karakteristik termoelektrik untuk pembangkit listrik

KARAKTERISTIK TERMOELEKTRIK UNTUK PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

DENGAN PENDINGIN AIR

TUGAS AKHIR Untuk memenuhi sebagian persyaratan

Mencapai derajat sarjana S-1

Program Studi Teknik Mesin Jurusan Tenik Mesin

Disusun oleh :

HENDRO SIMATUPANG NIM : 045214026

Kepada

PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

2009

i

THE CHARACTERISTIC OF WATER COOLED THERMOELECTRIC FOR SOLAR POWER GENERATOR

A FINAL PROJECT Submitted For The Partial Fulfillment Of The Requirements

To abstain The Sarjana Teknik Degree In Mechanical Engineering Program Study

By : HENDRO SIMATUPANG

NIM : 045214026

FOR

MECHANICAL ENGINEERING STUDY PROGRAM SCIENE AND TECHNOLOGY FACULTY

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

2009

vi

KATA PENGANTAR

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

bimbinganNya selalu sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan

judul Karakteristik Termoelektrik Untuk Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Dengan Pendingin Air. Dalam penulisan Tugas Akhir ini penulis banyak

mendapat bantuan, sehingga Tugas Akhir ini dapat selesai pada waktunya. Oleh

karena itu pada kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terima kasih

yang sebesar-besarnya kepada:

1. Romo Dr.Ir.Paulus Wiryono Priyotamtama, S.J selaku Rektor Universitas

Sanata Dharma Yogyakarta.

2. Yosef Agung Cahyanta, S.T., M.T.selaku Dekan Fakultas Sains dan

Teknologi Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

3. Budi Sugiharto S.T., M.T. selaku ketua Program Studi Teknik Mesin.

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

5. Ir. Fx. Agus Unggul Santoso selaku dosen pembimbing akademik.

6. Mas Ag. Ronny Windaryawan selaku Laboran laboratorium mekanika

fluida

7. Seluruh Mahasiswa Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi

Universitas Sanata Dharma Yogyakarta.

vii

Tugas Akhir ini baru permulaan dan masih perlu banyak pembenahan.

Oleh karena itu kritik dan saran yang membangun dari semua pihak diterima

penulis dengan senang hati. Harapan penulis semoga Tugas Akhir ini bermanfaat

bagi para pembaca.

Yogyakarta, Oktober 2009

Penulis

viii

INTISARI

Tugas Akhir ini dibuat 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.

Tujuan yang ingin dicapai dalam tugas akhir ini untuk menjajaki

kemungkinan penggunaan termoelektrik sebagai pembangkit energi listrik dengan

energi surya, membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan

menggunakan termoelektrik dan mengamati karakteristik (unjuk kerja dan batasan

kondisi operasi) termoelektrik sebagai pembangkit listrik tenaga surya.

Karakteristik termoelektrik susunan seri 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 seri 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 susunan seri menghasilkan efisiensi total

0,0159% dan daya 0,240 W

ix

DAFTAR ISI

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

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

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

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

LEMBAR PERNYATAAN PUBLIKASI .................................................... v

KATA PENGANTAR .................................................................................. vi

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

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

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

DAFTAR TABEL ......................................................................................... xiii

BAB I PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1

1.2 Perumusan Masalah ....................................................................... 2

1.3 Tujuan Penelitian ......................................................................... 3

1.4 Manfaat Penelitian ........................................................................ 3

1.5 Batasan Masalah ............................................................................ 4

BAB II DASAR TEORI

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

ix

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

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

x

2.2.2 Perhitungan Pada Rangkaian 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 Seri ....................................................... 22

