KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL BERPENDINGIN UDARA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

(1)

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL

BERPENDINGIN UDARA UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA SURYA

TUGAS AKHIR

Diajukan untuk memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana Teknik

Jurusan Teknik Mesin

Disusun oleh :

Nama : Juwanta Yeonardy NIM : 045214001

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN

JURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA

YOGYAKARTA

2008

(2)

THE CHARACTERISTICS OF AIR COOLED PARALLEL

THERMOELECTRIC FOR SOLAR POWER GENERATOR

FINAL PROJECT

Presented as partitial fulfilment of the requirement for the Degree of Mechanical Engineering

Mechanical Engineering Department

by :

Name : Juwanta Yeonardy Student Number : 045214001

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM

MECHANICAL ENGINEERING DEPARTMENT

FACULTY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY

YOGYAKARTA

2008

(3)

(4)

(5)

v

PERNYATAAN KEASLIAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam menyelesaikan tugas akhir ini

tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di

suatu perguruan tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya

atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang

secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.

Yogyakarta, 14Januari 2008

Penulis

(6)

INTI SARI

Energi listrik sekarang merupakan kebutuhan primer bagi masyarakat kota

tetapi masih ada juga daerah yang masih belum terdapat jaringan listrik. Apalagi

akhir-akhir ini mulai heboh masalah krisis energi khususnya di Indonesia karena

eksploitasi besar-besaran terhadap sumber daya alam terutama bahan tambang

sebagai bahan bakar untuk pembangkit energi maka dilakukan penelitian untuk

mencari sumber energi alternatif lain yang ramah lingkungan dan

berkesinambungan salah satunya adalah dengan menggunakan termoelektrik.

Termoelektrik adalah cara perpindahan kalor padat melalui material

semikonduktor yang berbeda (tipe n dan tipe p).

Dalam Tugas Akhir ini mencoba meneliti sebuah pembangkit listrik tenaga

surya kolektor datar susunan pipa paralel berukuran 0,6m2 dengan menggunakan

termoelektrik susunan paralel. Tujuan penelitian untuk mengetahui karakteristik

dari modul termoelektrik seri TEC1-12706 sebagai generator listrik.

Termoelektrik divariasikan dengan susunan paralel dan seri-paralel. Parameter

yang diukur atau dihitung adalah pengukuran suhu sisi panas (TH) dan sisi dingin

(TC) dari termoelektrik, koefisien Seebeck (SM) serta efisiensi dari kolektor (η) dan

efisiensi generator (ηg).

Dari penelitian ini diperoleh unjuk kerja susunan termoelektrik secara

paralel adalah yang terbaik dengan hasil efisiensi total 0,434% dan untuk variasi

termoelektrik susunan seri-paralel menghasilkan efisiensi total 0,159%. Hasil ini

menunjukkan untuk memperoleh unjuk kerja yang baik harus dipilih termoelektrik

yang disusun secara paralel.

(7)

(8)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang telah melimpahkan

rahmat dan karunia-Nya sehingga penulis telah dapat menyelesaikan Tugas Akhir

ini dengan lancar.

Tugas Akhir ini merupakan salah satu syarat untuk dapat menyelesaikan

pendidikan Strata-1 di Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Pada kesempatan ini atas segala bantuan baik material maupun spiritual

sehingga Tugas Akhir ini dapat terselesaikan, dengan hormat penulis

menyampaikan terima kasih kepada :

1. Ayah dan ibu tercinta yang selalu setia mendukung dari segi moril dan

materiil dan juga adik-adik yang selalu memberikan semangat.

2. Ir. Greg. Heliarko, SJ., S.S., B.S.T., M.A., M.Sc. selaku Dekan Fakultas

Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Wakil Dekan I Fakultas Sains

dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

4. Budi Sugiharto, S.T., M.T. selaku Ketua Program Studi Teknik Mesin

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta..

5. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir

6. Ir. Fx. Agus Unggul Santosa, M.T. selaku Dosen Pembimbing Akademik.

7. Seluruh dosen dan staff serta laboran Jurusan Teknik Mesin Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta yang telah mengajarkan berbagai pengetahuan

kepada penulis dan membantu selama proses belajar di Jurusan Teknik

Mesin.

8. Teman-teman kelompok studi penelitian ini (Supriady, Fendi, Hendro

Simatupang), dan seluruh mahasiswa Teknik Mesin.

9. Teman-teman kost dan kontrakan di manapun sekarang, dan semua pihak

yang telah membantu.

(9)

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa penelitian dan penulisan

tugas akhir ini masih jauh dari sempurna. Meskipun demikian penulis

berharap bahwa hasil penelitian ini tetap dapat memberikan kontribusi

dalam pengembangan ilmu pengetahuan. Atas kritik dan saran yang

bersifat membangun guna sempurnanya karya tulis ini penulis

mengucapkan terima kasih.

Yogyakarta, 14 Januari 2008

Juwanta Yeonardy

(10)

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ...i

TITLE PAGE ... ii

HALAMAN PERSETUJUAN PEMBIMBING ...iii

HALAMAN PENGESAHAN ...iv

HALAMAN PERNYATAAN ... v

INTI SARI ...vi 1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 3

1.3 Tujuan Penelitian ... 4

1.4 Batasan Masalah ... 4

BAB II Dasar Teori 2.1 Tinjauan Pustaka ... 6

2.2 Persamaan yang Digunakan ... 7

2.2.1 Persamaan output dari generator ... 7

(11)

2.2.2 Persamaan unjuk kerja kolektor ... 11

BAB III Metode Penelitian 3.1 Peralatan Penelitian ... 13

3.2 Cara kerja alat ... 13

3.3 Peralatan yang Digunakan ... 14

3.4 Parameter yang diukur ... 15

3.5 Langkah Penelitian ... 15

3.6 Parameter yang Dihitung ... 17

BAB IV Pengambilan Data 4.1 Langkah Pengambilan Data ... 18

4.2 Data Hasil Penelitian... 20

BAB V Pengolahan Data 5.1Perhitungan Data... 22

5.2 Tabel Hasil Pengolahan Data ... 29

5.3 Grafik-Grafik Hasil Pengolahan Data ... 33

5.3.1 Termoelektrik disusun secara paralel ... 33

5.3.2 Termoelektrik disusun secara seri-paralel ... 43

BAB VI Analisa Data dan Pembahasan 6.1 Analisa Data ... 56

6.2 Pembahasan ... 60

(12)

BAB VII Penutup

7.1 Kesimpulan ... 62

7.2 Saran ... 63

DAFTAR PUSTAKA... 64

LAMPIRAN

(13)

DAFTAR LAMBANG

TH Temperatur sisi panas (K) TC Temperatur sisi dingin (K)

NT Total modul

NS Modul seri

NP Modul paralel

I Arus keluaran generator (A)

Vo Tegangan keluaran generator (V) Po Daya keluaran generator (W) QH Energi panas masuk generator (W)

DT Selisih suhu sisi panas dan sisi dingin termoelektrik (0C) SM Koefisien Seebeck (V/K)

SMTH Koefisien Seebeck modul pada sisi panas TH (V/K) SMTC Koefisien Seebeck modul pada sisi dingin TC (V/K) Snew Koefisien Seebeck untuk modul yang baru (V/K)

s Koefisien Seebeck untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 A

RM Tahanan listrik modul (ohm)

RMTH Tahanan listrik modul pada sisi panas TH (ohm) RMTC Tahanan listrik modul pada sisi dingin TC (ohm) Rnew Tahanan listrik untuk modul yang baru (ohm)

r Koefisien tahanan listrik untuk modul dengan 71 pasang

semikonduktor dan arus 6 A KM Konduktansi termal modul (W/K)

