Vol.1 No.3 2016 57 @2016 kitektro
Pemanfaatan Energi Panas Sebagai Pembangkit
Listrik Alternatif Berskala Kecil Dengan
Menggunakan Termoelektrik
Muammar Khalid
#1, Mahdi Syukri
*2, Mansur Gapy
#3# Jurusan Teknik Elektro dan Komputer, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala
Jl. Tgk. Syech Abdurrauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh, 23111, Aceh, Indonesia 1muammarkhalid2@gmail.com
2mahdisyukri@yahoo.co.id 3mansur.gapy@yahoo.com
Abstrak— Dengan semakin majunya perkembangan zaman
membuat kebutuhan akan energi listrik kian meningkat. Berbagai usaha dilakukan untuk mencari sumber energi listrik baru, salah satunya dengan pembangkit energi listrik dengan kapasitas mikro yang memamfaatkan energi panas. Pemamfaatan energi panas sebagai pembangkit energi listrik dengan kapasitas mikro dapat dilakukan dengan menggunakan elemen termoelektrik. Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik serta unjuk kerja dari termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik. Penelitian ini menggunakan termoelektrik tipe TEC1-12706 dengan aluminium sebagai penerima panas dan heatsink sebagai media pendingin. Variasi penelitian meliputi antara lain rangkaian termoelektrik tanpa beban dan berbeban yang dirangkai seri. Sumber panas yang dipilih yaitu sinar matahari dan api. Hasil penelitian menunjukkan panas dari matahari dan api dapat menjadi sumber energi listrik dengan kapasitas mikro yang cukup potensial. 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai secara seri menghasilkan tegangan sebesar 1.4 V ketika plat aluminium menyerap sinar matahari dengan beda temperatur antara sisi panas dan sisi dingin sebesar 31 K. Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai seri dengan beban 10 ohm, didapat efisiensi maksimal dari pembangkit yaitu 0.314% pada menit ke 60 sejak pemaparan sinar matahari dengan ∆T sebesar 30 K. Pada pengujian dengan beban panas api, didapat efisiensi maksimal dari pembangkit yaitu 1% pada menit ke 6 sejak pemanasan dengan ∆T sebesar 63.5 K. Dari hasil ini dapat disimpulkan, termoelektrik dapat menghasilkan listrik dengan memamfaatkan energi panas.
Kata Kunci
—
Thermoelectric, koefisien Seebeck, Perbedaan Temperatur, Energi PanasI. PENDAHULUAN
Listrik bagi manusia di zaman modern merupakan kebutuhan besar yang tidak bisa dihindarkan. Setiap orang pasti membutuhkan listrik untuk melakukan kegiatan sehari-hari, tak terkecuali masyarakat Indonesia. Di Indonesia ada beberapa sumber energi yang dapat digunakan untuk membangkitkan listrik yang dibedakan menjadi dua jenis. Pertama, pembangkit listrik dengan kapasitas makro yang biasanya memamfaatkan air, uap, gas, dan nuklir. Kedua,
pembangkit listrik dengan kapasitas mikro yang salah satunya adalah dengan memamfaatkan energi panas[1]. Energi panas tersebut antara lain berasal dari sinar matahari dan benda-benda yang melepaskan panas, seperti setrika, panas pembakaran dapur industri dan knalpot kendaraan bermotor.
Jika ditinjau dari letak geografisnya, Indonesia terletak di garis khatulistiwa, sehingga mempunyai potensi sumber energi surya yang berlimpah. Dalam suatu penelitian disebutkan bahwa intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar 4,8 kWh/m2 perhari diseluruh wilayah Indonesia[2].
Termoelektrik merupakan sebuah teknologi yang berfungsi untuk mengkonversi energi panas menjadi energi listrik secara lansung. Untuk menghasilkan listrik, material termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam sistem yang menghubungkan antara sumber sisi panas dan sisi dingin. Dari mekanisme ini dapat dihasilkan sejumlah arus listrik[5].
II. TINJAUANPUSTAKA
A. Termoelektrik
Termoelektrik adalah proses konversi langsung dari suatu perbedaan suhu menjadi tegangan listrik atau sebaliknya. Sebuah perangkat modul termoelectrik menghasilkan tegangan ketika ada suhu yang berbeda di setiap sisi. Sebaliknya, bila termoelectrik diberi tegangan listrik, akan menciptakan perbedaan suhu.
