KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL BERPENDINGIN...

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL BERPENDINGIN AIR UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK

TENAGA SURYA

TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Sains dan Teknologi

Disusun oleh :

SUPRIADY NIM : 045214003

Kepada

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA, Januari 2008

THE CHARACTERISTIC OF WATER COOLED PARALLEL THERMOELECTRIC

FOR SOLAR POWER GENERATOR

A FINAL PROJECT Submitted For The Partial Fulfillment Of The Requirements

For The Degree Of Mechanical Engineering

Mechanical Engineering Program Study Faculty of Sains and Technology

By : SUPRIADY

NIM : 045214003

FOR

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM FACULTY OF SAINS AND TECHNOLOGY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA, January 2008

2

PERNYATAAN

Dengan ini saya menyatakan bahwa dalam 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, 20 Desember 2007

Supriady

Tanda tangan dan nama terang

5

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur saya hanturkan kepada Tuhan atas berkat, rahmat dan

bimbinganNya selalu sehingga saya dapat menyelesaikan Tugas Akhir (TA) saya

dengan judul “karakteristik termoelektrik paralel berpendingin air untuk

pembangkit listrik tenaga surya” ini dengan baik dan lancar. Dalam penulisan

Tugas Akhir ini saya menyadari banyaknya bantuan, bimbingan serta dukungan

yang diberikan dalam proses penyusunan Tugas Akhir ini sehingga naskah ini

dapat selesai pada waktunya. Oleh karena itu pada kesempatan ini saya ingin

menyampaikan ucapan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada:

1. Tuhan Yang Maha Kuasa atas berkat dan rahmatnya sehingga Tugas Akhir

ini berjalan dengan lancar.

2. Romo Ir. Greg. Heliarko, S.J, S.S, B.S.T., M.Sc., M.A. selaku Dekan

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Orangtua tercinta yang telah memberikan semangat dan dukungannya.

4. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T. selaku Wakil Dekan I (satu) Jurusan

Fakultas Teknik Mesin.

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

6. Ir. FA. Rusdi Sambada, M.T. selaku dosen pembimbing Tugas Akhir yang

telah sungguh-sungguh membimbing.

7

7. Laboran laboratorium mekanika fluida, laboratorium teknologi mekanik

dan laboratorium perpindahan panas atas bantuannya selama pembuatan

Alat untuk Tugas Akhir.

8. Vivi, Juwanta Yeonardy, Fendi, Hengky Setiyawan, Shirleen Yohana dan

Yanuar Nanang yang telah memberikan masukan dan dukungannya.

9. Seluruh Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin (khususnya angkatan 2004)

Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

Penulis mengharapkan agar Tugas Akhir ini dapat berguna, baik bagi

penulis maupun pihak lain, sebagai modal pengetahuan dan informasi. Penulis

menyadari bahwasanya isi dari subtansial dari Tugas Akhir ini masih jauh dari

kesempurnaan. Oleh karena itu, penulis dengan tangan terbuka dan hati lapang

siap menerima berbagai kritik, saran, masukan konstruktif demi peningkatan

kualitas dan kompetensibilitas di kemudian hari.

Yogyakarta, Desember 2007

Penulis

8

INTISARI

Tugas Akhir ini bertujuan untuk mengatasi masalah yang sedang dihadapi

di Indonesia khususnya daerah yang terpencil. Di daerah perkotaan dan desa-desa

yang sudah maju energi listrik amat mudah didapatkan tetapi di daerah-daerah

terpencil yang belum terdapat jaringan listrik, energi listrik tidak mudah

didapatkan atau bahkan tidak tersedia.

Karakteristik termoelektrik paralel pembangkit listrik tenaga surya dengan

pendingin air merupakan salah satu solusi alternatif masalah krisis energi. Alat ini

terdiri dari modul termoelektrik TEC1-12706 yang dapat mengkonversi energi

panas menjadi energi listrik, termoelektrik ini berbahan bismuth telluride dan

berukuran 4cm x 4cm. Alat ini juga dilengkapi dengan kolektor surya pelat rata

tipe pipa paralel berukuran 0,6m x 1m. Di tempat inilah fluida minyak dipanaskan

sehingga tangki penyimpan panas dapat mentransferkan panas ke salah satu sisi

termoelektrik. Sisi bersebelahan didinginkan oleh tangki air pendingin.

Perbedaan temperatur pada kedua sisi termoelektrik mengakibatkan munculnya

energi listrik. Termoelektrik yang digunakan pada penelitian sebanyak 20 buah

disusun dengan 2 variasi yaitu :susunan paralel dan susunan seri-paralel.

Hasil yang dicapai dari penelitian adalah rangkaian termoelektrik yang

disusun secara seri-paralel merupakan susunan yang paling baik untuk

menghasilkan efisiensi total dan daya. Susunan seri-paralel menghasilkan efisiensi

total 0,0109 % dan daya 0,716 W sedangkan susunan paralel menghasilkan

efisiensi total 0,0057 % dan daya 0,168 W.

9

DAFTAR ISI

TITLE PAGE ............................................................................................... i

HALAMAN PENGESAHAN ...................................................................... ii

DAFTAR DEWAN PENGUJI .................................................................... iii

LEMBAR PERNYATAAN.......................................................................... iv

KATA PENGANTAR .................................................................................. v

INTISARI .................................................................................................... vii

DAFTAR ISI ................................................................................................ viii

DAFTAR GAMBAR ................................................................................... xi

DAFTAR TABEL......................................................................................... xv

BAB I PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang ............................................................................... 1

I.2 Perumusan Masalah ....................................................................... 2

I.3 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3

I.4 Manfaat Penelitian ........................................................................ 3

I.5 Batasan Masalah ............................................................................ 4

BAB II DASAR TEORI

2.1 Pengertian Termoelektrik .............................................................. 5

2.2 Perhitungan Pada Termoelektrik.................................................... 7

2.2.1 Perhitungan Pada Satu Termoelektrik ................................. 10

10

2.2.2 Perhitungan Pada Beberapa Termoelektrik ......................... 12

2.3 Perhitungan Pada Radiasi Surya .................................................... 13

2.4 Perhitungan Pada Kolektor ........................................................... 14

2.5 Perhitungan Efisiensi Alat Penelitian ........................................... 16

BAB III METODE PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Skema Alat .................................................................................... 17

3.2 Peralatan Penelitian ....................................................................... 18

3.3 Langkah Penelitian ........................................................................ 19

3.3.1 Pembuatan Alat .................................................................... 19

3.3.2 Pelaksanaan Penelitian ......................................................... 20

3.3.3 Pengolahan dan Analisa Data .............................................. 21

3.4 Parameter yang Diukur ................................................................. 21

BAB IV HASIL PENGAMBILAN DATA

4.1 Data Penelitian Susunan Paralel .................................................. 22

4.2 Data Penelitian Susunan Seri-Paralel ............................................ 23

BAB V ANALISA PENELITIAN

5.1 Perhitungan ................................................................................... 25

5.2 Grafik Karakteristik Modul Termoelektrik.................................... 38

5.3 Pembahasan ................................................................................... 57

BAB VI PENUTUP

6.1 Kesimpulan ................................................................................... 64

11

6.2 Saran ............................................................................................. 65

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 66

LAMPIRAN ................................................................................................. 67

12

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Pembangkit energi listrik termoelektrik.................................... 5

Gambar 2.2 Cara kerja termoelektrik............................................................ 7

Gambar 2.3 Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel .............. 12

Gambar 2.4 Bagian-bagian kolektor datar ................................................... 15

Gambar 3.1. Skema alat penelitian ............................................................... 17

Gambar 3.2. Detil pemasangan pembangkit listrik termoelektrik ................ 18

