara seri – paralel terlihat bahwa trendline atau kecenderungan grafik yang meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa untuk pengujian alat uji dengan sumber panas radiasi matahari dengan pendingin udara menghasilkan kenaikan pada arus, tegangan, daya, efisiensi generator dan efisiensi total. Dari kedua susunan tersebut, hasil yang berupa arus, tegangan, daya, efisiensi generator dan efisiensi total yang paling besar didapatkan pada susunan seri.
semakin besar daya yang diperoleh semakin baik juga efisiensi generator keluaran yang dihasilkan. Efisiensi total yang dihasilkan pada susunan seri lebih baik akan tetapi harga yang di peroleh masih rendah ini karena daya, efisiensi generator dan efisiensi kolektor yang dihasilkan sangat rendah. 9. Pada gambar 4.46 merupakan efisiensi yang dihitung untuk kolektor surya
pelat rata. Hasil efisiensi kolektor ini tergantung dari temperatur lingkungan, tingkat radiasi surya, dan temperatur fluida pada saluran masuk ke kolektor, semakin besar hasil dari (Ti-Ta)/G maka akan menghasilkan penurunan pada efisiensi kolektor.
10.Hasil dari tegangan pengukuran secara susunan seri diperoleh sebesar 0,035 volt lebih kecil dari tegangan perhitungan secara susunan seri 0,349 volt, ini karena pada susunan seri dengan perhitungan mempunyai variabel seperti Rm (tahanan dalam termoelektrik) dan Sm (koefisien pada termoelektrik).
11.Pada gambar 4.48 dan gambar 4.49 diperoleh arus dan daya dari tegangan pengukuran dimana pada rangkaian susunan seri lebih baik, yaitu arus sebesar 0,018 amper dan daya sebesar 6.23E-04 watt
BAB V
PENUTUP
5.1Kesimpulan
1. Penelitian dengan menggunakan termoelektrik berhasil menghasilkan energi listrik tenaga surya.
2. Dari kedua susunan modul termoelektrik terlihat bahwa hasil output atau keluaran dari termoelektrik berupa arus, tegangan dan daya dihasilkan paling tinggi didapatkan pada variasi termoelektrik secara seri yaitu arus 0,18 ampere, tegangan 0,349 volt, daya keluaran 0,061 watt dibandingkan dengan variasi seri-paralel menghasilkan arus 0,17amper, tegangan 0,17 volt, daya keluaran 0,059 watt. Jadi bila diperlukan output arus /tegangan /daya keluaran yang besar maka dipakai variasi termoelektrik susunan secara seri.
3. Semakin besarnya radiasi yang diterima kolektor maka akan semakin baik efisiensi keluaran kolektor, efisiensi kolektor maksimum sebesar 8,22% 4. Efisensi generator pada susunan seri lebih baik 0,057% daripada efisiensi
generator pada susunan seri-paralel 0,017%
6. Hasil simulasi menghasilkan arus, tegangan, daya, efisiensi generator dan
efisiensi total yang semakin besar, jika perbandingan termoelektrik yang
terangkai seri dan seri–paralel (Ns/Np) sama dengan satu.
7. Semakin besar selisih temperatur antara sisi dingin dan sisi panas pada
termoelektrik maka baik arus, tegangan, daya, efisiensi generator dan
DAFTAR PUSTAKA
Arismunandar, Wiranto,. 1995. “Teknologi Rekayasa Surya”. Jakarta : Pradnya Paramita.
Duffie, J.A.; Beckman, W.A., 1991. “Solar Engineering of Thermal Processes”, New York : John Wiley.
E. Burke, R. Buist. (August 21-26, 1983), Thermoelectric Coolers as Power Generators, 18th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Orlando, Florida.
Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan Dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral, Jakarta
Paul G. Lau and Richard J. Buist. (August 26-29, 1997), Calculation of Thermoelectric Power Generation Performance Using Finite Element Analysis, XVI International Conference on Thermoelectrics, Dresden, Germany.
LAMPIRAN
Data variasi rangkaian seri
TH TC IO VO Ta Ti TO VG TBawah TAtas
Jam
O
C OC Ampere Volt OC OC OC Volt OC OC
10:30 36,0 32 0,014 0,028 30 39 75 3,2 28,5 55
Data variasi rangkaian seri-paralel
TH TC IO VO Ta Ti TO VG TBawah TAtas
Jam
O
C OC Ampere Volt OC OC OC Volt OC OC
Gambar kolektor pelat rata tipe parallel
Gambar sirip pendingin dan tangki fluida yang diisolasi
Gambar bagian – bagian termoelektrik
