BAB II TINJAUAN PUSTAKA - Simulasi Analisa Suhu Pendingin Dan Aliran Fluida Pada Kotak Pendingin Yang Menggunakan Elemen Pendingin Termoelektrik Dengan Sumberenergi Surya

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Dalam tinjauan pustaka, akan dibahas mengenai termoelektrik sebagai alternatif penganti refrigeran, energi surya yang merupakan sumber energi terbarukan, dan dinamika fluida komputasi yang digunakan untuk membantu analisis serta aliran fluida yang mengalir.

2.1 Pendingin Termoelektrik

2.1.1 Sejarah Perkembangan Termoelektrik

Termoelektrik merupakan alat yang dapat mengubah energi elektrik menjadi energi termal. Konsep termoelektrik pertama sekali diperkenalkan oleh T.J. Seebeck pada tahun 1821. Seebeck menunjukkan bahwa medan magnet dapat diproduksi dengan membuat perbedaan panas di antara dua konduktor elektrik yang berbeda[3].

Tiga belas tahun setelah penemuan Seeback, J. Peltier menemukan efek termoelektrikyang kedua. Dia menemukan bahwa bagian dari arus listrik yang dilalui oleh dua konduktor elektrikdapat menghasilkan panas dan dingin bergantung pada arah pergerakan elektronnya.

Pada awalnya, tidak terlihat adanya hubungan antara penemuan

Seeback dan Peltier.Namun, pada 1855, W. Thomson menemukan

yangmemiliki kemampuan keterbalikan ketika berlangsungnya pemanasan dan pendinginan dengan aliran arus elektron.

2.1.2Prinsip Kerja Termoelektrik

Efek Peltier merupakan dasar dari teknologi pendingin termoelektrik saat ini. Teknologi termoelektrik memanfaatkan efek

Seebeck yang memaksa munculnya tegangan yang digunakan untuk

menjalankan arus [9]. Modul pendingin termoelektrik tersebut bekerja berdasarkan efek Peltieryang berfungsi apabila arus listrik DC dialirkan ke elemen Peltier yang terdiri dari beberapa pasangan semikonduktor tipe N (semikonduktor dengan tingkat energi lebih tinggi) dan tipe P (semikonduktor dengan tingkat energi yang lebih rendah) [13].

Gambar 2.1 Modul Pendingin Termoelektrik[21]

pada sisi panas sehingga elektron pada tipe-n dapat mengalir menuju semikonduktor tipe-p.

Hasilnya, nilai kalor yang dilepaskan pada sisi panas sama dengan nilai kalor yang diserap pada sisi dingin ditambah dengan daya yang diberikan ke modul termoelektrik [10].

𝑞𝑞ℎ =𝑞𝑞𝑐𝑐 +𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖 ………... (2.1)

Keterangan :

qh = laju perpindahan panas yang dilepaskan pada permukaan panas elemen Peltier[Watt]

qc = laju perpindahan panas yang diserap pada permukaan dingin elemen

Peltier [Watt]

Pin = daya input [Watt]

Gambar 2.2 Arah aliran elektron pada modul termoelektrik[20]

Selain ukuran yang relatif kecil, modul termoelektrik memiliki keunggulan lain, yaitu:

• Modul termoelektrik tidak memiliki bagian yang bergerak, sehingga untukperawatan lebih mudah.

• Pengujian usia pakai membuktikan bahwa modul termoelektrik bisa digunakan selama kurang lebih 100.000 jam sehingga memiliki ketahanan yang lebih baik.

• Modul termoelektrik tidak memiliki kandungan chloroflourocarbons (CFC) atau material lainnya sehingga ramah terhadap lingkungan.

• Modul termoelektrik dapat dioperasikan pada lingkungan yang sensitif karena tidak adanya ketergantungan terhadap posisi peletakan

2.1.3Efek Peltier

arah aliran arus, panas dapat dihapus dari persimpangan untuk membekukan air menjadi es, atau dengan membalik arus, panas dapat dihasilkan untuk melelehkan es.Panas yang diserap atau diciptakan di persimpangan sebanding dengan arus listrik.Perbandingan konstan dikenal sebagai koefisien Peltier[6].