4.2 Data Penelitian Susunan Seri-Paralel ............................................ 24

BAB V ANALISA PENELITIAN

5.1 Perhitungan ................................................................................... 26

5.2 Grafik Karakteristik Modul Termoelektrik .................................... 39

5.3 Pembahasan ................................................................................... 47

BAB VI PENUTUP

6.1 Kesimpulan ................................................................................... 50

6.2 Saran .............................................................................................. 51

xi

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 52

LAMPIRAN ................................................................................................. 53

xii

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 ................ 19

Gambar 5.1 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur

sisi panas (TH) pada susunan seri dan seri-paralel ................... 39

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


Gambar 5.6 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan temperatur

sisi dingin (TC) pada susunan seri dan seri-paralel .................. 42

xiii

Gambar 5.7 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur


Gambar 5.8 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan temperatur


Gambar 5.9 Grafik hubungan efisiensi generator ( Gη ) dengan temperatur


Gambar 5.10 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan temperatur


Gambar 5.11 Grafik hubungan arus generator (Io) dengan selisih

temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel ............... 44

Gambar 5.12 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan selisih

temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel ............... 45

Gambar 5.13 Grafik hubungan daya generator (Po) dengan selisih

temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel ................ 45

Gambar 5.14 Grafik hubungan efisiensi generator ( ηG) dengan selisih

temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel .............. 46

Gambar 5.15 Grafik hubungan efisiensi total (ηtotal) dengan selisih

temperatur ( ∆ T) pada susunan seri dan seri-paralel .............. 46

xiiii

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri ................... 24

Tabel 4.2 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri-paralel ........ 26

Tabel 5.1 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi

termal variasi rangkaian seri termoelektrik .......................................... 36

Tabel 5.2 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi

pemasangan termoelektrik secara seri ................................................. 37

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 ...................................... 39

1

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

2

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

3

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. Membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya dengan

menggunakan termoelektrik.

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

termoelektrik sebagai pembangkit listrik energi surya.

1.4 Manfaat Penelitian

Manfaat yang dapat diperoleh dari penelitian ini :

1. Dapat mengetahui karakteristik pembangkit listrik menggunakan

termoelektrik dengan memanfaatkan energi surya.

4

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. kateristik termoelektrik yang diamati adalah effisiensi keseluruhan pada

model pembangkit listrik tenaga surya.

2. Pada penelitian ini susunan atau rangkaian termoelektrik seri dan seri-

paralel.

5

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)

6

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.

7

Gambar 2.2 Cara kerja termoelektrik

(sumber : www.PELTIER-INFO.com)

2.2 Parameter - parameter 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)

8

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 x 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 :

9

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 new

Mnew = (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)

10

Perhitungan daya keluaran dan efisiensi pada termoelektrik dapat dihitung

tergantung pada jumlah termoelektrik yaitu satu termoelektrik dan beberapa

termoelektrik.

2.2.1 Termoelektrik Tunggal

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):

11

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)

12

2.2.2 Rangkaian 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)

13

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 MM

2HM

H (20)

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

% 010 x QP

H

OG =η (21)

2.3 Radiasi Surya yang datang

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

14

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

arus pada sel surya (buku panduan alat):

1000x4,0

IG G= (23)

2.4 Efisiensi 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

15

Gambar 2.4 Bagian-bagian kolektor datar

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

halaman 218):

( )

( )[ ]aiLC

iOPFF

.

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

16

2.5 Perhitungan Efisiensi Alat Penelitian

Efisiensi secara keseluruhan (ηTOTAL) dapat dihitung dengan persamaan :

ηη=η x GTOTAL (26)

17

BAB III

METODE PELAKSANAAN PENELITIAN

3.1 Skema Alat

Gambar 3.1. Skema alat penelitian

Keterangan :

Ti : Temperatur fluida masuk kolektor.

To : Temperatur fluida keluar kolektor.

Ta : Temperatur lingkungan.

Th : Temperatur sisi panas termoelektrik.

Tc : Temperatur sisi dingin termoelektrik.

18

Peralatan-peralatan yang terdapat pada penelitian terlihat pada gambar 3.1 dan

detil pembangkit listrik termoelektrik dapat ditunjukkan pada gambar 3.2 :

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

19

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.

20

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.

21

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 ∆T.

