DESAIN DAN PENGEMBANGAN SISTEM PENDINGIN MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK PANEL SURYA
BERBASIS MIKROKONTROLER ARDUINO
SKRIPSI
JUARSAN TRY ROLANDA 130801034
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2020
DESAIN DAN PENGEMBANGAN SISTEM PENDINGIN MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK PANEL SURYA
BERBASIS MIKROKONTROLER ARDUINO SKRIPSI
Diajukan untuk melengkapi tugas dan memenuhi syarat mencapai gelar Sarjana Sains
JUARSAN TRY ROLANDA 130801034
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN 2020
PERNYATAAN
DESAIN DAN PENGEMBANGAN SISTEM PENDINGIN MENGGUNAKAN PANEL SURYA BERBASIS
MIKROKONTROLER ARDUINO
SKRIPSI
Saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah hasil karya sendiri. Kecuali beberapa kutipan dan ringkasan yang masing-masing disebutkan sumbernya.
Medan, Februari 2020
Juarsan Try Rolanda 130801034
PENGHARGAAN
Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT. Atas berkat dan Ramat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan penyusunan skripsi ini yang berjudul “Desain dan Pengembangan Sistem Pendingin Menggunakan Termoelektrik Panel Surya Berbasis Mikrokontroler Arduino” dengan baik dan lancar.
Penulis menyadari bahwa tanpa bimbingan, bantuan, dorongan, dan Doa dari berbagai pihak, skripsi ini tidak akan dapat diselesaikan tepat pada waktunya. Oleh karena itu, pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua yaitu bapak Roslan Hast dan ibu Daswati yang telah memberikan dukungan moril dan material serta dorongan semangat, kasih sayang, dan doa yang tulus.
2. Bapak Prof. Dr. Marhaposan Situmorang selaku dosen pembimbing utama yang telah meluangkan waktunya, memberikan saran, arahan, petunjuk, motivasi dan semangat dalam penulisan skripsi ini.
3. Bapak Ferdinand Sinuhaji, dan Awan Maghfirah selaku ketua dan sekretaris Departemen Fisika, serta seluruh staf pengajar dan pegawai Departemen Fisika yang selalu memperhatikan penulis terutama dalam proses perkuliahan di Departemen Fisika FMIPA USU.
4. Terkhusus kepada saudara dan saudari penulis, Arsan Rolanda Pratama, Alhasti Dwi Rolanda, dan Hanni Diani Kwartini yang telah memberikan semangat dan doa.
5. Teman-teman seperjuangan Fisika 2013, Arman Zega, Irvan Khairiza, Eko Naibaho, Orlando Simanjuntak, Williams Sihite, Adi Pandiangan (Togel), Andreas Purba, Ostara Saragih, Lektro Hutabarat, Royi Aidiltra, serta teman- teman yang lain yang tidak bisa disebutkan namanya satu persatu yang telah menemani suka duka selama perkuliahan.
6. Teman-teman penulis, Rzky Fauzan, Oby Sihotang, Dede Sufi, Eko Lubis dan semua teman-teman dari Fass Dodmun FC yang telah memberi semangat dan doa.
Demikianlah yang dapat penulis sampaikan. Penulis menyadari bahwa penulisan ini masih jauh dari kesempurnaan. Maka dari itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun untuk menyempurnakan skripsi ini.
Semoga dapat bermanfaat bagi penulis dan pembaca.
Medan, Februari 2020
Juarsan Try Rolanda
DESAIN DAN PENGEMBANGAN SISTEM PENDINGIN MENGGUNAKAN TERMOELEKTRIK PANEL SURYA
BERBASIS MIKROKONTROLER ARDUINO
ABSTRAK
Telah didesain dan dikembangkan suatu sistem pendingin sebagai sistem pendingin untuk berbagai macam cairan dengan menggunakan termoelektrik dengan sumber daya panel surya dan pengaturan program dari mikrokontroler Arduino. Alat ini terdiri dari sensor suhu DS18B20 yang berfungsi sebagai pembaca suhu, Arduino Uno sebagai pengolah data, LCD sebagai display, MPPT sebagai pengontrol pengisian daya pada baterai, panel surya sebagai sumber energi. Software pada alat ini menggunakan program Arduino IDE. Alat ini digunakan untuk memonitoring suhu didalam ruang pendinginan. Prinsip kerja sistem ini secara umum adalah saat daya diberikan pada rangkaian, kontrolir akan membaca data dari sensor suhu DS18B20. Setelah itu data akan diolah oleh mikrokontroler. Setelah memperoleh data hasil olahan, data hasil tersebut kemudian ditampilkan pada LCD dan rangkaian relay akan menonaktifkan sistem ketika nilai suhu pada ruang pendingin menurun hingga mencapai suhu yang ditentukan (setpoint).
Kata kunci: Arduino Uno, Sensor Suhu DS18B20, MPPT, Panel Surya, TEC
DESIGN AND DEVEOPMENT OF COOLING SYSTEM USING SOLAR PANEL THERMOELECTIC BASED ON ARDUINO
MICROCONTROLLER
ABSTRACT
A cooling system has been designed and developed as a cooler for a variety of liquids using thermoelectric with solar panel resources and program settings from an Arduino microcontroller. This tool consist of a DS18B20 temperature sensor taht function as a temperature reader, arduino as a data processor, LD as a display, MPPT as a conttoller for charging the battery, solar panels as an energy source. The software on this tol uses the Arduino IDE program. This tool is used to monitor temperatures in the cooling rooom. The working principle of this system in general is that when the power is applied to the circuit, the controller will read data from the DS18B20 temperature sensor. After that the data will be processed by a microcontroller. After obtaining the processed data, the result data is then displayed on the LCD and the relay circuit will deactivate the system when the temperature value in the cooling chamber decreases until it reaches the specified temperature (setpoint).
Keywords: Arduino Uno, DS18B20 Temperature Sensor, MPPT, Solar Panel, TEC
DAFTAR ISI
Halaman
PERSETUJUAN iii
PERNYATAAN iv
PENGHARGAAN v
ABSTRAK vii
ABSTRACT viii
DAFTAR ISI ix
DAFTAR TABEL xii
DAFTAR GAMBAR xiii
DAFTAR SINGKATAN xiv
DAFTAR LAMPIRAN xv
BAB 1 PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang 1
1.2 Rumusan Masalah 3
1.3 Batasan Masalah 3
1.4 Tujuan Penelitian 4
1.5 Manfaat Penelitian 4
1.6 Sistematika Penulisan 4
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Termoelektrik 6
2.1.1 Sejarah Singkat Termoeletrik 6
2.1.2 Efek Seebeck 6
2.1.3 Efek Peltier 6
2.2 Elemen Termoelektrik Peltier 7
2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik 9
2.3.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendingin 9
2.3.2 Parameter Elemen Termoelektrik Sebagai Pendingin 11 2.3.3 Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier 11
2.4 Sensor Suhu 12
2.5 Relay 13
2.6 Arduino 14
2.7 Kipas Angin 12V 15
2.8 Stereofoam 16
2.9 Pompa Air 16
2.10 Interface 16
2.11 TEC 12706 17
2.12 Waterblock 17
2.13 Pasta Cooler 17
2.14 Panel Surya 18
2.15 Solar Charge Controller 18
2.16 Battery 19
BAB 3 PERANCANGAN SISTEM
3.1 Diagram Blok 21
3.2 Diagram Alir (FlowChart) 23
3.3 Rangkaian pengujian Arduino 26
3.4 Rangkaian Skematik LCD 27
3.5 Rankaian Sensor DS18B20 27
3.6 Rangkaian Pengujian Relay 28
3.7 Rangkaian Keypad Sebagai Input 29
3.8 Rangkaian Perangkat MPPT 29
3.9 Perancangan Perangkat Lunak 30
3.10 Rangkaian Keseluruhan 31
BAB 4 PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM
4.1 Penujian Adaptor 33
4.2 Pengujian LCD 33
4.3 Pengujian Rangkaian Arduino 35
4.4 Pengujian Sensor DS18B20 37
4.5 Pengujian Keypad 38
4.6 Pengujian Relay 40
4.7 Pengujian Modul SD Card 41
4.8 Pengujian MPPT 43
4.9 Pengujian Keseluruhan 45
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
5.1 Kesimpulan 50
5.2 Saran 50
DAFTAR PUSTAKA 52 LAMPIRAN 53
DAFTAR TABEL
Nomor Judul
Tabel Halaman
2.1 Fungsi Relay 13
4.1 Data Pengujian Arduino 36
4.2 Data Pengujian Sensor 38
4.3 Data Tegangan dan Arus MPPT Solar Charge Controller 44 dari Panel ke Battery
4.4 Data Tegangan dan Arus MPPT Solar Charge Controller 44 dari Battery ke TEC
DAFTAR GAMBAR
Nomor Judul
Gambar Halaman
2.1 Rangkaian Peltier 8
2.2 Elemen Peltier 9
2.3 Elemen Peltier (Sisi-sisi) 10
2.4 Susunan Elemen Peltier 12
2.5 Sensor Suhu 12
2.6 Relay 13
2.7 Arduino 15
3.1 Diagram Blok 21
3.2 Diagram Alir 24
3.3 Arduino Uno Referrence Design 26
3.4 Rangkaian Arduino Uno 26
3.5 Rangkaian LCD 27
3.6 Rangkaian Pengujian I2C 27
