JURNAL TEKNOLOGI INFORMASI & PENDIDIKAN ISSN : VOL. 6 NO. 1 Maret 2013

(1)

108

ANALISA PERANCANGAN THERMOGENERATOR SEDERHANA SEBAGAI PEMBANGKIT ENERGI ALTERNATIF

Melda Latif1 Mumuh Muharam2 Andika Nugraha Putra3

ABSTRACT

Due to the depletion of fossil energy resources, several countries in the world began to try to use some alternative energy sources such as solar energy, wind and thermal. The use of alternative energy, is still in a very small percentage, and it is still necessary to hold some research to optimize the efficiency of the electrical power generated.

This paper describes the results of studies that utilize thermal energy as an alternative power plant, which is termed thermogenerator. Thermogenerator still made here is simple and is still a preliminary study for further research.

At this thermogenerator, semiconductor used as a substitute conductor. To menngurangi heat loss and prevent damage to the semiconductor used as a fan and heatsink cooler. This study uses two kinds of circuits that use LEDs as a replacement for both the semiconductor and the use of semiconductor modules. The first study is a study that is very simple, using the technical components derived from used materials. The first study to generate electricity from temperature differences in the series, but its efficiency can not be obtained. In the second study, the new efficiencies can be obtained, although it is still very small. By using the fan and heatsink, then the efficiency of the electric power obtained is 4.4% for a single module and thermogenerator thermogenerator to four modules in series. This efficiency can be the same, because they used the load resistance equal to the resistance in each of these thermogenerator.

Keywords: thermogenerator, semiconductor, efficiency INTISARI

Akibat semakin menipisnya sumber energi fosil, beberapa negara di dunia mulai mencoba menggunakan beberapa sumber energi alternatif seperti penggunaan energi matahari, angin dan thermal. Penggunaan energi alternatif, masih dalam presentase yang sangat kecil, dan itu masih perlu diadakan beberapa penelitian untuk pengoptimalan efisiensi daya listrik yang dihasilkan.

Paper ini menerangkan hasil penelitian yang memanfaatkan thermal sebagai pembangkit energi alternatif, yang diistilahkan dengan thermogenerator. Thermogenerator yang dibuat masih sangat sedehana dan masih merupakan penelitian awal untuk penelitian selanjutnya.

1

Dosen Teknik Elektro UNAND

2_{Dosen Teknik Elektro UNAND} 3_{Alumni Teknik Elektro UNAND}

(2)

Pada thermogenerator ini, digunakan semikonduktor sebagai pengganti konduktor. Untuk menngurangi rugi-rugi panas dan mencegah kerusakan pada semikonduktor maka digunakan fan dan heatsink sebagai alat pendingin. Penelitian ini menggunakan dua macam rangkaian yaitu menggunakan LED sebagai pengganti semikonduktor dan yang kedua menggunakan modul-modul semikonduktor. Penelitian pertama merupakan penelitian yang sangat sederhana sekali, menggunakan komponen-komponen pendukung yang berasal dari bahan-bahan bekas. Penelitian pertama bisa menghasilkan listrik dari perbedaan suhu pada rangkaian, tetapi efisiensinya belum bisa didapatkan. Pada penelitian kedua, baru bisa didapatkan efisiensinya, walaupun masih sangat kecil. Dengan menggunakan fan dan heatsink, maka efisiensi daya listrik yang didapatkan adalah 4,4 % untuk satu modul thermogenerator dan untuk empat modul thermogenerator yang diserikan. Efisiensi ini bisa sama, kerena beban yang digunakan resistansinya sama dengan resistansi dalam masing-masing thermogenerator tersebut.

(3)

110

PENDAHULUAN

Sejak tahun 2006, Indonesia mulai memasuki era kebangkitan energi ke II. Berbeda dengan era kebangkitan energi I yang terjadi pada tahun 1996, pada era kebangkitan energi II, pengembangan energi diprioritaskan pada penggunaan energi alternatif sebagai sumber energi listrik dan mengurangi penggunaan energi berbasis minyak bumi [1].

Beralihnya beberapa negara di dunia ke pemanfaatan energi alterantif adalah karena ketersediaan minyak bumi atau fosil semakin berkurang, sedangkan sumber energi alternatif, seperti matahari, angin dan thermal (panas) sangat banyak dan belum begitu optimal dimanfaatkan.