KMTH Konduktansi termal modul pada sisi panas TH (W/K) KMTC Konduktansi termal modul pada sisi dingin TC (W/K) Knew Konduktansi termal untuk modul yang baru (W/K)

k Koefisien konduktansi termal untuk modul dengan 71 pasang

semikonduktor dan arus 6 A

Nnew Jumlah pasangan semikonduktor untuk modul yang baru Inew Arus optimum atau maksimum modul yang baru (A)

T Temperatur modul (K)

RL Tahanan beban (ohm)

FR Faktor pelepasan panas G Radiasi yang datang (W/m2) Ta Temperatur sekitar (K)

Ti Temperatur fluida kerja masuk kolektor (K) UL Koefisien kerugian (W/(m2.K)) ≈ 8 (W/(m2.K))

τα Faktor transmitan-absorpan kolektor

(14)

AC Luasan kolektor (m2)

CPF Panas jenis fluida kerja (J/(kg.K))

Massa fluida kerja dalam pipa di kolektor (kg)

Ta Temperatur sekitar (K)

Ti Temperatur fluida kerja masuk kolektor (K) To Temperatur fluida kerja keluar kolektor (K)

ηg Efisiensi generator

η Efisiensi kolektor termal surya

ηtotal Efisiensi secara keseluruhan

(15)

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.Termoelektrik pembangkit energi listrik... 6

Gambar 2. Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel... 6

Gambar 3. Bagian bagian kolektor datar... 11

Gambar 4. Skema alat penelitian ... 13

Gambar 5. Detil pembangkit listrik termoelektrik ... 14

Gambar 6. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan temperatur sisi panas (th) susunan paralel ... ... 33

Gambar 7. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan temperatur sisi panas (th) susunan paralel ... 33

Gambar 8. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan temperatur sisi panas (th) susunan paralel ... 34

Gambar 9. Grafik hubungan efisiensi generator (ηg) dengan temperatur sisi panas (th) susunan paralel ... 34

Gambar 10. Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi panas (th) susunan paralel ... 35

Gambar 11. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan temperatur sisi dingin (tc) susunan paralel ... 35

Gambar 12. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan temperatur sisi dingin (tc) susunan paralel ... 36

Gambar 13. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan temperatur sisi dingin (tc) susunan paralel ... 36

Gambar 14. Grafik hubungan efisiensi generator (ηg) dengan temperatur sisi dingin (tc) susunan paralel ... 37

(16)

Gambar 15. Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi dingin

(tc) susunan paralel ... 37

Gambar 16. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan selisih suhu termoelektrik

(∆t) susunan paralel ... 38

Gambar 17. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan selisih suhu

termoelektrik (∆t) susunan paralel... 38

Gambar 18. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan selisih suhu termoelektrik

(∆t) susunan paralel ... 39

Gambar 19. Grafik hubungan efisiensi generator (ηg) dengan selisih suhu

Gambar 20. Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih suhu

Gambar 21. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan paralel ... 40

Gambar 22. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan beda suhu dibagi

radiasi matahari yang datang susunan paralel ... 41

Gambar 23. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan paralel ... 41

Gambar 24. Grafik hubungan efisiensi generator (ηg) dengan beda suhu dibagi

Gambar 25. Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan beda suhu dibagi

Gambar 26. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan temperatur sisi panas

(th)susunan seri-paralel ... 43

Gambar 27. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan temperatur sisi panas

(th) susunan seri-paralel ... 43

(17)

Gambar 28. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan temperatur sisi panas (th)

susunan seri-paralel ... 44

Gambar 29. Grafik hubungan efisiensi generator (ηg) dengan temperatur sisi panas

Gambar 30. Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi panas

Gambar 31. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan temperatur sisi dingin (tc)

Gambar 32. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan temperatur sisi

dingin (tc) susunan seri-paralel ... 46

Gambar 33. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan temperatur sisi dingin (tc)

Gambar 34. Grafik hubungan efisiensi generator (ηg) dengan temperatur sisi

dingin (tc) susunan seri-paralel ... 47

(tc) susunan seri-paralel ... 47

Gambar 36. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan selisih suhu termoelektrik

(∆t) susunan seri-paralel ... 48

Gambar 37. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan selisih suhu

termoelektrik (∆t) susunan seri-paralel... 48

Gambar 38. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan selisih suhu termoelektrik

(∆t) susunan seri-paralel ... 49

(18)

Gambar 41. Grafik hubungan arus keluaran (io) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan seri-paralel ... 50

Gambar 42. Grafik hubungan tegangan keluaran (vo) dengan beda suhu dibagi

radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel ... 51

Gambar 43. Grafik hubungan daya keluaran (po) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan seri-paralel ... 51

Gambar 46. Grafik hubungan antara efisiensi kolektor dengan beda suhu dibagi

radiasi matahari yang datang l ... 53

Gambar 47. Grafik perbandingan hubungan arus keluaran (io) dengan selisih suhu

termoelektrik (∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-paralel ... 53

Gambar 48. Grafik perbandingan hubungan tegangan keluaran (vo) dengan selisih

suhu termoelektrik (∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-paralel ... 54

Gambar 49. Grafik perbandingan hubungan daya keluaran (po) dengan selisih

Gambar 50. Grafik perbandingan hubungan efisiensi generator dengan selisih

Gambar 51. Grafik perbandingan hubungan efisiensi total dengan selisih suhu

termoelektrik (∆t) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-paralel ... 55

(19)

Gambar 52. Grafik hubungan arus keluaran dengan jumlah termoelektrik yang

disusun paralel (np) ... 58

Gambar 53. Grafik hubungan arus keluaran dengan np/ns... 58

(20)

DAFTAR TABEL

Tabel 1 Hasil pengamatan dengan variasi termoelektrik tersusun secara

paralel 20

Tabel 2 Hasil pengamatan dengan variasi termoelektrik tersusun secara

seri-paralel 21

Tabel 3 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal, konduktansi

termal dari variasi rangkaian paralel termoelektrik 29

Tabel 4 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total dari variasi

pemasangan termoelektrik secara paralel 30

Tabel 5 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal, konduktansi

termal dari variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik 31

Tabel 6 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total dari

variasi pemasangan termoelektrik secara seri-paralel 32

(21)

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1.Latar Belakang

Pada era yang maju ini penggunaan energi listrik kian meningkat. Hampir

semua kegiatan ataupun aktivitas manusia sangat erat kaitannya dengan energi

listrik bahkan dapat dikatakan ketergantungan akan energi listrik. Aplikasinya

dapat kita lihat pada penggunaan yang berskala besar seperti industri,

kantor-kantor dan hotel-hotel sedangkan penggunaan energi listrik dalam skala kecil

seperti halnya rumah tangga dan lain-lain. Sekarang ini baik kota maupun di desa

mulai mengalami masalah krisis energi listrik, mengapa dapat dikatakan

demikian? Sebab di sebagian kota sudah diterapkan sistem pemadaman listrik

secara bergilir sedangkan di daerah terpencil seperti sebagian daerah pedesaan

yang belum ada jaringan listrik, sehingga energi listrik tidak mudah didapatkan

atau bahkan tidak tersedia.

Keterbatasan energi listrik saat ini mendorong para ahli untuk

berlomba-lomba membuat suatu alat yang dapat menyediakan energi listrik. Banyak

penelitian dan pengembangan teknologi dilakukan untuk mencari pembangkit

energi alternatif. Penelitian-penelitian tersebut dilakukan secara intensif sejak

tahun 1973 terutama untuk mengantisipasi habisnya sumber enegi alam yang tidak

terbarukan seperti bahan bakar minyak yang saat ini merupakan salah satu sumber

pembangkit energi listrik.