Jika arus DC dialirkan ke sepasang keping yang berbeda, maka sisi yang satu akan menjadi panas, sedangkan di sisi lain akan menjadi dingin tergantung dari kombinasi 2 material. Peltier mencoba merubah arus yang dialirkan dan menemukan tiap rataan pendinginan dan pemanasan pada pasangan material yang berbeda [2].

2.1.4 Peredam Panas (Heat Sink₎

Sistem pendingin termoelektrik yang baik tidak terlepas dari alat pendamping yang bagus yang dikenal dengan peredam panas. Desain dan pemilihan peredam panassangat krusial dan mempengaruhi secara keseluruhan pada sistem kerja termoelektrik dalam mempercepat laju pendinginan[5].

Peredam panas yang optimal akan meningkatkan koefisien perfomansi dari sistem pendingin termoelektrik. Hal ini dapat dilakukan dengan memaksimalkan luas permukaan atau menggunakan peredam panas yang mempunyai kapasitas penyimpanan kalor yang besar sehingga dapat menjaga peredam panas pada temperatur rendah.

Peredam panas plat bersirip banyak digunakan untuk meningkatkan pelepasan panas pada komponen mikroelektronik dan komponen elektronik penghasil panas lainnya. Plat bersirip peredam panas berfungsi untuk menurunkan tahanan termal dan temperatur operasi komponen.

2.1.5 Efek-Efek Pendinginan Termoelektrik

Efek pendinginan termoelektrik merupakan gejala termal yang muncul pada suatu termokopel. Ada lima efek yang mempengaruhi atau terjadi pada sistem pendinginan termoelektrik, yaitu efek Seebeck, efek

Joule, efek konduksi, efek Peltier, dan efek Thomson[7].

a. Efek Seebeck

Thomas J. Seebeck merupakan orang pertama yang menemukan fenomena termoelektrik. Apabila dua buah material yang berbeda jenis digabung lalu pada salah satu ujungnya diberi sumber panas maka akan mengalir arus. Koefisien Seebeck (S) disebut juga daya termoelektrik, seperti pada persamaan berikut:

𝛼𝛼 =𝑑𝑑𝑑𝑑𝑠𝑠

𝑇𝑇 ……….………..………...………...………... (2.2) Keterangan:

α = koefisien Seebeck [Volt/K] 𝑑𝑑𝑑𝑑𝑠𝑠 = potensial termoelektrik terinduksi [Volt] T = temperatur [K]

b. Efek Joule

Akibat timbulnya arus listrik dalam rangkaian karena adanya efek

Seebeck, maka akan timbul panas. Hal ini sesuai dengan hukum joule pada

persamaan berikut:

qj= I2 .R………... (2.3)

Keterangan:

qj = laju perpindahan panas akibat efek Seebeck [Watt]

I = arus [Ampere]

R = tahanan [Ohm]

c. Efek Konduksi

disebut efek konduktivitas. Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan:

qkond= U.(Th-Tc) ……...………..……… (2.4)

Keterangan:

qkond = laju perpindahan panasakibat efek konduksi [Watt]

U = konduktivitas termal [Watt/K] Th = temperatur permukaan panas [K]

Tc = temperatur permukaan dingin [K]

d. Efek Peltier

Pada saat arus mengalir melalui termokopel,temperaturakan berubah dan panas akan diserap pada salah satu permukaan, sementara permukaan yang lainnya akan membuang panas. Jika sumber arus dibalik, maka permukaan yang panas menjadi dingin dan sebaliknya. Gejala ini disebut efek Peltier yang merupakan dasar pendinginan termoelektrik. Dari percobaan diketahui, bahwa perpindahan panas sebanding terhadap arus yang mengalir. Persamaan dari efek Peltier adalah sebagai berikut: 𝜋𝜋𝑎𝑎𝑎𝑎 =_{𝐼𝐼𝑎𝑎𝑎𝑎}𝑞𝑞 ………...……… (2.5)

Keterangan:

𝜋𝜋𝑎𝑎𝑎𝑎 = koefisien Peltier [Volt] q = laju perpindahan panas [Watt] I = arus [Ampere]

e. Efek Thomson

Pada tahun 1854, seorang berkebangsaan Inggris yang bernama William Thomson mengemukakan hasil penelitiannya bahwa terdapat penyerapan atau pengeluaran panas bolak-balik dalam konduktor homogen mengenai perbedaan panas dan perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan dalam:

