analisis performa kinerja termoelektrik generator …
TRANSCRIPT
i
ANALISIS PERFORMA KINERJA TERMOELEKTRIK
GENERATOR PADA KOMPOR SEBAGAI PEMBANGKIT
LISTRIK
Disusun Oleh :
MUHAMMAD WIRANDA KAMALUDDIN
105821110316 105821102216
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH
2021
ii
ANALISIS PERFORMA KINERJA TERMOELEKTRIK
GENERATOR PADA KOMPOR SEBAGAI PEMBANGKIT
LISTRIK
SKRIPSI
Diajukan sebagai salah satu syarat
Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro Jurusan Teknik Elektro
Fakultas Teknik Universitas Muhammadiyah Makassar
Disusun dan diajukan oleh
MUHAMMAD WIRANDA KAMALUDDIN
105821110316 105821102216
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH
2021
iii
iv
v
KATA PENGANTAR
Segala puji dan syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT. atas segala
limpahan Rahmat dan Karunia-Nya. Shalawat serta salam senantiasa tercurahkan
kepada kekasih sang Khalik Nabiyullah Muhammad SAW. Suatu kenikmatan yang
tertuang dalam serangkaian kegiatan akedemik yakni penyusunan Proposal dengan
judul “Analisis Prestasi Termoelektrik Generator Pada Kompor Sebagai
Pembangkit Listrik”.
Setiap orang dalam berkarya selalu mencari kesempurnaan, tetapi terkadang
kesempurnaan itu terasa jauh dari jangkauan. Kesempurnaan bagaikan udara yang
ingin digenggam namun tidak pernah bisa, demikian juga dengan kehendak hati yang
ingin menggenggam kesempurnaan tetapi kapasitas penulis dalam keterbatasan
namun, penulis akan terus berusaha agar tulisan yang penulis buat bisa menjadi
bagian dari kesempurnaan dan selesai dengan baik serta bermanfaat dalam dunia
teknik, khususnya dalam ruang lingkup Teknik Elektro, Universitas Muhammadiyah
Makassar.
Penyusunan skripsi ini adalah untuk memenuhi salah satu persyaratan
kelulusan akademik. Penyusunannya dapat terlaksana dengan baik berkat dukungan
dan motivasi dari banyak pihak. Untuk itu, pada kesempatan kali ini penulis
mengucapkan terimakasih kepada :
vi
1. Kedua orang tua yang telah memberikan nasihat, do’a, dan dukungan moral
maupun materil untuk penulis menuntut ilmu, sehingga penyusunan skripsi ini
dapat terselesaikan.
2. Bapak Prof. Dr. H. Ambo Asse, M.Ag., selaku Rektor Universitas
Muhammadiyah Makassar.
3. Ibu Dr.Ir. Hj. Nurnawaty, S.T, M.T.,IPM. selaku Dekan Fakultas teknik
Universitas Muhammadiyah Makassar
4. Ibu Adriani, ST, MT., selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas
Muhammadiyah Makassar
5. Bapak Dr.Ir.Hj.Hafsah Nirwana, M.T. selaku pembimbing I beserta ibu
Adriani, S.T.,M.T. selaku pembimbing II yang telah memberikan banyak
arahan, masukan, serta motivasi dalam membimbing penulis untuk dapat
menyelesaikan skripsi ini dengan baik.
6. Saudara-saudara angkatan 2016 (Proyeksi) yang telah saling memotivasi dan
membantu selesainya skripsi ini terkhusus pada kelas A.TL 2016 yang
merupakan teman kelas seperjuangan.
7. Seluruh pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu.
Semoga semua pihak tersebut diatas mendapat pahala yang berkipat ganda
disisi Allah SWT dan skripsi yang sederhana ini dapat bermanfaat bagi
penulis, rekan-rekan masyarakat serta bangsa dan negara. Aamiin.
vii
Akhirnya, dengan segala kerendahan hati, penulis senantiasa mengharapkan
kritikan dan saran dari berbagai pihak yang sifatnya membangun karena penulis
yakin bahwa suatu persoalan tidak akan berarti sama sekali tanpa adanya kritikan dan
kritikan ini dijadikan sebagai bahan evaluasi untuk meningkatkan kualitas diri
kedepannya dan InsyaAllah penulis akan dengan senang hati dan berlapang dada
menerima kritikan yang diberikan karena penulis mengharapkan sesuatu yang lebih
baik kedepannya bagi penulis. Semoga skripsi ini dapat bermanfaat untuk semua
orang khususnya bagi ranah ilmu pendidikan.
Makassar, Juli 2021
Penulis
viii
ABSTRAK
MUHAMMAD WIRANDA dan KAMALUDDIN. Analisis Performa Kinerja Termoelektrik
Generator Pada Kompor Sebagai Pembangkit Listrik Generator termoelektrik merupakan
pembangkit listrik yang memanfaatkan efek Seebeck, yaitu suatu fenomena dihasilkannya
arus listrik ketika konduktor atau semikonduktor memiliki perbedaan temperatur. Dalam
penerapannya, generator termoelektrik umumnya digunakan pada pemanfaatan panas
buangan dari suatu sistem. Kompor adalah salah satu komponen yang menghasilkan panas
cukup besar yakni mencapai 80ºC. Dengan menggunakan generator termoelektrik, panas
pada dinding kompor dapat dikonversi menjadi energi lisrik. Untuk mewujudkan hal tersebut,
harus dilengkapi dengan sistem pendingin sehingga perbedaan suhu di antara dua permukaan
modul termoelektrik dapat dipertahankan. Penelitian ini dilakukan untuk mengetahui potensi
energi listrik dari modul TEG sebagai sumber energi alternatif dengan memanfaatkan panas
dari dinding kompor dengan variasi nyala api. Sistem pendingin ini terdiri dari aluminium
heat sink, kipas. Dengan menggunakan sistem pendingin ini perbedaan suhu sisi dingin
termoelektrik dapat dijaga pada kisaran 12ºC. Hasil pengujian menunjukkan bahwa kinerja
generator termoelektrik menunjukkan potensi yang cukup menjanjikan sebagai sumber
alternative. Hal ini dengan peningkatan efisiensi yang dihasdilkan pada setiap nyala api. Nilai
maksimun yang dihasilkan untuk nyala api besar 0.76 % dan untuk nyala api kecil 0.47 %.
Olehnya itu penerapan prinsip dari efeek seebeck sangat baik untuk prospek masa depan
sebagai energi alternatif.
Kata kunci : termoelektrik generator, kompor portable, efek seebeck, tegangan dan arus
listrik.
ix
ABSTRACT
MUHAMMAD WIRANDA and KAMALUDDIN. Analysis of the Thermoelectric Performance
of a Stove Generator as a Power Plant. A thermoelectric generator is a power plant that
utilizes the Seebeck effect, which is a phenomenon where an electric current is generated
when a conductor or semiconductor has a temperature difference. In its application, the
thermoelectric generator is generally used in the utilization of waste heat from a system. The
stove is one of the components that generates considerable heat, reaching 80ºC. By using a
thermoelectric generator, the heat on the stove wall can be converted into electrical energy.
To achieve this, it must be equipped with a cooling system so that the temperature difference
between the two surfaces of the thermoelectric module can be maintained. This research was
conducted to determine the potential of electrical energy from the TEG module as an
alternative energy source by utilizing heat from the stove wall with variations in the flame.
This cooling system consists of an aluminum heat sink, a fan. By using this cooling system the
temperature difference of the thermoelectric cold side can be maintained in the range of
12ºC. The test results show that the performance of the thermoelectric generator shows a
promising potential as an alternative source. This is with the resulting increase in efficiency
with each flame. The maximum value generated for a large flame is 0.76% and for a small
flame is 0.47%. Therefore, the application of the principle of the Seebeck effect is very good
for future prospects as alternative energy.