3.7 Rangkaian Sensor DS18B20 28
3.8 Rangkaian Relay 28
3.9 Rangkaian Keypad Sebagai Input 29
3.10 Rangkaian MPPT 30
3.11 Perancangan Perangkat Lunak 31
3.12 Rangkaian Keseluruhan 32
4.1 Pengujian Adaptor 33
4.2 Pengujian Tampilan LCD 35
4.3 Pengujian Arduino 37
4.4 Pengujian Sensor DS18B20 38
4.5 Pengujian Keypad 40
4.6 Pengujian Relay 40
4.7 Pengujian Modul SD Card 42
4.8 Grafik Penurunan Suhu 45
DAFTAR SINGKATAN
Singkatan Kepanjangan
TEM Thermoelectric Module
TEC Thermoelectric Cooling
DC Direct Current
HVAC Heating Ventilation and Air Conditioner
CFC Chlor Flour Carbor
MPPT Maximum Power Point Tracking
ADC Analog to Digital Converter
PWM Pulse Width Module
AC Alternating Current
USB Universal Serial Bus
ICSP In Circuit Serial Programming
FTDI Future Technology Devices International
CPU Central Processing Unit
EPS Expanded Polystyrene
GPU Graphics Processing Unit
PPU Picture Processing Unit
HDPE High-Density Polyethylene
SCC Solar Charge Controller
DAFTAR LAMPIRAN
Nomor Judul
Lamp. Halaman
1. Gambar Pengujian 53
2. Grafik Penurunan Suhu 56
3. Rangkaian Lengkap 57
4. Tabel Pengujian Sensor 58
Tabel Data Arus dan Tegangan MPPT Solar Charge Controller dari 56 Panel ke Battery
Tabel Data tegangan dan arus MPPT Solar Charge Controller dari 56 Battery ke TEC
5. Listing Program 59
6. Datasheet TEC 1-12706 65
7. Datasheet VRLA VOZ (12V-41Ah) 68
8. Datasheet PV 70
9. Datasheet MPPT Solar Charge Controller 12V-41Ah 72
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Beberapa peneliti telah menyelidiki Cara kerja generator termoelektrik dan konversi panas menggunakan kombinasi termodinamika dan non-termodinamika.
Peneliti tersebut menganalisis efek transfer panas antara perangkat termoelektrik dan panas eksternal tahap tunggal terhadap elemen tunggal generator termoelektrik dan konversi panas, juga karakteristik multi-elemen dengan pembalik tekanan perpindahan panas, energi panas di dalam perangkat termoelektrik, modul micro coolers thermoelectric dan kebocoran panas melalui kaki-kaki termoelektrik.
Ronggui Yang (2004) dalam penelitiannya bahwa pembuatan micro coolers thermoelectric memungkinkan termoelektrik untuk dijadikan komponen micro coolers atau perangkat optoelektronik serta paket pendingin. Sementara efek pendinginan dalam pendingin termoelektrik dapat digunakan untuk meningkatkan kinerja perangkat lebih lanjut. Mengenai micro device yang perlu ditangani adalah waktu konstan, waktu untuk mencapai suhu minimum (dan waktu untuk tetap berada di suhu minimum, yang terpenting untuk karakterisasi dan pemanfaatan efek pendinginan transient karena efeknya hanya dapat berkelanjutan untuk waktu yang terbatas. Karena objek yang didinginkan merupakan beban pada ruang pendingin termoelektrik yang akan mempengaruhi pencapaian suhu minimum. Dengan menganalisis kerja pendingin objek dan sistem pendingin micro thermoelectric terintegrasi. Untuk itu Ronggui Yang merancang sistem pendingin yang dapat diidentifikasi interface dengan memanfaatkan efek pendinginan transien yang dibuat berdasarkan konstanta waktu.
Kemudian Simon Lineykin (2007) telah meneliti bahwa Modul Termoelektrik (TEM) merupakan semikonduktor konversi energi yang baik, yang terdiri dari dua plat array 2N dan dari bahan semikonduktor yang berbeda (p dan n) membentuk N pasangan termoelektrik yang dialiri panas secara paralel dan elektrik secara seri.
Menurut Simon TEM juga dapat digunakan untuk pendingin, energi pemanas dan
generator. Misalnya sebagai pendingin termoelektrik (TEC), TEM telah diaplikasikan pada pengaturan panas dan perangkat pengontrol mikroelektronik seperti laser dioda dan CPU. Untuk generator termoelektrik (TEG), TEM juga digunakan untuk menghasilkan tenaga listrik di lokasi terpencil. Lalu dalam hal memahami fungsi rangkaian elektronik dan memfasilitasi pemisahan pendinginan atau masalah power generator tanpa memerlukan keahlian dalam rekayasa panas.
Lingen Chen (2009), merancang termoelektrik pembangkit listrik berdasarkan efek Seebeck dan termoelektrik pendingin berdasarkan efek Peltier. Chen menyelidiki bahwa termoelektrik memiliki kemampuan untuk dijadikan pembangkit listrik pendingin konvensional dan sistem pemanas. Menurut Chen, ketiadaan pergerakan komponen dalam peningkatan keandalan, pengurangan pemeliharaan dan peningkatan kinerja sistem, memungkinkan termoelektirk sangat cocok untuk diaplikasikan dalam berbagai skala tanpa membuat kerugian yang signifikan juga tidak menggunakan freon dapat menyebabkan kebocoran lingkungan yang berbahaya.
Chakib Alaoui (2011) membuat pemodelan termoelektrik Peltier untuk simulasi transien yang dirancang pada suatu ruang pendingin, suhu bagian dalamnya diukur pada tingkat energi yang berbeda daya inputnya dan membantu designer memprediksi perilaku panas sistem yang menggunakan termoelektrik Peltier. Alaoui menyimpulkan bahwa termoelektrik merupakan komponen semikonduktor berbasis elektronik yang berfungsi sebagai konversi panas berdasarkan efek Peltier. Jika komponen termoelektrik dialiri arus Direct Current (DC) dengan tegangan rendah, satu permukaan akan dingin dan permukaan lainnya menjadi panas. Kemudian jika aliran arus DC dibalik dari arah yang berlawanan, panas akan bergerak ke arah lain. Dengan demikian perangkat termoelektrik ini bekerja sebagai pemanas atau pendingin. Termoelektrik Peltier telah digunakan untuk perangkat medis, sensor teknologi, rangkaian pendingin terpadu, otomotif dan aplikasi militer.
Richard J, (2011) juga dalam penelitiannya menyimpulkan bahwa pada dasarnya pembangkit listrik termoelektrik merupakan alat paling baik untuk mengonversi aliran panas langsung menjadi tenaga listrik melalui efek Seebeck.
Richard memperhatikan, ada banyak sumber energi tingkat rendah yang melimpah di alam, salah satunya energi konversi termoelektrik. Misalnya panas laut, energi uap,
matahari dan berbagai bentuk limbah panas lainnya. Untuk itu beliau memanfaatkan modul termoelektrik tidak hanya sebagai pendingin, melainkan menjadikan modul termoelektrik sebagai pilihan terbaik untuk aplikasi konversi energi. Karena terbuat dari bahan semikonduktor dengan efisiensi tinggi pada suhu nominal dan cocok digunakan sebagai perangkat daya generator untuk sumber energi intensitas rendah.
Manor S. Raut (2012), me revolusi sistem Heating Ventilation and Air Conditioner (HVAC) baru dengan menggunakan elemen termoelektrik. Manoj S memperhatikan bahwa laju pertambahan jumlah penduduk dan peningkatan polusi yang saat ini sudah pada tingkat mengkhawatirkan, mendorong beliau untuk merancang dan membuat Thermoelectric Cooler (TEC) sebagai solusi. Perangkat kompresor pendingin konvensional dinilai memiliki banyak kekurangan yang berkaitan dengan efisiensi energi dan penggunaan pendingin Chlor Flour Carbon (CFC). Menurut Manoj S, kedua faktor tersebut secara tidak langsung akan mengakibatkan pemanasan global. Karena sebagian besar pembangkit listrik bergantung pada pembangkit listrik batu bara yang menambah gas rumah kaca ke atmosfer adalah penyebab utama pemanasan global. Pada aplikasinya, termoelektrik terus dikembangkan pada kulkas kecil, paket pendingin elektronik dan kamera thermal imaging. Sementara di bidang industri terus dikembangkan dan diamati, termasuk pendingin air, pendingin insulin, wadah minuman dan lain-lain. Sampai saat ini, alternatif yang lebih baik untuk pendingin CFC masih diteliti dan dikembangkan.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang sebelumnya, maka penulis merumuskan beberapa hal yang menjadi masalah dalam penelitian ini, yaitu:
1. Bagaimana membuat desain sistem pendingin menggunakan termoelektrik Peltier Cooler dan panel surya/battery.
2. Bagaimana membuat program pelacakan daya maksimum (MPPT) pada mikrokontroler sebagai Solar Charge Controller pada desain sistem pendingin.
