Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Pengukuran dan Analisis Karakteristik Thermoelectric Generator dalam Pemanfaatan Energi Panas yang Terbuang

(1)

PENGUKURAN DAN ANALISIS KARAKTERISTIK THERMOELECTRIC GENERATOR DALAM PEMANFAATAN ENERGI PANAS YANG

TERBUANG

oleh

Soelistio Permadi Widjaja

NIM : 612007043

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh

Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana

Salatiga

(2)

(3)

(4)

INTISARI

Berbagai usaha dilakukan untuk mencari sumber energi listrik baru, salah satunya

dengan pembangkit listrik dengan kapasitas mikro yang memanfaatkan energi panas.

Pemanfaatan energi panas sebagai pembangkit energi listrik dengan kapasitas mikro

dapat dilakukan dengan menggunakan elemen thermoelectric generator.

Penelitian ini menggunakan thermoelectric generator tipe TEG127–40B dengan

alumunium sebagai penerima panas dan heatsink yang dialiri air secara manual sebagai

pendingin. Variasi penelitian antara lain sumber panas, susunan thermoelectric

generator, dan hambatan beban. Sumber panas yang dipilih yaitu sinar matahari, knalpot

sepeda motor, setrika listrik, dan panas buatan dari rangkaian transistor 2N3055 untuk

mengetahui karakteristik thermoelectric generator. Sedangkan susunan thermoelectric

generator meliputi seri dan paralel.

Hasil penelitian menunjukkan panas buangan setrika dapat menjadi sumber energi

listrik dengan kapasistas mikro yang cukup potensial. Empat thermoelectric generator

yang disusun seri menghasilkan tegangan 3,67 V ketika ditempelkan dengan setrika

dengan beda temperatur 94 0C dan menghasilkan daya keluaran sebesar 1,347 W

(5)

ii

ABSTRACT

A variety of attempts had been done to find the new source of electrical energy.

One of them was by using a micro capacity power plant which utilized heat energy. The

utilization of heat energy as a micro capacity power plant could be done by using a

thermoelectric generator element.

This research used a thermoelectric generator type TEG127–40B with aluminum

as the heat receiver and as the cooler was a heat sink manually flowed by water. The

variations of this research were the heat source, the configuration of the thermoelectric

generator, and the load resistance. The heat sources chosen were the sun ray, a

motorcycle exhaust, an electric iron, and artificial heat of a transistor circuit 2N3055

with the aim of knowing the characteristics of a thermoelectric generator. The

configuration of the thermoelectric generators included series and parallel.

The output of this research indicated that waste heat of the electric iron could be a

source of electrical energy with micro capacity. Four thermoelectric generators arranged

in series could produce 3,67 Volt when being attached to electric iron with 94 0C

difference in temperature. It yielded also an output power of 1,347 Watt with a 10 Ω

(6)

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan

penyertaan – Nya selama ini sehingga saya mampu menyelesaikan skripsi ini. Tak lupa

saya berterimakasih kepada Lukas B. Setyawan, M.Sc selaku pembimbing pertama dan

F. Dalu Setiaji, M.T selaku pembimbing kedua saya karena telah menyediakan waktu

untuk membimbing, mengarahkan, serta mengevaluasi skripsi saya hingga selesai.

Terselesaikannya skripsi ini tentu juga tidak lepas dari dukungan, doa, serta kasih

saying dari keluarga saya. Oleh dari itu, saya berterima kasih kepada Chandra Widjaja,

ATT – I (Papah) dan Lindawati Siswosaputro, Apt (Mamah) yang telah mendukung

biaya kuliah saya selama ini. Saya juga mengucapkan terima kasih kepada kakak

pertama saya S. Sari Widjaja, S.TP dan kakak kedua saya S. Wati Widjaja, Apt serta

kakak ipar saya Edi Hartono, S.E yang telah memberi saya semangat untuk

menyelesaikan skripsi ini.

Selain itu, saya berterima kasih pula pada Lidia Haryani, S.Pd atas bantuan,

semangat, serta kasih sayang yang dia berikan kepada saya selama ini sehingga saya

bisa menyelesaikan skripsi ini.

Apresiasi juga saya berikan kepada seluruh dosen (FTEK) Fakultas Teknik

Elektronika dan Komputer atas ilmu pengetahuan dan pengalaman yang beliau – beliau

bagi kepada saya sehingga dapat bermanfaat sebagai dasar untuk membuat skripsi ini.

Kepada staf dan laboran FTEK saya mengucapkan terima kasih atas pertolongan yang

diberikan selama saya menjadi mahasiswa. Tak terkecuali seluruh teman serta sahabat

saya di FTEK baik seangkatan maupun tidak seangkatan, yang tidak dapat saya

sebutkan namanya satu – persatu. Terima kasih atas kerja sama dan kebaikan kalian

(7)

iv

Sebagai kalimat penutup, saya sebagai penulis mengharapkan skripsi ini dapat

memberi manfaat yang krusial bagi pihak yang membacanya. Karena kekurangan dan

keterbatasan yang saya miliki menjadikan skripsi ini jauh dari sempurna. Maka dari itu

kritik dan saran yang membangun akan saya terima dengan berbesar hati.