Saat ini mulai dikembangkan penggunaan thermal sebagai pembangkit listrik yang dikenal dengan nama thermogenerator. Metoda pemanfaatan efek thermoelektrik pertama kali ditemukan oleh Thomas Johan Seebeck, seorang fisikawan Jerman pada tahun 1821. Keuntungan dari pemanfaatan energi panas sebagai pembangkit listrik adalah dapat memanfaatkan potensi energi panas yang begitu banyak terbuang menjadi energi listrik. Pemanfaatan teknologi termoelektrik diantaranya dipakai pada sistem penghematan bahan bakar pada mobil. Pemanfaatkan energi panas pada radiator dan gas buangan, mampu menghemat penggunaan bahan bakar sampai 10%. Pesawat Luar Angkasa juga bisa memanfaatkan teknologi thermoelektrik untuk mengirimkan data ke bumi dengan menggunakan plutonium 238 sebagai sumber panasnya. Perusahan jam juga memasarkan jam thermoelektrik yang memanfaatkan panas tubuh manusia [2].

METODOLOGI PENELITIAN Jenis Penelitian

Penelitian ini termasuk ke dalam jenis penelitian terapan (aplikatif), dimana penelitian ini merupakan pemecahan terhadap suatu masalah untuk tujuan tertentu. Aplikasi yang diperoleh dari penelitian ini, diharapkan dapat langsung dipergunakan untuk mengkonversi perbedaan temperatur menjadi tegangan listrik. Objek Penelitian

Objek penelitian yang digunakan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa kondisi, yaitu :

1. Pemvariasian suhu untuk melihat berapa besar tegangan output yang dihasilkan.

2. Pemvariasian suhu berdasarkan pada zona kerja jenis semikonduktor yang digunakan. 3. Jenis semikonduktor yang

digunakan adalah Bismuth (Bi) dan Telurium (Te), karena semikonduktor ini bisa digunakan pada suhu ruangan

4. Efisiensi dihitung dengan membandingkan antara daya yang dihasilkan oleh thermogenerator dengan daya yang diterima oleh beban.

Desain Penelitian

Ada beberapan tahapan dalam desain penelitian yaitu:

1. Studi literatur untuk mengetahui bagaimana cara kerja dan struktur dari sebuah modul thermogenartor

2. Disain alat, yang disesuaikan dengan kondisi saat penelitian berjalan.

3. Perancangan alat.

Alat yang dirancang ada dua macam, yaitu dengan menggunakan LED sebagai pengganti semikonduktor dan menggunakan semikonduktor pabrikan. Pengujian alat yang telah dibuat dengan melakukan pemvariasian suhu, sehingga

(4)

bisa diketahui berapa efisiensi dari alat tersebut dan pada kisaran suhu berapa alat ini akan bekerja dengan efektif.

Perancangan Thermogenerator Dengan Menggunakan LED

Untuk menggantikan semikonduktor, pada penelitian ini digunakan Light Emiting Dioda (LED). LED juga menggunakan semikonduktor pada bagian intinya. Struktur dari sebuah Light Emitting Dioda (LED) dapat dilihat pada gambar 1.

Gambar 1. Struktur Sebuah LED Seperti dioda pada umumnya, LED juga terdiri dari dua jenis semikonduktor, tipe P dan tipe N. Arus akan mengalir dari semikonduktor tipe P ke semikonduktor tipe N ketika diberi sebuah sumber tegangan seperti yang terlihat pada gambar 2.

Gambar 2. Aliran Elektron Pada LED

LED dan komponen-komponen pendukung dapat dilihat pada gambar 3.

a. Led b. PCB

c. Seng Kaleng Bekas

d. Heatsink dari bekas motherdboard Gambar 3 LED dan komponen

pendukung

LED dihubungkan secara paralel. Kedua kaki LED di pasang pada sisi berbeda, yakni sisi panas dan dingin untuk mengupayakan terjadinya perbedaan temperatur pada semikonduktor yang terdapat di dalam LED. Sebagai sistem pendingin, disini digunakan fan dan heatsink. Indikator dari ada tidaknya arus yang dihasilkan apabila diberikan perbedaan temperatur pada thermogenerator sederhana ini adalah menyalanya LED, disamping juga dilakukan pengukuran.

Kelemahan pada rangkaian ini antara lain LED juga bersifat sebagai beban, yang hanya akan menghasilkan arus untuk masing-masing LED itu sendiri, sehingga

(5)

112

tidak bisa diketahui berapa arus yang mengalir dalam thermogenerator ini. Perancangan Thermogenerotor Dengan Menggunakan Modul Semikonduktor.