3. Bagaimana menganalisa kinerja (performance) pada sistem pendingin.
1.3 Batasan Masalah
Untuk mendapatkan suatu hasil penelitian dari permasalahan yang ditentukan, maka perlu ada pembatasan masalah penelitian.
1. Menggunakan termoelektrik Peltier Cooler sebagai pendingin.
2. Menggunakan panel surya/battery sebagai sumber energi untuk pendingin termoelektrik Peltier Cooler.
3. Menggunakan mikrokontroler data sebagai monitoring dan pengontrol suhu pada termoelektrik Peltier Cooler dan panel surya/battery.
1.4 Tujuan Penelitian
1. Untuk membuat desain sistem pendingin.
2. Untuk membuat program pelacakan daya maksimum (MPPT) pada mikrokontroler.
3. Untuk menghitung koefisien performance sistem pada sistem pendingin.
1.5 Manfaat Penelitian
1. Mampu memanfaatkan elemen Peltier sebagai bahan sistem pendingin.
2. Mampu membuat program pelacakan daya maksimum (MPPT) pada mikrokontroler.
3. Mampu menganalisa kinerja (performance) sistem pendingin minuman.
1.6 Sistematika Penulisan
Untuk mempermudah pembahasan dan pemahaman skripsi ini, maka penulis membuat sistematika penulisan. Adapun sistematika penulisan skripsi ini adalah sebagai berikut
BAB 1 PENDAHULUAN
Bab ini mencakup latar belakang penelitian, batasan masalah yang akan diteliti, rumusan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, tempat penelitian, dan sistematika penelitian
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
Bab ini membahas tentang landasan teori yang menjadi acuan untuk proses pengambilan data, analisa data serta pembahasannya.
BAB 3 METODOLOGI PENELITIAN
Bab ini membahas tentang perancangan sistem, diagram blog, flowchart (diagram alir), dan perancangan program.
BAB 4 PENGUJIAN SISTEM
Bab ini membahas tentang pengujian dan uji coba aplikasi dari program yang telah dibuat dan pengolahan data dari hasil pengujian.
BAB 5 KESIMPULAN DAN SARAN
Bab ini berisikan tentang kesimpulan yang diperoleh dari penelitian yang dilakukan dan memberikan saran untuk kajian penelitian selanjutnya.
BAB 2
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Termoelektrik
2.1.1 Sejarah Singkat Termoelektrik
Efek termoelektrik merupakan subjek paling penting dalam ilmu fisika di bidang benda padat. Efek utama yang digunakan adalah efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821 dan efek Peltier yang ditemukan oleh Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834. Yang keduanya mempunyai peranan penting dalam aplikasi praktik.
Termoelektrik didasarkan pada Efek Peltier. Efek Peltier adalah salah satu dari tiga efek termoelektrik, dua lainnya dikenal sebagai efek Seebeck dan efek Thomsont. Sedangkan dua efek terakhir terdapat pada konduktor tunggal, efek Peltier adalah fenomena khusus persimpangan pada dua batang semikonduktor.
2.1.2 Efek Seebeck
Efek Seebeck pertama kali diamati oleh dokter Thomas Johann Seebeck, pada tahun 1821, ketika ia mempelajari fenomena thermoelectric. Ini terdiri dalam produksi yang tenaga listrik antara dua semikonduktor ketika diberikan perbedaan suhu. Panas dipompa ke satu sisi pasangan dan ditolak dari sisi yang berlawanan.
Sebuah arus listrik yang dihasilkan, sebanding dengan gradien suhu antara panas dan dingin sisi. Perbedaan suhu di seluruh konverter menghasilkan arus searah ke beban menghasilkan tegangan terminal dan arus terminal. Tidak ada energi menengah proses konversi. Untuk alasan ini, pembangkit listrik thermoelectric diklasifikasikan langsung sebagai daya konversi.
Penghubung junction 1 dan 2 dari logam semikonduktor yang terbuat dari material yang berbeda, yaitu material A dan material B, dikondisikan dalam temperature yang berbeda T1 dan T2.
2.1.3 Efek Peltier
Jean Charles Athanase Peltier pada tahun 1834 telah mendasari efek termoelektrik pada sistem pendingin. Ketika arus listrik melewati persimpangan dua plat bahan semikonduktor dengan sifat yang berbeda akan terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua plat tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Penyerapan dan pelepasan panas yang terjadi saling berbalik ketika arah polaritas nya dibalik.
Efek peltier terjadi karena adanya arus listrik yang memiliki arus kalor dalam konduktor homogen nya, yang terjadi walaupun temperatur dalam keadaan konstan.
Akibat dari arus kalor menurut ∏ ∙ I . Persamaan kalor peltier merupakan keseimbangan aliran kalor dari dan menuju interface. Arus kalor bersama arus listrik dapat dijelaskan melalui perbedaan kecepatan aliran elektron yang membawa arus listrik. Kecepatan aliran bergantung pada energi dari elektron yang mengalami konduksi. Sebagai contoh, jika kecepatan aliran suatu elektron dengan energi lebih dari potensi kimia (energi Fermi) lebih besar dari elektron dengan energi yang rendah, arus listrik bersama arus kalor dengan arah yang berlawanan (karena beban listrik negatif). Dalam hal ini koefisien Peltier bernilai negatif. Dalam keadaan yang sama akan terjadi juga untuk ȵ semikonduktor, dimana arus listrik yang dibawa oleh elektron dalam kedaan ikatan konduksi. Koefisien Seebeck dan Peltier Q dan ∏ menurut hubungan yang sudah ditemukan oleh Lord Kelvin, untuk setiap nilai derivasi yang valid hanya dapat dibuktikan setelah menggunakan teori kinetik dari konduksi elektron atau termodinamika irreversible. Kelvin menghubungkan material semikonduktor untuk menghasilkan dua efek yang berbeda dengan konsekuensi seperti yang dijelaskan pada efek Peltier di atas.
2.2 Elemen Termoelektrik Peltier
Elemen termoelektrik Peltier merupakan semikonduktor tipe-p dan tipe-n yang dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik tertutup yang terdapat beban. Dari perbedaan suhu yang ada pada tiap junction di tiap semikonduktor tersebut akan menyebabkan elektron berpindah dari sisi panas menuju sisi dingin.
Jika pada batang logam semikonduktor berlaku prinsip kedua efek (efek Seebeck dan efek Peltier), batang semikonduktor dipanaskan dan didinginkan pada
dua semikonduktor tersebut, maka elektron pada sisi panas semikonduktor akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi dibandingkan dengan sisi dingin semikonduktor. Dengan kecepatan yang lebih tinggi pula, maka electron dari sisi panas akan mengalami difusi ke sisi dingin dan menyebabkan timbulnya medan elektrik pada semikonduktor tersebut.
Elemen peltier atau pendingin termoelektrik (thermoelectric cooler) merupakan alat yang dapat menimbulkan perbedaan suhu antara kedua sisinya jika dialiri arus listrik searah pada kedua kutub material nya, dalam hal ini semikonduktor. Dalam hal refrigerasi, keuntungan utama dari elemen peltier adalah tidak adanya bagian yang bergerak atau cairan yang bersirkulasi dan ukurannya kecil serta bentuknya sangat mudah untuk di rekayasa. Sedangkan kekurangan dari elemen peltier ada pada faktor efisiensi daya yang rendah dan biaya perancangan sistem yang masih relative mahal. Namun kini banyak peneliti yang sedang mencoba mengembangkan elemen peltier yang lebih murah dan juga efisien. (Rio Wirawan, 2012)
Gambar 2.1 Rangkaian Peltier
Elemen peltier tersusun atas serangkaian dua tipe semikonduktor (tipe p dan tipe n) yang dihubungkan secara seri. Pada setiap dua sambungan antara dua tipe semikonduktor tersebut dari logam/tembaga. Interkoneksi konduktor tersebut diletakkan masing-masing di bagian bawah semikonduktor. Konduktor bagian atas ditunjukkan untuk membuang kalor dan konduktor bagian bawah ditunjukkan untuk menyerap kalor. Pada kedua bagian interkoneksi ditampilkan plat yang terbuat dari keramik. Plat tersebut dibuat untuk memusatkan kalor yang ditimbulkan oleh konduktor.
