18

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Bab ini akan menjelaskan mengenai perancangan serta realisasi alat

pemanfaatan modul termoelektrik generator sebagai alat pemanen yang mengubah

energi panas menjadi energi listrik. Perancangan secara keseluruhan terbagi menjadi

perancangan mekanik dan perancangan perangkat keras.

3.1. Gambaran Alat

Alat yang akan dirancang adalah sebuah sistem pemanen energi panas dari

kompor berbahan bakar biomassa dengan menggunakan modul termoelektrik

generator. Termoelektrik generator atau TEG adalah modul yang bisa mengubah

energi panas (perbedaan temperatur) menjadi energi listrik. Termoelektrik generator

mengkonversi perbedaan temperatur dari sisi panas dan sisi dingin modul

termoelektrik generator. Termoelektrik generator mendapatkan sumber panas dari

kompor biomassa, pada sisi dingin diberi sistem pendingin water cooling dan

kemudian ditempelkan lagi dengan heatsink agar suhu sisi dingin modul termoelektrik

generator bisa dijaga tetap dingin. Perbedaan temperature yang besar antara sisi panas

dan sisi dingin dari modul termoelektrik generator bisa menghasilkan tegangan dan

arus listrik yang besar juga.

Tegangan keluaran dari termoelektrik generator yang kecil harus dinaikan dan

distabilkan agar dapat digunakan untuk menghidupkan lampu LED sebagai lampu

penerangan sederhana. Penaik tegangan menggunakan dc-dc step up converter yang

bisa menaikkan tegangan masukan yang kecil menjadi lebih besar dan stabil.

Gambar 3.1. Blok diagram alat

19

3.2. Perancangan Mekanik

Mekanik pemanenan energi panas dari kompor biomassa ini terdiri dari

penampang yang mempunyai batang-batang logam yang masuk melalui bagian

samping kompor biomassa yang berfungsi menerima panas dari kompor ini. Kompor

biomasa yang digunakan memiliki dimensi panjang 28 cm, lebar 28 cm, dan dengan

tinggi 36 cm. Kemudian energi panas dari kompor yang ada pada batang-batang logam

akan mengalir pada penampang yang akan dipasangkan pada sisi panas modul

termoelektrik generator. Dengan dimensi panjang 9 cm, lebar 9 cm, dan dengan

ketebalan 3 mm. penampang ini terbuat dari material besi.

Gambar 3.2. Kompor biomassa prime yang digunakan

Gambar 3.3. Batang-batang logam

20

Gambar 3.4. Penampang awal.

Untuk mendinginkan sisi dingin dari modul termoelektrik generator

menggunakan komponen water cooling block. Pengunaan komponen ini bertujuan

untuk menyerap panas dan menjaga temperatur dari sisi dingin modul termoelektrik

generator sehingga pemanenan dapat berlansung secara optimal untuk memperoleh

perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik

generator. Ukuran dari water cooling block adalah panjang 8.5 cm, lebar 7 cm, tinggi

1 cm.

Gambar 3.5. Water cooling block

21

Kemudian untuk memaksimalkan pendinginan pada sisi dingin modul

termoelektrik generator dipasang heat sink menempel pada komponen water cooling

block. Dimensi dari heat sink adalah panjang 8.5 cm, lebar 7 cm, dan tinggi 3.5 cm.

Gambar 3.6. Heat sink

Pada sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik generator ditambahkan

pasta termal yang bertujuan agar perambatan energi panas menjadi lebih cepat dan

lebih baik. dikarenakan antarmuka permukaan logam memiliki rongga yang

berpengaruh pada perambatan panas.

Gambar 3.7. Antarmuka permukaan yang tidak rata

22

Walaupun rongga itu berukuran mikroskopis, hal ini dapat mengakibatkan

udara terjebak diantaranya dan menyebabkan kerugian perambatan panas. Sebab

terjadi perpindahan panas secara konveksi melalui medium udara. Penggunaan pasta

termal dapat mengisi rongga mikroskopis pada antarmuka termoelektrik generator

terhadap penampang maupun komponen water cooling block. Sehingga dapat

meningkatkan konduktivitas termal. Tetapi pada pemakaian pasta termal yang

berlebihan juga dapat menghambat kontak antarmuka sehingga konduktivitas justru

semakin menurun.

Gambar 3.8. Antarmuka permukaan dengan menggunakan pasta termal

3.3. Termoelektrik Generator

Modul termoelektrik generator atau TEG digunakan sebagai pengkonveksi

energi panas dari perbedaan temperatur pada sisi dingin dan sisi panas permukaan

termoelektrik generator menjadi energi listrik. Proses ini memanfaatkan efek Seebeck

yang ditemukan tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Nilai tegangan yang

dihasilkan tergantung dari perbedaan temperatur dari sisi panas dan sisi dingin

termoelektrik generator.