Salatiga, Oktober 2012

Penulis

(8)

DAFTAR ISI

1. 3. Sistematika Penulisan 3

BAB II DASAR THERMOELECTRIC GENERATOR 5

2. 1. Konsep Thermoelectric 5

2. 1. 1. Thermoelectric Generator 5

2. 1. 2. ThermoelectricCooling 6

2. 2. Efisiensi dari Bahan Thermoelectric : Figure–of–Merit (ZT) 7

2. 3. Efisiensi, ZT, dan Perbedaan Temperatur 9

2. 4. Efek Thermoelectric 10

2. 4. 1. Efek Seebeck 11

2. 4. 2. Efek Peltier 12

2. 4. 3. Efek Thomson 13

BAB III PERANCANGAN DAN METODE PENELITIAN 14

3. 1. Perancangan Modul Percobaan 14

3. 1. 1. Bagian Pemanas 14

3. 1. 2. Bagian Thermoelectric 15

3. 1. 3. Bagian Pendingin 16

3. 1. 4. Komponen Tambahan 17

3. 1. 5. Perancangan Keseluruhan 17

3. 2. Macam Pengukuran 18

(9)

vi

3. 2. 2. Pengukuran Temperatur 19

3. 3. Variasi Percobaan 21

3. 3. 1. Variasi Sumber Panas 21

3. 3. 2. Variasi Hambatan Beban 23

3. 3. 3. Variasi Jumlah dan Susunan Thermoelectric Generator 23

BAB IV HASIL PENELITIAN DAN ANALISIS 25

4. 1. Pengujian Menggunakan Sumber Panas Buatan 25

4. 2. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Sinar Matahari 28

4. 2. 1. Analisis Perbedaan Temperatur 28

4. 2. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran 32

4. 2. 3. Analisis Daya Keluaran 34

4. 3. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Knalpot Sepeda Motor 36

4. 4. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Setrika Listrik 43

BAB V PENUTUP 52

5. 1. Kesimpulan 52

5. 2. Saran Pengembangan 53

DAFTAR PUSTAKA 54

LAMPIRAN HUBUNGAN TEGANGAN DAN ARUS PADA HAMBATAN BEBAN

(10)

DAFTAR GAMBAR

HALAMAN

Gambar 2.1. Elemen thermoelectric 5

Gambar 2.2. Thermoelectricpower generator 6

Gambar 2.3. Thermoelectriccooling 7

Gambar 2.4. ZT dari variasi bahan thermoelectric 9

Gambar 2.5. Efisiensi sebagai fungsi dari perbedaan temperatur 10

Gambar 2.6. Diagram untai seebeck. A dan B adalah dua logam yang berbeda 11

Gambar 3.1. Untai pemanas menggunakan 2N3055 14

Gambar 3.2. Antarmuka dengan permukaan tidak rata 16

Gambar 3.3. Arah aliran air di dalam heatsink 17

Gambar 3.4. Perancangan percobaan pertama 18

Gambar 3.5. Perancangan percobaan kedua 18

Gambar 3.6. Pengukuran tegangan TEG127–40B 19

Gambar 3.7. Pengukuran temperatur sisi panas dan sisi dingin TEG127–40B 20

Gambar 3.8. Percobaan dengan sumber panas sinar matahari 22

Gambar 3.9. Percobaan dengan sumber panas knalpot sepeda motor 22

Gambar 3.10. Percobaan dengan sumber panas setrika listrik 23

Gambar 3.11. Susunan TEG127–40B secara seri 24

Gambar 3.12. Susunan TEG127–40B secara paralel 24

Gambar 4.1. Grafik tegangan keluaran terhadap beban TEG127–40B 26

Gambar 4.2. Grafik arus keluaran TEG127–40B 26

Gambar 4.3. Grafik daya keluaran TEG127–40B 27

Gambar 4.4. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.3λ Ω, 0.5 Ω,

1 Ω, dan 3.3 Ω 29

Gambar 4.5. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω,

dan 15 Ω 29

Gambar 4.6. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap

beban 0.3λ Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω 30

beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω 30

Gambar 4.8. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban

(11)

viii

15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω 31

Gambar 4.10. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B 32

Gambar 4.11. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel 33

Gambar 4.12. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri 33

Gambar 4.13. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B 34

Gambar 4.14. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel 35

Gambar 4.15. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri 35

1 Ω, Dan 3.3 Ω 36

dan 15 Ω 37

beban 0.3λ Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω 37

beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω 38

0.3λ Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω 38

15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω 39

Gambar 4.27. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri 43

1 Ω, dan 3.3 Ω 44

dan 15 Ω 44

(12)

beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω 45

0.3λ Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω 46

15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω 46

(13)

x

DAFTAR TABEL

HALAMAN

Tabel 3.1. Spesifikasi TEG 127–40B 15

Tabel 3.2. Spesifikasi FLUKE 26 III true RMS multimeter 19

Tabel 3.3. Spesifikasi dualchannelthermometer TM 914C 20

Tabel 4.1. Data karakteristik TEG127–40A 28

(14)

DAFTAR LAMBANG

Z Figure–of–Merit

α Koefisien Seebeck bahan

σ Konduktivitas listrik bahan Konduktivitas panas bahan

Th Temperatur sisi panas thermoelectric generator

Tc Temperattur sisi dingin thermoelectric generator η Efisiensi

Q Panas Peltier tiap satuan waktu

∏ Koefisien Peltier bahan J Kerapatan arus

ρ Resistivitas bahan Koefisien Thomson

(15)

xii

DAFTAR SINGKATAN

DC DirectCurrent

EMF ElectromotiveForce

TEC ThermoelectricCooling