Gambar 5.1 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur

sisi panas (TH) pada susunan paralel........................................ 38

Gambar 5.2 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur


Gambar 5.3 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur


Gambar 5.4 Grafik hubungan efisiensi generator ( Gη ) dengan temperatur


Gambar 5.5 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur



sisi dingin (TC) pada susunan paralel....................................... 41

13





Gambar 5.9 Grafik hubungan efisiensi generator ( Gη ) dengan temperatur




Gambar 5.11 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih

temperatur ( T) pada susunan paralel ................................... 43 Δ

Gambar 5.12 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih

temperatur ( T) pada susunan paralel ................................... 44 Δ

Gambar 5.13 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih

temperatur ( T) pada susunan paralel .................................... 44 Δ

Gambar 5.14 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan selisih

temperatur ( T) pada susunan paralel .................................. 45 Δ

Gambar 5.15 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih

temperatur ( Δ T) pada susunan paralel .................................. 45


sisi panas (TH) pada susunan seri-paralel................................ 46

14





Gambar 5.19 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan temperatur




Gambar 5.21 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur

sisi dingin (Tc) pada susunan seri-paralel............................... 48





Gambar 5.24 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan temperatur





temperatur ( ) pada susunan seri-paralel ............................ 51 TΔ

15







Gambar 5.30 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih









temperatur (ΔT) pada susunan seri-paralel ............................. 55

Gambar 5.34 Grafik hubungan efisiensi kolektor ( η) dengan ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

GTaTi ..... 55

Gambar 5.35 Grafik hubungan efisiensi total ( ηTOTAL) dengan selisih

temperatur ( ) ..................................................................... 56 TΔ

Gambar 5.36 Grafik hubungan IO dengan NP.............................................. 58

Gambar 5.37 Grafik hubungan IO dengan NP/NS ....................................... 58

16

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan paralel .............. 23

Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel ........ 24

Tabel 5.1 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi

termal variasi rangkaian paralel termoelektrik .................................... 34

Tabel 5.2 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi

pemasangan termoelektrik secara paralel ............................................ 36

Tabel 5.3 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi

termal variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik .............................. 38

Tabel 5.4 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi

pemasangan termoelektrik secara seri-paralel ...................................... 40

17

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Energi listrik memegang peranan penting dalam kehidupan manusia

sehari-hari, hampir semua aktivitas manusia saat ini sangat tergantung pada energi

ini baik di industri, rumah tangga, kantor-kantor, hotel, dan sebagainya. Di daerah

perkotaan dan desa-desa yang sudah maju energi listrik amat mudah didapatkan

tetapi di daerah-daerah terpencil yang belum terdapat jaringan listrik, energi listrik

tidak mudah didapatkan atau bahkan tidak tersedia.

Banyak penelitian dan pengembangan teknologi dilakukan untuk mencari

pembangkit energi listrik alternatif guna memenuhi kebutuhan energi listrik di

daerah-daerah terpencil yang belum terjangkau jaringan listrik. Selain itu

penelitian mencari pembangkit energi listrik alternatif ini dilakukan secara

intensif terutama sejak krisis energi (1973) yang bertujuan mengantisipasi

habisnya sumber energi alam yang tidak terbarukan seperti bahan bakar minyak

yang saat ini merupakan salah satu sumber pembangkit energi listrik.

Sumber alam yang terbarukan dan tersedia di daerah seperti energi surya,

angin, air, panas bumi, biomassa, dan sebagainya menjadi perhatian para peneliti

untuk dimanfaatkan dan dikembangkan menjadi sumber pembangkit energi listrik

alternatif. Termoelektrik merupakan suatu cara alternatif yang digunakan untuk

18

mengkonversikan panas menjadi energi listrik, panas yang diperlukan dapat

berasal dari surya, 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.

1.2 Perumusan Masalah

Penggunaan termoelektrik sebagai salah satu cara alternatif pembangkit

energi listrik dapat menjadi jawaban untuk memenuhi kebutuhan energi listrik

terutama di daerah terpencil seperti yang banyak terdapat di Indonesia. Hal ini

disebabkan termoelektrik dapat mengkonversikan panas dari energi surya menjadi

energi listrik. Tetapi energi surya hanya tersedia pada pagi sampai sore dengan

jumlah yang tidak konstan karena sangat tergantung pada cuaca.

Pada penelitian ini panas dari energi surya yang diterima oleh kolektor

termal pelat datar tidak langsung dimanfaatkan untuk memanasi termoelektrik

tetapi digunakan untuk memanasi minyak dalam tangki penyimpan yang

terhubung dengan kolektor. Panas yang digunakan untuk memanasi termoelektrik

diambil dari panas minyak yang tersimpan dalam tangki. Dalam hal ini minyak

berfungsi sebagai penyimpan panas sehingga pemanasan termoelektrik tetap dapat

19

dilakukan walaupun cuaca mendung atau pada malam hari. Selain itu peralatan

termoelektrik dapat diletakkan di dalam rumah sehingga terlindung dari cuaca.

Penelitian ini mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan

operasional yang ada) termoelektrik yang ada di pasaran di Yogyakarta jika

digunakan sebagai pembangkit energi listrik menggunakan sumber panas energi

surya dengan menggunakan kolektor termal pelat datar.

1.3 Tujuan Penelitian

Tujuan yang ingin dicapai oleh peneliti yaitu :

1. Menjajagi kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit

energi listrik dengan energi surya.

2. Mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan kondisi operasi)

termoelektrik sebagai pembangkit listrik energi surya.

3. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan

menggunakan termoelektrik.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini :

1. Dapat mengetahui karakteristik pembangkit listrik menggunakan

termoelektrik dengan memanfaatkan energi surya.

20

2. Dapat dikembangkan untuk membuat prototipe pembangkit listrik energi

surya dengan termoelektrik yang sesuai dengan kondisi daerah terpencil

yang ada di Indonesia.

3. Menambah kepustakaan teknologi pembangkit listrik alternatif

menggunakan termoelektrik.

1.5 Batasan Penelitian

Batasan penelitian karakteristik termoelektrik pembangkit listrik tenaga

surya dengan pendingin air adalah

1. Menghitung effisiensi keseluruhan pada model pembangkit listrik tenaga

surya.

2. Variasi pemasangan modul termoelektrik paralel dan seri-paralel.

21

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Prinsip Kerja Termoelektrik

Modul termoelektrik berbahan dasar bismuth telluride umumnya

digunakan untuk pendinginan dengan arus listrik DC sebagai masukkannya.

Dengan modul termoelektrik yang sama tetapi penggunaannya 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 2.1.

Gambar 2.1 Pembangkit energi listrik termoelektrik

(sumber : www.thermo.com)

22

Di dalam sebuah termoelektrik terdapat banyak pembawa bebas muatan

dan panas. Prinsip kerja termoelektrik lebih mudah dijelaskan dengan

menggunakan sebuah kotak berisi gas partikel bermuatan. Pada sisi kotak

ditempel pada permukaan yang panas dan sisi bersebelahan pada permukaan

dingin. Molekul di sisi panas akan bergerak lebih cepat dibanding sisi dingin.

Molekul panas yang lebih cepat akan menyebar lebih lanjut dibanding molekul

dingin sehingga akan terbangun molekul dengan kerapatan tinggi di sisi dingin.

Perbedaan kerapatan akan menyebabkan molekul berdifusi kembali ke sisi panas.

Dalam keadaan steadi, secara persis efek dari perbedaan kerapatan berbanding

terbalik dengan perbedaan temperatur sehingga tidak ada aliran molekul.