x
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN SAMPUL
HALAMAN JUDUL ............................................................................................... i
ABSTRAK ............................................................................................................. ii
KATA PENGANTAR .......................................................................................... iii
DAFTAR ISI ........................................................................................................... v
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... viii
DAFTAR SIMBOL................................................................................................x
BAB I PENDAHULUAN ....................................................................................... 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................................. 1
1.2 Rumusan Masalah ........................................................................................ 4
1.3 Tujuan Penelitian ......................................................................................... 4
1.4 Batasan Masalah .......................................................................................... 5
1.5 Manfaat Penelitian ....................................................................................... 5
BAB II TINJAUAN PUSTAKA .......................................................................... 6
2.1 Studi Kelayakan ........................................................................................... 6
2.2 Sejarah Thermoelektrik .............................................................................. 10
2.3 Efek Termoelektrik .................................................................................... 12
a) Efek Seebeck ........................................................................................ 14
b) Efek Piltier ........................................................................................... 15
xi
c) Efek Thomson ...................................................................................... 15
d) Efek Joule ............................................................................................. 16
e) Efek Konduksi ..................................................................................... 16
2.4 Parameter penggunaan modul Termoelektrik...................................... ......17
2.5 Modul Thermoelektrik......................................................................... ......17
2.5.1 Thermoelektrik Generator (TEG)............................................ ......18
2.5.2 Thermoelektrik Cooling(TEC)....................................................... 18
2.6 Efisien Thermoelektrik...............................................................................19
2.7 Elemen Termoelektrik................................................................................23
2.7.1 Figure of merit...............................................................................21
2.8 Rumus yang digunakan .............................................................................23
BAB III METODELOGI PENELITIAN ........................................................... 25
A. Waktu dan Tempat Penelitian .................................................................... 25
B. Alat dan Bahan ........................................................................................... 25
C. Metode Pengujian ...................................................................................... 28
D. Skema rancangan instalasi pengujian dan sistem pengukuran................. 28
E. Metode pengumpulan data ........................................................................29
F. Diagram alir penelitian ..............................................................................30
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ............................................................. 31
4.1 Analisa data dan Perhitungan
A. Nyala Api Besar ................................................................................... 31
xii
B. Nyala Api Kecil ................................................................................... 32
4.2 Pembahasan ................................................................................................ 33
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ............................................................... 40
A. Kesimpulan ................................................................................................ 40
B. Saran .......................................................................................................... 40
DAFTAR PUSTAKA............................................................................................41
DAFTAR LAMPIRAN.........................................................................................46
xiii
DAFTAR GAMBAR
Halaman
Gambar 2.1 Skema ilustrasi efek seebeck ...................................................... 14
Gambar 2.2 Skeka ilustrasi efek peltier ........................................................ 15
Gambar 2.3 Skema ilustrasi efek thomson ..................................................... 16
Gambar 2.4 Thermoelektrik generator .......................................................... 28
Gambar 2.5 Thermoelektrik cooling .............................................................. 19
Gambar 2.6 Nilai figure of merit dari bahan semikonduktor yang berbeda-
beda............................................................................................... 22
Gambar 3.1 Kompor portabel............................................................................ 25
Gambar 3.2 Tabung gas..................................................................................... 25
Gambar 3.3 Display dan termokopel .............................................................. 26
Gambar 3.4 Multimeter Digital.......................................................................... 26
Gambar 3.5 Power supply.................................................................................. 26
Gambar 3.6 Heatsink.......................................................................................... 27
Gambar 3.7 Kipas (Fan).................................................................................. 27
Gambar 3.8 Termal pasta.................................................................................... 27
Gambar 3.9 Rancangan intalasi pengujian ...................................................... 28
Gambar 3.10 Skema Pengukuran Tegangan...................................................... 28
Gambar 3.11 Flowchat alir penelitian ............................................................... 30
Gambar 4.1 Sejarah temperature Api pada variasi nyala api............................. 33
Gambar 4.2 Sejarah Temperatur Api rerata (TA avg) pada variasi nyala api .......... 34
Gambar 4.3 Beda temperatur rerata (ΔT avg) dan beda tegangan (∆V)................. 34
xiv
Gambar 4.4 Panas yang diserap (QH) pada variasi nyala api .............................. 35
Gambar 4.5 Daya listrik (P) dan efisiensi (η) pada variasi nyala api............... 36
Gambar 4.6 T avg maximun pada variasi nyala api………………................ 36
Gambar 4.7 ∆T max pada variasi nyala api …………………….…................ 37
Gambar 4.8 ∆Vmax pada variasi nyala Api…………….…............................ 37
Gambar 4.9 (QHmax) pada 2 variasi nyala api............................................... 38
Gambar 4.10 Perbandingan daya listrik total maximun (Pmax) pada nyala api 38
Gambar 4.11 Perbandingan efisiensi maximun (ηmax) pada variasi nyala api 39
xv
DAFTAR SIMBOL
S Simbol Keterangan Satuan
α Koefisien Seebeck V/ ºC
Perbedaan Tegangan V
Perbedaan Temperatur ºC
Th Temperatur Sisi Panas ºC
Tc Temperatur Sisi Dingin ºC
I Arus Listrik A
Ri Beban Internal Modul Ω
Ta Temperatur Lingkungan ºC
Qh Panas Yang Diserap Watt
K Konduktivitas Termal W/m.ºC
P Daya Yang Dihasilkan Watt
Efisiensi %
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
Lampiran A Tabel Tahanan Dalam Termoeltrik .................................................... .44
Lampiran B1 Tabel Pengamatan Nyala api Besa..................................................... 45
Lampiran B2 Tabel Pengamatan Nyala api Kecil .................................................... 46
Lampiran C Tabel Hasil Pengatahuan Nyala Api Besar .......................................... 47
Lampiran C1 koefisien Seebeck .............................................................................. 47
Lampiran C2 Arus Listrik ........................................................................................ 48
Lampiran C3 Panas Yang Diserap ........................................................................... 49
Lampiran C4 Daya Yang Dihasilkan ....................................................................... 50
Lampiran C5 Efisiensi ............................................................................................. 51
Lampiran D Tabel Pengamatan Nyala Api Kecil .................................................... 52
Lampiran D1 koefisien Seebeck .............................................................................. 52
Lampiran D2 Arus Listrik ........................................................................................ 53
Lampiran D3 Panas Yang Diserap ........................................................................... 54
Lampiran D4 Daya Yang Dihasilkan ....................................................................... 55
Lampiran D5 Efisiensi ............................................................................................. 56
Lampiran E Data Maksimum Setiap Nyala Api ...................................................... 57
Lampiran F Foto Dokumentasi ................................................................................ 58
Lampiran F1 Pembuatan Dudukan Fan ................................................................... 58
Lampiran F2 Pemasangan Dudukan Termoelektrik ................................................ 59
Lampiran F3 Pemasangan Termoelektrik ................................................................ 59
Lampiran F4 Pemasangan Heatsink ......................................................................... 60
Lampiran F5 Pemasangan Termocouple.................................................................. 60
xvii
Lampiran F6 Pemasangan Fan Diatas Heatsink ...................................................... 61
Lampiran F7 Alat siap Digunakan ........................................................................... 61
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Energi panas merupakan energi yang dapat dengan mudah dijumpai dalam
kehidupan sehari – hari, mulai dari panas yang disediakan oleh alam yaitu dari panas
matahari maupun dari buatan manusia. Apabila energi panas tersebut dapat
dikonversikan kedalam bentuk energi listrik tentunya akan dapat membantu
memenuhi kebutuhan energi yang semakin meningkat. Seperti diketahui bahwa
energi listrik bagi manusia di zaman modern saat ini merupakan kebutuhan yang
sangat penting dalam membantu menyelesaikan kegiatan manusia sehari-hari.
Indonesia dewasa ini sedang menghadapi permasalahan, salah satu permasalahan
yang dihadapi Indonesia dewasa ini adalah ketidakseimbangan antara kebutuhan
konsumsi listrik pelanggan dibandingkan dengan kemampuan Perusahaan Listrik
Negara (PLN) dalam menyediakan energi listrik. Meningkatnya populasi manusia
dari waktu ke waktu seiring dengan meningkatnya kebutuhan manusia akan energi
sebagai penunjang multi-dimensi mereka, ditambah lagi dengan semakin menipisnya
cadangan bahan bakar fosil yang selama ini dijadikan komoditas utama penunjang
energi bagi manusia. Hal tersebut membuat manusia tertantang untuk membuat
pengkonversi energi yang efisien dan ramah lingkungan. Salah satu kegiatan yang
dilakukan oleh pemerintah Indonesia untuk menanggulangi permasalahan tersebut
yaitu membangun pembangkit-pembangkit listrik. Pembangkit-pembangkit listrik
2
pun sudah banyak dibangun dikarenakan Indonesia adalah salah satu negara yang
cukup berpotensi untuk dijadikan tempat pembangunan pembangkit-pembangkit
listrik. Lokasi negara Indonesia yang cukup strategis yaitu berada pada garis
khatulistiwa serta berbentuk sebagai negara kepulauan yang tercatat sebagai negara
kepulauan terbesar di dunia membuat Indonesia memiliki kekayaan alam yang
melimpah diantaranya sumber daya alam yang mampu digunakan sebagai sumber
pembangkit listrik. Hampir seluruh macam pembangkit listrik mampu dibangun di
Indonesia. Beberapa contoh dari pembangkit yang sudah dibangun di Indonesia
seperti Pembangkit Listik Tenaga Air (PLTA), Pembangkit Listik Tenaga Bayu
(PLTB), Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), Pembangkit Lisrik Tenaga
Diesel(PLTD), Pembangkit Listrik Tenaga Gas (PLTG), Pembangkit Listrik Tenaga
Panas Bumi (PLTPB), dan Pembangki Listrik Tenaga Mesin Gas (PLTMG).
