4
BAB II
LANDASAN TEORI
Pada bab ini akan dibahas mengenai teori – teori yang mendasari perancangan dan peralisasian pemanfaatkan modul termoelektrik generator untuk mengisi baterai ponsel. Teori – teori yang digunakan untuk skripsi ini antara lain : efek termoelektrik, termoelektrik generator, dc-dc step up converter.
2.1. Efek Termoelektrik
Efek termoelektrik adalah proses perubahan energi panas (perubahan temperatur) menjadi energi listrik atau sebaliknya dari energi listrik menjadi perbedaan temperatur. Ada tiga efek utama dalam efek termoelektrik yaitu Seebeck, Peltier dan Thomson. Efek Seebeck mengubah perbedaan temperatur menjadi tegangan atau kekuatan listrik (EMF). Perubahan EMF sehubungan dengan perubahan temperatur disebut dengan koefisien Seebeck. Efek Peltier merupakan kebalikan dari efek Seebeck yang memberikan perbedaan temperatur dengan memberikan EMF. Untuk efek Thomson berkaitan dengan perbedaan suhu dan EMF dalam suatu pengantar homogen[2].
2.1.1. Efek Seebeck
Efek Seebeck adalah konversi langsung dari perbedaan temperatur menjadi energi listrik. Ditemukan pertama kali tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian tertutup dan di antara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika pada persambungan logam dipanaskan, jarum kompas bergerak. Hal ini karena logam yang berbeda menanggapi perbedaan temperatur, yang menimbulkan loop arus dan medan magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Seebeck tidak menyadari ada arus yang terlibat, sehingga dia menyebut fenomena dengan efek thermomagnetic. Tetapi fisikawan Denmark, Hans Christian Ørsted memperbaiki
5
Gambar 2.1. Diagram untai seebeck A dan B adalah logam yang berbeda
Jika ada dua buah material logam yang tersambung berada pada lingkungan dengan suhu yang berbeda, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak listrik. Pada Gambar 2.1 ditunjukan junction penghubung dari kabel logam dengan bahan material yang berbeda, yaitu material A dan B dan dikondisikan dalam temperatur yang berbeda T1 dan T2. Tegangan ΔV yang dihasilkan berasal dari μ
Δ� = ∫ SAB � . . . .
�
�
Dimana : ΔV = Tegangan yang dihasilkan (volt) SAB = Koefisien Seebeck (volt/K)
T1 dan T2 = Temperatur dari dua persambungan (K)
Koefisien Seebeck merupakan besaran nonliniar sebagai fungsi dari temperatur dan bergantung pada bahan dan stuktur molekul material. Tanda positif dan negatif dari koefisien Seebeck dipengaruhi olah muatan pembawanya. Jika koefisien Seebeck secara efektif konstan untuk jangkauan temperatur yang diukur, maka koefisien Seebeck dituliskan menjadi :
S = Δ�ΔT . . . .
6
Tegangan yang dihasilkan ini sebanding dengan perbedaan temperatur diantara dua junction. Semakin besar perbedaan temperatur, semakin besar tegangan diantara junction. Timbul perbedaan kerapatan pembawa muatan akan menimbulkan difusi
elektron dari daerah rapatan muatan yang tinggi ke daerah rapatan muatan yang rendah dan temperatur tinggi ke temperatur rendah. Hal ini disebabkan karena kepadatan elektron dari material logam yang berbeda. Inilah yang menyebabkan arus mengalir berlawanan dan menimbulkan tegangan (EMF) yang disebut dengan fenomena thermoelectric. Tetapi jika junction pada material ini dialiri dengan temperatur yang
sama, maka difusi elektron pada junction juga sama. Karena arus berlawanan dan bernilai sama maka jumlah arusnya adalah nol.
Gambar 2.2. Skema Efek Seebeck
2.1.2. Efek Peltier
7
Gambar 2.3. Skema Efek Peltier
Ketika arus listrik mengalir melalui junction dari dua material logam yang berbeda A dan B, panas akan dipindahkan dari sisi dingin dan diserap pada sisi panas. Panas peltier (Ǭ) yang diserap atau perpindahan panas pada junction setiap waktu adalah :
Ǭ = ∏AB �. . . .