Energi matahari merupakan potensi alam yang terbesar dan tak ada

habisnya. Para peneliti mencoba memanfaatkan energi matahari sebagai salah

satu sumber pembangkit energi listrik alternatif, walaupun di samping itu masih

ada energi alternatif lain seperti energi angin, air, panas bumi, biomassa dan

sebagainya. Dalam pemanfaatan energi surya perlu suatu alat untuk dapat

menangkap dan memerangkap energi surya agar dapat digunakan, alat yang

(22)

2

termosifon merupakan sistem yang paling sederhana, dan efisien. Sistem ini hanya

terdiri dari tangki penyimpan yang ditempatkan lebih tinggi pada jarak minimal

25 cm dari bagian atas kolektor. Selain menggunakan kolektor dengan sistem

termosifon juga dipadu dengan termoelektrik. Termoelektrik merupakan cara

perpindahan kalor padat melalui material semikonduktor yang berbeda tipe (tipe n

dan tipe p). Termoelektrik ini digunakan untuk mengkonversi panas menjadi

energi listrik, panas yang diperlukan dapat berasal dari surya, laut, uap atau panas

buangan suatu proses produksi.

Pada prinsipnya termoelektrik mengkonversi panas menjadi listrik

berdasarkan efek Seebeck metode ini sangat sesuai terutama jika sumber panasnya

mempunyai temperatur di bawah 500 K. Pada umumnya termoelektrik digunakan

sebagai pendingin atau pemanas sehingga literatur tentang penggunaan

termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik belum banyak. Beberapa

keuntungan dari termoelektrik antara lain (1)ramah lingkungan, (2)tidak berisik,

(3) ukuran kecil dan ringan, (4)mudah dioperasikan, (5)dapat dikombinasikan

dengan kolektor surya untuk menghasilkan listrik dan bila diinput dengan daya

listrik akan menghasilkan sisi panas dan sisi dingin.

Sistem ini sangat sesuai dengan kondisi Indonesia karena dapat

menggunakan sumber matahari sehingga daerah yang belum ada jaringan listrik

pun dapat menggunakannya. Saat ini termoelektrik banyak yang dipakai pada

beberapa alat rumah tangga seperti pendingin air minum, pendingin makanan,

elektronik, dll.

Pada tugas akhir ini akan diteliti karakteristik termoelektrik untuk

pembangkit listrik tenaga surya dengan sususan termoelektrik secara paralel dan

(23)

3 1.2.Perumusan Masalah

Kesulitan untuk mendapatkan energi listrik pada daerah terpencil akan

teratasi dengan penggunaan termoelektrik sebagai salah satu energi alternatif

pembangkit listrik. Termoelektrik yang dijual di pasaran di Indonesia umumnya

dengan nomer seri TEC1-12706 yang biasa dipakai dalam alat pendingin. TEC1

berarti termoelektrik hanya satu tingkat, 127 artinya jumlah pasang elemen

semikonduktor dan 06 adalah arus masuk maksimal. Data tambahan yang berasal

dari internet bahwa termoelektrik seri TEC1-12706 berukuran 40 ×40×3,8 mm,

berat 27 gr, arus maksimum (Imax)=6,4 A, tegangan maksimal (Vmax)=14,9 V .

Oleh sebab itu, termoelektrik digunakan pada penelitian tersebut karena

dapat mengkonversikan panas dari energi surya menjadi energi listrik. Namun

energi surya tidak tersedia sepanjang hari makanya terpikir untuk dapat

menyimpan panas matahari agar dapat digunakan juga pada waktu malam hari.

Caranya adalah panas dari energi surya tidak langsung diterima oleh kolektor

termal pelat datar dengan susunan pipa paralel tidak langsung dimanfaatkan untuk

memanasi termoelektrik tetapi terlebih dahulu untuk memanasi minyak dalam

tangki penyimpan (reservoir) yang terhubung dengan kolektor. Panas yang

hendak dipakai untuk memanasi termoelektrik diambil dari panas minyak yang

tersimpan pada tangki penyimpan. Dalam hal ini minyak menjadi sebagai

penyimpan panas sehingga pemanasan termoelektrik tetap dapat dilakukan

walaupun cuaca mendung ataupun pada malam hari.

Penelitian ini akan mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan

operasioanl yang ada) termoelektrik yang ada di pasaran Indonesia dengan

spesifikasi yang telah disebutkan di atas apabila digunakan sebagai pembangkit

energi listrik menggunakan sumber panas energi surya memakai kolektor termal

(24)

4 1.3.Tujuan Penelitian

Tujuan yang hendak dicapai yaitu :

1. Menjajagi kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit

energi listrik dengan energi surya.

2. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan

menggunakan termoelektrik yang sesuai dengan kondisi daerah terpencil

yang ada di Indonesia.

3. Mengetahui karakteristik modul termoelektrik sebagai dasar perencanaan

pembangkit energi listrik tenaga surya, dengan termoelektrik disusun

secara paralel dan seri-paralel.

4. Menambah kepustakaan teknologi surya yang menggunakan termoelektrik

sebagai pengkonversi panas menjadi energi listrik.

1.4.Batasan Masalah

Penelitian akan alat-alat yang menggunakan energi surya dan masalah

dalam pemanfaatan energi surya sangat kompleks maka dalam hal ini penulis

merasa perlu membatasi permasalahan sehingga akan memudahkan dalam

perancangan, pengamatan, pengujian dan pembahasannya. Dengan pertimbangan

di atas maka penulis membatasi masalah dalam penelitian dan perancangan

dengan membahas “Karakteristik Termoelektrik Dengan Susunan Paralel

Pendinginan Udara Sebagai Pembangkit Listrik Tenaga Surya Memakai Kolektor

Pelat Datar Dengan Susunan Pipa Paralel”. Kolektor yang dipakai adalah kolektor

pelat datar dengan susunan pipa secara paralel. Variasinya adalah termoelektrik

dirangkai secara paralel dan untuk variasi selanjutnya termoelektrik dirangkai

secara seri-paralel. Termoelektrik yang dipakai berjumlah 20 buah, jadi untuk

termoelektrik yang dirangkai secara seri-paralel susunannya adalah 10 buah

termoelektrik diserikan dan sisanya diparalelkan. Fluida yang dipakai sebagai

(25)

5

Negara Indonesia merupakan negara tropis mempunyai potensi surya yang

cukup dengan radiasi harian 4,8 KWh/m2 (Kebijakan Pengembangan Energi

Terbarukan dan Konversi Energi (Energi Hijau), Departemen Energi dan Sumber

(26)

BAB II DASAR TEORI

2.1. Tinjauan Pustaka

Modul termoelektrik berbahan dasar bismuth telluride umumnya

digunakan untuk pendinginan dengan arus listrik DC sebagai masukkannya.

Dengan modul termoelektrik yang sama tetapi dengan penggunaan yang dibalik

yakni masukkannya bukan arus listrik DC tetapi justru energi panas maka

dimungkinkan untuk membangkitkan daya listrik. Skema modul termoelektrik

untuk pembangkit energi listrik dapat dilihat pada gambar 1 berikut :

Gambar 1.Termoelektrik pembangkit energi listrik

Pada pemakaiannya generator termoelektrik terdiri dari beberapa modul

yang terhubung seri atau pararel, seperti dapat dilihat pada gambar 2 :

Gambar 2. Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel

(27)

2.2.Persamaan yang Digunakan

Satu rangkaian seri terdiri atas NS modul dan satu rangkaian pararel terdiri atas

NP modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist

and Paul G. Lau, 1997):

NT = NS x NP (1)

2.2.1. Persamaan output dari generator

Arus (I) dalam amper yang melewati tahanan beban RL dapat dihitung dengan

persamaan (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

L

Tegangan keluaran generator (VO) dalam volt dapat dihitung dengan persamaan

(Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

Daya keluaran generator (PO) dalam watt dapat dihitung dengan persamaan

(Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

Total energi panas masuk ke generator QH dalam watt dapat dihitung dengan

(28)

Efisiensi generator (ηG) dapat dihitung dengan persamaan (Richard J. Buist and

Harga-harga SM, RM, dan konduktansi termal (KM) modul termoelektrik tergantung

dari temperatur dan harga-harganya dapat dihitung dengan persamaan (berlaku

untuk kisar temperatur –100OC sampai +150OC) :

Koefisien Seebeck :

4

Koefisien untuk modul dengan 71 pasang semikonduktor dan arus 6 amper :

s1 =

s2 =

s3 =

s4 =

Tahahan listrik modul termoelektrik :

(29)

RM = (RMTH - RMTC) / DT (10)

r1 =

r2 =

r3 =

r4 =

Konduktansi termal modul :

(30)

k1 =

k2 =

k3 =

k4 =

Untuk modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor dan arus selain

71 pasang dan 6 amper maka harga SM, RM, dan KM diatas harus dikonversi

dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut (Richard J. Buist and Paul G. Lau, 1997) :

Knew : konduktansi termal untuk modul yang baru (W/K)

Nnew : jumlah pasangan semikonduktor untuk modul yang baru

Inew : arus optimum atau maksimum untuk modul yang baru (A)

(31)

Daya keluaran modul termoelektrik (PO) persamaan (Richard J. Buist and Paul G.

