T1 612009045 BAB III

16

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang dibuat.

Blok diagram alat yang dibuat secara keseluruhan ditunjukkan oleh Gambar 3.1.

Gambar 3.1. Diagram kotak keseluruhan alat yang dibuat.

Secara garis besar, panas setrika yang mengenai bagian Kolektor Panas akan

dikonversi menjadi energi listrik oleh TEG, kemudian energi listrik yang dihasilkan akan

diproses dalam rangkaian Buck-Boost Converter dan disimpan ke dalam Baterai Kering

yang dapat diisi ulang yaitu lithium polymer.

Setrika

TEG dengan

Pendingin

Buck- Boost

Converter

Baterai Kering Kolektor Panas Alas

17 3.1. Cara Kerja Alat

Alat ini nantinya akan digunakan sebagai alas setrika dan yang bersifat portable

sehingga mudah dipindahkan. Sumber panas yang digunakan berasal dari panas setrika

listrik yang terbuang. Ketika setrika listrik yang telah panas sedang tidak digunakan

menyetrika, posisi setrika yang biasanya diletakkan secara berdiri ataupun diletakkan di

atas alas setrika konvensional, akan diletakkan pada bagian Kolektor Panas Alas Setrika.

Panas ini kemudian diubah oleh TEG sehingga menghasilkan tegangan DC. Rangkaian

Buck-Boost Converter merupakan rangkaian yang akan mengubah keluaran TEG agar

stabil dan dapat disimpan dalam Baterai Kering.

3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras

Perancangan alat yang dibuat secara keseluruhan adalah seperti yang ditunjukkan

Gambar 3.2 dan 3.3 sebagai berikut.

Gambar 3.2. Gambaran alat yang akan dibuat tampak depan.

1

3

4 5

18

Gambar 3.3. Gambaran alat yang akan dibuat tampak samping.

Penjelasan dari Gambar 3.2 dan 3.3 di atas adalah sebagai berikut :

1. Setrika

2. Kolektor Panas Alas Setrika

3. TEGdengan Oli sebagai Pendingin

4. DC-DC Converter tipe Buck- Boost Converter

5. Baterai Kering

Alat ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu modul Kolektor Panas Alas Setrika,

TEG dengan Pendingin, modul Buck-Boost Converter, dan yang terakhir adalah Baterai

Kering.

3.2.1. Kolektor Panas Alas Setrika

Bagian ini merupakan bagian yang akan bersentuhan dengan bagian bawah

setrika saat setrika tersebut masih sedang jeda tidak digunakan. Kolektor panas yang

merupakan penyalur panas dari setrika menuju TEG dibuat dari alumunium berukuran

25×15cm dengan tebal 3mm seperti ditunjukkan Gambar 3.4 di bawah. Pemilihan

alumunium sebagai alas setrika dikarenakan alumunium merupakan logam yang

19

Gambar 3.4. Lempeng alumunium yang digunakan.

Bagian pendingin diberi heat sink seperti ditunjukkan Gambar 3.5 sebagai

penyerap panas dari TEG yang dicelupkan dalam cairan oli dikarenakan sifatnya yang

mampu mempertahankan suhu dingin, yaitu dengan titik didih ˃300°C[8]. Bagian wadah cairan digunakan kaca berukuran × × cm dengan alasan kaca tahan

terhadap suhu tinggi seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6. Sebelumnya telah

dilakukan uji coba membuat tempat penampung air dari akrilik akan tetapi tidak tahan

terhadap suhu panas dari setrika dan mudah meleleh. Besarnya volume zat air yang

digunakan yaitu apabila besar penampung air diperkirakan :

� = × × � (3.1)

� = � × � × � (3.2)

� = , (3.3)

Pelat bagian atas diberi sekrup dengan heat sink, berfungsi untuk menahan

elemen TEG agar tidak berubah posisi. Di antara pelat atas dan pelat bawah akan

diberikan semacam sekat peredam panas atau bubble laminated foil untuk mengisolasi

agar panas tidak tercampur dari kedua sisi. Pemberian sekat ini berperan penting untuk

menjaga perbedaan suhu antara dua sisi TEG.

Meskipun panas dari setrika diserap oleh logam alumunium dari sisi panas

TEG pada saat jeda menyetrika, elemen pemanas setrika masih tetap mengalirkan

panas pada alas setrika sehingga panas yang berkurang tidak akan berpengaruh besar

terhadap fungsi dari setrika itu sendiri. Hal ini sesuai dengan percobaan yang telah

20

Gambar 3.5. Heat sink yang digunakan.

Gambar 3.6. Wadah kaca sebagai tempat cairan pendingin.

3.2.2. Thermoelectric Generator (TEG)

Modul TEG akan menghasilkan listrik ketika terdapat gradien temperatur atau

�T antara sisi panas dan sisi dingin dengan cara sisi panas diberi sumber panas kemudian sisi dingin diberi heat sink. Modul TEG yang terbuat dari Bi-Te ini akan

21

Gambar 3.7. TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S[11] yang digunakan.

Berikut spesifikasi TEGtipe TE-MOD-5W5V-30S[11] yang digunakan:

Tabel 3.1. Spesifikasi TEG TE-MOD-5W5V-30S yang digunakan[11].