B. . Elemen Termoelektrik
Elemen termoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe N dan tipe P yang bagian atas dan bawah dilapisi dengan konduktor tembaga sebagai penghubung satu sama lain antara tipe N dan tipe P. Konduktor tembaga pada termoelektrik membantu perpindahan electron-elektron untuk dapat bergerak bebas. Apabila batang logam dipanaskan dan didinginkan pada dua kutub batang logam tersebut, electron pada sisi panas logam akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan pada sisi bagian dingin logam.
Vol.1 No.3 2016 58 @2016 kitektro Gambar. 1 Rangkaian Ekivalen Termoelektrik
Seperti yang terlihat pada gambar diatas, sebuah termoelektrik diwakili oleh rangkaian thermo-listrik dimana generator (TEG) diletakkan diantara 2 reservoir suhu yaitu sisi panas (TH) dan sisi dingin (TC). Kedua suhu ini (∆T) berpengaruh pada besaran energi panas (QH) yang diserap oleh termoelektrik serta besaran tegangan dan arus yang akan dihasilkan. Sebuah TEG dikarakteristikkan dengan adanya hambatan listrik isotermal (R), konduktansi termal (K) dan koefisien seebeck (S).
C. Koefisien Seebeck
Koefisien Seebeck menjelaskan bahwa pada saat thermocouple dipanaskan, kondisi semikonduktor yang terisi banyak elektron koefisien seebecknya bertanda negatif. Sedangkan semikonduktor yang kekurangan elektron koefisien seebecknya bertanda negatif. Sedangkan semikonduktor yang kekurangan elektron koefisien seebecknya bertanda positif. Jadi koefisien seebeck setiap logam ada yang bernilai positif dan ada yang bernilai negatif. Koefisien seebeck tergantung pada perbedaan suhu dan perbedaan tegangan yang dihasilkan tergantung dari nilai koefisien seebeck dan perbedaan temperatur. Perbedaan tegangan dinyatakan dalam persamaan :
V = S x ∆T (Thot – Tcool) (1) Dimana :
V = Tegangan S = Koefisien Seebeck
∆T = Perbedaan antara suhu panas dan suhu dingin D. Termoelektrik Generator
Thermoelectric power generating adalah suatu pembangkit listrik yang didasarkan pada efek Seebeck, yang pertama kali ditemukan pada tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Aplikasi penggunaan termoelektrik Generator dapat digunakan secara luas terutama pada pembangkit-pembangkit yang membutuhkan energy panas sebagai sumber energy utama yang nantinya akan di konversikan menjadi energy listrik. Penggunaan termoelektrik generator ini juga cocok digunakan pada pabrik-pabrik yang memiliki buangan panas yang besar sehingga dapat dimamfaat sebagai pembangkit listrik. Secara umum material-material yang digunakan pada termoelektrik generator yaitu :
Silicon Germanium
Lead Telluride
Bismuth Telluride Alloys
E. Spesifikasi Termoelektrik TEC1-12706
Modul termoelektrik TEC1 12706 yang dipergunakan dalam penelitian ini adalah modul termoelektrik jenis Termoelektrik Cooler dengan 127 pasang semikonduktor, skema modul termoelektrik dapat dilihat pada gambar. Berikut ini spesifikasi modul termoelektrik TEC1 12706 :
Ukuran sisi 40 mm x 40 mm dengan tebal 3.8 mm
Perbedaan temperature sisi panas dengan sisi dingin maksimal (∆Tmax) sebesar 66 oC
Arus listrik maksimal yang mengalir (Imax) sebesar 6 Ampere
Tegangan listrik maksimal yang diperbolehkan (Vmax) sebesar 14,4 volt
Material keramik Electrical Insulator yang dipergunakan adalah Aluminia (Al2O3)
Temperatur maksimal dalam penggunaanya sebesar 138 oC
III. METODEPENELITIAN
Dalam melakukan sebuah penelitian diperlukan adanya metode yang sistematis sehingga penelitian dapat berjalan sesuai dengan yang diharapkan. Penulis menggunakan metode seperti gambar berikut :
Gambar. 2 Diagram Alir Penelitian
Prosedur penelitian dilakukan dalam beberapa tahap diantaranya, studi literatur, memilih peralatan, mendesain prototipe pembangkit, perakitan prototipe dan dilakukan pengujian alat, pengujian awal dan pengujian sistem ke beban untuk mendapatkan hasil, dan penulisan laporan.