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

22

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Data Penelitian Susunan seri

Penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan seri dilaksanakan

dengan keterangan sebagai berikut :

Tanggal : 08 Agustus 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 seri dapat dilihat

pada tabel 4.1

23

Tabel 4.1 Data hasil pengukuran untuk termoelektrik susunan seri

Jam TH (OC)

TC (OC)

VO (volt)

IO (amper)

Ta (OC)

Ti (OC)

TO (OC)

VG (volt)

TAtas (OC)

11:00 45,1 32,5 0,0267 0,1105 30 44,4 82,2 3,75 75,6 11:10 46,1 31,6 0,0302 0,1271 31,5 47,1 90,0 3,66 74,6 11:20 46,2 31,9 0,0340 0,1254 28,4 44,5 86,9 3,91 78,6 11:30 46,9 30,7 0,0370 0,1420 30,2 46,6 88,1 4,00 77,0 11:40 47,0 29,8 0,0320 0,1509 33,2 46,2 83,5 3,43 75,8 11:50 45,6 32,0 0,0288 0,1193 29,7 45,5 79,0 3,68 70,3 12:00 49,0 33,2 0,0345 0,1383 31,0 49,2 88,0 4,00 78,1 12:10 49,6 38,0 0,0335 0,1013 32,2 47,5 78,5 3,96 78.0 12:20 50,0 36,7 0,0313 0,1162 30,0 45,1 77,5 0,69 79,0 12:30 48,5 38,0 0,0264 0,0917 30,0 44,6 73,8 0,58 72,1 12:40 46,8 35,7 0,0232 0,0972 32,4 46,3 72,3 3,00 65,6 12:50 44,0 37,5 0,0187 0,0569 32,0 47,2 72,1 3,55 65,9 13:00 44,4 37,0 0,0195 0,0648 35,0 47,6 75,8 3,26 68,7 13:10 43,5 33,5 0,0191 0,0877 30,0 45,2 72,9 1,32 70,5 13:20 44,1 37,5 0,0191 0,0578 30,0 43,2 65,1 0,66 68,4 13:30 42,4 36,9 0,0158 0,0482 30,0 43,0 63,5 1,35 59,7 13:40 41,8 37,3 0,0134 0,0394 30,4 41,5 58,0 0,72 57,9 13:50 41,9 38,4 0,0109 0,0307 32,0 41,1 57,1 0,81 55,1 14:00 39,2 35 0,0086 0,0369 33,1 40,0 56,4 2,62 50,7

* TAtas : Temperatur fluida minyak goreng pada selang aliran minyak goreng

panas di dekat tangki penyimpan panas

24

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

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

25

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 63,813:20 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

26

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

= 318,1 - 305.5

= 12,6 K

2. Koefisien Seebeck (Sm)

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

SMTH 4Ts

3Ts

2TsTs

44

33

22

1 +++=

= +++3

.318,17,42731.102

.318,15,37574.10-.318,11,3345.10 3-72-5

2-

4

.318,11,27141.10- 4-9

= 6,24 V/K

27

4Ts

3Ts

2Ts

TsS4

43

32

21MTC +++=

= +++3

5,05.37,42731.102

5,05.35,37574.10-.305.51,3345.10 3-72-5

2-

4

5,05.31,27141.10- 4-9

= 5,85 V/K

SM = (SMTh - SMTc) / DT

= (6,24 - 5,85)/12,6

= 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 MS dikonversi menjadi newS dengan menggunakan

persamaan (7) :

newS71

N x S newM=

71

127 x 0,03=

= 0,054 V/K

28

4. Tahanan listrik (Rm)

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

R MTH 4Tr

3Tr

2TrTr

44

33

22

1 +++=

= +++3

.318,18,53832.102

.318,11,98763.10-8,12,08317.313-52-2

4

.318,19,03143.10- 4-8

= 341,94 ohm

R MTC 4Tr

3Tr

2Tr

Tr 4

43

32

21 +++=

= +++3

.305.58,53832.102

.305.51,98763.10-5.52,08317.303-52-2

4

.305.59,03143.10- 4-8

= 323,7 ohm

RM = (RMTh -RMTc) / DT

= (341,94 – 323,7) / 12,6

=1,447 ohm

29

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


ampere maka harga MR dikonversi menjadi newR dengan menggunakan

persamaan (8) :