Temperatur sisi panas (˚C) 300

Temperatur sisi dingin (˚C) 30

Tegangan buka (V) 10,8

Hambatan dalam (ohms) 5.4

Tegangan keluaran dengan beban (V) 5.4

Arus keluaran dengan beban (A) 1.0

Daya keluaran dengan beban (W) 5.4

Aliran panas yang melewati modul (W) ≈ 96

Kerapatan aliran panas (W cm-2) ≈ 10.7

22

Gambar 3.8. Grafik POUT TE-MOD-5W5V-30S terhadap variasi suhu[11].

Dari grafik pada Gambar 3.8 dapat diketahui bahwa dengan �T sebesar

270°C, thermoelectric generator ini mampu menghasilkan daya listrik sebesar 5,4W.

Besarnya daya panas yang dirubah menjadi daya listrik yaitu:

= � × (3.4)

= × × , (3.5)

= , (3.6) Dimana q adalah kerapatan aliran panas.

Dari persamaan di atas kita bisa hitung efisiensi modul TEG yang digunakan

mempunyai efisiensi sebesar:

� = (3.7)

� = ,

, (3.8)

� = , % (3.9)

TEG yang digunakan memiliki ukuran 30×30mm dengan ketebalan 5mm.

Empat buah TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S disusun seri dan diletakkan di antara

bagian kolektor panas dan bagian pendingin. Tujuan pemasangan TEG secara seri ini

adalah agar mendapat tegangan keluaran yang lebih besar, V=V1+V2+V3+V4 seperti

23

V1 V2 V3 V4

Gambar 3.9. Susunan TEG secara seri.

Kedua sisi TEG diolesi dengan pasta termal yang bertujuan agar panas

merambat lebih cepat pada sisi panas maupun sisi dingin. Hal ini perlu dilakukan

karena dalam antarmukanya terdapat rongga mikroskopis yang dapat menjebak udara

masuk di antaranya sehingga mengakibatkan kerugian perambatan panas secara

konveksi melalui medium udara. Penggunaan pasta termal akan mengisi rongga

mikroskopis tersebut sehingga meningkatkan konduktivitas termal[1].

3.2.3. Buck- Boost Converter

Modul pengisi baterai menggunakan DC-DC Converter berupa Buck-Boost

Converter yaiturangkaian yang bisa menaikkan dan menurunkan tegangan DCdengan

mengatur besarnya duty cycle pada switch nya. Dengan menggunakan rangkaian ini,

VINPUT dari TEG akan menghasilkan VOUT yang stabil untuk mengisi baterai

lithium-polymer yang ada. VOUT yang dihasilkan thermoelectric generator (TEG) bervariasi

antara kurang dari VREF hingga melebihi VREF. Modul ini bertugas mengubah keluaran

dari modul TEG menjadi sebesar 4,7V sehingga dapat disimpan dalam baterai lithium

polymer 3,7V 380mAh.

TEG TEG

24

Gambar 3.10. Untai buck-boost converter dengan LM2577-Adj.

Besar arus maksimum ILOAD(MAX) keluaran IC dapat dihitung dengan

Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan Persamaan 2.7 berikut:

D(max) = � + �� − �� � menghitung LMIN adalah Persamaan 2.9 dan 2.10.

25

Kemudian mencari nilai �_{� ,} melalui Persamaan 2.10:

�� , = , × ₋� � ax ax

�_{� ,} = , × , �

− , (3.16)

�_{� ,} = , � (3.17)

Dengan melihat grafik pada Gambar 2.7 didapatkan nilai induktor sebesar 47µH.

Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai RCdan CCyang terhubung dengan

pin 1 sebagai berikut:

RC ≤ × ILOAD ax × �

�� �

RC ≤ × , × , (3.18)

RC ≤ 2466 Ω (3.19) Resistor yang digunakan yaitu 2200 Ω.

CC ≥ , × �_{× �} ×

� �

CC ≥ , × , ×_× (3.20)

CC ≥ 238,6 nF (3.21)

Nilai COUT berdasarkan Persamaan 2.13 dan 2.14 berikut

COUT ≥ , × � × × ILOAD ax

�� � × �

COUT ≥ , × µ × × ,

× , � (3.22)

26

Dan

COUT ≥ �� � × × �� � + , × × �

. × �

COUT ≥ × × + , × × µ

. × , (3.24)

COUT≥ 2681µF (3.25)

Dalam datasheet nilai kapasitas minimum yang diambil adalah yang lebih besar yaitu

2681 µF.

Tegangan keluaran (VOUT) dari IC ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.15 berikut:

VOUT= , + /

VOUT = , + / (3.26)

VOUT = 4,7V (3.27)

Gambar 3.11. Buck-boost converter yang digunakan.

Rangkaian Buck-Boost Converter ini menggunakan IC LM2577-Adj dan akan

27 3.2.4. Baterai Kering

Energi listrik yang telah melalui modul konverter telah siap untuk disimpan

ke dalam Baterai Kering. Baterai yang dipilih merupakan baterai kering lithium

polimer 3,7V 380mAh seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.12.

Saat dilakukan pengisian baterai, terdapat LED indikator sebagai penanda

mengalirnya arus dari rangkaian buck-boost converter menuju baterai. Gambar 3.13

28

Untuk dapat menyala dengan baik, LED membutuhkan arus sekitar 10mA.

Perhitungan nilai R1adalah dengan persamaan berikut:

₌ , V− �

�� (3.31)