Elemen peltier yang sedang dialiri oleh arus listrik yang menimbulkan perbedaan suhu pada kedua interkoneksi. Interkoneksi yang dialiri arus listrik dari arah semikonduktor tipe n menuju tipe p akan menyerap kalor atau dengan kata lain menjadi dingin. Sedangkan, interkoneksi yang dialiri arus dari arah semikonduktor tipe p menuju tipe n akan membuang/mendisipasi kalor atau dengan kata lain menjadi panas.
Gambar 2. 2 Elemen Peltier
Interkoneksi antara semikonduktor pada elemen peltier terbuat dari konduktor yang menyebabkan arus dapat mengalir dalam kedua arah, berbeda dengan diode yang interkoneksi nya (depletion layer) hanya membuat arus mengalir dalam satu arah saja. (R. Umoh, 2010).
2.3 Prinsip Kerja Termoelektrik
2.3.1 Prinsip Kerja Termoelektrik Sebagai Pendingin
Prinsip kerja tremoelektrik sebagai pendingin berdasarkan efek Peltier, ketika arus DC dialirkan ke elemen peltier yang terdiri dari beberapa sel semikonduktor tipe p (semikonduktor yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah) dan tipe n (semikonduktor yang memilki tingkat energi yang lebih tinggi), akan mengakibatkan salah satu sisi elemen peltier menjadi dingin (kalor diserap) dan sisi lainnya menjadi panas (kalor dilepaskan). Sisi elemen peltier yang menjadi panas maupun dingin tergantung dari arah aliran arus listrik, seperti gambar di bawah in
Gambar 2. 3 Elemen Peltier (Sisi-sisi)
Hal yang menyebabkan sisi dingin elemen peltier menjadi dingin adalah mengalirnya electron dari tingkat energi yang lebih rendah pada semikonduktor tipe p, ke tingkat energi yang lebih tinggi yaitu semikonduktor tipe n. Agar elektron tipe p yang memiliki tingkat energi yang lebih rendah dapat mengalir maka elektron akan menyerap kalor yang mengakibatkan sisi tersebut menjadi dingin. Sedangkan pelepasan kalor ke lingkungan terjadi pada sambungan sisi panas, dimana elektron mengalir dari tingkat energi yang lebih tinggi (semikonduktor tipe n) ke tingkat energi yang lebih rendah (semikonduktor tipe p), untuk dapat mengalir ke semikonduktor tipe p, kelebihan energi pada tipe n akan dibuang ke lingkungan dan sisi tersebut menjadi panas.
Penyerapan kalor dari lingkungan terjadi pada sisi dingin yang kemudian akan dibuang pada sisi panas dari elemen peltier. Membuat nilai kalor yang dilepas pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap ditambah dengan daya yang diberikan pada modul termoelektrik, atau sesuai dengan persamaan
𝑄ℎ = 𝑄𝑐 + 𝑄𝑚 Dengan:
Qh = kalor yang dilepaskan pada bagian hot side elemen Peltier (Watt) Qc = kalor yang diserap pada bagian cold side elemen Peltier (Watt)
Pm = daya input (Watt)
Bila elektron mengalir pada semikonduktor dari tipe p (kekurangan energi), menyerap kalor pada bagian yang didinginkan kemudian mengalir ke semikonduktor tipe n. Semikonduktor tipe n yang kelebihan energi akan membuang (melepaskan) energi tersebut ke lingkukungan dan mengalir ke semikonduktor tipe p dan seterusnya.
2.3.2 Parameter Elemen Termoelektrik Peltier Sebagai Pendingin
Pada penggunaan modul termoelektrik terdapat tiga parameter penting yang perlu diperhatikan yaitu:
1. Temperatur permukaan sisi panas Peltier / hot side (Th) 2. Temperatur permukaan sisi dingin Peltier / cold side (Tc)
3. Beban kalor yang dapat ditransfer dari kompartemen dingin (Qc) di dalam panas modul, yaitu :
• Temperatur ambien lingkungan
• Efisiensi Heat Sink yang digunakan pada sisi panas modul.
Ada 2 ∆T temperatur yaitu ∆T sistem dan ∆T elemen. ∆T adalah merupakan temperatur perbedaan temperatur antara sisi dingin elemen peltier dan sisi panas elemen peltier. Secara umum pencapaian ∆T (Tpanas - Tdingin) dari modul termoelektrik selalu mendekati konstan. Jika Tpanas semakin rendah maka Tdingin
semakin dingin bila Tpanas akan semakin tinggi maka Tdingin tidak perlu dingin.
2.3.3 Komponen Dasar Sistem Pendingin Termoelektrik Peltier
Pada pendingin termoelektrik Peltier terdapat heat sink yang berfungsi untuk menyerap kalor pada sisi dingin elemen peltier maupun pada pembuangan kalor pada sisi panas peltier. Susunan dasar termoelektrik setidaknya terdiri dari elemen-elemen peltier dan heat sink baik pada sisi dingin elemen peltier maupun pada sisi panas.
Bagian yang didinginkan dapat langsung dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier maupun dihubungkan terlebih dahulu dengan alat penukar kalor sebelum dihubungkan dengan sisi dingin elemen peltier. Alat penukar kalor tersebut dapat
berupa fluida. Kalor yang dihasilkan pada sisi panas elemen peltier akan disalurkan ke lingkungan melalui udara baik secara konveksi paksa maupun alami atau dengan media pendingin air maupun cairan lainnya. Susunan pendingin termoelektrik dengan berbagai cara perpindahan kalor baik dari media udara, cairan dan padat dapat dilukiskan pada gambar 2.5 berikut. (Tri Purwadi, 2012).
Gambar 2. 4 Susunan Elemen Peltier 2.4 Sensor Suhu
Sensor suhu DS18B20 adalah sensor suhu yang memiliki keluaran digital.
DS18B20 memiliki tingkat akurasi yang cukup tinggi, yaitu 0,5°C pada rentang suhu -10°C sampai +85°C. Sensor suhu pada umumnya membutuhkan ADC dan beberapa pin port pada mikrokontroler, namun DS18B20 ini tidak membutuhkan ADC agar dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler dan hanya membutuhkan 1 wire saja.
Gambar 2. 5 Sensor Suhu
Pada Gambar ditunjukkan bahwa pin ground dan Vdd dihubungkan dengan Vcc, sedangkan pin DQ dihubungkan dengan pin I/O pada mikrokontroler. Data yang dikeluarkan berupa data digital dengan nilai ketelitian0,5℃.
2.5 Relay
Transistor tidak dapat berfungsi sebagai switch (saklar) pada tegangan Alternating Current (AC) atau tegangan tinggi. Selain itu tidak digunakan sebagai switching untuk arus besar (di atas 5 A). Untuk itu penggunaan relay dalam penelitian ini sangatlah cocok. Di samping relay berfungsi sebagai switch juga berfungsi bekerja berdasarkan input yang dimilikinya.
Gambar 2. 6 Relay Tabel 2.1 Fungsi Relay
1. Relay dapat digunakan sebagai switch AC dan DC (transistor hanya bisa digunakan pada switch DC)
2. Relay dapat digunakan switch tegangan tinggi (transistor Keuntungan
tidak)
3. Relay cocok sebagai switch untuk arus besar
4. Relay mampu switch banyak kontak dalam satu waktu
1. Relay ukurannya jauh lebih besar dibanding transistor 2. Relay tidak dapat switch dengan cepat dibanding transistor
Kerugian 3. Relay butuh daya lebih besar dibanding transistor
4. Relay membutuhkan arus input yang lebih besar disbanding transistor
Relay sebagai switch tegangan tinggi juga dibutuhkan untuk transistor tegangan rendah. Relay akan aktif apabila ada masukan input tegangan yang cukup pada basis transistor. Namun demikian, relay juga harus stabil artinya relay harus dapat membedakan antara arus gangguan atau arus beban maksimum.
Kecepatan respons relay sebagai switch sangat cepat. Jika ada masukan input atau gangguan, relay akan bekerja hanya dalam waktu ±10 ms. Kecepatan kerja relay sebagai pengaman mutlak diperlukan karena untuk menjaga kestabilan sistem agar tidak terganggu. (Widodo & Sigit, 2008).
2.6 Arduino
Arduino adalah board mikrokontroler berbasis ATmega328 (datasheet).
Memiliki 14 pin input dari output digital dimana 6 pin input tersebut dapat digunakan sebagai output PWM dan 6 pin input analog, 16 MHz osilator kristal, koneksi USB, jack power, ICSP header, dan tombol reset. Untuk mendukung mikrokontroler agar dapat digunakan, cukup hanya menghubungkan Board Arduino Uno ke komputer dengan menggunakan kabel USB atau listrik dengan AC yang-ke adaptor-DC atau baterai untuk menjalankannya. Uno berbeda dengan semua board sebelumnya dalam hal koneksi USB-to-serial yaitu menggunakan fitur Atmega8U2 yang diprogram sebagai converter USB-to-serial berbeda dengan board sebelumnya yang menggunakan chip FTDI driver USB-to-serial
.