2.2.2. Persamaan unjuk kerja dari kolektor

Efisiensi kolektor termal surya sangat menentukan unjuk kerja secara

keseluruhan pembangkit listrik. Efisiensi kolektor merupakan fungsi temperatur

fluida kerja masuk kolektor dan dapat dinyatakan dengan persamaan

(Arismunandar, Wiranto, 1995):

( )

⎟

FR : faktor pelepasan panas

G : radiasi yang datang (W/m2)

Ta : temperatur sekitar (K)

Ti : temperatur fluida kerja masuk kolektor (K)

UL : koefisien kerugian (W/(m2.K))

: faktor transmitan-absorpan kolektor

(32)

Gambar 3. Bagian bagian kolektor datar

Faktor pelepasan panas kolektor (FR) dihitung dengan persamaan (Arismunandar,

Wiranto, 1995) :

CPF : panas jenis fluida kerja (J/(kg.K))

G : radiasi yang datang (W/m2)

mF : massa fluida kerja dalam pipa di kolektor (kg)

Ta : temperatur sekitar (K)

Ti : temperatur fluida kerja masuk kolektor (K)

TO : temperatur fluida kerja keluar kolektor (K)

UL : koefisien kerugian (W/(m2.K) ≈ 8 W/(m2.K)

: faktor transmitan-absorpan kolektor

(33)

Efisiensi secara keseluruhan (ηTOTAL) dapat dihitung dengan persamaan

(Arismunandar, Wiranto, 1995) :

η η =

η_TOTAL _G x (19)

(34)

BAB III

METODE PENELITIAN

3.1. Peralatan Penelitian

Skema alat dapat dilihat pada gambar 4

Gambar 4. Skema alat penelitian

3.2. Cara kerja alat :

Cahaya matahari yang datang akan ditangkap oleh kolektor surya pelat

datar dengan tipe paralel. Panas yang datang digunakan untuk memanasi pipa-pipa

tembaga yang di dalamnya berisi fluida minyak goreng. Fluida minyak goreng

yang dipanasi akan menyebabkan massa jenis minyak goreng menurun, fluida

akan mengalir melalui selang menuju ke tangki, fluida dapat mengalir karena

adanya desakan (minyak merupakan fluida inkompresibel sehingga di mana ada

kekosongan akan diisi)fluida dari tangki sebab ada fluida panas yang mengalir ke

tangki. Fluida yang dingin akan menuju ke kolektor untuk dipanasi kembali.

Tangki pemanas ini bagian atas terbuat dari aluminium sedangkan sisi lain terbuat

dari besi, aluminium yang mempunyai daya hantar panas yang baik ini kontak

(35)

dengan salah satu sisi termoelektrik sedangkan sisi lain termoelektrik diberikan

sirip untuk pendinginan. Diharapkan dari adanya pemanasan pada salah satu sisi

dan pendinginan pada sisi yang lain maka akan diperoleh beda temperatur yang

dikatakan sebelumnya kalau termoelektrik diberi inputan berupa panas dan dingin

maka akan menghasilkan keluaran listrik. Pada konstruksi alat akan ditemukan

katup ekspansi untuk mencegah tekanan berlebih pada alat.

Detil pembangkit listrik termoelektrik dapat dilihat pada gambar 5 :

Gambar 5. Detil pembangkit listrik termoelektrik

Parameter yang divariasikan :

a. Variasi I : hubungan termoelektrik semua paralel.

b. Variasi II : hubungan termoelektrik gabungan seri dan pararel

3.3.Peralatan yang Digunakan :

1. Termoelektrik (20 buah)

2. Termokopel

3. Display Termokopel 4. Pompa air

5. Multitester

6. Stopwatch 7. Solar cell

(36)

15

3.4.Parameter yang diukur

TH : temperatur sisi panas termoelektrik

Tc : temperatur sisi dingin termoelektrik

Io : arus keluaran

Vo : tegangan keluaran

Ta : temperatur udara sekitar

Ti : temperatur fluida kerja masuk kolektor

To : temperatur fluida kerja keluar kolektor

G : radiasi surya yang datang pada permukaan kolektor

Pengambilan data dilakukan tiap 15-20 menit sekali. Untuk pengukuran

temperatur digunakan termokopel dan untuk pengukuran radiasi surya digunakan

solar cell yang telah dikalibrasi. Pengambilan data ini juga dilakukan untuk memperoleh ∆T = TH - Tc yang besar. Termoelektrik disusun dengan 2 variasi dan pendinginan pada sisi dingin termoelektrik menggunakan sirip (pendinginan

dengan udara sekitar).

3.5.Langkah Penelitian

1. Pada variasi termoelektrik disusun secara paralel (variasi I)

a. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 4

b. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan parameter hubungan

termoelektrik yang dihubungkan paralel semua (variasi I).

c. Tiap variasi parameter dilakukan pengambilan data sebanyak 30 data tiap

10 menit.

d. Pada variasi salah satu parameter, parameter lainnya diatur pada salah satu

(37)

16

e. Data yang dicatat adalah temperatur sisi panas termoelektrik, temperatur

sisi dingin termoelektrik, arus keluaran, tegangan keluaran, temperatur

udara sekitar, temperatur fluida kerja masuk kolektor, temperatur fluida

kerja keluar kolektor, radiasi surya yang datang pada permukaan kolektor

dan waktu.

f. Sebelum melanjutkan pengambilan data untuk varisi berikutnya kondisi

alat harus didiamkan agar kembali ke kondisi awal sebelum dilakukan

penelitian

g. Penelitian dilanjutkan dengan variasi II .

h. Setiap variasi yang dilakukan selalu menggunakan pendinginan udara

dengan sirip pada bagian sisi dingin termoelektrik.

2. Pada variasi termoelektrik disusun secara seri-paralel (10 buah diserikan dan

10 buah lagi diparalelkan) (variasi II)

a. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 4

b. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan parameter hubungan

termoelektrik yang dihubungkan secara gabungan seri-paralel (variasi II).

c. Tiap variasi parameter dilakukan pengambilan data sebanyak 30 data tiap

10 menit.

d. Pada variasi salah satu parameter, parameter lainnya diatur pada salah satu

harga variasi yang tetap.

e. Data yang dicatat adalah temperatur sisi panas termoelektrik, temperatur

sisi dingin termoelektrik, arus keluaran, tegangan keluaran, temperatur

udara sekitar, temperatur fluida kerja masuk kolektor, temperatur fluida

kerja keluar kolektor, radiasi surya yang datang pada permukaan kolektor

dan waktu.

f. Setiap variasi yang dilakukan selalu menggunakan pendinginan udara

(38)

17 3.6.Parameter yang Dihitung

1. Berdasarkan pengukuran temperatur sisi panas (TH) dan temperatur sisi dingin

(Tc) dapat melakukan perhitungan dengan memakai persamaan (1) sampai dengan persamaan (24).