Salah satu solusi yang ditawarkan untuk meminimalisir tingkat penggunaan
energi fosil dengan cara mencari sumber energi alternatif yang sifatnya terbarukan
dan ramah lingkungan. Sumber energi terbarukan yang dapat membangkitkan energi
listrik terdiri atas dua yakni pembangkit listrik makro yang biasanya memanfaatkan
nuklir, gas, air, angin dan lain-lain sedangkan yang mikro salah satunya
memanfaatkan benda benda yang menghasilkan energi panas antara lain seperti
setrika, knalpot kendaraan bermotor, kompor pemanas, mesin pengeringan dan lain
sebagainya. Walaupun pembangkit listrik tersebut hanya berkapasitas mikro, namun
pemakaian yang maksimal dalam jangka panjang dapat membantu menghemat
3
penggunaan listrik yang dihasilkan oleh pembangkit listrik berkapasitas makro.
Pembangkit listrik berkapasitas makro seharusnya hanya digunakan untuk
pemenuhan kebutuhan listrik berdaya besar saja. Sedangkan untuk pemenuhan listrik
berdaya kecil, seperti penerangan lampu, dapat memanfaatkan pembangkit listrik
berkapasitas mikro.
Total energi listrik yang dibangkitkan oleh energi alternatif pada tahun 2011
adalah 21,8 TWh atau sekitar 12% dari total listrik yang dipasok sebesar 183,2 TWh.
Pembangkit listrik berbahan bakar batubara, gas dan BBM menjadi tumpuan PLN
dalam memproduksi listrik. Ketiganya menyumbang 80% dari total listrik yang
dibangkitkan. Sisanya disumbang oleh pembangkit terbarukan.
Pengembangan pemanfaatan energi baru terbarukan (EBT) telah memperoleh
dukungan Pemerintah melalui aturan kementrian ESDM nomor 39 tahun 2017
mengenai adanya pemanfaatan energi baru terbarukan yang dapat dikonversi ke
bentuk energi lain. Melalui regulasi resmi tersebut masyarakat secara luas bisa
memanfaatkannya dalam rangka menjamin ketersediaan energi listrik.
Menyadari adanya aturan pemerintah untuk pemanfaatan energi baru
terbarukan maka salah satu sumber energi terbarukan yang bisa dikembangkan adalah
panas buang dari dinding kompor. kompor tersebut selain bisa dimanfaatkan sebagai
media memasak juga bisa dimanfaatkan menjadi penghasil energi listrik dengan cara
mengkonversi energi panas yang dihasilkan oleh kompor tersebut menjadi energi
listrik dengan menggunakan teori termoelektrik efek seebeck.
4
Prinsip kerja dari efek seebek yang bekerja pada sistem pembangkit
termoelektrik ialah apabila terjadi perbedaan temperatur dari kedua buah material
logam (umumnya semi konduktor) maka akan menghasilkan gaya gerak listrik. Besar
energi listrik yang dihasilkan sebanding dengan besarnya perbedaan temperaturnya.
Jika konsep efeck seebeck ini diterapkan pada dinding kompor maka akan
menghasilkan energi listrik yang berguna untuk pengoperasian alat elektronik dan
bisa pula disimpan dalam baterai.
Berdasarkan hal tersebut di atas, maka dilakukan penelitian dengan judul “
Analisis Prestasi Termoelektrik Generator Pada Kompor Sebagai Pembangkit
Listrik “
1.2 Rumusan masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan maka dirumuskan beberapa
masalah sebagai berikut:
1. Bagaimana karakteristik temperatur yang ada pada dinding kompor?
2. Berapa besar energi panas pada dinding kompor yang dapat dimanfaatkan
menjadi energi listrik menggunakan termoelektrik generator?
3. Bagaimana kinerja dari termoelektrik generator pada dinding kompor tersebut?
1.3 Tujuan penelitian
Tujuan penelitian yang akan dicapai pada penelitian ini berdasarkan rumusan
masalah diatas adalah:
1. Menentukan karakteristik temperatur pada dinding kompor
5
2. Menentukan besar energi panas dari dinding kompor yang dapat dimanfaatkan
menjadi energi listrik dengan menggunakan termoelektrik generator
3. Menentukan kinerja dari termoelektrik generator pada dinding kompor.
1.4 Batasan masalah
Pada penulisan ini ada beberapa masalah yang dibatasi agar tidak menyimpang
dari apa yang diteliti. Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai
berikut:
1. Penelitian difokuskan pada energi panas dari dinding kompor yang digunakan
untuk memasak.
2. Konverter dari energi panas ke energi listrik menggunakan termoelektrik
generator.
3. Dimensi peralatan uji disesuaikan dengan yang ada di pasaran.
4. Tidak membahas rancang bangun kompor.
5. Rangkaian listrik yang digunakan adalah rangkaian seri thermal.
6. Tidak membahas laju perpindahan panas.
7. Kompor yang digunakan adalah kompor portable merek Cosmos Tipe CGC 121
P
1.5 Manfaat penelitian
Penelitian ini untuk memberikan informasi mengenai prestasi dari termoelektrik
generator dalam memanfaatkan energi panas dari dinding kompor yang dikonversi
6
menjadi energi listrik dan juga sebagai sumber informasi pengetahuan untuk
pengembangan energi alternatif.
7
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. STUDI KELAYAKAN
Beberapa hasil penelitian berkaitan dengan termoelektrik berbasis kompor masak
telah banyak dilakukan. Penelitian tersebut antara lain penelitian kompor masak
gasifikasi menggunakan bahan bakar sekam padi, penggunaan kompor masak LPG,
kompor parameter-parameter aliran udara natural dan aliran udara paksa primer pada
kompor masak gasifikasi.
Sejauh ini, baik penelitian ekperimental dan komputasi terkait pemanfaatan
panas buang dari kompor masak dengan menggunakan thermoelektrik sebagai
konversi energi panas ke energi listrik yakni Masko (2018)), Meneliti tentang
penggunaan kompor gas Liquefied Petroleum Gas (LPG) sebagai pembangkit listrik
dengan cara penambahan material selubung koil dengan variasi diameter selubung
koil pipa 10 cm dan 12 cm. Selubung koil pipa adalah dengan menggunakan pipa
tembaga dengan diameter pipa ½ in. Pengujian dilakukan dengan pembesaran api
yang sama untuk memanaskan air di panci sebanyak 4 kg dengan batas waktu
pengujian ketika termperatur air mencapai 100ºC. Pengambilan data temperatur air di
selubung koil pipa setiap 2 menit. Hasil pengujian bahwa pemanfaatan energi panas
yang dihasilkan menggunakan diameter selubung koil pipa 10 (2,32 kW) lebih tinggi
dibandingkan diameter selubung koil pipa 12 cm (2,22 kW), dan efisiensi yang
dihasilkan selubung koil pipa dengan diameter selubung koil pipa 12 cm (37,89%)
8
lebih tinggi dibandingkan diameter selubung koil pipa 10 cm (35,81%) ,dikarenakan
waktu dan konsumsi bahan bakar gas yang digunakan untuk memanaskan air di panci
lebih sedikit.
Satrio (2018) meneliti tentang aplikasi termoelektrik generator pada sistem
pemanen panas buang pada kompor gas satu tungku. Penelitian ini memanfaatkan
panas buang dari gas buang samping panci yang sedang digunakan untuk memasak
menjadi listrik serta membuat desain selimut TEG yang fleksibel, dalam artian
mampu digunakan untuk dimensi kompor apapun dalam rumah tangga. Hasil
penelitian menunjukkan bahwa diameter 140 mm dengan tinggi 110 mm memiliki ∆T
yang kosntan pada saat api kecil baris bawah yaitu sisi kiri 8,7°C ; sisi tengah 10,23
°C ; dan sisi kanan 12,37 °C. Beda temperatur dengan hasil baik dihasilkan pada saat
nyala api kecil dibandingkan saat nyala api besar.
Ginanjar, dkk (2019), membahas tentang pemanfaatan energi alternatif yang
ramah lingkungan salah satunya adalah dengan mengembangkan teknologi
thermoelectric generator dengan menggunakan kompor surya sebagai wadah atau
media untuk memusatkan energi panas agar mampu memanaskan kolektor. Penelitian
ini menggunakan kompor surya tipe kotak yang dalam penangkapan sinar matahari
dapat menghasilkan panas maksimum mencapai 58,7 ºC sedangkan output yang
dihasilkan oleh termoelektrik bergantung pada perbedaan suhu yang terjadi pada
kedua heatsink yaitu heatsink panas dan heatsink dingin. Hasil menunjukkan bahwa
dengan 6 buah modul yang dirangkai seri didapatkan hasil tegangan maksimal 3,56
9
Volt dengan arus sebesar 0,171 Ampere dan daya 0,609 Watt dengan koefisien
seebeck rata-rata minimal 0,128 ºKelvin dan maksimal 0,181 ºKelvin.