Termoelektrik terdapat molekul-molekul bermuatan maka bangunan muatan pada

sisi dingin juga akan menghasilkan pulsa gaya elektrostatik (tegangan listrik)

untuk mendorong muatan balik ke sisi panas. Tegangan listrik dihasilkan oleh

perbedaan temperatur dikenal sebagai Efek Seebeck dan secara perbandingan

konstan dinamakan koefisien Seebeck.. Oleh karena itu, pembawa bebas

semikonduktor tipe n akan memproduksi potensial negatif pada sisi dingin dan

potensial potensial positif pada sisi panas sehingga elektron akan bergerak dari

potensial positif ke negatif, sedangkan pembawa bebas semikonduktor tipe p

sebaliknya. Skema prinsip kerja termoelektrik dapat dilihat pada gambar 2.2.

23

Gambar 2.2 Cara kerja termoelektrik

(sumber : www.PELTIER-INFO.com)

2.2 Perhitungan Pada Termoelektrik

Harga-harga koefesien Seebeck (SM), tahanan listrik (RM), dan

konduktansi termal (KM) pada modul termoelektrik tergantung dari temperatur

dan harga-harganya dapat dihitung dengan persamaan (berlaku untuk kisar

temperatur –100OC sampai +150OC) :

• Koefisien Seebeck (Buist, halaman 4):

4Ts

3Ts

2Ts

TsSatau S4

43

32

21MTCMTH +++= (1)

SM = (SMTh - SMTc) / DT (2)

24

http://www.peltier-info.com/

dengan :

SMTH : koefisien Seebeck modul pada sisi panas TH (V/K)

SMTC : koefisien Seebeck modul pada sisi dingin TC (V/K)

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

s1 = 1,3345.10-2, s2 = - 5,37574 x 10-5 , s3 = 7,42731 x 10-7, s4 = - 1,27141 x 10-9

• Tahanan listrik modul termoelektrik (Buist, halaman 5):

4Tr

3Tr

2Tr

TrRatau R4

43

32

21MTCMTH +++= (3)

RM = (RMTH - RMTC) / DT (4)

dengan :

RM : tahanan listrik modul (ohm)

T : temperatur rata-rata modul (K)

RMTH : tahanan listrik modul pada sisi panas TH (ohm)

RMTC : tahanan listrik modul pada sisi dingin TC (ohm)


r1 = 2,08317, r2 = - 1,98763 x 10-2 , r3 = 8,53832 x 10-5, r4 = - 9,03143 x 10-8

• Konduktansi termal modul (Buist, halaman 5):

4Tk

3Tk

2Tk

TkKatau K4

43

32

21MTCMTH +++= (5)

KM = (KMTH - KMTC) / DT (6)

dengan :

25

KM : konduktansi termal modul (W/K)

T : temperatur rata-rata modul (K)

KMTH : konduktansi termal modul pada sisi panas TH (W/K)

KMTC : konduktansi termal modul pada sisi dingin TC (W/K)


k1= 4,76218x10-1 , k2 = -3,89821x10-6, k3= -8,64864x10-6 , k4= 2,20869x10-8

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 (Buist, halaman 6):

71

N x SS newMnew = (7)

71

N x

I6 x RR new

newMnew = (8)

71

N x

6I

x KK newnewMnew = (9)

dengan :

Snew : koefisien Seebeck untuk modul yang baru (V/K)

Rnew : tahanan listrik untuk modul yang baru (Ω)

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)

26

Perhitungan daya keluaran dan efisiensi pada termoelektrik dapat dihitung

tergantung pada jumlah termoelektrik yaitu satu termoelektrik dan beberapa

termoelektrik.

2.2.1 Perhitungan Pada Satu Termoelektrik

Pada keadaan tanpa beban (RL) tegangan open circuit adalah

V = S x DT (10)

dengan :

V : tegangan keluaran dari termoelektrik (generator) (V)

S : koefisien Seebeck rata-rata (V/K)

DT : beda temperatur sisi panas dan sisi dingin (K) = TH – TC

Pada saat beban dihubungkan tegangan keluaran turun dan karena adanya

tahanan dalam generator. Arus yang melalui beban dapat dihitung dengan

persamaan (Duffie, halaman 22) :

LC RR

DT x SI+

= (11)

dengan :

I : arus keluaran generator (A)

RC : tahanan dalam rata-rata termoelektrik (ohm)

RL : tahanan beban (ohm)

Total masukkan energi panas (QH) dapat dihitung dengan menggunakan

persamaan (Duffie, halaman 24):

27

QH = (S x TH x I) – (0,5 x I2 x RC) + (KC x DT) (12)

dengan :

QH : masukkan energi panas (watt)

KC : konduktansi termal termoelektrik (W/K)

TH : temperatur sisi panas termoelektrik (K)

Efisiensi generator (ηG) dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (Duffie,

halaman 26):

H

G QI x V

=η (13)

Persamaan di atas berlaku untuk sepasang semikonduktor dalam sebuah

modul termoelektrik tetapi karena sebuah modul termoelektrik terdiri dari

sejumlah pasangan semikonduktor maka persanaan-persamaan di atas harus

disesuaikan dengan keadaan sebenarnya sebagai berikut (Duffie, halaman 30):

VO = SM x DT = I x (RM + RL) (14)

dengan :

VO : tegangan keluaran generator (V)

SM : koefisien Seebeck rata-rata modul termoelektrik (V/K)

RM : tahanan rata-rata modul termoelektrik (ohm)

Daya keluaran modul termoelektrik (PO) dapat dihitung dengan menggunakan


2

LM

MLO RR

DT x S x RP ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡+

= (15)

28

2.2.2 Perhitungan Pada Beberapa Termoelektrik

Pada pemakaiannya generator termoelektrik terdiri dari beberapa modul yang

terhubung seri atau pararel, seperti dapat dilihat pada gambar 2.3.

Gambar 2.3 Modul termoelektrik yang terangkai seri dan paralel

Satu rangkaian seri terdiri atas NS modul dan satu rangkaian paralel terdiri atas NP

modul, total modul NT dapat dihitung dengan persamaan (Duffie, halaman 32):

NT = NS x NP (16)

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


L

M

M

RNP

R x NSDT x S x NS

I+

= (17)

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

(Duffie, halaman 36) :

⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+=

2L

M

MLO

RNP

R x NSDT x S x NS x RV (18)

29

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

(Duffie, halaman 37):

( )

M

2M

OO R x 4DT x S x NT

I x VP == (19)

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

persamaan (Buist, halaman 8):

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−= DT x KRx

NPI x 0,5

NPI x T x S

x NTQ MM2

HMH (20)

Efisiensi generator (ηG) dapat dihitung dengan persamaan (Buist, halaman 10):

% 010 x QP

H

OG =η (21)

2.3 Perhitungan Pada Radiasi Surya

Pengukuran radiasi matahari dengan menggunakan sel surya tidak bisa

langsung diukur tetapi berupa tegangan keluaran dari sel surya (VG). Oleh karena

itu tegangan keluaran diubah menjadi arus (IG). Arus sel surya dapat dihitung

dengan persamaan :

G

GG R

VI = (22)

Dengan :

RG : Hambatan yang digunakan pada sel surya, berupa 10 ohm

30

Radiasi yang datang yang dihitung dengan persamaan (23) dan mengukur

arus pada sel surya (buku panduan alat):

1000x4,0

IG G= (23)

2.4 Perhitungan Pada Kolektor

Efisiensi kolektor termal surya sangat menentukan unjuk kerja secara

keseluruhan pembangkit listrik dan bagian-bagian kolektor pelat datar yang

terlihat pada gambar 2.4. Efisiensi kolektor merupakan fungsi temperatur fluida

kerja masuk kolektor, temperatur lingkungan dan radiasi matahari. Efisiensi

kolektor dapat dinyatakan dengan persamaan (Arismunandar, halaman 68):

( ) ⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−τα=η

GTT

UFF aiLRR (24)

dengan :

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))

(τα) : faktor transmitan-absorpan kolektor

31

Gambar 2.4 Bagian-bagian kolektor datar

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

halaman 218):

( )

( )[ ]aiLCiOPFF

.

