T1__BAB III Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Alat Peraga Sistem Pemantauan Energi Menggunakan TEG (Thermo Electric Generator) dan TEC (Thermo Electric Cooler). T1 BAB III

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang dibuat. Gambaran sistem dan blok diagram alat yang dibuat secara keseluruhan ditunjukkan oleh Gambar 3.1 dan Gambar 3.2 di bawah.

Gambar 3.1. Gambaran Sistem yang akan Dibuat.

Secara garis besar, modul TEG/TEC diberi perbedaan suhu (∆T), sehingga modul TEG/TEC menghasilkan tegangan. Tegangan yang didapat dibaca oleh sensor tegangan dan dikonversi oleh Arduino serta ditampilkan pada Processing.

3.1. Cara Kerja Alat

Proses kerja dari sistem ini adalah sebagai berikut:

a. Modul TEG/TEC diberi perbedaan suhu sehingga dapat menghasilkan

tegangan.

b. Perbedaan suhu dihasilkan dari elemen panas dan dingin yang terletak di antara Modul TEG/TEC.

c. Perbedaan suhu panas dan dingin dapat diatur menggunakan thermostat yang sudah terintegrasi pada masing-masing elemen.

d. Thermostat yang digunakan adalah thermostat digital yang memiliki 3 tombol pengontrol sebagai pengaturan setpoint dan 7segmen sebagai indikator setpoint.

e. Suhu dapat diatur dari 30-100ᵒC untuk elemen panas dan 10-30ᵒC untuk elemen dingin.

f. Tegangan yang di hasilkan oleh Modul TEG/TEC yang di akibatkan dari perbedaan suhu menjadi masukan untuk Arduino yang selanjutnya akan dikonversimenjadi ADC pada Arduino.

g. Nilai ADC yang di dapat, diolah menjadi tiga nilai yang berbeda yaitu nilai tegangan terhadap waktu, nilai arus terhadap waktu, dan nilai daya terhadap waktu yang ditampilkan pada serial monitor.

3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat keras

Perancangan alat yang dibuat secara keseluruhan adalah seperti yang ditunjukkan Gambar 3.3.

Gambar 3.3. Gambaran alat yang akan dibuat.

Penjelasan dari gambar 3.3. di atas adalah sebagai berikut : 1. Arduino

2. Sensor Tegangan

3. Thermostat Pemanas sistem 4. Thermostat Pendingin sistem 5. Slot kabel

Gambar 3.4. Realisasi Perangkat Keras

Alat ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu modul sistem pemanas, modul sistem pendingin, dan panel Arduino.

3.2.1. Sistem Pemanas

Bagian ini merupakan bagian yang akan mencatu temperatur panas pada modul TEG/TEC. Temperatur panas dari sistem ini bersumber dari sebuah modul elemen pemanas bertipe PTC yang memerlukan masukan tegangan sebesar 12V dengan daya 30W, yang akan ditunjukkan Gambar 2.7.

Sistem pemanas ini juga dilengkapi sebuah sensor suhu berjenis DS18B20 seperti yang ditunjukkan Gambar 2.5 berfungsi sebagai pembaca suhu panas pada elemen pemanas. Nilai yang telah didapat dari sensor suhu tersebut akan dibaca Arduino dan selanjutnya ditampilkan pada User Interface Processing. Sensor suhu diletakkan sejajar dengan elemen pemanas yang permukannya terdapat alumunium. Alumunium yang telah terintegrasi dengan sensor suhu dan elemen pemanas

ditempelkan pada acrilyc berukuran × cm dengan tebal 3mm yang ujung-ujungnya terdapat sebuah Baut berukuran 3mm dengan tinggi 3cm seperti Gambar 3.5.b. di bawah berfungsi agar sistem pemanas dapat digerakkan secara fleksible (naik dan turun). Dalam percobaan yang sudah dilakukan terhadap kaca, kayu dan

acrylic, acrylic dipilih karnabahan tersebut tidak terlalu banyak menyerap panas, sehingga panas yang dihasilkan elemen pemanas dapat terpusat pada kolektor.

3.2.2. Sistem Pendingin

Bagian ini merupakan bagian yang akan mencatu temperatur dingin pada modul TEG/TEC. Temperatur dingin dari sistem ini bersumber dari material TEC

bertipe TEC1-12706 seperti yang ditunjukkan Gambar 3.6 di bawah, modul TEC yang digunakan sebagai pendingin ini merupakan TEC yang berbeda dengan tipe

yang sama dengan modul TEC yang digunakan sebagai penghasil tegangan, karena sifat TEC yang dapat digunakan sebagai pendingin apabila diberi sumber tegangan dan dapat menghasilkan tegangan apabila diberi perbedaan suhu pada kedua sisinya.

TEC memerlukan masukan tegangan sebesar 12V 3A, dengan pemberian tegangan tersebut TEC menghasilkan suhu dingin di salah satu sisi dan suhu panas disisi lainnya. Sehingga pada bagian pendingin diberi cold sink berukuran × cm dengan tebal 1 cm untuk memperluas permukaan pendingin, selain itu cold sink juga digunakan sebagai tempat untuk sensor suhu berjenis DS18B20 seperti yang ditunjukkan Gambar 2.5 berfungsi sebagai pembaca suhu dingin pada TEC.