Gambar 2. 7 Arduino
Nama “Uno” berarti satu dalam bahasa Italia, untuk menandai peluncuran Arduino 1.0. Uno dan versi 1.0 akan menjadi versi referensi dari Arduino. Uno adalah yang terbaru dalam serangkaian board USB Arduino, dan sebagai model referensi untuk platform Arduino, untuk perbandingan dengan versi sebelumnya, lihat indeks board Arduino.
2.7 Kipas Angin 12V (4x4)
Kipas angin dipergunakan untuk menghasilkan angin. Fungsi yang umum adalah untuk pendingin udara, penyegar udara, ventilasi (exhaust fan), pengering (umumnya memakai komponen penghasil panas). Kipas angin juga ditemukan di sistem penyedot debu dan berbagai ornamen untuk dekorasi ruangan.
Kipas angin secara umum dibedakan atas kipas angin tradisional antara lain kipas angin tangan dan kipas angin listrik yang digerakkan menggunakan tenaga listrik. Perkembangan kipas angin semakin bervariasi baik dari segi ukuran, penempatan posisi, serta fungsi. Ukuran kipas angin mulai kipas angin mini (Kipas angin listrik yang dipegang tangan menggunakan energi baterai), kipas angin digunakan juga di dalam unit CPU komputer seperti kipas angin untuk mendinginkan processor, kartu grafis, power supply dan cassing. Kipas angin tersebut berfungsi untuk menjaga suhu udara agar tidak melewati batas suhu yang ditetapkan. Kipas angin juga dipasang pada alas atau tatakan Laptop untuk menghantarkan udara dan membantu kipas laptop dalam mendinginkan suhu laptop tersebut.
Kipas angin dapat dikontrol kecepatan hembusan dengan 3 cara yaitu menggunakan pemutar, tali penarik serta remote control. Perputaran baling-baling
kipas angin dibagi dua yaitu centrifugal (Angin mengalir searah dengan poros kipas) dan Axial (Angin mengalir secara pararel dengan poros kipas)
2.8 Stereofoam
Styrofoam adalah kemasan makanan sekali pakai dari busa untuk berbagai makanan. Kata "Styrofoam" sering digunakan untuk expanded polystyrene (EPS) atau busa polistirena yang diperluas (busa EPS). Akan tetapi, "Styrofoam"
sebenarnya adalah merek dagang milik The Dow Chemical Company untuk busa polistirena ekstrusi sel tertutup yang dibuat untuk isolasi termal dan aplikasi kerajinan.
Polistirena adalah plastik berbasis minyak bumi yang terbuat dari stirena monomer. Dalam bahasa Inggris, tempat makan Styrofoam disebut foam food container atau kemasan makanan dari busa. Dengan demikian, benda yang sering orang sebut sebagai "tempat makan Styrofoam" sebenarnya merujuk pada
"kemasan makanan dari busa". Kemasan berbahan busa EPS sangat ringan, bahkan 30 kali lebih ringan daripada polistirena biasa. Kemasan makanan dari busa ini juga kedap air, mampu menyerap guncangan dan berbiaya rendah. Selain itu, kemasan makanan berbahan busa EPS tersusun dari butiran dengan kerapatan rendah dan memiliki ruang antar butiran yang berisi udara yang tidak dapat menghantar panas membuatnya menjadi insulator panas yang sangat baik. Dengan demikian, makanan dan minuman panas yang disimpan dalam kemasan dari busa EPS dapat relatif terjaga suhunya.
2.9 Pompa Air
Pompa air adalah sebuah teknik dasar dan terapan, yang diterapkan saat air melebihi cangkupan dengan tangan seseorang atau mengangkatnya dengan keranjang yang dipegang oleh tangan. Pompa air juga dipakai untuk membawa air dari sumber murni, dipindahkan ke lokasi terdekat, dimurnikan atau dipakai untuk irigasi, mandi atau pengolahan limbah, atau untuk mengevakuasi air dari lokasi tak diinginkan.
Terlepas dari hasilnya, tenaga yang dipakai untuk pompa air sangat bergantung pada kadar air yang diinginkan. Seluruh proses lainnya bergantung atau dimanfaatkan dari air yang turun dari ketinggian atau beberapa sistem pompa tekan.
2.10 Interface
Sebuah titik, wilayah, atau permukaan dimana dua zat atau benda berbeda bertemu, digunakan secara metafora untuk perbatasan antara benda. Bentuk kerja dari interface berarti menghubungkan dua atau lebih benda pada suatu titik atau batasan yang terbagi, atau untuk menyiapkan kedua benda untuk tujuan tersebut.
2.11 TEC1 12706
Sebagian besar pendingin termoelektrik memiliki ID yang dicetak pada sisi yang didinginkan. ID dengan jelas menunjukkan ukuran, jumlah tahapan, jumlah pasangan dan peringkat saat ini dalam amp. TEC112706 merupakan ID yang sangat umum, berbentuk bujur sangkar dengan ukuran 40mm dan tinggi 3-4 mm, kemampuan bergerak sekitar 60 W atau menghasilkan perbedaan suhu 60℃C dengan arus 6 Amp dengan hambatan listrik sebesar 1-2 Ohm
2.12 Waterblock
Waterblock adalah padanan pendingin air dari heatsink. Ini dapat digunakan pada banyak komponen komputer yang berbeda, termasuk unit pemrosesan pusat (CPU), GPU, PPU dan chipset Northbride pada motherboard. Ini terdiri dari setidaknya dua bagian utama; “base”, yaitu area yang bersentuhan dengan perangkat yang sedang didinginkan dan biasanya dibuat dari logam dengan konduktivitas termal yang tinggi seperti aluminium atau tembaga. Bagian kedua; “top”, memastikan air terkandung dengan aman di dalam Blok air dan memiliki koneksi yang memungkinkan selang untuk menghubungkannya dengan loop pendingin air.
Bagian top dapat dibuat dari logam yang sama dengan base, Perspex transparan, Delrin, Nylon atau HDPE. Sebagian besar waterblock yang baru juga mengandung pelat tengah yang berfungsi untuk menambahkan tabung jet, nozel dan perangkat pengubah aliran lainnya.
2.13 Pasta Cooler
Pasta Cooler atau juga disebut pelumas termal, adalah senyawa konduktif termal (tetapi biasanya isolasi listrik), yang digunakan sebagai antarmuka antara heat sink dan sumber panas seperti perangkat semikonduktor daya tinggi. Peran utama pasta
cooler adalah untuk menghilangkan celah udara atau ruang (yang bertindak sebagai isolasi termal) dari area antarmuka untuk memaksimalkan perpindahan dan pembuangan panas. Pasta cooler adalah contoh dari bahan antarmuka termal.
2.14 Panel Surya
Panel surya merupakan pembangkit listrik yang mampu mengonversi sinar matahari menjadi arus listrik. Energi matahari sesungguhnya merupakan sumber energi yang paling menjanjikan mengingat sifatnya yang berkelanjutan (sustainable) serta jumlahnya yang sangat besar. Matahari merupakan sumber energi yang diharapkan dapat mengatasi permasalahan kebutuhan energi masa depan setelah berbagai sumber energi konvensional berkurang jumlahnya serta tidak ramah terhadap lingkungan. Pada solar cell dibutuhkan material yang dapat menangkap matahari, dan energi tersebut digunakan untuk memberikan energi ke elektron agar dapat berpindah melewati band gap nya ke pita konduksi, dan kemudian dapat berpindah ke rangkaian luar. Melaui proses tersebutlah arus listrik dapat mengalir dari solar cell. Umumnya deviasi dari solar cell ini menggunakan prinsip PN junction. Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya hanya diterima oleh permukaan bumi sebesar 69% dari total energi yang dipancarkan matahari.
Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luar biasa besarnya yaitu mencapai 0,5 miliar energi matahari atau kira-kira1,3 × 1017𝑊𝑎𝑡𝑡.
2.15 Solar Charge Controller (SCC)
Solar charge controller adalah komponen penting dalam Pembangkit Listrik Tenaga Surya. Pada dasarnya fungsi dari charge controller adalah mengatur voltage yang didapat dari panas matahari agar voltage yang masuk kedalam aki menjadi tidak berlebih. Beberapa fungsi dari solar charge controller adalah (a) Mengatur arus untuk pengisian ke baterai, menghindari overcharging dan overvoltage, (b) Mengatur arus yang dibebaskan/diambil dari baterai agar baterai tidak full discharge, dan overloading dan (c) Monitoring temperatur baterai.