2. Hitung koefisien Seebeck (Sm), tahanan listrik (RM), dan konduktansi termal

(KM) modul termoelektrik dengan persamaan (7), (8), (9), (10), (11), (12), (13), (14), (15).

3. Hitung daya keluaran modul termoelektrik (Po) dengan menggunakan persamaan (16)

4. Menghitung efisiensi kolektor termal surya (η) dengan menggunakan persamaan (17).

5. Hitung faktor pelepasan panas kolektor (FR) dengan menggunakan persamaan (18).

6. Hitung efisiensi secara keseluruhan (ηTotal) dengan menggunakan persamaan (19).

7. Dari perhitungan di atas maka analisa akan lebih mudah dilakukan dengan

(39)

BAB IV

PENGAMBILAN DATA

4.1.Langkah Pengambilan Data

Pengambilan data dilakukan dengan keterangan sebagai berikut :

1. Variasi I dengan susunan paralel pada termoelektrik

Termoelektrik yang digunakan sebanyak : 20 buah

Termoelektrik dengan spesifikasi : TEC-12706

Variasi pertama termoelektrik : disusun secara paralel

Tempat pengambilan data : di depan bangunan Laboratorium

teknik

Data diambil pada saat : siang hari

Pada jam : 10.30-13.30

Lama pengambilan data selama : 3 jam

Selang waktu pengambilan data : 10 menit

Kolektor yang dipakai merupakan : kolektor dengan susunan pipa

paralel

Luasan kolektor : 0,6 m2

Kemiringan kolektor : 600

Hambatan untuk mengukur radiasi matahari : 10 Ω

Pendinginan sisi dingin termoelektrik : dengan sirip (udara sekitar)

Fluida yang digunakan : minyak goreng

(40)

2. Variasi II dengan susunan seri-paralel pada termoelektrik

Termoelektrik yang digunakan sebanyak : 20 buah

Termoelektrik dengan spesifikasi : TEC-12706

Variasi kedua termoelektrik : disusun secara seri-paralel

Tempat pengambilan data : di depan bangunan Laboratorium

teknik

Data diambil pada saat : siang hari

Pada jam : 10.30-13.30

Lama pengambilan data selama : 3 jam

Selang waktu pengambilan data : 10 menit

Kolektor yang dipakai merupakan : kolektor dengan susunan pipa

paralel

Luasan kolektor : 0,6 m2

Kemiringan kolektor : 600

Hambatan untuk mengukur radiasi matahari : 10 Ω

Pendinginan sisi dingin termoelektrik : dengan sirip (udara sekitar)

Fluida yang digunakan : minyak goreng

(41)

4.2. Data Hasil Penelitian

Berikut disajikan data yang diperoleh sewaktu penelitian antara data dengan variasi termoelektrik susunan paralel dan variasi termoelektrik susunan seri-paralel :

Tabel 1. Hasil pengamatan dengan variasi termoelektrik tersusun secara paralel

(42)

(43)

BAB V

PENGOLAHAN DATA

5.1.Perhitungan Data

Berdasarkan data pertama pada variasi pemasangan seluruh termoelektrik

secara paralel, maka didapatkan :

1. Beda temperatur sisi panas dan sisi dingin (∆T)

2. Koefisien Seebeck (Sm)

Koefisien Seebeck dapat dihitung dengan persamaan (7) dan (8):

(44)

3. Koefisien Seebeck untuk jumlah modul yang dipakai (Snew)

Modul termoelektrik dengan jumlah semikonduktor 127 pasang dan arus 6

Ampere maka harga _{dikonversi menjadi} dengan menggunakan

persamaan (12) :

M

S S_new

4. Tahanan Listrik (Rm)

Tahanan Listrik dapat dihitung dengan persamaan (9) dan (10) :

(45)

5. Tahanan Listrik untuk jumlah modul yang dipakai (Rnew)

Ampere maka harga _{dikonversi menjadi} dengan menggunakan

persamaan (14) :

M

R R_new

6. Konduktansi Termal (KM)

Konduktansi Termal dapat dihitung dengan persamaan (11) dan (12) :

(46)

MTC

Ampere maka harga _{dikonversi menjadi} dengan menggunakan persamaan (15) :

M

K K_new

8. Total Modul

Satu rangkaian seri terdiri atas NS 1 modul dan NP 20 modul, total modul NT

dapat dihitung dengan persamaan (1):

(47)

9. Arus keluaran Generator (I)

Arus yang melewati tahanan beban RL dapat dihitung dengan persamaan (2) :

10.Tegangan keluaran generator (VO)

Tegangan keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (3) :

11.Daya keluaran generator (PO)

Daya keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (4) :

12.Total energi panas masuk ke generator (QH)

Total energi panas masuk ke generator dapat dihitung dengan persamaan (5) :

(48)

13.Efisiensi generator (η_G)

Efisiensi generator dapat dihitung dengan persamaan (6) :

14.Radiasi Matahari (G)

15.Faktor pelepasan panas kolektor (FR)

Faktor pelepasan panas kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (18)

dengan :

• Fluida kerja dalam pipa di kolektor : 0,0002 kg/s

• Panas jenis fluida : 2927,72 J/kg.K

• Luasan kolektor : 0,6 m2

• faktor transmitan-absorpan kolektor : 0,84

(49)

16.Efisiensi kolektor ( )η

Efisiensi kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (17) dengan :

17.Efisiensi total (ηTotal)

Efisiensi secara keseluruhan dapat dihitung dengan persamaan (19) :

(Hasil perhitungan di atas pada variasi paralel maupun variasi seri-paralel

termoelektrik pada data selanjutnya akan diselesaikan dengan menggunakan

Microsoft Excel).

(50)

5.2.Tabel Hasil Pengolahan data

Berikut ini merupakan hasil perhitungan dengan Microsoft Excel yang ditampilkan dalam tabel untuk variasi termoelektrik dengan susunan

paralel dan variasi termoelektrik dengan susunan seri-paralel

Tabel 3. Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal, konduktansi termal dari variasi rangkaian paralel termoelektrik

DT Smth Smtc Sm Snew Rmth Rmtc Rm Rnew Kmth Kmtc Km Knew Jam

0

C V/K V/K V/K V/K ohm ohm ohm ohm W/K W/K W/K W/K

10:30 0,4 5,712 5,700 0,02975 0,05322 316,901 316,353 1,369 2,449 109,754 109,637 0,29333 0,524684

10:40 0,6 5,736 5,718 0,02979 0,05328 317,999 317,175 1,374 2,458 109,989 109,813 0,29388 0,52567

10:50 1,6 5,802 5,754 0,02987 0,05343 321,044 318,826 1,386 2,479 110,638 110,166 0,29527 0,528151

11:00 3,9 5,952 5,835 0,03004 0,05373 328,088 322,578 1,413 2,527 112,129 110,964 0,29866 0,53422

11:10 1,8 5,958 5,904 0,03009 0,05383 328,374 325,815 1,422 2,543 112,189 111,649 0,29982 0,536294

11:20 0,6 6,045 6,027 0,03024 0,05408 332,544 331,676 1,446 2,587 113,065 112,883 0,30329 0,542508

11:30 0,2 6,024 6,018 0,03022 0,05405 331,532 331,244 1,443 2,580 112,853 112,792 0,30278 0,541587

11:40 3,0 6,048 5,958 0,03019 0,05400 332,689 328,374 1,438 2,573 113,096 112,189 0,30218 0,540513

11:50 0,2 6,036 6,030 0,03023 0,05408 332,110 331,821 1,445 2,585 112,974 112,914 0,30319 0,542323

12:00 2,6 6,106 6,027 0,03027 0,05415 335,455 331,676 1,453 2,599 113,675 112,883 0,30435 0,544393

12:10 7,2 6,231 6,012 0,03034 0,05427 341,509 330,955 1,466 2,622 114,938 112,732 0,30634 0,547955