23

3.3.1. termoelektrik generator TEG1-PB-12611-6.0

Termoelektrik yang digunakan untuk alat ini adalah TEG1-PB-12611-6.0

dengan spesifikasi seperti pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1. Spesifikasi TEG1-PB-12611-6.0[9]

Hot Side Temperature (oC) 350

Cold Side Temperature(oC) 30

Open Sircuit Voltage(V) 9,2

Matched Load Resistance (Ohm) 0,97

Matched Load Output Voltage(V) 4,6

Matched Load Output Curent (A) 4,7

Matched Load Output Power (W) 21,7

Heat Flow Across The Modul (W) 310

Heat Flow Density (W Cm-2) 9,88

AC Resistance (Ohms) Measured Under

27oC @1000Hz

0,42~0,52

Modul ini dapat bekerja pada suhu tinggi 350 0C secara terus menerus dan bisa

mencapai 400 0C tetapi untuk waktu yang singkat. Untuk sisi dingin termoelektrik

generator ini tidak bisa bekerja secara normal diatas suhu 200 0C. Modul termoelektrik

generator akan menghasilkan energi listrik DC selama ada perbedaan temperatur pada

kedua sisi modul. Semakin besar perbedaan suhu antar kedua sisi modul termoelektrik

generator, semakin besar juga daya yang dihasilkan dan menandakan semakin

efisiennya pemanenan energi.

24

Gambar 3.9. Termoelektrik generator TEG1-PB-12611-6.0[9]

Gambar 3.10. Grafik keluaran tegangan dengan beban terhadap TH (T panas) dan

variasi TC (T dingin)

25

Gambar 3.11. Grafik keluaran arus dengan beban terhadap TH (T panas) dan variasi

TC (T dingin)

Gambar 3.12. Grafik keluaran daya dengan beban terhadap TH (T panas) dan variasi

TC (T dingin)

26

Termoelektrik generator ini maksimal dapat menghasilkan daya listrik sebesar

21.7 watt untuk perbedaan suhu 320 0C. Untuk daya panas yang diubah yang menjadi

listrik maksimal sebesar 309.84 watt atau bisa dihitung.

𝑄 = A × q …… (3.1)

𝑄 = 5,6 × 5,6 × 9,88

𝑄 = 309,84 watt

Dimana:

𝑄 : Heat flow (W)

A : luas penampang (cm2)

q : kerapatan panas (Wcm-2)

Jadi efisiensi dari termoelektrik generator daya panas yang diubah menjadi

listrik maksimal sebesar.

η = 𝑃

𝑄 ...........(3.2)

η = 21,7 𝑤𝑎𝑡𝑡

309,84 𝑤𝑎𝑡𝑡

η = 7,003 %

dimana:

η : efisiensi kerja

𝑃 : Matched Load Output Power (W)

𝑄 : Heat flow (W)

Jadi efisiensi maksimum dari termoelektrik generator jenis ini, daya keluaran

maksimal TEG sebesar 21,7 watt, dan efisiensi maksimum sebesar 7,003 %.

3.4. Perancangan Perangkat Keras

Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan elektronika alat

pemanen energi listrik dari panas kompor biomassa dengan termoelektrik generator.

Bagian elektronikan dari modul membahas tentang dc-dc step up converter sebagai

penaik dan penstabil tegangan.

27

3.4.1. Dc-dc Step Up Converter

Keluaran termoelektrik yang kecil dan kurang stabil akan dikonversi menjadi

tegangan yang lebih besar dan stabil. Untuk membuat kondisi ini diperlukan dc-dc step

up converter, yang merupakan penaik tegangan. Dengan rangkaian ini tegangan

masukan dari termoelektrik generator bisa lebih besar. Dc-dc step up converter pada

sistem ini menggunakan IC MAX 756[10].

Gambar 3.13. Skema modul dc-dc step up converter[10]

Gambar 3.14. Realisiasi untai dc-dc step up converter

IC MAX 756 dapat mengkonversi tegangan masukan minimal 0,7 volt menjadi 3,3

volt atau 5 volt. Untuk mendapatkan tegangan 5 volt pada pin 2 dihubungkan dengan

ground. Pin 3 sebagai referensi dihubungkan dengan ground dengan menambahkan

kapasitor untuk stabilitas dan filter keluaran agar lebih stabil. Pada pin 8 merupakan

arus masukan yang berfungsi untuk menyimpan arus untuk menyuplai dan menaikkan

28

tegangan IC ini. Induktor yang digunakan pada alat ini mempunyai rating arus

maksimal 1,2 A yang diketahui dari datasheet induktor maka frekuensi dari gelombang

kotak harus disesuaikan sehingga didapat arus yang mengalir pada induktor tidak

melebihi rating arus maksimal. Induktor sebesar 22 µH menunjukkan hasil yang cukup

baik ketika digunakan dalam rankaian penguat untuk IC ini karena memiliki resistansi

yang rendah juga. LED sebagai indikator jika tegangan masukan dari termoelektrik

generator sudah cukup untuk memberikan catu tegangan pada IC dan bisa

mendapatkan tegangan keluaran 5 volt untuk digunakan oleh beban.