Solar charge controller yang baik biasanya mempunyai kemampuan mendeteksi kapasitas baterai. Bila baterai sudah penuh terisi maka secara otomatis pengisian arus
dari panel surya berhenti. Cara deteksi adalah melalui monitor level tegangan tertentu, kemudian apabila level tegangan turun maka baterai Akan diisi kembali.
Solar charge controller biasanya terdiri dari: 1 input (2 terminal) yang terhubung dengan output panel sel surya, 1 output (2 terminal) yang terhubung dengan baterai/aki dan 1 output (2 terminal yang terhubung dengan beban). Arus listrik DC yang berasal dari baterai tidak mungkin masuk ke panel sel surya karena biasanya ada diode protection yang hanya dilewati arus listrik DC dari panel sel surya ke baterai, bukan sebaliknya.
Cara kerja solar charge controller antara lain: (a) Charging Mode Solar Charge Controller dan (b) Mode Operasi Solar Charge Controller.
1. Charging Mode Solar Charge Controller
Dalam charging mode, umumnya baterai diisi dengan metode three stage charging:
a) Fase bulk: baterai akan di-charge sesuai dengan tegangan setup (bulk) antara 14.4 – 14.6 Volt) dan arus diambil secara maksimum dari panel surya. Pada saat baterai sudah pada tegangan setup (bulk) di mulailah fase absorption.
b) Fase absorption: pada fase ini, tegangan baterai akan dijaga sesuai dengan tegangan bulk, sampai solar charge controller timer (umumnya satu jam) tercapai, arus yang dialirkan menurun sampai tercapai kapasitas dari baterai.
c) Fase float: baterai akan dijaga pada tegangan float setting (umumnya 13.4- 13.7 Volt). Beban yang terhubung ke baterai dapat menggunakan arus maksimum dari panel surya pada stage ini.
2. Mode Operation Solar Charge Controller
Pada mode ini, baterai akan melayani beban. Apabila ada over-discharge atau over-load, maka baterai akan dilepaskan dari beban. Hal ini berguna untuk mencegah kerusakan dari baterai.
2.16 Battery
Baterai atau aki, atau bisa juga Battery adalah sebuah sel listrik dimana di dalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (dapat berbalikan) dengan
efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel, adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan), dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia, pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektrode-elektrode yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan di dalam sel.
Baterai berfungsi untuk menyimpan energi listrik dalam bentuk energi kimia, yang akan digunakan untuk menyuplai (menyediakan) listrik ke komponen - komponen kelistrikan lainnya.
Baterai ini berisi air Battery (cairan asam belerang / sulfuric acid). Pada Battery basah, terdapat lubang dengan tutup yang dapat dibuka-tutup untuk menambah air Baterai. Air Battery dapat berkurang saat Battery digunakan. Hal ini terjadi karena reaksi kimia di dalam Battery antara air Battery dengan sel Battery.
BAB 3
METODE PENELITIAN
3.1 Diagram Blok
Untuk memudahkan mempelajari dan memahami cara kerja alat ini, maka perancangan alat ini dibuat berdasarkan diagram Blok. Adapun diagram Blok rancang bangun sistem pendingin menggunakan termoelektrik panel surya berbasis mikrokonroler arduino adalah sebagai berikut.
Charge Conroller Ruang Pengujian
TEC1 12706
Mikrokontroler
Sensur Suhu Pembuangan Panas
Keypad Battery
Panel Surya
Modul SD Card
Gambar 3.1 Diagram Blok
Diagram Blok sistem yang disajikan pada gambar diatas memperlihatkan bagian-bagian utama sistem serta input output. Input sistem adalah energi listrik yang bersumber dari panel surya, charge controller mengatur daya maksimal yang diperoleh, battery menyimpan daya yang dihasilkan, output system adalah suhu.
Suhu awal ditetapkan oleh keypad, mikrokontroler mengeksekusi perintah untuk menghitung perubahan suhu yang terjadi di dalam ruang pengujian, data yang dihasilkan akan disimpan melalui Modul SD Card. Battery memberikan arus listrik pada TEC1 12706, sehingga menyebabkan terjadinya suhu panas pada sisi pembuangan panas dan suhu dingin pada sisi ruang pengujian. LCD akan menampilkan perubahan suhu dari sensor DS18B20. Panas dibuang menggunakan pompa saat bernilai ON, pompa mengalirkan air secara terus menerus agar panas dapat terbuang ke air sebagai pembuang panas, waterblock sebagai heatsink pada air sebagai pembuang panas.
Keterangan:
Panel Surya : Sebagai penghasil daya yang mengubah cahaya menjadi
listrik.
Charge Controller : Sebagai pengatur daya maksimal yang dihasilkan oleh panel surya, pembaca arus dan tegangan.
Battery : Sebagai tempat penyimpanan daya yang dihasilkan oleh
panel surya.
TEC 12706 : Sebagai penimbul suhu saat dialiri arus listrik dari
battery.
Sensor Suhu : Sebagai sensor untuk mengukur suhu.
Mikrokontroler : Sebagai pemrogram untuk mengeksekusi perintah
disetiap rangkaian.
Keypad : Sebagai kendali input awal suhu.
Modul SD Card : Sebagai penyimpan data hasil pembacaan sensor suhu.
3.2 Diagram Alir (Flowchart)
Perancangan perangkat lunak adalah proses perancangan untuk pembuatan program yang nantinya akan dijalankan oleh mikrokontroler. Sebuah mikrokontroler tidak akan bekerja sebelum diberikan program. Sebelum membuat program untuk sistem, diperlukan terlebih dahulu untuk membuat diagram alir (flowchart) dari program yang akan dibuat. Pembuatan diagram alir (flowchart) diperlukan untuk mempermudah sekaligus memahami pengerjaan program sehingga susunan program tidak berantakan dan terarah. Diagram alir (flowchart) dapat dilihat pada gambar berikut.
Start
Inisiasi pin sensor keypad relay I2c dan lcd
Penentu set point suhu dengan keypad
Arduino nano
Deteksi suhu ruangan dan set point
Setpoint <= suhu
Pompa dan TEC ON YES
Selesai
Pompa dan TEC OFF NO
Tampilkan srt time dan suhu pada LCD1602 dan simpam sd card
Gambar 3.2 Diagram Alir
Penjelasan diagram alir tersebut dimulai dengan inisialisasi dan nilai awal yaitu suatu proses menentukan parameter mikrokontroler, misalnya input dan output port, parameter komunikasi serial, kemudian dengan membaca sensor dimana adanya
proses mikrokontroler membaca data dari sensor DS18B20. Suhu awal ditetapkan sebagai setpoint agar pompa dan TEC memiliki keadaan ON dan OFF.
Prinsip kerja sistem digambarkan pada diagram alir dimulai dengan memberikan suhu awal sebagai setpoint melalui rangkaian keypad. Pompa dan TEC ON. Arduino Uno akan melakukan tugasnya setelah reset awal dan inisialisasi.
Arduino Uno akan membaca data sensor. Setelah menerima data tersebut, Arduino Uno mengolah data, dan mengonversikan data tersebut menjadi nilai suhu dengan satuan℃. Data hasil olahan kemudian ditampilkan pada penampil LCD, saat suhu mencapai setpoint maka pompa dan TEC OFF. Setpoint memiliki nilai sistem pendingin pada umumnya. Panas dibuang menggunakan pompa saat bernilai ON, pompa mengalirkan air secara terus menerus agar panas dapat terbuang ke air sebagai pembuang panas, waterblock sebagai heatsink pada padanan yang terhubung ke sisi pendingin TEC dan air.
3.3 Rangkaian Pengujian Arduino
Mikrokontroler yang digunakan dalam rangkaian ini adalah Arduino Uno.
Arduino Uno dalam rangkaian ini berfungsi sebagai penghasil sinyal, pengatur dutycycle, Pengatur Feedback, Pembaca tegangan dan untuk menampilkan data ke LCD. Berikut adalah penggunaan Arduino Uno dalam rangkaian DC to DC Converter.
Gambar 3.3 Arduino Uno Reference Design
Dengan skematik rangkaian
Gambar 3.4 Rangkaian Arduino Uno
3.4 Rangkaian LCD
Pengoperasian LCD dengan Arduino. Setelah sensor pir sudah mendeteksi gelombang infrared, variable resistor akan mengirimkan data ke Arduino melalui pin-pin kemudian Arduino menerima data yang terbaca dan ditampilkan oleh LCD.
Berikut adalah skematik rangkaian LCD.
Gambar 3.5 Rangkaian LCD
Keterangan rangkaian diatas adalah:
1. SIM1 adalah Arduino NANO yang berfungsi sebagai pusat sistim bekerja.
2. J2 adalah soket penghubung ke LCD.
3. J3 adalah soket penghubung ke LCD.
4. J4 adalah soket penghubung ke GND Resistor Variabel.
5. J5 adalah soket penghubung ke Resistor Variabel.
6. J6 adalah soket penghubung ke VCC Resistor Variabel.
Pengujian Inter-Intergrated Circuit (I2C) ditujukan untuk menguji apakah LCD berfungsi dengan baik atau tidak, berikut skematik rangkaian I2C.
