Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Penyimpan Energi yang TErbuang dari Panas Setrika Listrik Menggunakn Thermoelectric Generator (TEG) T1 612009045 BAB II

BAB II

LANDASAN TEORI

Pada bab ini akan dibahas secara singkat mengenai teori dasar yang digunakan

dalam merealisasikan suatu alat yang memanfaatkan energi terbuang dari panas setrika

listrik untuk disimpan dalam suatu baterai.

2.1. Setrika Listrik

Setrika listrik merupakan alat elektronik yang berfungsi menghaluskan kerutan

pada pakaian. Bagian setrika yang menempel pada baju terbuat dari logam alumunium,

stainless steel, ataupun lapisan teflon. Setrika listrik bekerja dengan mengubah energi

listrik menjadi energi panas. Saat dihubungkan pada sumber tegangan, elemen pemanas

pada setrika mengalirkan arus listrik yang membangkitkan panas. Semakin besar arus yang

mengalir akan menyebabkan semakin tinggi panas yang dihasilkan.

Elemen pemanas yang telah teraliri oleh arus listrik akan mengalami pemanasan.

Termostat pada setrika berfungsi mengatur agar panas yang dihasilkan setrika stabil dan

tidak berlebih. Saat sudah mencapai suhu maksimal, termostat pada setrika akan

memutuskan aliran arus dari sumber tegangan dengan membuat salah satu logam pada

saklar mengalami pemuaian dan saklar akan terbuka sehingga lampu mati karena tidak ada

arus mengalir. Kemudian termostat akan mengalirkan arus kembali saat suhu sudah mulai

kurang optimal. Proses ini akan berulang secara otomatis atau disebut automatic on-off

system. Panas yang dihasilkan kemudian dialirkan menuju alas setrika yang bersentuhan

langsung dengan pakaian. Berikut adalah bagian- bagian setrika yang ditunjukkan oleh

Gambar 2.1. Bagian setrika listrik[4].

2.2. Thermoelectric Generator (TEG)

TEG merupakan modul yang akan mengubah energi panas dari gradien temperatur

menjadi energi listrik berdasar efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas J. Seebeck pada

tahun 1821. Ia melakukan pengamatan besar tegangan terhadap dua buah tembaga dan besi

dalam sebuah rangkaian yang di antaranya diletakkan jarum kompas. Saat sisi logam

dipanaskan, jarum kompas bergerak karena disebabkan oleh medan magnet yang timbul

akibat aliran listrik yang terjadi pada logam. Cara kerja TEG berdasar efek Seebeck

Gambar 2.2. Cara kerja TEG berdasar efek Seebeck[5].

Gambar 2.3. Konstruksi elemen TEG[6]

Gambar 2.3 menunjukkan sebuah elemen TEG yang tersusun dari suatu elemen

tipe-n (material dengan kelebihan elektron) dan tipe-p (material dengan kekurangan

elektron). Aliran panas yang mengalir dari satu sisi dan dibuang ke sisi lain menghasilkan

tegangan pada sambungan thermoelectric yang besarnya tergantung pada gradien

temperatur dari kedua sisi. Besarnya koefisien Seebeck yang dihasilkan didefinisikan

=∆�

∆ (2.1) Dimana : S = Koefisien Seebeck (V/K)

∆V= beda potensial (V)

∆T= beda temperatur (K)

TEG dibuat dari bahan semikonduktor yang memiliki konduktivitas listrik tinggi

dan konduktivitas panas yang rendah. Material yang banyak digunakan saat ini adalah

Bi-Te dengan figure of merit (Z)tertinggi.

Besarnya efisiensi maksimum pembangkit listrik thermoelectric generator ini dapat

dihitung menggunakan persamaan berikut[7]:

Th dan Tc = Temperatur sisi panas dan dingin

Z *= Nilai figure of merit optimum dari kopel tipe-n/tipe-p

2.3. Karakteristik Pendingin

TEG akan menghasilkan listrik jika terdapat gradien temperatur antara kedua sisi.

Semakin optimal gradien suhu yang terjadi, semakin besar arus listrik yang dihasilkan.

Dibandingkan dengan pendingin udara, pendingin cair lebih banyak digunakan dalam

menjaga kestabilan suhu.

Hampir semua zat cair dapat digunakan sebagai pendingin. Saat air biasa mencapai

titik didihnya yaitu 100°C, unsur oksigen pada air akan bereaksi dan mengeluarkan

gelembung udara yang justru akan menempel pada besi atau alumunium dan menyebabkan

korosi apabila berkepanjangan. Terlebih apabila air yang digunakan berasal dari sumur

lebih baik jika menggunakan pendingin yang tidak korosif misalnya berupa oli yang

memiliki titik didih lebih tinggi yaitu ˃300˚C[8].

2.4. Perpindahan Kalor

Panas mengalir dari suhu yang tinggi menuju suhu yang lebih rendah. Terdapat tiga

cara dalam perpindahan kalor, namun dalam TEG terjadi dua proses. Perpindahan kalor

yang pertama yaitu konduksi yang terjadi pada alas alumunium sisi panas dan yang kedua

adalah konveksi oleh cairan pendingin pada sirip heat sink.