𝜏𝜏 = 𝑞𝑞

Keterangan:

𝜏𝜏 = koefisien Thomson [Volt/K] q = laju perpindahan panas [Watt] I = arus [Ampere] 𝛥𝛥𝑇𝑇 = perbedaan temperatur [K]

2.1.6 Perpindahan Kalor

Perpindahan kalor atau heat transfer merupakan ilmu untuk meramalkan perpindahan energi yang terjadi karena adanya perbedaan temperatur diantara benda atau material. Energi yang berpindah ini dinamakan kalor atau panas (heat). Perpindahan kalor ini tidak hanya menjelaskan bagaimana energi kalor itu berpindah dari satu benda ke benda lain, tetapi juga dapat meramalkan laju perpindahan yang terjadi pada kondisi-kondisi tertentu. Adapun modus perpindahan kalornya dapat terjadi dengan tigacara yaitu [11]:

a. Perpindahan kalor secara konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi terjadi dikarenakan perpindahan energi dari partikel yang memiliki energi lebih tinggi ke partikel yang energinya lebih rendah akibatadanya interaksi antara kedua partikel. Jadi, jika pada suatu benda terdapat gradien, maka akanterjadi perpindahan energi dari bagian bersuhu tinggi ke bagian bersuhu rendah sehingga laju perpindahan kalor berbanding dengan gradien suhunya.

Berdasarkan hukum Fourier, perpindahan kalor secara konduksi dapat dirumuskan sebagai berikut:

𝑞𝑞𝑘𝑘 = 𝑘𝑘𝐴𝐴𝑐𝑐𝑇𝑇1−𝑇𝑇2_𝑙𝑙 …………..……...………... (2.7)

Keterangan:

𝑞𝑞𝑘𝑘 = laju perpindahan kalor [Watt] (T1-T2)/l = gradien suhu ke arah perpindahankalor [oC/m]

Ac = luas benda [m2]

Gambar 2.3 Proses Perpindahan Kalor Secara Konduksi[1]

b. Perpindahan kalor secara konveksi

Perpindahan kalor secara konveksi terdiri dari 2 mekanisme, yang pertama terjadinya perpindahan energi akibat gerak acak fluida dan yang kedua akibat pergerakan fluida secara makro. Pergerakan fluida yang memiliki perbedaan temperatur akan meningkatkan perpindahan kalor. Perpindahan kalor secara konveksi dibedakan menjadi 2, yaitu:

i. Konveksi paksa

Konveksi paksa terjadi dimana fluida dialirkan oleh media lain seperti fan, pompa atau kompresor.

ii. Konveksi alamiah

Persamaan dasar untuk perpindahan kalor secara konveksi dapat dirumuskan sebagai berikut:

qk= h.A.(Ts- T∞).………...……….………... (2.8)

Keterangan :

qk = laju perpindahan kalor [Watt]

Ts = suhu permukaan [oC]

T_∞ = suhu fluida [oC]

A = luas permukaan [m2] h = koefisien perpindahan kalor konveksi [W/m2.oC]

Gambar 2.4 Proses Perpindahan Kalor Secara Konveksi Pada Suatu Plat[1] c. Perpindahan kalor secara radiasi

Berlainan dengan mekanisme konduksi dan konveksi dimana perpindahan energinya terjadi melalui bahan perantara, pada perpindahan kalor secara radiasi terjadi karena radiasi elektro magnetik atau daerah-daerah hampa dimana mekanismenya berupa sinaran atau radiasi elektromagnetik. Pembahasan secara termodinamika menunjukkan bahwa penyinar ideal atau benda hitam, memancarkan energi dengan laju yang sebanding dengan pangkat empat suhu absolut benda itu dan berbanding lurus dengan luas permukaan.