12:30 7,0 6,295 6,082 0,03042 0,05441 344,656 334,287 1,481 2,650 115,592 113,430 0,30882 0,552395

12:40 6,7 6,249 6,045 0,03037 0,05432 342,405 332,544 1,472 2,633 115,124 113,065 0,30728 0,549635

12:50 5,4 6,215 6,051 0,03035 0,05430 340,764 332,834 1,469 2,627 114,783 113,126 0,30676 0,548706

13:00 7,7 6,082 5,850 0,03014 0,05391 334,287 323,279 1,430 2,557 113,430 111,113 0,30098 0,538379

13:10 6,5 6,036 5,841 0,03010 0,05385 332,110 322,858 1,423 2,546 112,974 111,024 0,30010 0,53679

13:20 2,1 5,970 5,907 0,03010 0,05385 328,945 325,957 1,423 2,546 112,310 111,679 0,30006 0,536723

13:30 6,0 5,964 5,784 0,03001 0,05368 328,659 320,210 1,408 2,519 112,249 110,461 0,29808 0,533192

RATA-RATA 3,5 6,026 5,919 0,03014 0,05391 331,671 326,581 1,431 2,560 112,876 111,807 0,30140 0,53912

(51)

Tabel 4. Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total dari variasi pemasangan termoelektrik secara paralel

RATA-RATA 3,5 0,08953 0,09233 0,01310 39,76 0,02079 0,1715 428,75 0,1766 8,361 1,80 x10-3

(52)

Tabel 5. Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal, konduktansi termal dari variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik

DT Smth Smtc Sm Snew Rmth Rmtc Rm Rnew Kmth Kmtc Km Knew

Jam ₀

C V/K V/K V/K V/K ohm ohm ohm ohm W/K W/K W/K W/K

10:30 1,6 0,37021 0,35039 0,01239 0,02216 52,732 50,190 1,5885 2,8415 13,734 12,984 0,4687 0,8384

10:40 0,9 0,41963 0,40853 0,01234 0,02207 58,918 57,547 1,5236 2,7252 15,603 15,183 0,4662 0,8338

10:50 0,3 0,39495 0,39124 0,01236 0,02210 55,855 55,390 1,5486 2,7700 14,670 14,530 0,4672 0,8357

11:00 0,5 0,42333 0,41717 0,01233 0,02206 59,372 58,614 1,5163 2,7122 15,743 15,510 0,4658 0,8333

11:10 3,5 0,48737 0,44429 0,01231 0,02202 67,046 61,923 1,4636 2,6180 18,155 16,533 0,4633 0,8287

11:20 10 0,56120 0,43813 0,01231 0,02201 75,441 61,177 1,4263 2,5513 20,912 16,301 0,4611 0,8248

11:30 12,5 0,55873 0,40483 0,01231 0,02202 75,168 57,087 1,4465 2,5874 20,821 15,043 0,4622 0,8267

11:50 5,6 0,55012 0,48122 0,01230 0,02201 74,212 66,324 1,4084 2,5193 20,501 17,924 0,4601 0,8231

12:00 11,5 0,54889 0,40730 0,01231 0,02202 74,074 57,394 1,4505 2,5945 20,455 15,137 0,4624 0,8272

12:10 10,9 0,57967 0,44552 0,01231 0,02201 77,466 62,072 1,4123 2,5262 21,597 16,580 0,4603 0,8233

12:20 9,1 0,59939 0,48737 0,01231 0,02202 79,595 67,046 1,3790 2,4667 22,324 18,155 0,4582 0,8196

12:30 7,1 0,58953 0,50213 0,01231 0,02202 78,534 68,763 1,3762 2,4617 21,961 18,709 0,4580 0,8193

12:50 2,9 0,52797 0,49229 0,01230 0,02201 71,722 67,620 1,4143 2,5298 19,675 18,340 0,4605 0,8237

13:00 5,9 0,55750 0,48491 0,01230 0,02201 75,032 66,758 1,4024 2,5086 20,775 18,062 0,4598 0,8224

13:10 11,8 0,61666 0,47137 0,01231 0,02202 81,432 65,163 1,3787 2,4662 22,959 17,554 0,4581 0,8194

13:30 14,1 0,62037 0,44675 0,01231 0,02203 81,823 62,220 1,3902 2,4867 23,095 16,626 0,4588 0,8206

RATA-RATA 6,76 0,52535 0,44209 0,01232 0,02204 71,151 61,581 1,4453 2,5853 19,561 16,448 0,4619 0,8262

(53)

(54)

5.3.Grafik-Grafik Hasil Pengolahan Data

Selanjutnya dari tabel hasil perhitungan akan dibuat grafik hubungan arus (Io),

tegangan (Vo), daya (Po), efisiensi generator (ηg), efisiensi kolektor (η) dan

efisiensi total (ηtotal) terhadap TH, TC, ∆T,

5.3.1. Termoelektrik disusun secara paralel

Gambar 6. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan temperatur sisi panas (TH)

susunan paralel

Gambar 7. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan temperatur sisi panas

(TH) susunan paralel

(55)

Gambar 8. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan temperatur sisi panas (TH)

susunan paralel

(56)

Gambar 11. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan temperatur sisi dingin (TC)

susunan paralel

(57)

Gambar 12. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan temperatur sisi

dingin (TC) susunan paralel

Gambar 13. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan temperatur sisi dingin

(TC) susunan paralel

(58)

dingin (TC) susunan paralel

(TC) susunan paralel

(59)

Gambar 16. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan selisih suhu termoelektrik

(∆T) susunan paralel

Gambar 17. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan selisih suhu

termoelektrik (∆T) susunan paralel

(60)

Gambar 18. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan selisih suhu

(61)

Gambar 21. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan paralel

(62)

Gambar 22. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan beda suhu dibagi

radiasi matahari yang datang susunan paralel

Gambar 23. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan paralel

(63)

radiasi matahari yang datang susunan paralel

radiasi matahari yang datang

(64)

5.3.2. Termoelektrik disusun secara seri-paralel

Gambar 26. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan temperatur sisi panas (TH)

susunan seri-paralel

Gambar 27. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan temperatur sisi panas

(TH) susunan seri-paralel

(65)

Gambar 28. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan temperatur sisi panas

(66)

Gambar 31. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan temperatur sisi dingin (TC)

susunan seri-paralel

(67)

Gambar 32. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan temperatur sisi

dingin (TC) susunan seri-paralel

Gambar 33. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan temperatur sisi dingin

(TC) susunan seri-paralel

(68)

dingin (TC) susunan seri-paralel

(TC) susunan seri-paralel

(69)

Gambar 36. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan selisih suhu termoelektrik

(∆T) susunan seri-paralel

Gambar 37. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan selisih suhu

termoelektrik (∆T) susunan seri-paralel

(70)

Gambar 38. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan selisih suhu

(71)

Gambar 41. Grafik hubungan arus keluaran (Io) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan seri-paralel

(72)

Gambar 42. Grafik hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan beda suhu dibagi

radiasi matahari yang datang susunan seri-paralel

Gambar 43. Grafik hubungan daya keluaran (Po) dengan beda suhu dibagi radiasi

matahari yang datang susunan seri-paralel

(73)

(74)

Gambar 46. Grafik hubungan antara efisiensi kolektor dengan

Gambar 47. Grafik perbandingan hubungan arus keluaran (Io) dengan selisih suhu

termoelektrik (∆T) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-paralel

(75)

Gambar 48. Grafik perbandingan hubungan tegangan keluaran (Vo) dengan selisih

suhu termoelektrik (∆T) pada variasi termoelektrik susunan paralel dan seri-paralel

Gambar 49. Grafik perbandingan hubungan daya keluaran (Po) dengan selisih

(76)

Gambar 50. Grafik perbandingan hubungan efisiensi generator (ηg) dengan selisih

Gambar 51. Grafik perbandingan hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih

(77)

BAB VI

ANALISA DATA dan PEMBAHASAN

6.1.Analisa Data

Bila ditinjau unjuk kerja termoelektrik sebagai pembangkit listrik tenaga

surya susunan paralel dapat dinyatakan dengan hasil berupa arus, tegangan, daya,

efisiensi generator, dan efisiensi total dan sebagai pembanding penelitian juga

divariasikan dengan susunan termoelektrik secara seri-paralel (sepuluh buah

termoelektrik disusun secara seri lalu pasangan seri ini diparalelkan). Sebelumnya

kita tinjau dahulu efisiensi kolektor yang relatif stabil dapat dilihat pada gambar

46. Hal ini menandakan bahwa cuaca yang relatif stabil sewaktu pengambilan

data. Umumnya grafik-grafik yang berhubungan dengan suhu sisi panas maupun

sisi dingin termoelektrik bila dihubungkan dengan arus, tegangan, daya ,efisiensi

generator, efisiensi total akan mengalami kenaikan baik termoelektrik yang

disusun secara paralel maupun termoelektrik yang disusun secara seri-paralel

seperti pada gambar 6 sampai dengan gambar 15.