Vol.1 No.3 2016 59 @2016 kitektro
Berikut adalah bahan-bahan yang digunakan dalam penelitian ini:
TABLEI ALATDANBAHAN
No Nama Bahan Jumlah
1 Thermoeletric 4 2 Heatsink 1 3 Thermal pasta 3 4 Thermometer infrared 1 5 Multimeter digital 2 6 Lilin 4
7 Plat aluminium Secukupnya
8 Air Secukupnya
Gambar. 3 Model pembangkit termoelektrik panas matahari A. Perancangan Kolektor Panas
Pada tahap ini peneliti merancang sebuah kolektor panas yang terbuat dari logam aluminium. Aluminium yang digunakan memiliki ketebalan 2 mm dengan ukuran 25 x 30 cm. Agar proses penyerapan panas menjadi lebih maksimal, maka plat aluminum tersebut di cat menjadi warna hitam. Fungsi dari plat aluminium ini adalah untuk menyerap panas matahari.
B. Pemansangan Termoelektrik pada Heatsink
Heatsink yang digunakan berjumlah 2 buah dengan ukuran masing-masing 10x20cm. Jumlah termoelektrik yang dipasangkan pada tiap heatsink adalah 4 modul. Bagian modul yang dipasangkan ke heatsink adalah bagian dingin dari modul termoelektrik yaitu bagian yang ditandai dengan sisi yang bertuliskan kode modul (dalam hal ini modul yang digunakan adalah TEC1-12706).
Modul direkatkan dengan menggunakan thermal pasta yang berguna agar proses pemindahan panas dari modul ke heatsink menjadi lebih maksimal..
Gambar. 4 Heatsink dan Termoelektrik
C. Perangkaian Termoelektrik secara Seri
Dalam penelitian ini, susunan termoelektrik disusun secara seri agar prototipe menghasilkan tegangan yang lebih besar.
Gambar. 5 Skema rangkaian modul secara seri D. Pegujian Termoelektrik
Adapun tahap pengujian prototipe termoelektrik dalam penelitian ini adalah :
Pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai seri.
Pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dibebani.
Pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai seri dengan sumber panas api.
Gambar. 6 Skema Pengukuran Tegangan
Gambar. 7 Skema Pengukuran Arus
Vol.1 No.3 2016 60 @2016 kitektro
IV. HASILDANPEMBAHASAN
Dalam Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui output yang dihasilkan modul termoelektrik yang dirangkai seri baik ketika tidak berbeban maupun ketika modul diberi beban.
A. Pengujian 4 modul termoelektrik yang dirangkai seri TABLE2
DATAHASILPENGUJIAN
Gambar. 9 Grafik hubungan ∆T dengan tegangan
Pada grafik dan tabel diatas dapat dilihat bahwa pengaruh selisih suhu antar sisi panas dan dingin terhadap tegangan output adalah berbanding lurus dimana semakin besar ∆T dari temperatur panas pada plat aluminium dengan temperatur dingin pada heatsink maka semakin besar pula tegangan yang dihasilkan pada pengujian modul termoelektrik ini. Hal ini sesuai dengan teori efek seebeck yang sudah disebutkan pada bab 2 dimana besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur yang didapat.
Dapat dilihat pada menit 0 dan perbedaan temperature antara sisi dingin dan panas masih belum besar, belum ada tegangan yang dihasilkan. Namun pada menit ke 10, tegangan mulai tercipta dengan ∆T sebesar 19 K. Temperatur pada heatsink (sisi dingin) akan terjadi perubahan dikarenakan temperatur heatsink mendapat pengaruh dari lingkungan sekitar seperti angin, sehingga temperatur heatsink perlahan-lahan akan menyesuaikan dengan temperatur lingkungan sekitarnya. Temperatur pada plat aluminum akan terjadi perubahan sesuai dengan panas
yang diterima dari matahari. Plat aluminum akan menyerap panas matahari secara perlahan-lahan sesuai keadaan cuaca pada saat pengujian dilakukan. Temperatur maksimum yang terukur pada plat aluminium saat pengujian berlangsung adalah 331.7 K dengan tegangan maksimal 1.4 V pada menit ke 60.