Gambar 3.6 Rangkaian Pengujian I2C
3.5 Rangkaian Sensor Suhu DS18B20
Sensor suhu DS18B20 adalah sensor suhu yang memiliki keluaran digital.
DS18B20 memiliki tingkat akurasi yang cukup tinggi, yaitu 0,5°C pada rentang suhu -10°C sampai +85°C. Sensor suhu pada umumnya membutuhkan ADC dan beberapa pin port pada mikrokontroler, namun DS18B20 ini tidak membutuhkan ADC agar dapat berkomunikasi dengan mikrokontroler dan hanya membutuhkan 1 wire saja.
DS18B20 adalah sensor suhu yang memiliki tingakat keakurasian yang harus dikalibrasi dengan pengaman pin pada gambar
Gambar 3.7 Rangkaian Sensor DS18B20
3.6 Rangkaian Relay
Transistor tidak dapat berfungsi sebagai switch (saklar) pada tegangan Alternating Current (AC) atau tegangan tinggi. Selain itu tidak digunakan sebagai switching untuk arus besar (di atas 5 A). Untuk itu penggunaan relay dalam penelitian ini sangatlah cocok. Di samping relay berfungsi sebagai switch juga berfungsi bekerja berdasarkan input yang dimilikinya.
Gambar 3.8 Rangkaian Relay
3.7 Rangkaian Keypad
Keypad berarti Sebuah keyboard miniatur atau set tombol untuk operasi perangkat elektronik, telepon, atau peralatan lainnya. Keypad merupakan sebuah rangkaian tombol yang tersusun atau dapat disebut "pad" yang biasanya terdiri dari huruf alfabet (A—Z) untuk mengetikkan kalimat, juga terdapat angka serta simbol-simbol khusus lainnya. Berikut skematik rangkaian Keypad yang digunakan dalam penelitian.
Gambar 3.9 Rangkauan Keypad Sebagai Input
3.8 Rangkaian MPPT
MPPT (Maximum Power Point Tracking) atau disebut juga pelacakan titik daya maksimal (PPT), adalah teknik yang biasanya digunakan dengan turbin angin dan sistem surya fotovoltaik (PV) untuk memaksimalkan ekstraksi daya dibawah semua kondisi. Meskipun prinsip PPT terutama berlaku untuk tenaga surya, namun secara umum dapat berlaku juga untuk sumber dengan daya variabel: misalnya, transmisi daya optik dan termofotovoltaik.
Rangkaian MPPT berlaku hampir sama untuk setiap Solar Charge Controller (SCC), pelacakan titik daya maksimal memakai prinsip duty cycle, algoritma kurva P-V dan metoda Pesturb and Obserh (P&O). Berikut skema rangkaian MPPT pada Solar Charge Controller yang dipakai dalam penelitian.
Gambar 3.10 Rangkaian MPPT 3.9 Perancangan Perangkat Lunak
Berikut listing program perancangan perangkat lunak yang digunakan dalam penelitian.
Gambar 3.11 Perancangan Perangkat Lunak
3.10 Rancangan Keseluruhan
Berdasarkan uraian-uraian yang telah diterangkan pada bagian sebelumnya, maka dibuat rangkaian lengkap dari peralatan. Adapun rangkaian lengkap dari perancangan sistem ini dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
Gambar 3.12 Rancangan Keseluruham
BAB 4
PENGUJIAN ALAT DAN PROGRAM
Rangkaian alat sistem pendingin pada penelitian ini menggunakan VDC 5V. Alat ini akan mengeluarkan tampilan di LCD dengan tampilan suhu dan kadar Gas mudah terbakar. Hasil pengukuran merupakan suatu proses dimana alat yang dibuat bekerja dengan baik dan sesuai dengan teori yang ada. Ada beberapa pengujian alat yang dilakukan, yaitu: pengujian tengangan, LCD, sensor DS18B20 dan pengukuran secara keseluruhan.
Rangkaian sistem pendingin pada penelitian menggunakan stereoform sebagai ruang pendingin yang dibentuk sedemikian rupa, ruang pendingin memiliki sisi-sisi berukuran 0,2m sehingga volume yang dimiliki ruang untuk digunakan adalah 0,8m3.
4.1 Pengujian Adaptor
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui tegangan yang dikeluarkan oleh rangkaian tersebut, dengan mengukur tegangan keluaran dari Battery menggunakan multimeter digital. Setelah dilakukan pengukuran maka diperoleh besarnya tegangan keluaran sebesar 5 volt. Dengan begitu dapat dipastikan apakah terjadi kesalahan terhadap rangkaian atau tidak jika diukur. Jika pada saat diukur dengan multimeter besar keluaran baterai tidak mencapai 5V maka hal ini disebut wajar karena baterai sudah pernah dipakai sebelumnya.
Gambar 4.1 Pengujian Adaptor
4.2 Pengujian LCD
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui apakah LCD bekerja atau tidak sehingga dapat menampilkan karakter sesuai dengan tujuan pengujian. Pengujian dilakukan dengan memprogram karakter atau nilai yang ingin ditampilkan dan kemudian disesuaikan dengan tampilan yang ada pada layar LCD tersebut.
Display karakter pada LCD diatur oleh pin EN, RS dan RW: Jalur EN dinamakan Enable. Jalur ini digunakan untuk mengetahui bahwa LCD sedang mengirimkan sebuah data. Untuk mengirimkan data ke LCD, maka program EN yang dibuat adalah logika low (0) dan high (1) pada dua jalur kontrol yang lain RS dan RW. Jalur RW adalah jalur control Read/ Write. Ketika RW berlogika low (0), maka informasi pada bus data akan dituliskan pada layar LCD. Ketika RW berlogika high (1), maka program akan melakukan pembacaan memori dari LCD. Sedangkan pada aplikasi umum pin RW selalu diberi logika low (0). Berdasarkan keterangan di atas maka kita sudah dapat membuat program untuk menampilkan karakter pada display LCD.
Adapun program yang dimasukkan ke mikrokontroler untuk menampilkan karakter pada display LCD adalah sebagai berikut:
#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>
// Set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2);
void setup()
{ // initialize the LCD lcd.begin();
// Turn on the blacklight and print a message. lcd.backlight();
lcd.print("Juarsan Rolanda");
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("SKRIPSI");
delay(2000);
delay(2000);
lcd.clear();
lcd.setCursor(0,0);
lcd.print("kulkas mini");
lcd.setCursor(0,1);
lcd.print("
lcd.clear();
}
void loop()
{ // Do nothing here...
}
Perintah diatas adalah perintah untuk menampilkan karakter pada display LCD pada pin EN, RS dan RW dengan logika low (0) dan high (1) yang telah disesuaikan.
Berikut adalah tampilan output hasil pengujian.
Gambar 4.2 Pengujian Tampilan LCD
4.3 Pengujian Rangkaian Arduino Uno
Pengujian pada rangkaian Arduino Uno ini dapat dilakukan dengan menghubungkan rangkaian ini dengan multimeter sebagai pendeteksi sumber tegangan. Pada pengujian ini metode yang dipakai ialah dengan menguji melalui pin digital yang ada ada rangkaian Arduino Uno dengan menggunakan multimeter sebagai pendeteksi tegangan yang dihasilkan. Pada program uji Arduino dimasukkan perintah “HIGH” dan “LOW” yang artinya menghidupkan dan mematikan pin yang diberi perintah “HIGH” dan “LOW” dan menghasilkan tegangan 5 volt pada multimeter. Pada Pin digital tegangan yang terdapat ialah sebesar 5 volt, maka dari itu pada saat pin digital diuji oleh multimeter maka hasil yang terdapat di multimeter
haruslah sebesar 5 volt. Jika yang dihasilkan 5 volt maka Arduino Uno tersebut dapat digunakan dan berfungsi dengan baik. Berikut program yang digunakan.
*/
// the setup function runs once when you press reset or power the board void setup() {
// initialize digital pin LED_BUILTIN as an output. pinMode(0, OUTPUT);
pinMode(1, OUTPUT); pinMode(2, OUTPUT); pinMode(3, OUTPUT);
}
// the loop function runs over and over again forever void loop() { digitalWrite(0, HIGH); digitalWrite(1, LOW); digitalWrite(2, HIGH);
digitalWrite(3, LOW);// turn the LED on (HIGH is the voltage level) // wait for a second
}
Berikut data yang diperoleh dari hasil pengujian.
Tabel 4.1 Data Pengujian Arduino
Pin Digital Perintah Tegangan
0 HIGH 0,507
1 LOW 0,071
2 HIGH 0,504
3 LOW 0,049
Berikut adalah tampilan output hasil pengujian yang dilakukan.