R TTU)(GATTC.mF

−−τα−

= (25)

dengan :

AC : luasan kolektor (m2)

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)

(τα) : faktor transmitan-absorpan kolektor

32

2.5 Perhitungan Efisiensi Alat Penelitian

Efisiensi secara keseluruhan (ηTOTAL) dapat dihitung dengan persamaan :

ηη=η x GTOTAL (26)

33

BAB III

METODE PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Skema Alat

Gambar 3.1. Skema alat penelitian

Peralatan-peralatan yang terdapat pada penelitian terlihat pada gambar 3.1

dan detil pembangkit listrik termoelektrik dapat ditunjukkan pada gambar 3.2 :

34

Gambar 3.2. Detil pemasangan pembangkit listrik termoelektrik

3.2 Peralatan Penelitian

Peralatan-peralatan yang digunakan saat penelitian sebagai berikut :

• Termoelektrik dengan seri TEC1-12706 sebanyak 20 buah

• Kolektor plat datar pipa paralel

• Tangki penyimpan panas

• Tangki pendingin termoelektrik dan tangki suplai air

• Penampil termokopel dan termokopel

• Multitester

• Hambatan 10 ohm dan 2 ohm

• Tangki ekspansi

• Pompa

• Sel surya

35

3.3 Langkah Penelitian

Jalannya penelitian yang dilakukan dengan 3 tahap yaitu pembuatan alat,

pelaksanaan penelitian, pengolahan dan analisa data. Langkah-langkah pada tiap

tahap sebagai berikut :

3.3.1 Pembuatan Alat

Sebelum pembuatan alat, penelitian diawali dengan konsultasi pembuatan

alat, survei termoelektrik dan survei harga termokopel. Setelah melakukan survei

maka peralatan dan perlengkapan dipersiapkan. Kolektor plat datar tidak dibuat

dalam penelitian tetapi meminjam dari laboratorium mekanika fluida. Pembuatan

alat penelitian dapat dilakukan dengan langkah-langkah sebagai berikut :

1. Perancangan dan pembuatan tangki penyimpan panas.

2. Pengisolasian tangki penyimpan panas.

3. Perancangan dan pembuatan rangka.

4. Perancangan dan pembuatan tangki pendingin air.

5. Pemasangan tangki penyimpan panas dan kolektor plat datar pada

rangka.

6. Pemasangan selang, pipa ekspansi dan termoelektrik.

7. Pemasangan tangki pendingin.

36

3.3.2 Pelaksanaan Penelitian

Sebelum ujicoba maka perlu pengisian fluida pada alat. Fluida yang

digunakan adalah minyak goreng. Penelitian dilakukan dengan langkah-langkah

sebagai berikut :

1. Penelitian diawali dengan penyiapan alat seperti pada gambar 3.1.

2. Pengambilan data dilakukan dengan mevariasikan susunan yaitu

susunan paralel pada 20 buah termoelektrik.

3. Variasi susunan dilakukan pengambilan data sebanyak 19 data tiap 10

menit.

4. 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. Pengukuran temperatur digunakan

termokopel dan pengukuran radiasi surya digunakan sel surya yang

telah dikalibrasi.

5. Sebelum melanjutkan pengambilan data untuk variasi berikutnya

kondisi alat harus didiamkan agar kembali ke kondisi awal sebelum

dilakukan penelitian

6. Penelitian dilanjutkan dengan variasi susunan termoelektrik seri-

paralel.

37

3.3.3 Pengolahan dan Analisa Data

Pengolahan dan analisa data diawali dengan melakukan perhitungan pada

parameter-parameter yang diperlukan dengan menggunakan persamaan (1)

sampai dengan persamaan (26). Analisa akan lebih mudah dilakukan dengan

membuat grafik hubungan arus (IO), tegangan (VO), daya (PO), efisiensi generator

(ηG) dan efisiensi total (ηtotal) dengan TH, TC dan ΔT.

3.4 Parameter yang Diukur

Data-data penelitian yang diperlukan dalam pengolahan dan analisa

dengan mengukur parameter-parameter sebagai berikut :

• 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

• VG : tegangan keluaran pada sel surya

38

BAB IV

HASIL PENGAMBILAN DATA

4.1 Data Penelitian Susunan Paralel

Penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan paralel dilaksanakan

dengan keterangan sebagai berikut :

Tanggal : 25 Oktober 2007

Tempat Percobaan : Depan Laboratorium Konversi Energi,

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Jam : 11:00

Lama percobaan : 3 jam

Jenis kolektor : pelat datar pipa paralel

Kemiringan kolektor : 60o

Luasan kolektor : 0,6 m2

Termoelektrik yang digunakan : TEC-12706

Jumlah termoelektrik pada rangkaian : Seri 1 buah dan paralel 20 buah

Tahanan beban (Resistor) : 2 ohm

Hasil pengambilan data variasi susunan termoelektrik secara paralel dapat dilihat

pada tabel 4.1

39

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan paralel

Jam TH(OC) TC

(OC) VO

(volt) IO

(amper)Ta

(OC) Ti

(OC) TO

(OC) VG

(volt) TAtas(OC)

11:00 40,5 35,0 0,0496 0.0247 31,0 42,0 72,1 3,00 68,5 11:10 41,6 34,7 0,0515 0.0257 31,2 44,4 83,2 1,80 68,4 11:20 39,9 34,6 0,0411 0.0205 28,7 40,6 66,9 3,12 64,6 11:30 39,4 34,4 0,0451 0.0225 33,7 46,3 82,3 3,94 65,3 11:40 42,2 33,8 0,0611 0.0305 29,7 48,6 88,2 4,07 76,6 11:50 44,3 34,2 0,0659 0.0330 28,3 45,4 83,0 2,50 78,6 12:00 43,2 34,5 0,0500 0.0250 28,7 48,1 83,5 3,93 72,4 12:10 45,3 36,2 0,0593 0.0297 29,1 48,4 85,6 3,57 76,7 12:20 46,0 30,1 0,0651 0.0326 27,0 49,1 89,6 3,54 81,5 12:30 47,9 35,3 0,0681 0.0341 27,2 50,1 89,3 3,47 80,8 12:40 46,0 34,3 0,0634 0.0316 26,1 46,6 85,4 3,48 81,0 12:50 47,4 40,4 0,0558 0.0279 28,0 44,0 71,6 0,80 76,3 13:00 44,3 39,0 0,0383 0.0192 29,3 40,0 60,9 0,67 61,9 13:10 41,5 38,8 0,0274 0.0137 29,6 39,3 55,5 1,27 53,9 13:20 40,3 35,2 0,0243 0.0122 29,7 38,0 56,5 0,81 52,4 13:30 41,4 38,3 0,0222 0.0110 29,5 39,3 55,2 0,70 52,8 13:40 39,3 36,5 0,0140 0.0070 30,4 36,5 49,8 0,54 48,5 13:50 39,5 38,9 0,0113 0.0056 30,5 37,8 50,5 0,64 47,0 14:00 38,8 36,5 0,0085 0.0042 29,6 36,6 48,8 0,61 45,1

* TAtas : Temperatur fluida minyak goreng pada selang aliran minyak goreng panas di dekat tangki penyimpan panas

4.2 Data Penelitian Susunan Seri-Paralel

Penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan seri-paralel dilaksanakan

dengan keterangan sebagai berikut :