Unjuk kerja dari alat akan meningkat jika beda temperatur antara sisi

panas dan sisi dingin dari termoelektrik semakin besar hal ini dapat dilihat pada

gambar 51. Beda suhu maksimal yang dicapai pada variasi paralel adalah 7,7 0C

maka keluaran yang dihasilkan juga besar antara lain arus keluaran sebesar 0,19

A, tegangan keluaran sebesar 0,2 V, daya keluaran sebesar 3,9 W, efisiensi

generator sebesar 4,55% jika dibandingkan dengan beda temperatur sisi panas dan

sisi dingin dari termoelektrik susunan paralel lain dapat dilihat pada gambar 16

sampai dengan gambar 20. Dan juga efisiensi total dari variasi susunan paralel

lebih baik yaitu 0,434% dibandingkan dengan variasi susunan seri-paralel (10-2)

sebesar 0,159% seperti terlihat pada gambar 51. Perbandingan di atas

menunjukkan bahwa variasi paralel lebih baik bila dibandingkan dengan variasi

seri-paralel (10-2). Dari persamaan (2) akan disimulasikan pengaruh jumlah

susunan seri dan paralel pada jumlah termoelektrik terhadap arus yang dihasilkan

(78)

dapat dilihat pada gambar 52 dan gambar 53. Termoelektrik yang divariasikan

berjumlah 20 buah dan data yang dijadikan panutan adalah data beda temperatur

sisi panas dan sisi dingin pada variasi paralel yang hampir mendekati data beda

temperatur sisi panas dan sisi dingin yang ada pada variasi seri-paralel (10-2)

yaitu pada beda temperatur 70C, koefisien Seebeck 5,4 V/K, hambatan

listrik 2,65 ohm, dan hambatan beban 2 ohm. Pada gambar 53 dapat kita lihat arus

tertinggi cenderung berada pada saat jumlah termoelektrik yang dirangkai paralel

lebih kurang sebanding juga dengan jumlah termoelektrik yang dirangkai seri atau

dengan kata lain perbandingannya jumlah termoelektrik lebih kurang sama dengan

1 . Jadi persamaan (2) bertolak belakang dengan data yang diperoleh dari

hasil penelitian sebab dari hasil penelitian diperoleh efisiensi total untuk variasi

paralel lebih baik daripada variasi seri-paralel (10-2) dapat dilihat pada gambar

51. Hal ini bisa saja disebabkan karena variasi seri-paralel pada pengambilan data

dilakukan sebanyak 10 buah termoelektrik diserikan dan 2 pasang rangkaian seri

ini barulah dirangkai paralel, sedangkan arus tertinggi diperoleh dari 4 buah

termoelektrik diserikan lalu 5 pasang termoelektrik yang diserikan dirangkai

paralel.

(79)

Gambar 52. Grafik hubungan arus keluaran dengan jumlah termoelektrik yang

disusun paralel (Np)

Gambar 53. Grafik hubungan arus keluaran dengan Np/Ns

Arus, tegangan serta daya keluaran saling berkaitan antara yang satu

dengan yang lain. Pada termoelektrik bila dilakukan pengukuran tegangan akan

diperoleh tegangan yang berbeda-beda diakibatkan oleh beberapa faktor antara

lain permukaan plat aluminium yang bersentuhan dengan salah satu sisi

termoelektrik tidak benar-benar data, suhu fluida minyak goreng pada tangki

(80)

penyimpan panas beraneka ragam. Fluida minyak goreng yang berasal dari

kolektor umumnya akan berada pada sisi masuk tangki penyimpan sehingga

hanya bagian itu saja yang lebih panas dibandingkan dengan bagian keluaran

tangki. Tetapi akhirnya fluida akan bersirkulasi secara siklus termosifon (ada

fluida yang berpindah ke tangki maka fluida dari tangki akan berusaha mengisi

kekosongan pada kolektor) namun sisi masuk tangki cenderung memiliki

temperatur minyak goreng yang lebih panas.

Selain arus dan tegangan keluaran yang dihasilkan oleh generator perlu

juga mengamati berapa besar daya keluaran yang dihasilkan oleh termoelektrik

susunan paralel terhadap pengaruh beda temperatur sisi panas dan sisi dingin dari

termoelektrik gambar 18 diperoleh daya keluaran maksimum sebesar 3,9

W. Apabila dilakukan perbandingan antara daya keluaran yang dihasilkan variasi

susunan paralel dengan variasi susunan seri-paralel dapat dilihat pada gambar 49,

pencapaian delta suhu sisi panas dan sisi dingin pada variasi paralel tidak

semaksimum dibandingkan dengan variasi seri-paralel. Variasi seri-paralel

mencapai delta suhu sebesar 14,10C sedangkan pada variasi paralel delta suhu

maksimum hanya 7,70C tetapi pada gambar 49 grafik variasi paralel cenderung

lebih tinggi sebab pada delta suhu yang sama variasi paralel menghasilkan daya

keluaran lebih besar yaitu pada suhu 70C daya keluaran sebesar 3,9 W, dan

variasi seri-paralel pada suhu 7,10C menghasilkan daya keluaran sebesar

2,1 W.

Ketiga jenis variabel antara lain daya, arus dan tegangan saling

berpengaruh antara satu dengan yang lain sebab memiliki keterkaitan seperti pada

persamaan (4). Kenaikan dari salah satu variabel akan meningkatkan nilai yang

lain, contohnya tegangan meningkat maka daya juga akan menjadi makin besar.

Selain itu ada hal lain yang mempengaruhi efisiensi kolektor antara lain energi

panas masuk ke generator (QH), dari persamaan (6) dapat dikaji makin besar

energi panas yang masuk ke generator maka efisiensi kolektor akan makin kecil,

dapat dijelaskan seperti berikut panas yang masuk ke generator sangat besar

sehingga kemampuan pendinginan tidak sebanding dengan panas yang diterima

(81)

oleh generator maka delta suhu sisi panas dan sisi dingin menjadi sangat kecil

sebab kedua sisi dari termoelektrik berusaha mencapai suhu yang setimbang.