Gambar 4.3 Pengujian Arduino
4.4 Pengujian Sensor Suhu DS18B20
Pengujian ini dilakukan dengan metode menggunakan alat kalibrasi analog termometer dimana tujuan percobaan ini dilakukan untuk mengetahui keakurasian sensor suhu DS18B20 dalam membaca sugu dengan konfigurasi pin. Berikut program yang digunakan.
/* ReadAnalogVoltage
Reads an analog input on pin 0, converts it to voltage, and prints the result to the Serial Monitor.
Graphical representation is available using Serial Plotter (Tools > Serial Plotter menu).
Attach the center pin of a potentiometer to pin A0, and the outside pins to +5V and ground.
This example code is in the public domain.
*/
// the setup routine runs once when you press reset:
void setup() {
// initialize serial communication at 9600 bits per second:
Serial.begin(9600);
}
// the loop routine runs over and over again forever:
void loop() {
// read the input on analog pin 0:
int sensorValue = analogRead(A0);
// Convert the analog reading (which goes from 0 - 1023) to a voltage (0 - 5V):
float voltage = sensorValue * (5.0 / 1023.0);
// print out the value you read:
Serial.println(voltage);
}
Berikut data yang diperoleh dari hasil pengujian.
Tabel 4.2 Data Pengujian Sensor
NO Pin Arduino Uno Ds18b20
1 VCC VCC
2 GND Gnd
3 A1 Out Data
No Ds18b20 Kalibrasi
1 30.02 30
2 44,09 45
3 50,05 50
4 67,04 67
Berikut adalah tampilan output dari hasil pengujian.
Gambar 4.4 Pengujian Sensor DS18B20
4.5 Pengujian Keypad
Pengujian ini dilakukan untuk menetapkan suhu awal sebagai setpoint pada rangkaian keypad. Nilai setpoint merupakan suhu sistem pendingin pada umumnya (25℃ − 20℃-), sehingga mikrokontroler dapat mengeksekusi perintah yang diberikan pada rangkaian. Berikut program yang digunakan.
*/ #include <Keypad.h>
const byte ROWS = 4; //four rows const byte COLS = 3; //three columns char keys[ROWS][COLS] = {
{'1','2','3'}, {'4','5','6'}, {'7','8','9'}, {'*','0','#'}
}; byte rowPins[ROWS] = {9,8,7,6}; //connect to the row pinouts of the keypad byte colPins[COLS] = {5,4,3}; //connect to the column pinouts of the keypad Keypad keypad = Keypad( makeKeymap(keys), rowPins, colPins, ROWS, COLS );
void setup(){
Serial.begin(9600);
}
void loop(){
char key = keypad.getKey();
if (key){
Serial.println(key);
} }
Berikut adalah tampilan outpout dari hasil penelitian.
Gambar 4.5 Pengujian Keypad
4.6 Pengujian Relay
Pengujian ini dilakukan untuk membuat rangkaian relay menjadi swith ON dan OFF. Berikut program yang digunakan.
void setup() {
// initialize digital pin LED_BUILTIN as an output.
pinMode(LED_BUILTIN, OUTPUT);
}
// the loop function runs over and over again forever void loop() {
digitalWrite(LED_BUILTIN, HIGH); // turn the LED on (HIGH is the voltage level)
delay(1000); // wait for a second
digitalWrite(LED_BUILTIN, LOW); // turn the LED off by making the voltage LOW
delay(1000); // wait for a second }
Berikut adalah tampilan output dari hasil pengujian.
Gambar 4.6 Pengujian Relay
4.7 Pengujian Modul SD Card
Pengujian dilakukan dengan konfigurasi pin Arduino dan pin HC 05 untuk menyimpan data proses pengujian yang dilakukan dalam file txt yang dikonversi menggunakan excel dalam bentuk grafik. Pengujian dilakukan dengan menggunakan koneksi kabel USB atau via bluetooth dengan tes program. Berikut program yang digunakan.
#include <SPI.h>
#include <SD.h>
const int chipSelect = 4;
void setup() {
// Open serial communications and wait for port to open:
Serial.begin(9600);
while (!Serial) {
; // wait for serial port to connect. Needed for native USB port only }
Serial.print("Initializing SD card...");
// see if the card is present and can be initialized:
if (!SD.begin(chipSelect)) {
Serial.println("Card failed, or not present");
// don't do anything more:
while (1);
}
Serial.println("card initialized.");
}
void loop() {
// make a string for assembling the data to log:
String dataString = "";
// read three sensors and append to the string:
for (int analogPin = 0; analogPin < 3; analogPin++) { int sensor = analogRead(analogPin);
dataString += String(sensor);
if (analogPin < 2) { dataString += ",";
} }
// open the file. note that only one file can be open at a time, // so you have to close this one before opening another.
File dataFile = SD.open("datalog.txt", FILE_WRITE);
// if the file is available, write to it:
if (dataFile) {
dataFile.println(dataString);
dataFile.close();
// print to the serial port too:
Serial.println(dataString);
}
// if the file isn't open, pop up an error:
else {
Serial.println("error opening datalog.txt");
} }
Berikut adalah tampilan output dari hasil pengujian.
Gambar 4.7 Pengujian Modul SD Card
4.8 Pengujian MPPT
Dalam penelitian, dilakukan pengujian terhadap MPPT sebagai palacakan titik daya untuk mengisi daya pada Battery. Pengujian ini juga dilakukan untuk mengetahui tegangan dan arus yang mengalir ke Battery serta tegangan dan arus yang mengalir ke rangkaian sistem sebagai beban. Berikut listing program MPPT menurut implementasi prinsip Pesturb and Obserh (P&O) yang umum digunakapann pada Solar Charge Controller (SCC) komersial.
// Iout = output current // Vout = output voltage // Vin = input voltage
// Pin = input power, Pin_previous = last input power
// Vout_last = last output voltage, Vout_sense = present output voltage
void regulate(float Iout, float Vin, float Vout) {<br> if((Vout>Vout_max) || (Iout>Iout_max)
|| ((Pin>Pin_previous && Vout_sense<Vout_last) || (Pin<Pin_previous &&
Vout_sense>Vout_last))) {
if(duty_cycle>0) {
duty_cycle -=1;
}
analogWrite(buck_pin,duty_cycle);
}
else if ((Vout<Vout_max) && (Iout<Iout_max) && ( (Pin>Pin_previous &&
Vout_sense>Vout_last) || (Pin<Pin_previous && Vout_sense<Vout_last))) {
if(duty_cycle<240) {<br> duty_cycle+=1;
}
analogWrite(buck_pin,duty_cycle);
}
Pin_previous = Pin;
Vin_last = Vin;
Vout_last = Vout;
}
Berikut data hasil pengujian pengisian daya, tegangan dan arus yang mengalir ke Battery menggunakan MPPT Solar Charge Controller.
Tabel 4.3 Data tegangan dan arus MPPT Solar Charge Controller dari Panel ke Battery
Data Time V I P
19:13 15.4 1.2 18.48
19:15 15.5 1.3 20,15
19:16 15.6 1.3 20.28
19:17 15.6 1.3 20.28
19:19 15.7 1.3 20.41
19:20 15.7 1.3 20.41
19:21 15.8 1.3 20.53
Dilakukan juga pengujian terhadap sistem pendingin saat dialiri daya menggunakan MPPT Solar Charge Controller yang berasal dari battery. Pengujian ini
dilakukan untuk mengetahui tegangan dan arus yang mengalir ke komponen rangkaian sistem pendingin yaitu TEC sebagai pengubah daya menjadi perbedaan suhu dalam dalam ruang pengujian. Berikut data tegangan dan arus dari battery ke rangkaian sistem pendingin TEC menggunakan MPPT Solar Charge Controller
Tabel 4.4 Data tegangan dan arus MPPT Solar Charge Controller dari Battery ke TEC
Data Time
Current (A) Voltage (V)
Temperature Hot Side (C)
Temperature Cold Side (C)
19:13 0 0 25 25
19:15 0,5 1,2 25 23,2
19:16 25 22,8
19:17 25 22,2
19:19 1 2,3 25 20,8
19:20 25 20,2
19:21 25 20
4.9 Pengujian Keseluruhan
Dalam penggunaan TEC memiliki bagian yang harus di kuasai yaitu sistem pembungan panas, ketika TEC dialiri tegangan 12 V dan arus 5A akan memiliki perbedaan suhu antara 5℃ pada sisi dingin sampai 200℃ pada sisi panas, hal ini yang dapat menyebabkan kerusakan jika panas alat tidak di buang dengan baik, oleh karena itu alat yang digunakan menggunakan pompa untuk mengalirkan air secara terus-menerus sebagai pembuang panas dan waterblock sebagai padanan yang terhubung ke sisi dingin pada ruang pengujian dan sisi panas pada blok penyimpanan air.