Nilai yang telah didapat dari sensor suhu tersebut akan dibaca Arduino dan selanjutnya ditampilkan pada User Interface Processing. Pada sisi bagian panas ditambahkan penyerap panas berupa pasta thermal yang bagian bawahnya diberi heat sink berukuran × cm dengan tebal 6cm seperti ditunjukkan Gambar 3.7 di bawah, agar suhu panas yang dihasilkan dapat teredam dengan cepat maka

ditambahkan sebuah kipas DC yang memerlukan tegangan sebesar 12V 0,42A. gambar untuk sistem pendingin dapat dilihat pada Gambar 3.8 di bawah.

Gambar 3.6 Modul TEC 12706[19]. 4 cm

Gambar 3.7 Heat sink yang digunakan[20].

3.2.3. Panel Arduino

Panel Arduino ini terdapat beberapa perancangan yaitu perancangan sensor tegangan, perancangan Thermostat dan perancangan Arduino Nano.

3.2.3.1. Sensor Tegangan

Sensor tegangan berfungsi untuk mendeteksi tegangan listrik (DC) yang dihasilkan dari pengukuran yang telah dilakukan pada modul TEG/TEC. Nilai yang dihasilkan berupa tegangan analog. Nilai yang didapat selanjutnya akan diolah Arduino dan ditampilkan dalam bentuk grafik pada Processing. Modul sensor tegangan yang digunakan pada tugas akhir ini dapat dilihat pada gambar di bawah.

Gambar 3.9 Sensor tegangan[21].

3.2.3.2. Thermostat

3.2.3.3. Arduino Nano

Pada tugas akhir ini, Arduino berfungsi sebagai pengolah data yang di dapat dari pengukuran sensor tegangan maupun sensor suhu. Nilai dari sensor tegangan yang berupa analog akan di ubah melalui pin ADC(Analog Digital Converter) pada Arduino. Dari nilai tersebut akan di olah menjadi nilai tegangan, nilai arus dan nilai daya. Sedangkan nilai yang didapat dari sensor suhu akan diolah Arduino menjadi suhu panas, suhu dingin dan perbedaan suhu(∆T). Flowchart pada Arduino dapat dilihat dalam Gambar 3.10 di bawah.

Tabel 3.1. Konfigurasi Pin Arduino nano

Nama Port Fungsi

Digital 2 Sensor suhu panas

Digital 3 Sensor suhu dingin

Analog 1 Sensor tegangan

Gambar 3.11 Block Diagram Sistem

3.3. Perancangan Perangkat Lunak

Perangkat lunak pada tugas akhir ini berupa User Interface pada aplikasi Prosesing. User Intarface berfungsi untuk menampilkan nilai tegangan, nilai arus dan nilai daya dalam bentuk grafik. Sedangkan suhu panas, suhu dingin dan perbedaan suhu dalam bentuk angka suhu tersebut.

Nilai - nilai yang digunakan pada Processing diimport dari Arduino, selanjutnya Processing akan mengolah nilai-nilai tersebut dalam bentuk grafik dan angka-angka yang selanjutnya ditampilkan sebagai User Interface tersebut. Selain itu data yang telah didapat akan disimpan dalam bentuk .txt. Flowchart pada Processing dapat dilihat dalam Gambar 3.12 di bawah

Gambar 3.12 Flowchart pada Processing

3.4. Thermoelectric Cooler (TEC)

Modul TEC akan menghasilkan listrik ketika terdapat gradien temperatur

(�T) antara sisi panas dan sisi dingin dengan cara sisi panas diberi sumber panas kemudian sisi dingin diberi sumber dingin. Modul TEC ini akan bekerja hingga suhu 200˚C. Gambar modul TEC yang digunakan dalam tugas akhir ini dapat dilihat pada Gambar 3.6 diatas. Berikut spesifikasi TEC tipe TEC-12706[21] yang digunakan:

Tabel 3.2. Spesifikasi TEC1-12706 yang digunakan[21].

Hot Side Temperature (ºC) 25 50

Modul TEG akan menghasilkan listrik ketika terdapat gradien temperatur (�T) antara sisi panas dan sisi dingin dengan cara sisi panas diberi sumber panas kemudian sisi dingin diberi sumber dingin. Modul TEG yang terbuat dari Bi-Te ini akan bekerja hingga suhu 330˚C.

Berikut spesifikasi TEGtipe TE-MOD-5W5V-30S[22] yang digunakan:

Tabel 3.3. spesifikasi TEG TE-MOD-5W5V-30S yang digunakan[22].

Temperatur sisi panas (˚C) 300

Temperatur sisi dingin (˚C) 30

Tegangan hubung buka (V) 10,8

Hambatan dalam (ohms) 5,4

Tegangan keluaran dengan beban (V) 5,4

Arus keluaran dengan beban (A) 1

Daya keluaran dengan beban (W) 5,4

Aliran panas yang melewati modul (W) ≈ 96

Kerapatan aliran panas (W cm-2) ≈ 10,7

Beban AC (ohms) di ukur di bawah 27˚C pada 1000 Hz 2,8 ~ 4,0

Gambar 3.14 grafik POUTTE-MOD-5W5V-30S terhadap variasi suhu[22].

Dari grafik pada Gambar 3.14 dapat diketahui bahwa dengan �T sebesar 100°C, Thermoelectric generator ini mampu menghasilkan daya listrik sebesar 0,75W. Besarnya daya panas yang diubah menjadi daya listrik yaitu:

� = � × � (3.1)

� = �� × �� × , �cm ² (3.2)

� = 9 , � (3.3)

Dimana q adalah kerapatan aliran panas (W cm ² ) A adalah luasan permukaan TEG (cm)

Dari persamaan di atas, modul TEG yang digunakan mempunyai efisiensi sebesar:

� = (3.4)

� = 0._{9 ,3} (3.5)