Persamaan dasar untuk perpindahan kalor radiasi adalah:

qrad= 𝜀𝜀.σ.A.(Ts4-T∞4)... (2.9)

qrad = laju perpindahan kalor radiasi [Watt]

𝜀𝜀 = emisivitas termal material

σ = konstanta Stefan-Boltzman [W/m2.K4] A = luas permukaan [m2] Ts = suhu permukaan [K]

T∞ = suhu fluida [K]

2.1.7Perhitungan Pendinginan Sistem Termoelektrik

Bahan termoelektrik merupakan semikonduktor yang merupakan benda padat ataupun logam yang mempunyai nilai diantaranya nilai resistansi konduktor dan isolator. Permukaan dingin menyerap panas dari produk yang dikondisikan, bagian ini mempunyai fungsi yang sama dengan evaporator pada sistem pendinginan kompresi uap. Permukaan panasmengeluarkan atau membuang panas ke luar, bagian ini mempunyai fungsi yang sama dengan kondensor[7].

Sama halnya dengan kondensor yang menggunakan sirip-sirip untuk mempercepat pembuangan panasnya, termoelektrik pada sisi permukaanpanasjuga ditambahkan dengan peredam panas untuk mempercepat proses pembuangan panas. Sumber arus searah pada termoelektrik mempunyai fungsi yang sama dengan kompresor pada sistem kompresi uap. Pengeluaran dan penyerapan panas hanya terjadi pada kedua sisi permukaan.Besarnya kalor yang diserap dan dikeluarkan adalah sebagai berikut:

qc= 2.α. Tc.I – I2 (R/2) – K.(Th– Tc) ………...…..….. (2.10)

qh=2.α. Th.I – K.ΔT + ½ .I2.R……….………... (2.11)

Keterangan:

qc = laju perpindahanpanas yang diserap [Watt]

qh = laju perpindahan panas yang dilepas [Watt] ΔT = perbedaan temperatur [K]

α = kekuatan termoelektrik dari 2 material [Volt/K]

K = konduktifitas termal dari 2 material [Watt/K] I = arus yang mengalir [Ampere] Th = temperatur permukaan panas [K]

Tc = temperatur permukaan dingin [K]

a. Luas permukaan elemen

Luas permukaan elemen dapat dihitung dengan persamaan berikut: 𝐴𝐴 = π .𝑑𝑑2

4 …………...………...………..….. (2.12) Keterangan:

A = luas permukaan elemen [cm2] d = diameter dari elemen [cm]

b. Tahanan material

Tahanan total dari 2 material dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

𝑅𝑅 = 2 �𝜌𝜌𝐿𝐿_𝐴𝐴+ 2_𝐴𝐴𝑟𝑟�... (2.13)

Keterangan:

R = tahanan total dari 2 material [ohm] L = panjang elemen [cm] A = luas penampang elemen [cm2]

ρ = tahanan listrik [Ohm cm] r = hubungan tahanan listrik [Ohm cm2]

c. Konduktifitas termal

Besarnya konduktifitas termal dari 2 material dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

𝐾𝐾= 2𝑘𝑘 𝐴𝐴

K = konduktivitas termal dari elemen [Watt/K] k = koefisien termal dari elemen [Watt/cm.K] A = ukuran elemen [cm2]

L = panjang elemen [cm] d. Arus optimum

Arus optimum yang mengalir pada termoelektrik dapat dihitung dengan menggunakan persamaan sebagai berikut:

𝐼𝐼𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜𝑜 = 2.𝛼𝛼.(𝑇𝑇1− 𝑇𝑇0)

Temperatur rata-rata dihitung dengan menggunakan rumus:

𝑇𝑇𝑚𝑚 = 𝑇𝑇1+₂𝑇𝑇0 ……..………...……….……..……….. (2.16)

2.2 Energi Surya

2.2.1Sejarah Energi Surya

Energi surya adalah sumber energi tertua yang pernah digunakan. Pemakaian energi surya pertama yang dikenal adalah dalam pengeringan makanan pengawet. Pada abad ke-18, tungku pembakaran energi surya telah digunakan dalam melelehkan besi, tembaga, dan logam lainnya yang digunakan untuk dikonstruksi menjadi besi halus, lensa kacamata ataupun cermin. Tungku tersebut digunakan di seluruh Eropa dan Timur Tengah

[19]

Satu dari penggunaan pertama yang terbesar adalah tungku surya yang dibangun oleh ahli kimia terkenal dari Prancis, Lavoisier, di sekitar tahun 1774, mengkonstruksi lensa kuat untuk mengkonsentrasi radiasi surya. Tungku ini dapat mencapai panas yang luar biasa dengan suhu 1750oC. Tungku tersebut menggunakan sebuah lensa dengan panjang 1,32 m ditambah lensa sekunder dengan panjang 0,2 m untuk mendapatkan temperatur tersebut.