Busthomy dkk (2020), meneliti tentang pemanfaatan panas terbuang dari api
pembakaran untuk pengisian baterai Handphone dengan menggunakan
termoelektrik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa dengan rangkaian campuran seri
dan paralel masing masing menggunakan 8 termoelektrik, dengan perbedaan suhu
31,9°C sampai 32°C yang menghasilkan tegangan 4V dan arus pengisian baterai
0,17A pada saat kapasitas baterai 50% lama waktu pengisian baterai 4 jam 42 menit
dan pada saat perbedaan suhu 48°C sampai 50,1°C yang menghasilkan tegangan 4,2V
dan arus arus pengisian baterai 0,34A pada saat kapasitas baterai 50% lama waktu
pengisian baterai 2 jam 21 menit dengan ukuran baterai sebesar 800mah. Kata Kunci:
Termoelektrik, Generator Termoelektrik, Kompor Generator Termoelktrik.
Rosyidi, dkk (2020), membahas tentang perancangan kompor penghasil energi
listrik sebagai sumber energi alternatif dengan memanfaatkan limbah biomassa dalam
pembakarannya menggunakan thermoelectric generator (TEG) sebagai pembangkit
listrik. . Energi yang dihasilkan terhubung dengan baterai untuk penyimpanan energi
listrik. Penelitian ini menggunakan 5 TEG yang tersusun secara seri dengan tipe TEG
SP 1848–27145. Cara kerjanya adalah dengan menggunakan prinsip efek Seebeck
yaitu memanfaatkan sistem perbedaan temperatur untuk menghasilkan energi listrik.
Media pada bagian panas dihasilkan pada kompor dan pada bagian dingin
menggunakan kipas DC 12 V. Pengujian untuk pengisian baterai telah dilakukan
10
dengan waktu selama 60 menit. Hasil pengujian didapat bahwa selama pengisian
baterai mengalami kenaikan tegangan sebesar 0,03 V.
Sudarmanto (2020), meniliti tentang gas buang pada cerobong atas dan bawah
mesin pengering rak telur dengan model thermoelektrik secara seri dan pararel pada .
dalam penelitiannya memanfaatkan gas buang (limbah panas) dari mesin pengering
rak telur menjadi energi listrik dengan mengunakan modul termoelektrik.
Penelitiannya juga bersifat membandingkan tegangan dan daya yang dihasilkan untuk
setiap variasi modul termoelektrik bertumpuk yang disusun secara seri listrik.
Pengujian dilakukan dengan memanfaatkan dua buah cerobong (cerobong atas dan
cerobong bawah) yang kedua cerobong tersebut diantarai oleh sebuah Heat Excanger
(HE) dengan kecepatan blower lingkungan 2800 rpm dan blower tungku pembakaran
2600 rpm dengan menggunakan sekam padi sebagai bahan bakarnya sekaligus
termoelektrik yang digunakan sebanyak 176 buah. Hasil pengujian menunjukkan
bahwa modul TEG pada cerobong atas dapat menghasilkan perbedaan tegangan
maksimun masing-masing ∆V 3.68 Volt (S1) ; ∆V 7.87 Volt (S2) ; ∆V 9.56 Volt (S3)
; ∆V 11.89 Volt (S4) sedangkan untuk cerobong bawah dapat mengasilkan perbedaan
tegangan maksimun masing-masing ∆V 12.26 Volt (S1) ; ∆V 20.24 Volt (S2) ; ∆V
23.22Volt (S3) ; ∆V 25.56 Volt (S4). Potensi daya yang dapat dihasilkan untuk
cerobong atas pada setiap variasi modul termoelektrik bertumpuk masing-masing
0.0107 Watt (S1) ; 0.0444 Watt (S2) ; 0.0572 Watt (S3) ; 0.0786 Watt (S4)
sedangkan pada cerobong bawah menghasilkan daya maksimun masing-masing
11
0.0994 Watt (S1) ; 0.1985 Watt (S2) ; 0.1473 Watt (S3) ; 0.1146 Watt (S4). Pada
cerobong atas penambahan variasi modul termoelektrik bertumpuk lebih optimal
dibandingkan dengan cerobong bawah.
2.2. Sejarah Thermoelektrik
Thermoelektrik adalah alat konversi energi dari perbedaan gradient temperature
ke energi potensial. Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh
ilmuwan Jerman, Thomas Johan Seeback. Ia menghubungkan tembaga dan besi
dalam sebuah rangkaian. Diantara kedua logam tersebut lalu diletakkan jarum
kompas. Ketika sisi logam tersebut dipanaskan, jarum kompas ternyata bergerak. Hal
ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet.
Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Fenomena tersebut
kemudian dikenal dengan efek Seebeck.
Pada tahun 1834 Jean Charles Peltier, seorang berkebangsaan Perancis,
Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi untuk melihat kebalikan dari fenomena
tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah
rangkaian. Ketika arus listrik ddialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan
kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan lainnya. Pelepasan dan
penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan ini terjadi
pada tahun 1934 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Efek Seebeck dan Peltier
inilah yang kemudian menjadi dasar pengembangan teknologi termoelektrik.
12
Emil Lenz pada tahun 1838 membuktikan bahwa efek Peltier bergantung dengan
arah arus maka panas dapat dibuang dari junction untuk membekukan es, atau dengan
membalikan arah arus maka panas dapat ditambahkan untuk melelhkan es menjadi
air, sehingga ini dapat disimpulkan bahwa panas diserap atau diciptakan searah
dengan arus listrik yang dialirkan.
Dua puluh tahun kemudian, sekitar tahun 1855 Wiliam Thomson (Lord Kelvin),
memberikan penjelasan secara komprehensif mengenai keterkaitan efek Seeback dan
efek Peltier dengan termodinamika. Koefisien Peltier merupakan perkalian dari
koefisien Seebeck. Thomson akhirnya mengeluarkan efek ketiga yang dikenal dengan
efek Thomson. Panas dapat diserap atau diciptakan mengalir di dalam material. Panas
sebanding dengan arah arus listrik yang dialirkan. Konstanta perbandingan ini disebut
dengan koefisien Thomson, yang secara termodinamika berkaitan dengan koefesien
Seebeck. Salah satu aplikasi fenemona termoelektrik adalah sebagai pompa kalor
yang bisa difungsikan sebagai pompa kalor yang dapat digunakan sebagai pemanas
atau pendingin suatu produk.
Perangkat Termoelektrik dapat digunakan untuk tujuan pemanasan/pendinginan,
atau untuk pembangkit listrik. Aplikasi untuk perangkat termoelektrik dapat
menjangkau berbagai bidang dan industri. Aplikasi ini sangat menjanjikan untuk
teknologi pembangkit listrik. Penelitian termoelektrik muncul kembali tahun 1990-an
setelah sempat menghilang hampir lima dasawarsa karena efisiensi yang tidak
bertambah. Setidaknya ada tiga alasan yang mendukung kemunculan tersebut.
13
Pertama, ada harapan besar ditemukannya termoelektrik dengan efisiensi tinggi,
yaitu sejak ditemukannya material superkonduktor High-Tc pada awal Tahun 1986
dari bahan keramik. Kedua, sejak awal 1980-an teknologi material berkemang pesat
dengan kemampuan menyusun material tersebut dalam level nano. Ketiga, pada awal
tahun 1990, tuntutan dunia tentang teknologi ramah lingkungan sangat besar yang
berimbas kepada teknologi termoelektrik sebagai sumber energi alternatif.
strik seperti misi ruang angkasa jarak jauh menggunakan perangkat
thermoelektrik untuk pembangkit listrik.
Tantangan utama untuk perangkat desain termoelektrik adalah kinerja perangkat,
dan kompromi antara parameter material untuk meningkatkannya. Upaya untuk
meningkatkan kinerja bahan perangkat termoelektrik dari optimasi parameter material
ialah pemilihan material yang mampu menyerap struktur panas.
2.3. Efek Termoelektrik
Termoelektrik adalah teknologi yang bekerja dengan mengkonversi energi panas
menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik
menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik, material
termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang
menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian itu akan dihasilkan
sejumlah listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai. Efek termoelektrik
dipengaruhi oleh tiga efek yg berbeda yaitu:
14
a) Efek Seebeck
Efek Seebeck adalah konversi langsung dari perbedaan temperatur menjadi
energi listrik. 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 Orsted memperbaiki
kesalahan itu dan menciptakan istilah untuk mengganti efek thermomagnetic yang
disebut thermoelectricity.