2.4.1. Konduksi

Konduksi yaitu proses perpindahan kalor antar zat tanpa melibatkan

perpindahan molekul zat tersebut. Kita dapat menghitung persamaan perpindahan

kalor induksi atau yang dikenal dengan hukum fourier sebagai berikut[7]:

� = −�� _��− (2.4)

Konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi dengan disertai dengan

pergerakan molekul benda tersebut. Konveksi panas terjadi akibat perpindahan

partikel zat bertemperatur tinggi dengan mengalir secara sendirinya sehingga terjadi

perpindahan panas melalui perpindahan massa. Konveksi yang terjadi pada bagian

heat sink TEG ini merupakan konveksi secara alami, dikarenakan bagian heat sink

diberi cairan pendingin yaitu oli akan tetapi zat cair tersebut tidak mengalir.

Persamaan dalam perpindahan konveksi atau dikenal hukum pendinginan Newton

� = ℎ × � × � (2.5)

Dimana: q=energi kalor(W)

h=koefisien perpindahan kalor konveksi(W/m².K)

A= luas area permukaan(m²)

� = gradien temperatur (K)

2.5. Regulator Switching

Regulator switching merupakan rangkaian yang bertugas untuk menghasilkan

keluaran yang stabil, yaitu mengubah VIN menjadi VOUT yang diinginkan. Transistor daya

bekerja sebagai saklar, baik saat on ataupun off. Energi yang dihasilkan akan disimpan

dalam induktor (L) dan kapasitor (C). Dalam pembuatan skripsi ini digunakan regulator

switching tipe buck- boost converter. Gambar 2.4 berikut iniadalah skema dari buck-boost

converter.

Gambar 2.4. Skema Buck-boost converter[9].

2.5.1. IC (Integrated Circuit) LM2577-Adj

IC LM2577-Adj[10] merupakan salah satu IC regulator penaik tegangan.

Dalam aplikasinya, IC ini hanya membutuhkan sedikit rangkaian luar. Susunan pin

dan diagram blok dari IC ini tampak pada Gambar 2.5 berikut:

Gambar 2.6. Blok diagram IC LM2577-Adj[10] sebagai boost converter.

IC LM2577-Adj ini bekerja dengan mengubah keluaran saklar on dan off

pada frekuensi 52kHz dan akan menghasilkan energi pada induktor (L). Ketika saklar

transistor NPN dalam keadaan on, arus induktor akan melakukan pengisian dengan

nilai sebesar VIN/L, kemudian arus akan disimpan dalam induktor (L). Sebaliknya saat

saklar transistor dalam keadaan off, induktor (L) akan melakukan pengosongan arus

melalui dioda (D) menuju kapasitor keluaran (COUT) dengan nilai sebesar (V

OUT-VIN)/L. Dengan demikian, energi yang tersimpan dalaminduktor selama saklar on akan

dipindahkan ke output saat saklar off. VOUT ditentukan oleh jumlah energi yang

dipindahkan yang mana ditentukan juga dengan cara memodulasi arus induktor

puncak (IIND(PK)) yaitu dengan memberikan umpan balik sebagian VOUT pada error

amp, yang memberikan penguatan pada selisih Vfeedbackdan Vrefsebesar 1,230V. VOUT

pada error amp dibandingkan dengan V yang sebanding dengan arus switch ISW(arus

konduktor selama periode switch on). Komparator akan menghentikan switch ketika

dua tegangan sama besar, dengan demikian menentukan ISW(PK) sehingga akan

Persamaan yang digunakan untuk mengetahui besar arus maksimum

ILOAD(MAX) keluaran IC yaitu sebagai berikut:

ILOAD(max) ≤

Persamaan yang digunakan untuk menghitung maksimum duty cycle, D(max) ,

adalah sebagai berikut:

D(max) = � + �� − �� �

� + �� − , V (2.7)

dimana VF = 0,5V untuk dioda Schottky dan 0,8V untuk dioda fast recovery.

Jika diperoleh nilai D ≤ 0,85 perhitungan untuk mencari LMINmenggunakan Persamaan 2.9 dan 2.10. Persamaan 2.8 digunakan untuk menghitung nilai minimum

Gambar 2.7. Grafik Pemilihan Nilai Induktor Pada LM2577-Adj[10].

Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai RCdan CC yang terhubung

dengan pin 1 sebagai berikut

RC≤

× ILOAD ax × �

�� � (2.11)

CC≥ , × � ×

× �_{� �} (2.12)

Nilai COUT berdasarkan dua persamaan berikut

COUT≥

, × � × × ILOAD ax

�� � × � (2.13)

Dan

COUT≥ �� � × × �� � + , × × �

. × � (2.14)

Tegangan keluaran VOUT dari IC ini dapat dihitung dengan persamaan

Dari Persamaan 2.15, rangkaian yang menggunakan LM2577-Adj ini dapat

berfungsi sebagai regulator buck karena VOUT(min) = 1,23V yaitu ketika R1=0. Jadi

dengan mengatur nilai R1, VOUT bisa lebih besar atau lebih kecil dari VIN yang