Tanggal : 7 Agustus 2007

Tempat Percobaan : Depan Laboratorium Konversi Energi,

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta

Jam : 11:00

Lama percobaan : 3 jam

40

Jenis kolektor : pelat datar pipa paralel

Kemiringan kolektor : 60o

Luasan kolektor : 0,6 m2

Termoelektrik yang digunakan : TEC-12706

Jumlah termoelektrik pada rangkaian : Seri 10 buah dan paralel 2 buah

Tahanan beban (Resistor) : 2 ohm

Hasil pengambilan data variasi rangkaian termoelektrik secara seri-paralel dapat

dilihat pada tabel 4.2

Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel

Jam TH(OC) TC

(OC) VO

(volt) IO

(amper)Ta

(OC) Ti

(OC) TO

(OC) VG

(volt) TAtas(OC)

11:00 44,5 34,8 0,0208 0.0103 28,6 45,3 89,5 3,52 81,4 11:10 46,0 30,6 0,0206 0.0103 32,5 49,8 90,1 3,46 80,2 11:20 45,0 35,9 0,0209 0.0102 30,1 50,7 90,0 3,42 80,4 11:30 41,6 32,0 0,0206 0.0103 29,1 51,4 86,9 3,44 80,8 11:40 46,5 36,1 0,0210 0.0105 31,5 50,6 89,3 3,46 82,4 11:50 44,2 31,3 0,0224 0.0112 29,0 51,8 88,3 3,38 81,9 12:00 48,8 36,6 0,0219 0.0110 29,1 52,2 89,6 3,39 82,4 12:10 49,4 31,7 0,0205 0.0103 27,2 53 90,1 3,16 81,8 12:20 48,5 40,3 0,0179 0.0091 30,0 50,3 85,8 3,27 81,0 12:30 50,4 38,6 0,0191 0.0096 29,5 52,3 88,5 3,30 81,9 12:40 49,7 39,1 0,0188 0.0094 31,0 51,9 85,5 3,07 81,7 12:50 48,8 38,0 0,0180 0.0090 29,0 51,2 85,7 2,63 81,4 13:00 47,5 41,3 0,0161 0.0081 31,9 44,5 68,5 1,60 74,5 13:10 46,5 37,9 0,0119 0.0060 33,4 48,2 73,3 2,92 63,8 13:20 43,3 35,5 0,0101 0.0051 28,7 48,1 73,3 2,75 65,1 13:30 46,5 37,0 0,0091 0.0045 32,2 49,2 70,8 2,55 69,7 13:40 45,7 36,5 0,0093 0.0047 29,3 48,9 75,1 2,63 69,8 13:50 47,9 36,3 0,0125 0.0063 31,2 49,6 77,3 2,40 74,2 14:00 47,8 39,8 0,0208 0.0061 30,4 44,2 66,3 0,53 72,2

* TAtas : Temperatur fluida minyak goreng pada selang aliran minyak goreng panas di dekat tangki penyimpan panas

41

BAB V

ANALISA PENELITIAN

5.1 Perhitungan

Berdasarkan data pertama pada variasi pemasangan termoelektrik secara

paralel, maka didapatkan :

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

∆T = TH – TC

= 313,5-308

= 5,5 K

2. Koefisien Seebeck (Sm)

Koefisien Seebeck dapat dihitung dengan persamaan (1) dan (2):

SMTH 4Ts

3Ts

2TsTs

44

33

22

1 +++=

= +++3

313,57,42731.102

.313,55,37574.10-.313,51,3345.10 3-72-5

2-

4

.313,51,27141.10- 4-9

= 6,1 V/K

42

4Ts

3Ts

2TsTsS

44

33

22

1MTC +++=

= +++3

0837,42731.102

08.35,37574.10-.3081,3345.10 3-72-5

2-

4

08.31,27141.10- 4-9

= 5,934 V/K

SM = (SMTh - SMTc) / DT

= (6,1-5,934)/5,5

= 0,03 V/K

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 (7) :

MS newS

newS 71N x S newM=

71

127 x 0,03=

= 0,054 V/K

43

4. Tahanan listrik (Rm)

Tahanan listrik dapat dihitung dengan persamaan (3) dan (4) :

R MTH 4Tr

3Tr

2TrTr

44

33

22

1 +++=

= +++3

.313,58,53832.102

.313,51,98763.10-3,52,08317.313-52-2

4

.313,59,03143.10- 4-8

= 335,162 ohm

R MTC 4Tr

3Tr

2TrTr

44

33

22

1 +++=

= +++3

08.38,53832.102

08.31,98763.10-82,08317.303-52-2

4

08.39,03143.10- 4-8

= 327,234 ohm

RM = (RMTh -RMTc) / DT

= (335,162 – 327,234) / 5,5

=1,442 ohm

44

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



persamaan (8) :

MR newR

=newR 71N

x I

6 x R newnew

M

= 71

127 x 66 x 1,442

= 2,579 ohm

6. Konduktansi termal (Km)

Konduktansi termal dapat dihitung dengan persamaan (5) dan (6):

KMTH = 4Tk

3Tk

2TkTk

44

33

22

1 +++

= +++3

.313,58,64864.10-2

.313,53,89821.10-.313,54,76218.103-62-6

1-

4

.313,52,20869.10 4-8

= 113,614 W/K

45

MTCK = 4Tk

3Tk

2TkTk

44

33

22

1 +++

= +++3

3088,64864.10-2

.3083,89821.10-.3084,76218.103-62-6

1-

4

3082,20869.10 4-8

= 111,949 W/K

KM = (KMTH - KMTC) / DT

=(113,614 -111,949)/5,5

=0,303 W/K

7. Konduktansi termal (Km)



persamaan (9) :

MK newK

newK = 71N

x 6

I x K newnewM

= 71

127 x 660,303x

= 0.541 W/K

46

8. Total modul

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

NT dapat dihitung dengan persamaan (16) :

NT = NS x NP

= 1 x 20

= 20

9. Arus keluaran generator (I)

Arus yang melewati tahanan beban RL dapat dihitung dengan persamaan (17) :

A 14,0

2202,579 x 1

5,5 x 0,054 x 1

RNP

R x NSDT x S x NS

IL

M

M

=

+=

+=

10. Tegangan keluaran generator (VO)

Tegangan keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (18) :

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

+=

2L

M

MLO

RNP

R x NSDT x S x NS x RV

47

V 144,0

2202,579 x 1

5,5 x 0,054 x 1 x 2 2

=⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+=

11. Daya keluaran generator (PO)

Daya keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (19) :

( )

( )

Watt02,0 2,579 x 4

5,5 x 0,054 x 20

R x 4DT x S x NTP

2M

2M

O

=

=

=

12. Total energi panas masuk ke generator (QH)

Total energi panas masuk ke generator dapat dihitung dengan persamaan (20)

:

Watt855,59

5,5 x 541,02,579x 20

0,14 x 0,520

0,14 x 313,5 x 0,054 x 02

DT x KRx NPI x 0,5

NPI x T x S

x NTQ

2

MM

2HM

H

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=

13. Efisiensi generator ( ) Gη

Efisiensi generator dapat dihitung dengan persamaan (21) :

48

% 032,0

% 010 x 59,8550,02

% 010 x QP

H

OG

=

=

=η

14. Radiasi matahari (G)

Radiasi matahari yang datang dapat dihitung menggunakan persamaan (22)

dan (23) :

2

G

W/m750

1000x4,03,0

1000x4,0

IG

=

=

=

A 0,3 103

RV

IL

G

=

=

=

15. Faktor pelepasan panas kolektor (FR)

Pencarian nilai panas jenis fluida minyak goreng dapat dilihat dalam lampiran

2. Nilai Faktor transmitan-absorpan kolektor dapat dilihat pada lampiran 3. Faktor

pelepasan panas kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (25) dengan :

• Massa fluida kerja dalam pipa di kolektor : 0,12 kg

• Panas jenis fluida : 2927,72 J/kg.K

• Luasan kolektor : 0,6 m2

• faktor transmitan-absorpan kolektor : 0,84

49

( )( )[ ]( )( )[ ]

054,0 304315884,0.750.6,03151,345.72,2927.0002,0

TTU)(GATTC.mF

aiLC

iOPFF

.