Jika 2 buah logam yang berbeda disambungkan salah satu ujungnya, kemudian
diberikan suhu yang berbeda pada sambungan, maka terjadi perbedaan tegangan pada
ujung yang satu dengan ujung yang lain. Fenomena ini pertama kali ditemukan oleh
Seebeck sehingga disebut efek Seebeck atau umumnya dikenal dengan nama prinsip
termokopel. Tegangan yang dihasilkan ini sebanding dengan perbedaan temperatur
diantara dua junction. Semakin besar perbedaan temperatur, semakin besar tegangan
diantara junction. Dari fenomena ini, kita dapat menentukan koefisien Seeback, yaitu:
S =
…………………………………..… (2.1)
Koefisien seeback (s) disebut juga daya thermoelektrik, seperti pada persamaan
berikut :
15
S =
………………………………………………………... (2.2)
Keterangan :
S = Koefisien seebeck (Volt/ºK)
dEs = Potensial thermoelektrik terinduksi (Volt)
T = Temperatur (ºK)
Sedangkan untuk perbedaan voltage (v), kita dapat menghitung dengan
menggunakan rumus persamaan:
∫ ) ))
………………………………. (2.3)
Gambar 2.1 Skema ilustrasi efek Seebeck
b) Efek Peltier
Penemuan Seebeck memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk
melihat kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah
logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi
penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada
16
sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu
arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun1834 ini kemudian dikenal
dengan efek Peltier.
Pada saat arus mengalir melalui thermocouple,tenperatur junction akan berubah
dan panas akan diserap pada satu permukaan,sementara permukaan yang lainnya
akan membuang panas. Jika sumber arus dibalik, maka permukaan yang panas
menjadi dingin dan sebaliknya. Gejala ini disebut efek peltier yang merupakan dasar
pedinginan thermoelektrik. Dari percobaan diketahui bahwa perpindahan panas
sebanding terhadap arus mengalir. Persamaan dari efek adalah sebagai berikut :
……………………………………….…………………. (2.4)
Keterangan :
= Koefisien pektier (Volt)
= Beban perpindahan panas (Watt)
= Arus Listrik (Ampere)
17
Gambar 2.2 Skeka ilustrasi efek Peltier
c) Efek Thomson
Pada tahun 1854 seorang berkebangsaan Inggris yang bernama William
Thomson mengemukakan hasil penelitiannya bahwa terdapat penyerapan atau
pengeluaran panas bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan
panas dan perbedaan listrik secara simultan. Koefisien Thomson dapat dinyatakan
dalam persamaan berikut:
………………………………………………….…….…... (2.5)
Keterangan :
= Koefisien pektier (Volt)
= Beban perpindahan panas (Watt)
I = Arus Listrik (Ampere)
18
ΔT = Perbedaan temperature (ºK)
Gambar 2.3 Skema Ilustrasi efek Thomson
d) Efek Joule
Perpindahan panas dari sisi dalam pendingin ke sisi luarnya akan mengakibatkan
timbulnya arus listrik dalam rangkaian tersebut karena adanya efek seebeck, maka hal
inilah yang dinamakan efek joule. Dalam hal ini sesuai denhan hokum ohm, efek
joule dirumuskan pada persamaan berikut:
………………………………………………………....... (2.6)
Keterangan :
= Efek joule (panas joule) (watt)
I = Arus Listrik (Ampere)
R = Tahanan (Ohm)
19
e) Efek Konduksi
Panas akan merambat secara konduksi dari permukaan yang panas ke permukaan
yang dingin. Perambatan bersifat irreversible dan disebut efek konduktivitas.
Besarnya perambatan tersebut dinyatakan dalam persamaan:
) ……………………………………………………. (2.7)
Keterangan :
= Laju aliran panas (watt)
= konduktifitas thermal (Watt/ºK)
= Temperatur hot junction (ºK)
= Temperatur cold junction (ºK)
2.4. Parameter Penggunaan Modul Termoelektrik
Pada modul termoelektrik yang digunakan untuk aplikasi pemanas
dikarakterisasikan kedalam beberapa parameter penggunaan yang menentukan
pemilihan modul yang lebih akurat diantara banyak pilihan modul yang tersedia.
Berikut beberapa parameter yang menjadi dasar pemilihan modul termoelektrik :
1. Jumlah kalor yang akan diserap oleh sisi panas modul.
2. Perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin modul ketika
beroperasi
3. Arus listrik yang digunakan oleh modul.
4. Tegangan listrik yang diugunakan oleh modul.
20
5. Temperatur tertinggi dan terendah lingkungan dimana modul beroperasi.
2.5. Modul Thermoelektrik
Modul thermoelektrik adalah alat yang dapat mengubah energi panas dari
perbedaan temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya. Modul ini
memanfaatkan tiga efek thermoelektrik yaitu Seebeck,Peltier, dan Thomson.
Konstruksi modul thermoelektrik terdiri dari pasangan material semikonduktor tipe-p
dan tipe-n.
2.5.1 Thermoelektrik Generator (TEG)
Thermoelektrik generator atau TEG menggunakan prinsip efek seebeck.
Jika ada dua buah material logam yang berbeda, maka pada material itu akan
mengalir arus gaya atau gaya gerak listrik. Thermoelektrik generator secara
langsung mengubah energi panas menjadi energi listrik.
Gambar 2.4 Thermoelektrik generator
Dengan perbedaan temperatur panas antara sisi panas dan sisi dingin
pada thermoelektrik generator, pada elemen ini akan mengalir arus sehingga
terjadi beda tegangan. Secara umum thermoelektrik generator menggunakan
21
bahan BiTe Bismuth Tellurid, dengan rentang temperature kerja hingga 350ºC.
Besarnya tengangan yang dihasilkan sebanding dengan gradient temperatur.
2.5.2 Thermoelektrik Cooling (TEC)
Thermoelektrik cooler atau TEC menggunakan prinsip yang berkebalikan
dari TEG yaitu menggunakan efek peltier. Jika ada arus listrik yang mengalir
melewati rangkaian dari dua buah konduktor dengan material yang berbeda, akan
terjadi kenaikan dan penurunan temperatur pada junction yang bergantung pada
aliran arus listrik. Pembuangan panas dari sisi panas akan menurunkan
temperatur pada sisi dingin dengan cepat, besarnya penurunan temperatur
bergantung pada arus yang diberikan.
Gambar 2.5 Thermoelektrik Cooling
Modul TEC biasanya digunakan untuk sistem pendingin, seperti dispenser.
Ketika ada aliran arus listrik, electron bergerak dari bahan tipe-p ke bahan tipe-n
menyerap energi panas junction sisi dingin. Elektron-elektron membuang kelebihan
energi pada junction sisi panas.
22
2.6 Efisiensi Thermoelektrik
Dalam penggunaan aplikasi pembangkit listrik terdapat jumlah maksimun energi
yang dapat digunakan. Jumlah ini adalah efisiensi karnot maksimun. Dalam
thermoelektrik perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin,
maka semakin besar daya yang dihasilkan.
Sebagai perbandingan, pembangkit daya thermoelektrik memiliki efisiensi karnot
paling rendah yaitu 5-8%. Sementara daya lain seperti diesel memiliki efisiensi
karnot sebesar 30%. Power Chip diproyeksikan mencapai efisiensi karnot sekitar 70-
80%, efisiensi ini adalah yang paling besar dibandingkan dengan pembangkit daya
lain.
Perangkat thermoelectric dapat digunakan untuk menghasilkan energi listrik
arus searah (DC) ketika terjadi perbedaan temperatur. Namun, saat ini bahan
thermoelectric yang tersedia mempunyai ZT < 1 dan efisiensi perangkat dalam
menghasilkan energi listrik jarang melebihi 5 %. Kinerja ini membatasi
thermoelectric generator untuk aplikasi dimana persyaratannya untuk operasi jarak
jauh, tahan uji, tidak ada bagian yang bergerak, dan tidak menimbulkan suara telah
melebihi aspek yang lebih buruk dari biaya mahal dan efisiensi konversi yang rendah.
Nilai efisiensi modul termoelektrik dapat ditingkatkan dengan meningkatkan
beda suhu antara sisi panas dan dingin TEG. Perbedaan suhu dapat ditingkatkan
dengan cara panas didisipasi pada sisi dingin TEG. Penggunaan heatsink, fan water
jacket, atau hanya dengan memberi suhu lingkungan diatas sisi dingin TEG dapat
23
dilakukan untuk membuang panas pada sisi dingin TEG sehingga perbedaan suhu
sisi-panas dingin TEG meningkat.
2.7 Elemen Termoelektrik
Dari ketiga prinsip efek termoelektrik dapat disimpulkan apabila batang material
logam dipanaskan dan didinginkan pada 2 kutub batang material logam. Elektron
pada sisi panas logam akan bergerak aktif dan memiliki kececepatan aliran yang lebih
tinggi dibandingkan dengan sisi dingin logam. Maka elektron akan mengalami difusi
dari rapatan muatan tinggi kerapatan muatan yang rendah. Dari sisi panas ke sisi
dingin dan menyebabkan timbulnya medan magnet.
Pergerakan ion pada logam yang diakibatkan dari perbedaan temperatur akan
menimbulkan tegangan. Elemen thermoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe-p
(material yang kekurangan electron) dan tipe-n (material yang kelebihan electron
dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik yang tertutup dengan diberi beban.