Ǭ = ∏B− ∏A �. . . .
Dimana : ∏ = Koefisien Peltier (W/A) I = Arus Listrik (ampere) Ǭ = Perpindahan Panas (watt)
2.1.3. Efek Thomson
Selanjutnya Wiliam Thomson fisikawan asal Inggris Raya menyelidiki lebih lanjut termoelektrisitas dan menemukan efek ketiga dari termoelektrik, efek Thomson. Sebuah konduktor (kecuali superkonduktor) yang dialiri arus listrik dan perbedaan temperatur nya terjaga dapat melepaskan atau menyerap panas di sepanjang konduktor tersebut. Atau bisa dikatakan bahwa terdapat penyerapan atau pelepasan panas bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan arus listrik secara simultan.
8
potensial rendah ke potensial tinggi, sehingga ada emisi panas. Hal ini disebut efek Thomson positif. Sedangkan efek Thomson negatif dalam logam seperti kobalt, nikel dan besi yang memiliki ujung dingin pada potensial yang lebih tinggi dan ujung panas pada potensial yang lebih rendah, ketika arus bergerak dari ujung panas ke ujung dingin, arus bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Koefisien Thomson ditunjukan pada persamaan berikut :
Dengan Ǭ adalah jumlah perpindahan panas yang diserap oleh konduktor ketika arus listrik mengalir ke arah suhu yang lebih tinggi. Hubungan koefisien Thomson logam dengan properti yang berbeda, satu dengan pembawa muatan negatif dan logam lain pembawa muatan positif. Dan yang kedua adanya perbedaan temperatur di antara kedua junction material logam yang tidak sejenis, sehingga dapat terjadi aliran listrik.
2.2. Elemen Termoelektrik
9
Gambar 2.4 Pergerakan ion pada logam
Pergerakan Ion pada logam yang diakibatkan dari perbedaan temperatur akan menimbulkan tegangan. Elemen termoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe-p (material yang kekurangan elektron) dan tipe n (material yang kelebihan elektron) dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik yang tertutup dengan diberi beban. Perbedaan temperatur antar junction dari material semikonduktor itu akan menyebabkan perpindahkan elektron atau terjadi difusi dari sisi panas menuju sisi dingin.
Heat flow yang terjadi pada sisi panas terdiri dari tiga komponen. Heat flow
yang melalui material termoelektrik karena sifat konduktivitas dari material logam. Panas yang terserap pada sisi panas dari termoelektrik karena efek peltier dan panas yang disebabkan oleh daya yang dihasilkan dari termoelektrik.
2.2.1. Figure of Merit
10
� = �. . . .
Dimana : S = Koefisien Seebeck (volt/K)
σ = Konduktivitas listrik bahan (A/Vm) = Konduktivitas panas bahan (W/mK)
Jadi bahan termoelektrik yang baik harus mempunyai karakteristik, konduktivitas listrik yang tinggi untuk meminimalkan kenaikan temperatur dari hambatan ke arus listrik yang mengalir melaluinya. Koefisien Seebeck yang besar untuk perubahan maksimal dari panas menjadi daya listrik atau sebaliknya dari daya listrik menjadi perbedaan temperatur. Konduktivitas panas yang rendah untuk mencegah konduksi panas melalui bahan material logam. Ketiga sifat inilah yang menjadi dasar parameter untuk menentukan bagus tidaknya termoelektrik digabungan menjadi satu parameter yaitu figure of merit. Karena Z mempunyai satuan per derajat temperatur, maka figure of merit didefinisikan sebagai ZT, dimana T adalah temperatur kerja rata-rata. Parameter figure of merit ini penting untuk menentukan besarnya perubahan daya atau koefisien pendinginan maksimal dari kinerja termoelektrik.
Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi2Te3 Bismuth Telluride, PbTe Lead Telluride, SiGe Silicon Germanium. Ketiga bahan ini bekerja dalam rentang
11
Gambar 2.5. Nilai Figure of Merit dari bahan semikonduktor yang berbeda-beda
2.2.2. Efisiensi, Perbedaan Temperatur dan Figure of Merit
Efisiensi dari termoelektrik sangat bergantung pada figure of merit dan tentu saja bergantng pada perbedaan temperatur kerja. Efisiensi maksimal dari termoelektrik dalam pembangkit listrik adalah.
���� = �− �
� [
√ + � ∗−
√ + � ∗+ �
�
] . . . .
12
Gambar 2.6. Efisiensi terhadap beda temperature dalam pengaruh ZT
Perangkat termoelektrik dapat menjadi pembangkit listrik dan menghasilkan energi listrik ketiga terjadi perbedaan temperatur pada material di termoelektrik. Saat ini efisiensi termoelektrik dalam pembangkit listrik sekitar 5% dan ZT < 1.
2.3. Modul Termoelektrik
Modul termoelektrik adalah alat yang dapat mengubah energi panas dari perbedaan temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya. Modul ini memanfaatkan tiga efek termoelektrik yaitu seebeck, peltier dan Thomson. Konstruksi modul termoelektrik terdiri dari pasangan material semikonduktor tipe-pe dan tipe-n.
2.3.1. TEG
13
Gambar 2.7. Termoelektrik generator
Dengan perbedaan temperatur panas antara sisi panas dan sisi dingin pada termoelektrik generator, pada elemen ini akan mengalir arus sehingga terjadi beda tegangan. Secara umum termoelektrik generator mengunakan bahan BiTe Bismuth Tellurid, dengan rentang temperature kerja hingga 350˚C[3]. Besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur[6].
2.3.2. TEC
14
Gambar 2.8. Termoelektrik cooler
Modul TEC biasanya digunakan untuk sistem pendingin, seperti dispenser. Ketika ada aliran arus listrik, elektron bergerak dari bahan tipe-p ke bahan tipe-n menyerap energi panas pada junction sisi dingin. Elektron-elektron membuang kelebihan energi pada junction sisi panas.
2.3.3. Efisiensi modul termoelektrik
Dalam penggunaan aplikasi pembangkit listrik terdapat jumlah maksimum energi yang dapat digunakan. Jumlah ini adalah efisiensi karnot maksimum. Dalam termoelektrik perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin, maka semakin besar daya yang dihasilkan. Efisiensi karnot menggambarkan batas teoritis, jika kita mempunyai mesin kalor yang paling ideal artinya mesin memiliki efisien karnot 100%[5]. Untuk efisiensi termal berbeda, karena selalu lebih kecil dari efisiensi karnot ideal. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa tidak semua kalor yang diberikan dalam suatu mesin kalor dapat digunakan untuk melakukan kerja, efisiensi karnot menetapkan nilai batas pada fraksi kalor yang dapat digunakan.
15
Gambar 2.9. Perbandingan efisiensi peltier dengan pembangkit daya yang lain
2.4. Dc-dc Step Up Converter
Pada skripsi ini menggunakan dc-dc step up converter untuk mengkonversi daya listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik DC lainnya yang terkontrol arus, tegangan atau keduanya. Untuk membuat tegangan keluaran lebih besar dari tegangan masukan dengan menggunakan rangkaian dc-dc step up converter. Dc-dc step up converter atau penaik tegangan akan membuat masukan dari termoelektrik generator menjadi lebih besar dan stabil. Rangkaian ini menggunakan IC MAX 756.
2.4.1. Integrated Circuit (IC) MAX756
IC MAX 756 adalah salah satu IC dc-dc step up converter yang mempunyai karakteristik dengan input tegangan minimum 0,7 volt, dengan keluaran maksium berkisar 5 sampai 5,5 volt. Keluaran dc-dc step up converter bisa diatur pada 3,3 volt atau 5 volt. IC MAX 756 mempunyai jumlah kaki sebanyak 8. Adapun konfigurasi dan deskripsi pin nya sebagai berikut :
16
Tabel 2.1. Deskripsi pin IC MAX 756
Nomor Pin Nama Pin Fungsi