R

=−−−

=

−−τα−

=

16. Efisiensi kolektor ( ) η

Efisiensi kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (24) :

( )

% 917,3

%100750

304315.8.054,084,0.054,0

%100G

TTUFF aiLRR

=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−τα=η

17. Efisiensi total (ηTOTAL)

Efisiensi secara keseluruhan dapat dihitung dengan persamaan (26) :

% 0013,0 % 3,917 x % 0336,0

x GTOTAL

==

ηη=η

Untuk data-data berikutnya pada variasi pemasangan termoelektrik dapat dilihat

pada tabel 5.1, tabel 5.2, tabel 5.3 dan tabel 5.4

50

5.2 Grafik Karakteristik Modul Termoelektrik

Dari hasil perhitungan di atas maka karakteristik modul termoelektrik

dapat dilihat dengan membuat grafik hubungan arus (IO), tegangan (VO), daya

(PO), efisiensi generator (ηG) dan efisiensi total (ηtotal) dengan TH, TC dan ΔT.

Grafik-grafik tersebut dapat dilihat pada variasi rangkaian sebagai berikut :

1. Variasi rangkaian paralel

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

35 40 45 50TH, oC

I O, A

Gambar 5.1 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi panas

(TH) pada susunan paralel

55

0,00

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0,06

0,07

0,08

35 40 45 50TH, oC

VO, V

Gambar 5.2 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur sisi

panas (TH) pada susunan paralel

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

35 40 45 50TH, oC

P O,W

att

Gambar 5.3 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi panas


56

0,000,010,020,030,040,050,060,070,080,090,10

35 40 45 50TH, oC

η G, %

Gambar 5.4 Grafik hubungan efisiensi generator ( Gη ) dengan temperatur sisi

panas (TH) pada susunan paralel

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

35 40 45 50TH, oC

η to

tal,

%

Gambar 5.5 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi panas


57

0,000,050,100,150,200,250,300,350,400,45

25 30 35 40 45

TC,oC

I O, A

Gambar 5.6 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi dingin

(TC) pada susunan paralel

0,000,050,100,150,200,250,300,350,400,450,50

25 30 35 40 45TC, oC

VO

, V


dingin (TC) pada susunan paralel

58

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

25 30 35 40 45TC, oC

PO, W

att

Gambar 5.8 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi dingin


0,000,010,020,030,040,050,060,070,080,090,10

25 30 35 40 45

TC, oC

η G, %

Gambar 5.9 Grafik hubungan efisiensi generator ( Gη ) dengan temperatur sisi

dingin (TC) pada susunan paralel

59

0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

25 30 35 40 45TC, oC

η to

tal,

%

Gambar 5.10 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi dingin


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0 5 10 15 20ΔT, oC

I O, A

Gambar 5.11 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur

( T) pada susunan paralel Δ

60

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,45

0 5 10 15 20

ΔT, oC

V O, V

Gambar 5.12 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih temperatur

(ΔT) pada susunan paralel

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0 5 10 15 20ΔT, oC

PO,W

att

Gambar 5.13 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih temperatur


61

0,000,010,020,030,040,050,060,070,080,090,10

0 5 10 15 20

ΔT, oC

η G, %

Gambar 5.14 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan selisih temperatur


0,000

0,001

0,002

0,003

0,004

0,005

0,006

0,007

0 5 10 15 20ΔT, oC

η to

tal,

%

Gambar 5.15 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih temperatur

(ΔT) pada susunan paralel 2. Variasi rangkaian seri-paralel

62

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

40 45 50 55TH, oC

I O, A

Gambar 5.16 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur sisi panas

(TH) pada susunan seri-paralel

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

40 45 50 55TH, oC

VO,V


panas (TH) pada susunan seri-paralel

63

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

40 45 50 55TH, oC

P O, W

att

Gambar 5.18 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi panas


0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

40 45 50 55TH, oC

η G, %

Gambar 5.19 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan temperatur sisi

panas (TH) pada susunan seri-paralel

64

0

0,002

0,004

0,006

0,008

0,01

0,012

40 45 50 55TH, oC

η to

tal,

%

Gambar 5.20 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi panas


0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

30 35 40 45

TC, oC

I O, A

Gambar 5.21 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur sisi

dingin (Tc) pada susunan seri-paralel

65

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

30 35 40 45TC, oC

V O, V



0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

30 35 40 45TC, oC

P O, W

att

Gambar 5.23 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur sisi dingin

(Tc) pada susunan seri-paralel

66

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

30 35 40 45TC, oC

η G, %

Gambar 5.24 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan temperatur sisi


0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

30 35 40 45TC, oC

η to

tal,

%

Gambar 5.25 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur sisi dingin

(Tc) pada susunan seri-paralel

67

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

5 10 15ΔT, oC

I O, A

20

Gambar 5.26 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur ( )

pada susunan seri-paralel TΔ

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

5 10 15ΔT, oC

VO, V

20

Gambar 5.27 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih temperatur

(ΔT) pada susunan seri-paralel

68

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

5 10 15ΔT, oC

PO,W

att

20

Gambar 5.28 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih temperatur

( ) pada susunan seri-paralel TΔ

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

5 10 15

ΔT, oC

η G, %

20

Gambar 5.29 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan selisih temperatur


69

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

5 10 15

ΔT, oC

η to

tal,,

20

%

Gambar 5.30 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih temperatur


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0 5 10 15 20

ΔT, oC

I O, A

Paralel Seri-paralel

Gambar 5.31 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih temperatur ( ) TΔ

70

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0 5 10 15 20

ΔT, oC

V O, V


Gambar 5.32 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih temperatur ( TΔ )

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0 5 10 15 20ΔT, oC

P O,W

att


Gambar 5.33 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih temperatur ( TΔ )

71

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0 5 10 15 20

ΔT, oC

η G, %


Gambar 5.34 Grafik hubungan efisiensi generator (ηG) dengan selisih temperatur ( TΔ )

4,0

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

0,00 0,01 0,02 0,03

K.m2/W

η , %

G

TaTi −

Gambar 5.35 Grafik hubungan efisiensi kolektor ( η) dengan ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

GTaTi

72

0,000

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0 5 10 15 20ΔT, oC

η tot

al, %


Gambar 5.36 Grafik hubungan efisiensi total (ηTOTAL) dengan selisih temperatur ( TΔ )

73

5.3 Pembahasan

Unjuk kerja termoelektrik susunan paralel sebagai pembangkit listrik

tenaga surya pendingin air dinyatakan dengan arus, tegangan, daya dan efisiensi

yang dapat dihasilkan. Dalam penelitian ini unjuk kerja termoelektrik susunan

paralel ditinjau pula unjuk kerja susunan seri-paralel. Arus maksimal yang dapat

dihasilkan susunan paralel sebesar 0,404 A sementara susunan seri-paralel dapat

menghasilkan arus 0,558 A. Arus keluaran generator semakin besar dengan

bertambahnya temperatur sisi panas (gambar 5.1 dan 5.6) atau berkurangnya

temperatur sisi dingin (gambar 5.16 dan 5.21). Secara keseluruhan arus listrik

yang dapat dihasilkan oleh kedua susunan tersebut dapat dilihat pada gambar

5.11, 5.26 dan 5.31. Gambar 5.31 menunjukkan arus pada susunan seri-paralel

lebih tinggi dibandingkan susunan paralel disebabkan pada rangkaian

termoelektrik. Arus keluaran generator mengikuti persamaan 17.