Perbedaan temperatur antar junction dari material semikonduktor itu akan
menyebabkan perpindahan electron atau terjadi difusi dari sisi panas menuju sisi
dingin.
2.7.1 Figure of Merit
Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit atau
sering disebut ZT. Suatu material thermoelektrik idealnya memiliki
konduktivitas listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Tetapi pada
kenyataanya sangat sulit mendapatkan material logam seperti itu, karena pada
24
umumnya jika konduktivitas listrik suatu material tinggi, konduktivitas panasya
pun akan tinggi. Figure of Merit didefinisikan sebagai berikut:
……………………………………………………....…. (2.8)
Keterangan :
S = Koefisien Seebeck (volt/K)
= Konduktivitas listrik bahan (A/Vm)
= Konduktivitas panas bahan (W/mK)
Jadi bahan thermoelektrik thermoelektrik yang baik harus mempunyai
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 rendah
untuk mencegah konduktivitas panas melalui bahan material. Kerja sifat inilah
yang menjadi dasar 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 thermoelektrik.
Material yang digunakan saat ini adalah Bi2Te3 Bismuth Telluride, Pbte
Lead Telluride, SiGe Silicon Germanium. Ketiga bahan ini bekerja dalam
rentang temperatur berbeda. Bahan yang sering digunakan untuk aplikasi TEG
dan TEC menggunakan Bi2Te3 yang mempunyai rentang 180 K sampai 620 K.
25
Sedangkan bahan PbTe dan SiGe bekerja pada temperatur tinggi yang biasa
digunakan untuk pembangkit listrik pesawat luar angkasa. Semakin tinggi nilai
figure of merit, maka semakin tinggi nilai efisiensi dari termoelektrik. Gambar
berikut adalah grafik jenis-jenis bahan semikonduktor berdasarkan figure of
merit terhadap satuan temperatur K.
Gambar 2.6 Nilai Figure of Merit dari bahan semikonduktor yang berbeda-
beda
Perangkat termoelektrik dapat menjadi pembangkit listrik dan menghasilkan
energi listrik ketika terjadi perbedaan temperatur pada material di thermoelektrik.
Saat ini efisiensi termoelektrik dalam pembangkit listrik sekitar 5% dan ZT < 1.
Sistem TEG beberapa modul generator termoelektrik (TEG) disusun dalam
rangkaian interkoneksi seri ataupun paralel untuk memberikan tingkat daya yang
diperlukan. Metode interkoneksi TEG ditentukan oleh tegangan atau arus yang
dibutuhkan. TEG dapat dimodelkan secara seri sebagai sumber tegangan dan secara
pararel sebagai resistansi internal seperti ditunjukan pada Gambar 2.6.
26
2.8 Rumus yang digunakan
Bahan thermoelektrik merupakan semikonduktor yang merupakan benda padat
ataupun logam yang mempunyai nilai diantaranya nilai resistansi konduktor dan
isolator. Permukaan dingin menyerap panas dari produk yang dikondisikan, bagian
ini mempunyai fungsi yang sama dengan evaporator pada sistem pendinginan
kompresi uap. Permukaan panas mengeluarkan atau membuang panas ke luar, bagian
ini mempunyai fungsi yang sama dengan kondensor.
Dalam menganalisis kinerja modul termoelektrik, koefisien Seebeck yang
menggambarkan tegangan (gaya gerak listrik) timbul karena perbedaan suhu menjadi
sangat penting. Koefisien Seebeck dapat dinyatakan oleh persamaan berikut:
) …………………………………......................................…..... (2.9)
di mana:
∆V = Perbedaan tegangan (V)
= Koefisien Seebeck antara dua bahan semikonduktor, P dan N (V/°C)
Th = Temperatur sisi panas modul (°C)
Tc = Temperatur sisi dingin modul (°C)
Sementara arus listrik yang dihasilkan diberikan oleh persamaan berikut:
)
.......................……………………………………..... (2.10)
di mana:
I = Arus listrik yang mengalir pada rangkaian (A)
27
R1 = Tahanan internal modul termoelektrik (ꭥ)
RL = Tahanan eksternal (ꭥ)
∆T= Th – Tc
Panas yang diserap (QH) dari sumber panas pada permukaan sisi panas ) ke
permukaan sisi dingin ) adalah sebagai berikut:
) ) .......................……………………………..... (2.11)
Di mana k adalah konduktivitas termal modul )⁄ .
Daya keluaran (P) dan efisiensi (𝜂) generator termoelektrik adalah sebagai berikut:
.......................………………………….............................…........ (2.12)
.......................………………………….................................…..... (2.13)
28
BAB III
METODE PENELITIAN
a. Waktu dan Tempat Penelitian
Waktu penelitian direncanakan selama 3 bulan dimulai dari bulan Maret 2021 sampai
dengan Mei 2021 bertempat di ruang dosen lantai 3 fakultas teknik, universitas
Muhammadiyah Makassar. Jln Sultan Alauddin No. 259 Makassar dan di salah satu rumah
milik pribadi di BTN Bumi Sitrah Sanrego Samata Kabupaten Gowa Propinsi Sulawesi
selatan.
b. Alat dan Bahan Penelitian
Alat dan bahan yang digunakan dalam penelitian adalah sebagai berikut:
1. Kompor Portable.
Gambar 3.1 Kompor Portabel
2. Tabung Gas
Tabung gas digunakan untuk bahan bakar yang akan dipasang kedalam
kompor.
29
Gambar 3.2 Tabung Gas
3. Display dan termokopel
Display dan termokopel digunakan untuk mengukur temperatur pada titik
pengukuran yang ditelah ditentukan.
Gambar 3.3 Pengukur temperatur digital
4. Multimeter digital
Multimeter digital berfungsi sebagai pengukur arus dan tegangan yang
dihasilkan oleh generator termoelektrik
Gambar 3.4 Multimeter Digital
30
5. Power Supply
Power supply sebagai sumber arus listrik untuk menjalankan kipas (Fan).
Gambar 3.5 Power Supply
6. Heatsink
Heatsink berfungsi sebagai penghantar panas dipasang pada sisi dingin
termoelektrik
Gambar 3.6 Heatsink
7. Kipas (Fan)
Kipas berfungsi untuk melepaskan panas pada sisi dingin termoelektrik yang
dipasang di atas heatsink
Gambar 3.7 Kipas (Fan)
31
8. Termal pasta
Termal pasta berfungsi untuk merekatkan modul termoelektrik pada heatsink.
Gambar 3.8 Termal pasta
c. Metode pengujian
1. Tabung gas dipasang ke dalam kompor dan di set dalam posisi yang siap
digunakan.
2. Power Supply, kipas pendingin, display pembaca temperatur, multimeter
diset dalam posisi on.
3. Pencatatan data temperatur dan tegangan yang dihasilkan dilakukan setiap
3 menit selama 60 menit.
4. Proses 1 sampai 3 diulangi untuk variasi nyala api.
32
d. Skema rancangan instalasi pengujian dan sistem pengukuran
Gambar 3.9 Rancangan instalasi pengujian
Gambar 3.10 Skema Pengukuran Tegangan
e. Metode pengumpulan data
Setelah dilakukan pemasangan Termoelektrik Generator pada dinding kompor, proses
penyalaan api untuk memasak dan pengambilan data secara eksperimental dengan variasi
nyala api sedang dan nyala api tinggi pada dinding kompor.
1. Sebelum proses penyalaan api dimulai pada kompor, seluruh bagian sistem
dan peralatan pengukuran dalam kondisi baik.