B. Pengujian 4 modul termoelektrik yang dibebani TABLE3
DATAHASILPENGUJIAN
Gambar. 10 Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus
Gambar dan tabel diatas menunjukkan grafik hubungan antara waktu pemanasan dengan besarnya ∆T yang dihasilkan. Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa semakin lama waktu pemanasan maka ∆T yang didapat juga akan semakin besar. Dimana pada percobaan diatas, ∆T terbesar yang didapatkan adalah pada menit ke 60 dengan besar ∆T yaitu 31.5 K. Tentu saja teori ini bukanlah teori absolut, karena besarnya ∆T yang didapat sangat terpengaruh kepada paparan sinar matahari (panas). Bisa saja paparan sinar matahari (panas) pada menit 40 lebih besar daripada menit ke 60, hanya saja pada percobaan diatas, kenaikan ∆T cenderung semakin tinggi seiring lamanya waktu pemaparan sinar matahari (panas).
Gambar 10 menunjukkan grafik hubungan antara ∆T dan tegangan yang dihasilkan. Menurut gambar diatas dapat dilihat bahwa tegangan output akan semakin naik seiring dengan kenaikan ∆T. Tegangan maksimum yang didapat dari susunan 4 modul termoelektrik pada saat kondisi berbeban resistor 10 ohm adalah 1.4 Volt dan 0.27 A dengan perbedaan temperatur 31.5 K. Output ini didapat pada saat pengukuran pukul 14.00 WIB (menit ke 60) dimana intensitas panas matahari sedang sangat tinggi. Hasil
Vol.1 No.3 2016 61 @2016 kitektro
pengukuran diatas sesuai dengan teori efek seebeck yaitu tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur, semakin tinggi perbedaan temperatur (∆T) yang didapat maka semakin tinggi pula tegangan dan arus yang dihasilkan.
TABLE4 DATAEFISIENSI
Setelah didapat nilai koefisien seebeck, yaitu sebesar 0.054 v/k maka dapat dicari besar tegangan yang dihasilkan. Untuk mengukur tegangan yang dihasilkan, maka digunakan persamaan (1) :
V = S x ∆T (TH – TC)
Untuk menghitung persentase galat hitung dan ukur tegangan termoelektrik, digunakan rumus menghitung galat :
% galat = × 100%
Maka didapat galat tegangan ukur dan hitung yaitu :
TABLE5 DATAHASILGALAT
Pada table diatas dapat dilihat perbandingan antara tegangan ukur dengan tegangan hasil perhitungan pada setiap waktu. Tegangan yang dihasilkan semakin naik seiring lamanya waktu pemanasan. Besaran galat rata-rata yang dihasilkan yaitu 34.2 %. Galat yang didapat cukup besar, hal ini mungkin diakibatkan dari kurangnya tingkat presisi alat ukur yang digunakan.
C. Pengujian 4 modul termoelektrik dengan panas api TABLE6
DATAHASILPENGUJIAN
Gambar. 11 Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan ∆T
Gambar dan tabel diatas menunjukkan grafik hubungan antara lamanya waktu pemanasan terhadap ∆T dan tegangan yang dihasilkan. Seperti yang terlihat pada grafik diatas, tegangan mulai muncul ketika adanya perbedaan suhu (∆T) pada menit ke-2 yaitu sebesar 58.1 K dengan tegangan yang dihasilkan yaitu 3.4 V. Kemudian tegangan output terus meningkat seiring dengan besarnya ∆T yang terjadi hingga mengalami puncak pada menit ke-6 dengan besar ∆T 63.5 K dan tegangan output 4.1 V. Pada pengukuran menit ke 8, ∆T yang didapat menurun dikarenakan suhu pada sisi dingin (air dalam bejana aluminium) mengalami peningkatan suhu. Peningkatan suhu ini diakibatkan oleh adanya konduksi panas dari lilin ke air melalui aluminium. Akibat dari peningkatan suhu pada air mengakibatkan ∆T yang dihasilkan akan semakin mengecil yang berpengaruh terhadap besarnya keluaran tegangan. Besaran arus yang dihasilkan juga mengikuti besarnya tegangan yang dihasilkan, dimana jika tegangannya semakin besar maka arusnya pun akan ikut besar. Sebaliknya jika tegangan mengecil, maka arus yang dihasilkan akan ikut mengecil.