Dari persamaan tersebut dapat disimulasikan pengaruh jumlah susunan

seri dan paralel pada jumlah termoelektrik tertentu terhadap arus yang dihasilkan.

Data yang dipergunakan untuk menghitung arus keluaran generator adalah selisih

temperatur 9,1 oC, koefisien seebeck 0,054 V/K, hambatan listrik 2,616 ohm dan

hambatan beban 2 ohm. Hasil simulasi dapat dilihat pada gambar 5.47 dan gambar

5.48. Gambar 5.48 menunjukkan bahwa arus keluaran generator maksimum dapat

dicapai apabila perbandingan jumlah termoelektrik antar variasi sama dengan

satu.

74

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 4 8 12 16 20

Np

I O, A

Gambar 5.47 Grafik hubungan IO dengan NP

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 4 8 12 16 20

Np/Ns

I O, A

Gambar 5.48 Grafik hubungan IO dengan NP/NS

Dilihat dari segi tegangan yang dihasilkan maka tegangan keluaran

generator meningkat dengan berkurangnya temperatur sisi dingin (gambar 5.7 dan

5.22). Selain itu bertambahnya temperatur sisi panas (gambar 5.2 dan 5.17) dan

75

selisih temperatur kedua sisi termoelektrik (gambar 5.7, 5.22 dan 5.32). Gambar

5.32 menunjukkan tegangan yang dihasilkan pada susunan paralel lebih rendah

dibandingkan dengan susunan seri-paralel. Tegangan maksimum yang dicapai

susunan paralel sebesar 0,416 volt dan susunan seri-paralel 1,124 volt. Tegangan

pada susunan paralel lebih rendah dari seri-paralel disebabkan hubungan tegangan

dan sifat susunan pada termoelektrik mengikuti persamaan 18. Penyebab lain juga

berpengaruh terhadap hal ini adalah sistem pendinginan. Berdasarkan hubungan

tegangan, nilai tegangan total pada beberapa termoelektrik susunan paralel

diambil dari mendekati tegangan terkecil dan tegangan total pada termoelektrik

susunan seri-paralel ditambahkan. Sebagai contoh misal ada 4 buah termoelektrik

(masing-masing termoelektrik 1,5 volt, 3 volt, 6 volt dan 12 volt) maka tegangan

total pada termoelektrik susunan paralel sekitar 1,7 volt. Pada tiap termoelektrik

menghasilkan tegangan berbeda-beda yang disebabkan oleh permukaan plat

pemanas tidak merata dan panas minyak goreng tidak merata. Panas minyak

goreng sebagian besar berada di sisi masuk fluida tangki penyimpan panas.

Daya merupakan kemampuan kerja alat untuk menghasilkan listrik.

Kemampuan alat dapat dilihat pada gambar 5.3, 5.8, 5.13, 5.18, 5.23, 5.28 dan

5.33. Gambar 5.8 dan 5.23 menunjukkan daya berbanding terbalik dengan

temperatur sisi dingin. Gambar 5.3 dan 5.18 menunjukkan daya berbanding lurus

dengan temperatur sisi panas. Demikian juga dengan gambar 5.13, 28 dan 5.33.

Daya pada susunan paralel lebih rendah daripada seri-paralel (gambar 5.33). Daya

pada susunan paralel lebih rendah daripada seri-paralel merupakan akibat dari

76

tegangan dan arus yang dikeluarkan pada susunan paralel lebih rendah dibanding

seri-paralel. Secara matematis daya adalah perkalian antara tegangan dan arus.

Efisiensi total pada alat meningkat apabila temperatur sisi panas semakin

bertambah (gambar 5.5 dan 5.20) atau selisih temperatur kedua sisi termoelektrik

semakin besar (gambar 5.15 dan 5.30). Jika temperatur sisi dingin semakin besar

maka efisiensi total menurun (gambar 5.10 dan 5.25). Perbandingan Efisiensi total

pada kedua susunan termoelektrik dapat dilihat pada gambar 5.36. Efisiensi pada

termoelektrik susunan paralel lebih rendah dibanding dengan susunan seri-paralel.

Efisiensi maksimal yang dihasilkan pada susunan paralel 0,0057 % dan susunan

seri-paralel 0,0109 %. Faktor-faktor yang menentukan efisiensi total termoelektrik

sebagai pembangkit listrik adalah efisiensi generator dan efisiensi kolektor. Pada

efisiensi keseluruhan alat, susunan paralel lebih rendah daripada susunan seri-

paralel dikarenakan efisiensi generator pada susunan paralel jauh lebih rendah

daripada susunan seri-paralel sedangkan efisiensi kolektor pada saat pengambilan

data kedua susunan termoelektrik tidak jauh berbeda. Penyebab efisiensi generator

pada susunan paralel jauh lebih rendah dibanding susunan seri-paralel adalah hasil

keluaran daya pada tiap jenis susunan. Karakteristik efisiensi generator pada

susunan termoelektrik terlihat pada gambar 5.4, 5.9, 5.14, 5.19, 5.24, 5.29 dan

5.34. Gambar 5.4 dan 5.19 menunjukkan temperatur sisi panas termoelektrik

semakin besar maka efisiensi generator semakin besar pula. Demikian juga untuk

selisih temperatur sisi termoelektrik (gambar 5.14 dan 5.29). Lain halnya dengan

77

temperatur sisi dingin semakin besar maka efisiensi generator semakin kecil

(gambar 5.9 dan 5.24).

Selain efisiensi generator, karakteristik efisiensi kolektor dapat

digambarkan pada gambar 5.35. Gambar 5.35 menunjukkan efisiensi kolektor

menurun jika nilai ⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −

GTaTi semakin besar. Hal ini disebabkan temperatur sisi

masuk kolektor semakin besar maka panas diserap minyak goreng semakin

berkurang. Temperatur lingkungan menurun menyebabkan pelepasan panas pada

kolektor apabila isolasi kolektor tidak sempurna. Penyebab lainnya adalah

intensitas cahaya matahari akan sangat mempengaruhi peningkatan suhu minyak

goreng di pipa-pipa kolektor. Efisiensi kolektor tertinggi pada saat pengambilan

data percobaan adalah susunan paralel 13,468 % dan seri-paralel 5,855 %.

Pada tabel 5.4 dan tabel 5.5 tidak menggunakan hasil perhitungan data

terakhir pada semua grafik dikarenakan pada perhitungan mendapatkan nilai

faktor pelepas panas 23,964. Faktor pelepas panas merupakan perbandingan

antara kemampuan fluida menyerap panas dengan energi bersih terdapat pada

kolektor (energi diberikan matahari dikurangi dengan rugi-rugi kalor akibat

perpindahan panas). Nilai tertinggi faktor pelepas panas adalah satu.

Nilai efisiensi total pada alat penelitian ini rendah, kurang dari 0,1 %

dapat disebabkan oleh tiga faktor. Tiga faktor tersebut adalah masih ada udara

terjebak pada tangki penyimpan panas, plat pemanas tidak rata, isolasi tangki

penyimpan panas tidak sempurna dan volumenya terlalu besar. Faktor pertama

78

terjadi pada saat pengisian fluida. Minyak goreng diisi lewat katup pengatur dan

udara mula-mula berada di alat dikeluarkan melalui selang minyak goreng dingin

sehingga selesai pengisian selang minyak goreng dingin masih terdapat udara

pada ujung selang dipasang ke katup pengatur tersebut. Akibatnya udara terjebak

pada kotak pemanas.