33
2. Pengukuran dan pengambilan data dilakukan setiap 3 menit setelah proses
pembakaran dimulai, meliputi:
a. Pengukuran temperatur api pada kompor
b. Badan (permukaan dinding ruang bakar pada kompor)
c. Temperatur lingkungan
d. Temperatur sisi panas TEG
e. Temperatur sisi dingin TEG
f. Tegangan yang dihasilkan TEG
34
f. Diagram alir penelitian
Tidak
Analisis data
Pembahasan
Selesai
Pengecekan alat
penelitian
Pengambilan data
Apakah ada tegangan
dan arus yang
dihasilkan
Perakitan modul termoelektrik generator
1. Pemasangan Termoelektrik
2. Pemasangan Heatsinl
3. Pemasangan kipas Angin (Fan)
Mulai
Gambar 3.11 Flowchart alir penelitian
35
BAB IV
HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Analisa data dan perhitungan
a. Api Besar
Sebagai contoh perhitungan, diambil dari salah satu data pada lampiran B1
tabel pengamatan nyala api besar, yang memiliki hasil maximum terjadi pada menit
ke 12 dengan rangkaian seri termal seperti pada gambar (3.9) dengan data sebagai
berikut:
Temperatur sisi panas rerata (Th) 71.22 oC
Temperatur sisi dingin rerata (Tc) 59.56 oC
Tegangan rerata (ΔV) 1.79 V
Beda temperatur rerata (ΔT) 11.67 oC
Tahanan modul (Ri) TEG 34.3 Ohm
Koefisien Seebeck (α) dihitung dengan persamaan (2.9):
)
)
Arus listrik (I) dihitung dengan persamaan (2.9):
)
)
Panas yang diserap (QH) dihitung dengan persamaan (2.10)
) )
Di mana k adalah konduktivitas termal modul 0,9977 W/m.oC [33]
) )
36
) )
Daya (P) yang dihasilkan dihitung dengan persamaan (2.12):
Watt
Efisiensi (𝜂) modul TEG dapat dihitung dengan persamaan (2.13):
b. Api Kecil
Sebagai contoh perhitungan, diambil dari salah satu data pada lampiran B2
tabel pengamatan nyala api kecil, yang memiliki hasil maximum terjadi pada menit
ke 18 dengan rangkaian seri termal seperti pada gambar (3.9) dengan data sebagai
berikut:
Temperatur sisi panas rerata (Th) 68.22oC
Temperatur sisi dingin rerata (Tc) 57.11oC
Tegangan rerata (ΔV) 1.35 V
Beda temperatur rerata (ΔT) 11.11oC
Tahanan modul (Ri) TEG 34.3 Ohm
Koefisien Seebeck (α) dihitung dengan persamaan (2.9):
)
)
37
Arus listrik (I) dihitung dengan persamaan (2.9):
)
)
Panas yang diserap (QH) dihitung dengan persamaan (2.10)
) )
Di mana k adalah konduktivitas termal modul 0,9977 W/m.oC [33]
) )
) )
Daya (P) yang dihasilkan dihitung dengan persamaan (2.12):
Watt
Efisiensi (𝜂) modul TEG dapat dihitung dengan persamaan (2.13):
4.2 Pembahasan
a. Dalam hal ini dilakukan variasi pada nyala api besar dan nyala api kecil dengan
rangkaian koneksitas antar modul termoelektrik yang disusun secara seri pada
permukaan aluminium dengan menggunakan 9 buah termoelektrik [Lihat
gambar 3.9].
38
1. Temperatur Api (TA)
Gambar 4.1 Sejarah Temperatur Api (TA)
pada variasi nyala api
Gambar 4.1 menunjukkan sejarah temperatur ruang bakar pada nyala api kompor
yang mengalami kenaikan sejak menit awal pembakaran sampai menit 12 dan pada menit ke
18 untuk masing- masing nyala api sampai menit ke 45 temperatur api ruang bakar cenderung
mengalami kestabilan. Selanjutnya mengalami penurunan hingga mendekati temperatur
lingkungan di menit 60 pada setiap variasi nyala api. Hal ini disebabkan karena pada menit
ke 45 sampai menit ke 60 adalah proses dimana nyala api dimatikan.
2. Temperatur dinding kompor rerata (TA avg)
Ket :
39
TAB : Temperatur Api Besar
TAK : Temperatur Api Besar Kecil
Gambar 4.2 Sejarah Temperatur dinding rerata (TA avg)
pada variasi nyala api
Gambar 4.2 menunjukkan temperatur panas rata rata dan temperatur dingin rata-rata
pada dinding termoelektrik generator yang mencapai puncaknyaa pada menit ke 12 untuk
nyala api besar dan pada menit ke 18 untuk nyala api kecil dengan nilai masing-masing
berturut-turut 71.22°C (TABh rata-rata), 59.56°C (TABc rata-rata) dan 68.22°C (TAKh rata-
rata), 57.11°C (TAKc rata-rata). Selanjutnya mengalami kestabilan temperaturnya untuk
masing masing nyala api sampai. Pada menit ke 60 pada setiap temperatur panas rata-rata dan
temperatur dingin rata-rata adalah titik dimana temperatur hampir mendekati temperatur
lingkungan .
3. Beda Temperatur rata-rata (∆T avg) dan Beda Tegangan (∆V)
Gambar 4.3 Beda temperatur rerata (ΔT avg) dan beda tegangan (∆V) pada variasi nyala api
Gambar 4.3 terlihat jika beda temperatur rata-rata pada setiap nyala api yang
mencapai puncaknya pada menit ke 12 untuk Api Besar dan menit ke 18 untuk Api
40
Kecil dengan nilai masing-masing yaitu 11.67°C (AB) dan 11.11°C (AK). Sementara
tegangan dengan masing-masing yaitu 1.79 Volt (AB) dan 1.35 Volt (AK). Perbedaan
tegangan yang diperoleh seiring dengan beda temperatur pada setiap nyala api
terjadinya peningkatan.
4. Panas yang diserap (QH)
Gambar 4.4 Panas yang diserap (QH)
pada variasi nyala api Gambar 4.4 menunjukkan panas yang diserap setiap nyala api yang mencapai
pucaknya pada menit ke 12 untuk Api Besar dan menit ke 18 untuk Api Kecil dengan nilai
masing-masing yaitu 12.215 Watt (AB) dan 11.419 Watt (AK). Selanjutnya mengalami
penurunan hingga mendekati temperatur lingkungan pada menit ke 60. Hal ini disebabkan
bahwa panas yang diserap mengalami peningkatan seiring nyala api dan konduktivitas dari
plat yang digunakan.
41
5. Daya Listrik (P) dan efisiensi (η)
Gambar 4.5 Daya listrik (P) dan efisiensi (η)
pada variasi nyala api
Gambar 4.5 menunjukkan daya keluaran dan efisiensi yang dihasilkan dari hasil
perhitungan pada setiap nyala api yang mencapai pucaknya pada menit ke 12 untuk Api
Besar dan menit ke 18 untuk Api Kecil. Daya yang dihasilkan meningkat seiring dengan
lamanya pembakaran yang menghasilkan nilai masing-masing 0.09 Watt (AB) pada menit ke
12 dan 0.05 Watt (AK) pada menit ke 18. Demikian halnya dengan efisiensi nilainya masing-
masing 0.76 % (AB) dan 0.47 % (AK).
42
b. Perbandingan Nyala Api
Perbandingan ini diambil dengan salah satu data yang menghasilkan keluaran
yang baik untuk setiap nyala api. Untuk nyala api besar diambil data pada menit ke
12 dan api kecil diambil data pada menit 18 (Data yang memiliki hasil yang baik).
1. Temperatur rata-rata
Gambar 4.6 T avg maximun pada variasi nyala api
Gambar 4.6 menunjukkan perbandingan temparatur api rerata (TA avg) pada
variasi nyala api. Adapun nilainya masing-masing pada nyala api besar yaitu,
71.22°C (TABh) ; 59.56°C (TABc). Sedangkan untuk nyala api kecil memiliki nilai
masing-masing yaitu, 68.22°C (TAKh) ; 57.11°C (TAKc). Temperatur dinding sisi
panas dan sisi dingin pada nyala api besar lebih tinggi daripada temperatur dinding
sisi panas dan sisi dingin nyala api kecil.
43
2. Beda temperatur maksimun
Gambar 4.7 ∆T max pada variasi nyala api
Gambar 4.7 menunjukkan perbandingan beda temperatur maximun (∆Tmax)
pada ke dua variasi nyala api. Adapun nilainya masing-masing yaitu 11,66°C AB ;
11,1°C. Beda temperatur tertinggi terjadi pada nyala api besar. Hal ini disebabkan
karena laju perpindahan yang diberikan dari ruang bakar yang besar dibandingkan
dengan nyala api kecil.
3. Beda Tegangan Maximun (∆Vmax)
Gambar 4.8 ∆Vmax pada variasi nyala api
Gambar 4.8 menunjukkan perbandingan beda tegangan maximun (∆Tmax)
pada 2 variasi nyala api. Adapun nilainya masing-masing yaitu 1.79 V AB dan 1.35
AK. Beda tegangan tertinggi terjadi pada nyala api besar. Hal ini disebabkan karena
44
panas yang diserap oleh modul termoelektrik generator pada dinding sisi panasnya
lebih besar sehingga menghasilkan perbedaan temperatur yang dapat membangkitkan
beda tegangan.
4. Panas yang diserap (QH)
Gambar 4.9 (QHmax) pada 2 variasi nyala api
Gambar 4.9 menunjukkan perbandingan panas yang diserap (QHmax) pada 2
variasi nyala api. Adapun nilainya masing-masing yaitu 12.21 Watt dan 11.41 Watt).
Panas yang diserap yang tertinggi terjadi pada nyala api besar.
5. Daya Listrik (P)
Gambar 4.10 Perbandingan daya listrik total maximun (Pmax) pada nyala api
45
Gambar 4.10 menunjukkan perbandingan daya listrik maximun (Pmax) pada
ke dua variasi nyala api. Daya listrik yang dihasilkan dari nyala api besar dan nyala
api kecil masing masing yaitu 0.09 watt dan 0.05 watt. Daya listrik yang optimal
terjadi pada nyala api besar. Hal ini disebabkan karena temperatur sisi panas dan sisi
dingin pada nyala api besar yang diserap lebih optimal sehingga menghasilkan
tegangan yang optimal pula.