6.2.Pembahasan

Efisiensi total ditentukan oleh karakteristik dari termoelektrik sebagai

pembangkit listrik adalah efisiensi generator dan efisiensi kolektor. Efisiensi

kolektor pada penelitian berubah-ubah, seharusnya efisiensi kolektor itu tetap dan

yang berubah-ubah adalah radiasi yang datang atau sinar matahari yang tidak

konstan (cuaca mendung ataupun berawan). Hal ini yang menyebabkan efisiensi

kolektor menjadi berubah-ubah selain itu efisiensi kolektor dipengaruhi oleh

besarnya faktor pelepas panas yang tidak boleh melebihi 1 yang dicari dengan

persamaan (18), efisiensi kolektor dapat meningkat bila suhu fluida minyak

goreng yang berasal dari tangki jauh lebih dingin sehingga panas yang dapat

diserap oleh fluida minyak goreng menjadi besar secara otomatis efisiensi

kolektor akan meningkat. Justru yang bervariasi adalah efisiensi generator, sesuai

dengan variasi termoelektrik. Efisiensi total untuk kedua variasi dapat dilihat pada

gambar 51, efisiensi total maksimum untuk variasi paralel adalah 0,5% dan

efisiensi total maksimum variasi seri-paralel adalah 0,159. Secara keseluruhan

variasi termoelektrik dengan susunan paralel untuk diaplikasikan lebih baik.

Tetapi dengan nilai efisiensi total yang masih sangat kecil ini perlu dilakukan

penelitian lebih lanjut dalam peningkatan efisiensi generator guna menaikkan

efisiensi total yang hanya 0,5. Beberapa faktor yang selanjutnya akan dibahas

mengapa efisiensi total alat sangat kecil yaitu :

1. Diperkirakan masih ada udara yang terjebak pada tangki

Pada bagian dalam tangki sebelah atas terjebak udara yang tidak dapat

keluar sehingga fluida minyak goreng tidak memenuhi keseluruhan bagian

tangki, hal ini sangat merugikan karena fluida tidak kontak langsung

dengan plat aluminium untuk meneruskan panas ke salah satu

termoelektrik.

(82)

2. Plat aluminium yang mentransferkan panas ke termoelektrik tidak rata

Jadi kontak antara plat aluminium dengan termoelektrik tidak rapat dan

ada rongga-rongga. Panas yang di konduksikan hanya terjadi pada

titik-titik tertentu.

3. Pengisolasian pada tangki yang tidak sempurna

Pengisolasian tangki yang kurang baik akan menyebabkan banyak panas

yang terbuang ke lingkungan, hal ini akan menyebabkan penurunan dari

efisiensi kolektor sebab dari pengukuran suhu fluida yang masuk ke tangki

terlalu rendah.

4. Volume tangki yang terlalu besar

Dapat kita lihat fluida yang keluar dari kolektor adalah sekitar 800C

mengalir menuju tangki melalui selang dengan suhu 700C dan setelah

mencapai kotak pemanas 450C. Jadi panas fluida minyak goreng dari

kolektor yang seharusnya diteruskan untuk memanasi termoelektrik

menjadi memanaskan fluida di tangki pemanas juga.

5. Pendinginan menggunakan sirip yang mengharapkan udara sekitar sebagai

pendingin tidak efektif.

Udara sekitar memiliki suhu yang tidak terlalu jauh dengan panas dari

termoelektrik dan sirip karena udara sekitar pada saat pengambilan data

juga panas, pendinginan akan lebih efektif bila menggunakan air yang

disirkulasikank dengan pompa. Walaupun termoelektrik sudah ditutup

dengan tripleks agar tidak terkena panas matahari secara langsung, tetapi

tindakan ini tidak banyak membantu karena udara sekitar yang cenderung

panas sehingga kalor yang dapat dibuang oleh sirip juga sedikit.

6. Pemilihan tempat pengambilan data yang tidak terhalang apapun

Maksudnya daerah pengambilan data tidak terdapat pohon atau bangunan

yang dapat menutupi cahaya matahari menuju kolektor surya.

Hal-hal di atas sangat mempengaruhi unjuk kerja dari termoelektrik

sebagai pembangkit listrik tenaga surya dengan pendingin udara.

(83)

BAB VII PENUTUP

7.1.Kesimpulan

Setelah dibahas pada bab sebelumnya mengenai karakteristik

termoelektrik dengan susunan paralel untuk menghasilkan listrik dengan

pendinginan udara maka dapat disimpulkan sebagai berikut :

1. Semakin besar beda temperatur antara sisi panas dan sisi dingin

termoelektrik maka output yang dihasilkan semakin besar, dengan ∆T

maksimal pada variasi termoelektrik susunan paralel yaitu 7,70C maka

akan didapatkan arus keluaran 1,95 A, teganan keluaran 0,2V, daya

keluaran 3,9 W.

2. Permodelan yang dibuat dengan menggunakan termoelektrik sebagai

pembangkit listrik tenaga surya dapat digunakan karena dihasilkan

tegangan listrik walaupun tegangan listrik yang dihasilkan masih kecil.

3. Efisiensi total maksimum yang diperoleh dari penelitian didapatkan pada

variasi termoelektrik secara paralel yaitu 0,434% dibandingkan dengan

efisiensi total maksimum variasi termoelektrik susunan seri-paralel yaitu

0,159%

4. Untuk simulasi variasi jumlah termoelektrik yang dirangkai maka arus

keluaran yang tertinggi terdapat pada jumlah modul paralel dibagi dengan

jumlah modul seri lebih kurang adalah 1 yaitu 0,37 A.

5. Alat yang dibuat dapat digunakan untuk pembangkit listrik tenaga surya

untuk daerah yang belum terjangkau jaringan listrik misalnya untuk

mengisi baterai.

6. Efisiensi kolektor akan meningkat apabila setiap fluida minyak goreng

yang kembali ke kolektor dalam suhu yang rendah sehingga kemampuan

menyerap panas dari kolektor semakin banyak.

(84)

7. Memakai sistem termosifon mempunyai keuntungan karena fluida yang

dingin selalu berada di bawah disebabkan pergerakan fluida yang lambat.

8. Penelitian ini sudah menambah kepustakaan dari penggunaan energi surya

sebagai salah satu energi alternatif untuk mengkonversi energi panas

menjadi energi listrik.

7.2.Saran

1. Pemilian jenis kolektor surya yang tepat dalam menyuplai panas yang

disalurkan ke tangki penyimpan.

2. Plat aluminium pada bagian atas tangki harus rata agar dapat kontak

dengan keseluruhan bagian termoelektrik.

3. Pada penelitian ini pendinginan menggunakan udara, bagaimana untuk

penelitian selanjutnya dipilih pendinginan menggunakan air yang

disirkulasikan dengan pompa agar pendinginan lebih efektif.

4. Membuat lubang ekspansi pada plat aluminium untuk mengeluarkan udara

yang terjebak di dalam tangki.

5. Bagian sirip dihindari dari cahaya matahari secara langsung.

6. Plat aluminium dapat diganti dengan plat tembaga agar kemampuan

menghantarkan panas makin besar.

7. Pengisolasian yang baik pada bagian tangki sehingga tidak banyak panas

yang terbuang ke lingkungan.

(85)

DAFTAR PUSTAKA

Arismunandar, W. 1995. Teknologi Rekayasa Surya. Jakarta : Pradnya Paramita.

Duffie, J.A.; Beckman, W.A., 1991. Solar Engineering of Thermal Processes, New York : John Wiley.

Burke, E; Buist, R. (August 21-26, 1983), Thermoelectric Coolers as Power Generators, 18th Intersociety Energy Conversion Engineering Conference, Orlando, Florida.

Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral (2003), Kebijakan Pengembangan Energi Terbarukan Dan Konservasi Energi (Energi Hijau), Departemen Energi Dan Sumber Daya Mineral, Jakarta.

Paul G. L and Richard J. B. (August 26-29, 1997), Calculation of Thermoelectric Power Generation Performance Using Finite Element Analysis, XVI International Conference on Thermoelectrics, Dresden, Germany.

Richard J. B and Paul G. L.( August 26-29, 1997), Thermoelectric Power Generator Design and Selection from TE Cooling Module Specifications, XVI International Conference on Thermoelectrics, Dresden, Germany.

(86)

LAMPIRAN

(a) Gambar tangki penyimpan dengan sirip (termoelektrik diapit oleh pelat aluminium dan sirip)

(87)

(c) Gambar keran pengatur aliran fluida dan pipa ekspansi

(88)