Faktor kedua, pelat pemanas yang digunakan adalah pelat aluminium

berukuran 600 mm x 150 mm x 7 mm. pelat aluminium terbuat dari hasil

pengecoran sehingga terdapat rongga-rongga baik di dalam dan luar pelat

tersebut. Faktor ketiga ditunjukkan suhu fluida keluar dari kolektor sekitar 80 oC

merambat ke ujung selang minyak goreng panas bersuhu sekitar 70 oC dan berada

di kotak pemanas 45oC. Hal ini membuktikan bahwa isolasi tangki penyimpan

panas tidak sempurna dan volume minyak goreng di tangki tersebut terlalu

banyak. Volume minyak goreng terlalu banyak menyebabkan kalor yang

seharusnya ditransfer ke termolektrik tetapi juga memanaskan minyak goreng di

dalam tangki penyimpan panas. Dari faktor-faktor tersebut menyebabkan efisiensi

karakteristik termoelektrik penghasil listrik rendah.

Penyebab lainnya adalah sistem pendinginan yang tidak optimal. Letak

tangki penyimpan air terlalu tinggi sehingga air panas sulit merambat ke tangki

tetapi tertahan di selang. Perambatan pada air panas adalah perambatan yang

disebabkan oleh perbedaan massa jenis. Air panas memiliki massa jenis lebih

rendah dibandingkan air disekitarnya sehingga terjadi perambatan. Selama

perambatan air panas melepaskan kalor ke sekeliling sehingga temperatur

79

menurun dan massa jenisnya naik. Sampai ketinggian tertentu air panas tidak

dapat merambat

80

BAB VI

PENUTUP

6.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan paralel

untuk menghasilkan energi listrik dengan pendingin air maka dapat disimpulkan

sebagai berikut :

1. Termoelektrik bisa digunakan untuk pembangkit energi listrik.

2. Semakin tinggi beda temperatur antara sisi panas dan sisi dingin

termoelektrik maka akan diperoleh keluaran yang tinggi.

3. Berdasarkan hasil simulasi, arus dan tegangan keluaran generator

maksimal diperoleh jika perbandingan jumlah termoelektrik pada

rangkaian seri dan paralel sama dengan satu.

4. Arus, tegangan, daya dan efisiensi keseluruhan maksimal yang dapat

dicapai oleh alat penelitian termoelektrik penghasil listrik dengan

menggunakan susunan seri-paralel.

5. Unjuk kerja dari termoelektrik sebagai pembangkit listrik adalah arus,

tegangan, daya, efisiensi keseluruhan maksimal yang dicapai 0,5577

amper, 1,1242 volt, 0,7158 watt, 0,0109 % dengan menggunakan

termoelektrik susunan seri-paralel.

81

6. Penelitian berhasil membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya

dengan menggunakan termoelektrik.

6.2 Saran

Sebagai alat yang baru dikembangkan, alat ini meruapakan salah satu

wujud masyarakat-masyarakat di daerah terpencil yang tidak terjangkau pasokan

listrik. Untuk pengembangan alat ini dikemudian hari ada beberapa hal yang perlu

diperhatikan :

1. Plat aluminium harus rata supaya panas dari tangki penyimpan dapat

merambat dengan baik ke termoelektrik.

2. Letak tangki suplai air perlu dicermati dengan melihat sifat-sifat

perambatan air panas.

3. Pada pengisian fluida, paling baik dilakukan tanpa melepaskan salah satu

komponen alat penelitian sehingga tidak adanya udara terjebak di dalam

alat. Bagian bawah fluida masuk kolektor diberi katup pengatur bentuk T

supaya salah satu sisinya dapat digunakan sebagai saluran masuk fluida.

4. Tangki penyimpan panas hendaknya diisolasi dengan baik.

5. Celah antara plat aluminium dengan tangki penyimpan harus ditutup rapat

dan hindari kebocoran apabila menggunakan baut sebagai pengikat. Plat

penyangga tangki pendingin harus diisolasi supaya panas dari tangki

penyimpan panas tidak merambat.

82

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.

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.

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

Thermoelectric/peltier cooling,www.thermo.com, 8 Agustus 2007

Peltier Device Information Directory, www.PELTIER-INFO.com, 8Agustus 2007

83

http://www.thermo.com/http://www.peltier-info.com/

LAMPIRAN

Lampiran 1: Gambar –gambar alat

(a) Kolektor pelat rata tipe paralel

(b) Kolektor, termoelektrik dan solar cell dari pandangan depan

84

(c) Konstruksi pendinginan air

(d) Penempatan termoelektrik pada tangki penyimpan panas

85

Lampiran 2: Perhitungan kalor jenis minyak goreng

Perhitungan kalor jenis minyak goreng dimulai dengan menyiapkan

peralatan-peralatan yang digunakan adalah panci, pemanas (heater), timbangan,

stopwatch, termokopel dan display termokopel. Pengambilan data dilakukan

pemanasan selama 5 menit. Data-data hasil pengamatan setelah melakukan

percobaan sebagai berikut :

Massa Panci = 230 gram

Massa total = 1200 gram

Tabel Data suhu fluida dengan pemanasan selama 5 menit

Fluida Massa Waktu pemanasan Suhu awal Suhu akhir Air 970 gram 5 menit 28,2 º C 53,5 º C Minyak goreng 970 gram 5 menit 29,0 º C 64,6 º C

• Perhitungan kalor pemanasan air

Kalor pemanasan air dapat dihitung dengan Kalor jenis air pada tekanan

atmosfir dan temperatur 27 oC adalah 4183 J/kg oC.

Qair = M Cp air/ t TΔ Δ

= 0,97 . 4183 . (53,5-28,2)/(5.60)

= 342,18 Watt

• Perhitungan kalor jenis minyak goreng (Cp minyak)

Kalor memanasi air dijadikan acuan untuk menghitung Cp minyak

Cpminyak = minyak..

TMtQair

ΔΔ

= )296,64.(97,0

60.5.18,342−

= 2927,72 J/kgoC

86

Lampiran 3 : Faktor transmitan-absorpan kolektor

Transmisivitas kolektor terletak di kaca. Asumsi kaca yang digunakan

adalah kaca kadar besi rendah dengan ketebalan 6mm. Radiasi matahari sebagian

besar adalah radiasi visible. Radiasi visible rata-rata adalah 0,6 μm. Nilai

transimivitas kaca berdasarkan Figure 12.24 adalah 0,9.

87

Absorptivitas kolektor terletak di pelat penyerap. Pelat penyerap berbahan

besi cor. Asumsi bahan besi pada pelat penyerap adalah besi cor maka nilai

absorptivitas pada kolektor berdasarkan daftar 8-3 adalah 0,9.

Faktor transmitan-absorpan kolektor merupakan perkalian nilai

transmisivitas kaca dengan nilai absorptivisitas pelat penyerap. Nilai faktor

transmitan-absorpan kolektor adalah :

τα = 0,9 x 0,94

= 0,84

88

2.2 Perhitungan Pada Termoelektrik 7 DAFTAR GAMBAR 1.1 Latar Belakang 1.2 Perumusan Masalah 1.3 Tujuan Penelitian 1. Menjajagi kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik dengan energi surya. 2. Mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan kondisi operasi) termoelektrik sebagai pembangkit listrik energi surya. 3. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan menggunakan termoelektrik. 1.4 Manfaat Penelitian 1.5 Batasan Penelitian BAB II

DASAR TEORI METODE PELAKSANAAN PENELITIAN 3.2 Peralatan Penelitian

BAB IV HASIL PENGAMBILAN DATA

LAMPIRAN

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL BERPENDINGIN...

Documents

Transcript of KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK PARALEL BERPENDINGIN...