6. Efisiensi maximun (ηmax)
Gambar 4.11 Perbandingan efisiensi maximun (ηmax) pada variasi nyala api
Gambar 4.11 menunjukkan efisiensi maximun (ηmax) pada 2 variasi nyala
api. Adapun nilai masin-masing yaitu 0,76 % AB dan 0.47 % AK. Efisiensi yang
optimal terjadi pada nyala api besar. Hal ini disebabkan karena pada nyala api besar
lebih optimal membangkitkan daya listrik.
46
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan
Berdasarkan hasil pengujian dan pengolahan data yang dilakukan pada
penelitian pemanfaatan panas dinding kompor sebagai energi listrik menggunakan
generator termoelektrik dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Karakteristik beda temperatur yang dihasilkan menunjukkan peningkatan yang
cukup signifikan seiring dengan lamanya waktu pembakaran dengan nilai
tertinggi masing-masing yaitu untuk nyala api besar 11,67 °C dan 11.11°C.
2. Energi panas yang dikonversi menjadi daya listrik mengalami peningkatan
seperti halnya dengan peningkatan temperatur di poin pertama. Nilai energi
panas maximun yag dihasilkan untuk nyala api besar 12.215 watt sedangkan
untuk nyala api kecil 11.419 Watt.
3. Kinerja dari generator termoelektrik menunjukkan potensi yang cukup
menjanjikan sebagai sumber energi alternatif. Hal ini ditunjukkan dengan
peningkatan efisiensi yang dihasilkan pada tiap-tiap nyala apai. Nilai efisiensi
maximun yang dihasilkan untuk nyala api besar 0.76 % dan untuk nyala api
kecil 0.47 % . Sedangkan daya listrik yang dihasilkan untuk nyala api besar
0.09 watt dan untuk nyala api kecil 0.05 watt
47
B. Saran
Adapun saran untuk penelitian selanjutnya yaitu :
1. Penggunaan heatsink dapat diganti dengan heat pipe untuk mendapatkan beda
temperatur yang lebih maksimal antara sisi panas (Th) dan sisi dingin (Tc) modul
TEG sehingga tegangan yang dihasilkan lebih besar.
2. Dapat dicoba dengan menggunakan jenis kompor yang memiliki nilai kalor yang
tinggi.
3. Kontak permukaan pada plat aluminium harus rata supaya suhu panas maupun
dingin dari suatu dudukan TEG dapat merambat dengan baik ke termoelektrik.
48
DAFTAR PUSTAKA
Ady Muhammad Pradana, Dkk. 2020. “Prototipe Pembangkit Listrik Termoelektrik
Generator Menggunakan Penghantar Panas Alumunium, Kuningan dan Seng”.
Teknik Elektro Fakulttas Teknik Universitas Surabaya.
Busthomy Pras Ley., Mahendra Widyartono. 2020. Generator Termoelektrik Dengan
Memanfaatkan Panas Yang Terbuang Dari Api Pembakaran Untuk Pengisian
Baterai Handphone”. Jurnal Teknik Elektro. Volume 09, Nomor 02, Halaman
451-457.
Ginanjar, dkk. 2019. “Perancangan Dan Pengujian Sistem Pembangkit Listrik
Berbasis Termoelektrik Dengan Menggunakan Kompor Surya Sebagai Media
Pemusat Panas”. Program Studi Sarjana Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Tanjungpura.
Jayanegara. Sudarmanto, Dkk. 2020. “The Characterization OfThermoelektric
Generator In Utilizing The Heat Waste Of The Biomass Egg Drying Machine”.
EPI International Journal Of engineering Vol. 3. Number 1, February 2020,
pp.30-33. pISSN 2615-5109.
Kandi dan yamin winduouno. 2020. “ Energi dan Perubahannya”. Penerbit : Pusat
pengembangan dan pemberdayaan pendidik dan tenaga kependidikan ilmu
pengetahuan alam (PPPPTK IPA).
49
Kavei, G, Khakpour, A.A, Hadifakoor, A, Nikbin, S, Kavei A.2013.”Thermoelectric
Element Assigned As Electricgenerator From Waste Heat”.IJTPE. vol 5,(4),
113-117:International Organization of IOTPE.
Kin Yip Wong. “Thermoelectric Material and Devices – Recover Wasted Heat from
Vehicles”. Department of Phisics and Materials Science – City University of
Hongkong, Maret 2011.
Klara. Sherly dan Sutrisno. 2016. “ Pemanfaatan Panas Gas Buang Mesin Diesel
Sebagai Energi Listrik “. Program Studi Teknik Sistem Perkapalan Fakultas
Teknik Universitas Hasanuddin. Jurnal Riset dan Teknologi Kelautan (JRTK)
Volume 14, No. 1, Januari - Juni 2016.
Masko. 2018. “Experimental Study Utilization Of Heat On Lpg Gas Stove By Using
Coil Pipe Sheath With Variation Diameter Coil Pipe Sheath”. Program Studi
Sarjana Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sriwijaya.
Nugroho Satrio Septo. 2018. “Aplikasi Thermoelektrik Generator pada Sistem
Pemanen Panas Buang pada Kompor Gas Satu Tungku”. Program Studi Teknik
Mesin Fakultas Teknik Universitas Pasudan Bandung.
Peraturan Menteri Energi Dan Sumber Daya Mineral Republik Indonesia
http://jdih.esdm.go.id/peraturan/Permen%20ESDMNo.%2039%20Thn202017.
pdf diakses pada tanggal 16 Februari 2021.
Pusat data dan teknologi informasi energi dan sumber daya mineral. 2018. “ Kajian
Penyediaan dan pemanfaatan Migas, Batubara, EBT dan Listrik “. ISBN : 978-
50
602-0836-26-3.
Rida Y. Nuwayhid, Alan Shihadeh, Nesreen Ghaddar, “Development ad
Testing of a Domestic Woodstove Thermoelectric Generator with Natural
Convection Cooling”, J.Energy Conversion and Management, Volume 46,
Issues 9-10, 1631-1643.
Riffat.S.B, Xiaoli MA .2002. “Thermoelektrics:a review of present and potemtial
applications”.Applied Thermal Engineering 23 (2003) 913-935.
Rosari Saleha, Nandy Putra, Suhendro Purbo Prakoso, Wayan Nata Septiadi,
Experimental investigation of thermal conductivity and heat pipe thermal
performance of ZnO nanofluids,International Journal of Thermal Sciences,
Volume 63, January 2013, Pages 125-132.
Rosyidi Muhammad Fachrul, dkk.2020. “Rancang bangun kompor biomassa
penghasil energi listrik untuk mengisi baterai 12 V”. TEKNIKA: Jurnal Sains
Dan Teknologi VOL 16 NO 02 (2020) 279–284.
Sukyono.Wiliam. 2009. “ Karakterisasi Termoelektrik Bertingkat pada Sistem
Pendingin Cryosurgery”. Fakultas Teknik Universitas Indonesia.
51
LAMPIRAN A Tabel Tahanan dalam termoelektrik
52
LAMPIRAN B1 Tabel Pengamatan Nyala Api Besar
53
LAMPIRAN B2 Tabel Pengamatan Nyala Api Kecil
54
LAMPIRAN C Tabel Hasil Pengamatan Nyala Api Besar
LAMPIRAN C1 Koefisien Seebeck
55
LAMPIRAN C2 Arus Listrik
LAMPIRAN C2 Tabel Hasil Pengamatan Nyala Api Kecil
LAMPIRAN D Tabel Perbandingan Nyala Api Besar dan Nyala Api Kecil
56
LAMPIRAN C3 Panas yang diserap
LAMPIRAN E Foto Dokumentasi
57
LAMPIRAN C4 Daya yang dihasilkan
58
LAMPIRAN C5 Efisiensi
59
LAMPIRAN D Tabel Hasil Pengamatan Nyala Api Kecil
LAMPIRAN D1 Koefisien Seebeck
60
LAMPIRAN D2 Arus Listrik
61
LAMPIRAN D3 Panas yang diserap
62
LAMPIRAN D4 Daya yang dihasilkan
63
LAMPIRAN D5 Efisiensi
66
LAMPIRAN E Data maksimun Setiap Nyala Api
LAMPIRAN F Foto Dokumentasi
67
Gambar F1 Pembuatan dudukan fan
Gambar F2 Pemasangan dudukan termoelektrik
68
Gambar F3 Pemasangan Termoelektrik
Gambar F4 Pemasangan Heatsink
Gambar F5 Pemasangan Termocouple
69
Gambar F6 Pemasangan Fan diatas heatsink
Gambar F7 Alat siap digunakan