Vol.1 No.3 2016 62 @2016 kitektro TABLE7
DATAEFISIENSI
Setelah didapat nilai koefisien seebeck, yaitu sebesar 0.054 v/k maka dapat dicari besar tegangan yang dihasilkan.
TABLE8 DATAHASILGALAT
Gambar. 12 Grafik hubungan ∆T (K) dengan efisiensi pembangkit
Seperti yang terlihat pada gambar dan table diatas menunjukkan bahwa kenaikan efisiensi pembangkit
berbanding lurus dengan kenaikan ∆T. Jika ∆T turun, maka efisiensi juga akan ikut turun. Begitu juga sebaliknya. Efisiensi terbesar yang dihasilkan terdapat pada menit ke-6 dimana ∆T pada saat itu adalah sebesar 63.5 K dengan besar efisiensi 1 %.
V. KESIMPULAN
Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai secara seri tanpa beban didapatkan hasil tegangan maksimal 1.4 V pada saat ∆T 31 K. Keadaan cuaca yang tidak menentu menjadi penghambat dalam penelitian ini dikarenakan modul termoelektrik tidak mendapatkan panas secara konstan dan maksimal.
Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai seri dengan beban 10 ohm, didapat efisiensi maksimal dari pembangkit yaitu 0.314% pada menit ke 60 dengan ∆T sebesar 31.5 K.
Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai seri dengan sumber panas api didapat efisiensi maksimal dari pembangkit yaitu 1 % pada menit ke-6 dengan ∆T sebesar 63.5 K. Sedangkan pada menit ke 8 mulai terjadi penurunan ∆T yang diakibatkan oleh peningkatan suhu yang terjadi dibagian pendingin (air) sehingga mengakibatkan tegangan dan arus yang dihasilkan juga ikut turun.
Dari keseluruhan percobaan dapat kita lihat bahwa tegangan yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya ∆T. Hal ini sesuai dengan karakteristik termoelektrik berdasarkan teori dasar Seebeck dimana tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur yang didapat.
UCAPANTERIMAKASIH
Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT. Ucapan terimakasih banyak kepada orang tua penulis yang telah memberi dukungan dan motivasi. Kemudian terimakasih kepada dosen pembimbing 1, Bapak Mahdi Syukri, S.T.,M.T dan pembimbing 2 Bapak Ir. Mansur Gapy, M.T yang telah membimbing dan membantu dalam penyempurnaan karya ilmiah ini.
REFERENSI
[1] Adhi Gunawan. "Penggunaan Energi Panas pada Aspal Jalan Raya
Sebagai Energi Alternatif" Fakultas Teknik - Universitas Syiah Kuala,
Juli 2013.
[2] Irawan Rahardjo, Ira Fitriana, "Analisis Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Surya di Indonesia". FPMIPA UPI – JICA Bandung, 2005. [3] Nandy Putra*), Raldi Artono Koestoer, M. Adhitya, Ardia
Roekettino, dan Bayu Trianto, "Potensi Pembangkit Daya Termoelektrik Untuk Kendaraan Hibrid". UI Depok 16424, Indonesia, 2009.
[4] Yani Sanwaty. "Prototipe Generator Solar Thermoelektrik Memamfaatkan Energi Thermal Matahari". Fakultas Sains dan MIPA - Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga, 2012.
[5] Zuryati Djafar*), Nandy Putra, R.A. Koesteor, "Kajian Eksperimental Pengembangan Generator Termoelektrik Sebagai Sumber Listrik", UI Depok 16424, Indonesia, 2010.
[6] http://www.ieverred.com/TEG.html [Diakses : 9 Agustus 2016] [7] http://www.alldatasheet.com/ [Diakses : 20 September 2016] [8] Adrian Eoekettino, "Perancangan Awal dan Manufaktur
Thermoelektric Generator Menggunakan Dua Belas Modul Thermoelectric Untuk Aplikasi Kedaraan Hibrid". Fakultas Teknik - Universitas Indonesia. Juli 2008
[9] http://id.wikipedia.org/wiki/Generator_termoelektrik [Diakses : 14 Juli 2016]
[10] http://thermal.ferrotec.com/technology/thermoelectric/thermalRef11/ [Diakses : 25 September 2016]