Pada penelitian ini digunakan Thermogenerator buatan Everredtronics, China. Dalam pengujian ini dilakukan beberapa variasi percobaan, yakni satu modul thermogerator, dan empat modul thermogenerator yang diserikan, dengan pendingin berupa fan dan heatsink (dapat dilihat pada gambar 4).

a. 1 modul b. 4 modul seri

c. Fan d. Heat sink Gambar 4 Modul Semikonduktor

dan komponen pendukung

Sebagai beban digunakan reistor dari 1 Ω s/d 1 kΩ.

HASIL DAN PEMBAHASAN Thermogenerator Dari LED.

Thermogenerator ini terbuat dari rangkaian LED yang tersusun paralel. Sumber panas yang digunakan adalah kompor dan solder. Gambar 5 memperlihatkan hasil pengujian open- circuit.

Gambar 5. Pengujian Rangkaian LED saat open-circuit

Dari grafik terlihat bahwa Voc maksimum yang bisa dicapai oleh prototipe thermogenerator ini adalah 254.9 mV.

Untuk kondisi berbeban, arus yang mengalir pada rangkaian LED ini tidak bisa terukur, ini disebabkan karena LED juga bertindak sebagai beban, sehingga tahanan dalam sistem menjadi sangat besar.

Thermogenerator Dari Modul Semikonduktor.

Pengujian thermogenerator jenis ini menggunakan satu modul semikonduktor dan empat modul semikonduktor hubungan seri. Pengujian dilakukan dalam kondisi open-circuit dan kondisi berbeban dengan menggunakan fan dan heatsink sebagai pendingin.

Thermogenerator Dari Satu Modul Semikonduktor.

Rangkaian pengujian thermogenerator dengan satu modul semikonduktor dapat dilihat pada gambar 6.

(6)

Gambar 6. Pengujian Dengan 1 Modul Semikonduktor

Gambar 7 memperlihatkan grafik tegangan yang dihasilkan oleh thermogenerator dari satu modul semikonduktor kondisi open-circuit. Tegangan open-circuit maksimum yang dihasilkan oleh thermogenerator ini adalah 588 mV dengan perbedaan suhu 13.69 oK.

Gambar 7. Tegangan yang dihasilkan oleh thermogenerator

dari satu modul semikonduktor saat open-circuit.

Untuk mengetahui berapa arus yang mengalir, dilakukan pengujian berbeban. Beban yang digunakan adalah resistor dengan nilai dari 1 s/d 100 Ω. Data hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 1.

Tabel 1. Hasil pengujian berbeban pada thermogenerator dari 1 modul semikonduktor RL (Ω) V (m V) I (m A) P (m W) 1 27 2 27 2 73. 98 10 32 7 32. 7 10. 69 100 58 1 5.8 1 3.3 8 200 58 4 2.9 2 1.7 1 385 58 6 1.5 2 0.8 9 665 58 7 0.8 8 0.5 2 816 58 8 0.7 1 0.4 2 100 0 58 3 0.5 8 0.3 4

Dari tabel 1 terlihat bahwa semakin besar resistansi, maka tegangan yang dihasilkan juga makin besar, dan berdasarkan hukum Ohm, maka arus yang dihasilkan akan semakin kecil (arus berbading terbalik dengan resistansi). Berdasarkan persamaan daya P = I2R, maka makin besar arus yang mengalir, maka daya yang dihasikan juga akan semakin besar.

Efisiensi daya didapatkan dari rumus [3]:

(1) dimana

P = daya yang diberikan ke beban (W)

Qh = daya yang dihasilkan oleh thermogenerator

I = arus yang mengalir (A)

K = konstanta = 1.2/273 W.m/(m2.C) TH = suhu tertinggi = 142.56 oC ∆T = perbedaan suhu = 12.7o_{C; T} C = 129.86oC RL = resistansi beban R = resistansi thermogenerator =0.9 Ω Α = koefisien suhu = 0.04236 Dengan menggunakan rumus efisiensi [3], maka didapatkanlah efisiensi dari satu modul

(7)

114

thermogenerator seperti terlihat pada tabel 2.

Tabel 2. Efisiensi satu modul thermogenerator RL (Ω) (Ω) R (mW) P QH (W) η (%) 1 0.9 73.98 1.665 4.4 10 0.9 10.69 0.253 4.2 100 0.9 3.38 0.091 3.7 200 0.9 1.71 0.073 2.3 665 0.9 0.52 0.061 0.8 1000 0.9 0.34 0.059 0.6

Efisiensi satu modul thermogenerator mempunyai nilai maksimum sebesar 4.4 % saat beban 1 Ω yang hampir sama dengan resistansi dalam thermogenerator (≈ 0.9 Ω)

Thermogenerator Dari Empat Modul Semikonduktor Terhubung Seri.