Gambar 2.5Solar Furnace [6]

Pada abad ke-19, percobaan dilakukan untuk mengkonversi energi surya ke bentuk lain didasarkan pada generasi uap tekanan rendah untuk mengoperasikan mesin-mesin uap. August Monchot merintis bidang ini dengan mengkonstruksi dan mengoperasikan beberapa mesin uap tenaga surya diantara tahun 1864 dan 1878 di Eropa dan Afrika Utara.

2.2.2 Pengertian Energi Surya

Energi surya adalah energi yang berasal dari sinar dan panas dari serangkaian teknologi seperti

Total energi surya yang diserap oleh atmosfer, lautan, dan daratan Bumi sekitar 3.850.000 eksajoule(EJ) per tahun. Pada tahun 2002, jumlah energi ini dalam waktu satu jam lebih besar dibandingkan jumlah energi yang digunakan dunia selama satu tahun. Fotosintesis menyerap sekitar 3.000 EJ per tahun dalam bentuk biomassa.Potensi teknis yang tersedia dari biomassa adalah 100-300 EJ per tahun.

Jumlah energi surya yang mencapai permukaan planet Bumi dalam waktu satu tahun sangatlah besar. Jumlah ini diperkirakan dua kali lebih banyak dibandingkan dengan semua sumber daya alam Bumi tidak terbarukan yang bisa diperoleh, seperti batubara, minyak bumi, gas alam, dan uranium. Energi surya dapat dimanfaatkan pada berbagai tingkatan di seluruh dunia, yang utamanya bergantung pada jarak dari khatulistiwa. 2.2.3Fotovoltaik (PV)

Sel surya, atau sel fotovoltaik, adalah peralatan yang mengubah cahaya menjadi aliran listrik dengan menggunakan efek fotovoltaik. Sel fotovoltaik pertama dibuat ole tahun 1931, seorang insinyur Jerman, Dr. Bruno Lange, membuat sel fotovoltaik menggunaka Walaupun sel selenium mengubah kurang dari 1% cahaya yang masuk menjadi listr melihat pentingnya penemuan ini[18].

Dengan mengikuti kerja Gerald Pears mencapai efisiensi 4,5 - 6 %.Menjelang tahun 2012, efisiensi yang tersedia melebihi 20% dan efisiensi maksimum fotovoltaik dari penelitian melebihi 40%.

awal, produksi global mencapai kapasitas generator ini meliput ini dilakukan di atas tanah (dan kadang-kadang digabungkan dengan pertanian dan penggarapan) atau dibangun di atap atau dinding bangunan, yang dikenal sebagai

Gambar 2.6 Fotovoltaik (PV)[18] 2.2.4Perhitungan Solar Cell

Sel surya menerima penyinaran matahari yang sangat bervariasi dalam satu hari. Hal ini dikarenakan, sinar matahari memiliki intensitas yang lebih besar pada siang hari dibandingkan dengan pagi hari[8].

Contoh ilustrasi perhitungan daya listrik yang dibutuhkan pada kotak pendingin:

1. Tentukan daya total yang dibutuhkan kotak pendingin

Hitung berapa watt daya yang dibutuhkan sungap bahang, fan,

peltier dan sebagainya serta berapa jam per hari pemakaiannya, sehingga

didapatkan perhitungan daya dalam satuan watt jam per hari. 2. Menghitung kebutuhan modul surya

3. Kebutuhan baterai

Ukuran baterai ditentukan berdasarkan tegangan dalam satuan Volt (V) dan daya dalam satuan ampere jam (Ampere Hour), dimana umumnya digunakan baterai dengan daya 12 V atau 24 V.

4. Menghitung kebutuhan solar charge controller

Untuk menghitung kebutuhan solar charge controller, perlu diperhatikan Isc (short circuit current) dari solar panel. Kemudian, nilainya dikalikan dengan jumlah panel surya, maka didapat hasil nilai minimal dari solar charge controller.

2.2.5Alasan Penggunaan Energi Surya pada Kotak Pendingin

Energi surya merupakan energi yang telah tersedia di alam. Mengingat posisi Indonesia yang terletak di garis khatulistiwa, sumber energi dari matahari akan selalu ada. Dengan kelebihannya, energi surya dapat dipilih menjadi sumber energi kotak pendingin [12]:

a. Ramah lingkungan, energi surya tidak menghasilkan polusi yang dapat mencemari lingkungan.

b. Berkelanjutan, sehingga energi surya dapat dimanfaatkan setiap saat.

c. Mengurangi polusi bunyi, dimana energi surya tidak memiliki bagian yang bergerak.

d. Kotak pendingin tidak membutuhkan daya yang besar sehingga listrik yang dihasilkan oleh energi surya cukup untuk digunakan.

2.3 Computational Fluid Dynamics (CFD)

menganalisis masalah yang melibatkan aliran fluida tersebut. Pada analisis ini, komputer digunakan untuk melakukan perhitungan yang diperlukan untuk mensimulasikan interaksi cairan dan gas dengan permukaan yang didefinisikan oleh kondisi batas, dengan kecepatan tinggi superkomputer, agar hasil analisis yang lebih baik dapat dicapai[16].

Dalam berbagai penelitian yang sedang berlangsung, telah banyak dihasilkan perangkat lunak yang meningkatkan akurasi dan kecepatan skenario simulasi yang kompleks seperti aliran transonik atau turbulen. Validasi awal dari perangkat lunak tersebut dilakukan dengan menggunakan terowongan angin dengan validasi akhir datang dalam tes penerbangan. Dewasa ini telah banyak software engineering yang dibuat untuk analisa CFD seperti ANSYS

FLUENT, GAMBIT, dan lainnya.

CFD dapat melakukan analisa terhadap suatu sistem dengan mengurangi biaya eksperimen dan tentunya waktu yang panjang dalam melakukan eksperimen tersebut. Hal lain yang mendasari penggunaan konsep CFD adalah pemahaman lebih dalam mengenai karakteristik aliran fluida dengan melihat hasil berupa grafik, vektor, ataupun kontur.

Alasan penggunaan Ansys Fluent dalam analisis kotak pendingin dikarenakan memberikan kemudahan dalam memahami aliran fluida hasil analisa yang didukung dengan grafik, vektor, ataupun kontur sehingga pengguna dapat dengan cepat memahami hasil analisa yang didapat, sedangkan untuk Gambit lebih mudah digunakan dalam mendukung analisa padaFluent dengan memberikan kondisi batas serta meshing.

2.4Aliran Fluida

Aliran laminar adalah aliran fluida yang bergerak dengan kondisi lapisan-lapisan yang membentuk garis-garis alir dan tidak berpotongan satu sama lain. Alirannya relatif mempunyai kecepatan rendah dan fluidanya bergerak sejajarserta mempunyai batasan-batasan yang berisi aliran fluida[14].

terangkat (saltation). Pada laju aliran rendah, aliran laminar tergambar sebagai filamen panjang yang mengalir sepanjang aliran dimana aliran laminar mempunyai Bilangan Reynold lebih kecil dari 500.000.

Aliran turbulen adalah aliran fluida yang partikel-partikelnya bergerak secara acak dan tidak stabil dengan kecepatan berfluktuasi yang saling interaksi. Akibatnya, garis alir antar partikel fluidanya saling berpotongan. Aliran turbulen mempunyai Bilangan Reynoldyang lebih besar dari 500.000.

Gambar 2.7 Aliran Laminar dan Turbulen[15]

Faktor yang mempengaruhi aliran laminar dan turbulen adalah bilangan Reynold. Dalam mekanika fluida, bilangan Reynold adalah rasio antara gayainersia terhadap gaya viskos yang mengkuantifikasikan hubungan kedua gaya tersebut dengan suatu kondisi aliran tertentu. Bilangan ini digunakan untuk mengidentikasikan jenis aliran yang berbeda, misalnya laminar dan turbulen.