Rangkaian uji untuk empat modul thermogenerator seri dapat dilihat pada gambar 8.

a. Empat modul thermogenerator terhubung seri

b. Pengujian open-circuit.

c. Pengujian Berbeban Gambar 8. Rangkaian Empat Thermogenerator Hubungan seri

Pengujian empat

thermogenerator hubungan seri untuk kondisi tanpa beban (open-circuit) dapat dilihat pada gambar 3.5. Karena thermometer yang digunakan mempunyai limit sampai suhu 150oC, maka pengukuran temperatur dihentikan sampai suhu 143.9oC. Tegangan Voc maksimal yang bisa

dihasilkan oleh thermogenerator ini adalah 1362 V.

Gambar 9. Tegangan terhadap perbedaan suhu empat modul thermogenerator kondisi

open-circuit.

Untuk kondisi berbeban, efisiensi thermogenerator dihitung berdasarkan rumus 1, dimana : K= konstanta = 1.2/273 W.m/(m2.C) TH= suhu tertinggi = 143.9 oC

∆T = perbedaan suhu = 8.04o_{C; T} C =

135.86oC

RL = resistansi beban (dari 1 s/d 1000

Ω) R = resistansi thermogenerator = (4 x 0.9 = 3.6 Ω) V(mV) ∆T(o K)

(8)

α = koefisien suhu = 4 x 0.04236 = 0.1694

Tabel 3. memperlihatkan efisiensi empat thermogenerator yang dipasang seri.

Tabel 3. Data Empat

Thermogenerator Seri Berbeban RL (Ω) R (Ω) P (mW) QH (W) η (%) 1 3.6 108.9 7.886 1.38 4 3.6 191.4 5.254 4.44 10 3.6 167.7 3.151 5.32 100 3.6 31.67 0.476 6.65 500 3.6 6.99 0.127 5.52 1000 3.6 3.53 0.081 4.34

Dapat dilihat pada tabel 3.3, efisiensi mulai menaik dari R = 4 Ω sampai R=100 Ω. Ini disebabkan karena R = 4 Ω nilainya hampir sama dengan tahanan dalam thermogenerator (≈3.6 Ω). Akan tetapi, ternyata nilai efisiensi terus menaik sampai R = 100 Ω, ini disebabkan karena perbedaan suhu antara sisi HOT dan COLT tidak begitu besar.

KESIMPULAN

Dari penelitian yang telah dilakukan maka didapat kesimpulan: 1. Thermogenerator sederhana juga

bisa dibuat dari dioda/LED yang dihubungkan paralel, karena pada dioda/LED juga menggunakan dua semikonduktor yang berbeda yakni semikonduktor tipe N dan P. 2. Dengan menggunakan fan dan

heatsink sebagai pendingin dan resistansi beban yang hampir sama dengan resistansi dalam thermogenerator, maka efisiensi daya pada satu modul thermogenerator sama dengan empat modul thermogenerator terhubung seri yaitu sebesar 4.4%.

3. Tegangan yang dihasilkan oleh satu modul thermogenerator dan empat modul thermogenerator terhubung seri menaik dengan bertambahnya resistansi beban, sedangkan arus yang mengalir akan berkurang. Ini sesuai dengan hukum Ohm, bahwa arus berbanding terbalik dengan resistansi.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Buku Putih, “Indonesia 2005-2025”, diakses di www.batan.go.id tanggal 21 Mei 2010. [2] G. Jeffrey Snyder,”Small Thermoelectric generator”, diakses di www.electrochem.org tanggal 21 Mei 2010. [3] Rowe, D.M.,”Handbook of Thermoelectric”,CRC Press, 2006.

[4] Bitschi, Andreas, ”Modelling of Thermoelectric Devices for Electric Power Generation, ETH Zurich, 2009.

[5] Dally, J. W. Rilley, W.F dan Mc. Gonnel, K.G, “Instrumentation for Engineering Measurement, John Willey & Sons, 1993. [6] Lyneykin, Simon dan Ben

Yaakof, ”Modelling and Analysis of Thermoelectric Modules, Department of Electrical and Computer Engineering Ben Gurion University.

[7] Wasito S., “Vademekum Elektronika”, Edisi kedua, Penerbit PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, 2006.

[8] Thermoelectric Materials, diakses dari www.wikipedia.org , tanggal 21 Mei 2010.

[9] Thermoelectric Materials, diakses dari www.wikipedia.org , tanggal 21 Mei 2010