=newR71

N x

I6 x R new

newM

= 71

127 x 66 x 1,447

= 2,588 ohm

6. Konduktansi termal (Km)

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

K MTH =4Tk

3Tk

2TkTk

44

33

22

1 +++

= +++3

.318,18,64864.10-2

.318,13,89821.10-.318,14,76218.103-62-6

1-

4

.318,12,20869.10 4-8

= 115,033 W/K

30

MTCK =4Tk

3Tk

2TkTk

44

33

22

1 +++

= +++3

.305.58,64864.10-2

.305.53,89821.10-.305.54,76218.103-62-6

1-

4

.305.52,20869.10 4-8

= 111,188 W/K 145,47+(- 0,182)+(-82,19)+ 48,09 = 111,188

KM = (KMTH - KMTC) / DT

=(115,033 ‐111,188) / 12,6

= 0,305 W/K

7. Konduktansi termal (Km)


ampere maka harga MK dikonversi menjadi newK dengan menggunakan

persamaan (9) :

newK =71

N x

6I

x K newnewM

= 71

127 x 66x 0,305

= 0,545 W/K

31

8. Total modul

Satu rangkaian seri 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

xxx

RNP

RxNSDTxSxNS

IL

M

M

32,0

2202,588 1

6,21 0,054 1

=

+=

+=

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

32

V 329,0

2202,588 1

12,6 0,054 1 2 2

=⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

+=

xxxx

11. Daya keluaran generator (PO)

Daya keluaran generator dapat dihitung dengan persamaan (19) :

( )

( )

Watt89,0 2,588 x 4

12,6 x 0,054 x 20

R x 4DT x S x NT

2M

2M

=

=

=OP

12. Total energi panas masuk ke generator (QH)

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

:

Watt142,83

12,6 x 545,02,588x 20

0,32 x 0,520

0,32 x 318,1 x 0,054 x 02

DT x KRx NPI x 0,5

NPI x T x S

x NT

2

MM

2HM

=⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=

⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡+⎥⎦

⎤⎢⎣⎡−=HQ

33

13. Efisiensi generator ( Gη )

Efisiensi generator dapat dihitung dengan persamaan (21) :

% 62,0

% 010 x 142,83

0,89

% 010 x QP

H

O

=

=

=Gη

14. Radiasi matahari (G)

Radiasi matahari yang datang dapat dihitung menggunakan persamaan (22)

dan (23) :

2 W/m5,937

10004,0

375,0

10004,0

=

=

=

x

xI

G G

A 0,375 1075,3

=

=

=L

G

RV

I

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

34

• Luasan kolektor : 0,6 m2

• faktor transmitan-absorpan kolektor : 0,84

( )( )[ ]

( )( )[ ]

0,055 317,4355,2884,0.5,937.6,0

355,2590,4.72,2927.0,0002

)(.

.

=−−

−=

−−−

=aiLC

iOPFFR TTUGA

TTCmF

τα

16. Efisiensi kolektor ( η)

Efisiensi kolektor dapat dihitung menggunakan persamaan (24) :

( )

% 3,935

%1005,937

4,317355,2.8.055,084,0.055,0

%100

=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−=

×⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ −−=

GTT

UFF aiLRR ταη

17. Efisiensi total (ηTOTAL)

Efisiensi secara keseluruhan dapat dihitung dengan persamaan (26) :

% 0013,0 % 3.935 % 0336.0

x

===

xGTOTAL ηηη

Untuk data-data berikutnya pada variasi pemasangan termoelektrik dapat dilihat

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

35

Tabel 5.1 Hasil perhitungan koefisien Seebeck, tahanan termal dan konduktansi termal variasi rangkaian seri termoelektrik

Jam SMTH (V/K)

SMTC (V/K)

SM (V/K)

newS (V/K)

RMTH (ohm)

RMTC (ohm)

RM (ohm)

newR (ohm)

KMTH (W/K)

KMTC (W/K)

KM (W/K)

newK (W/K)

11:00 6,240 5,859 0,030 0,054 341,957 323,700 1,449 2,592 115,031 111,202 0,304 0,544 11:10 6,270 5,832 0,030 0,054 343,453 322,439 1,449 2,592 115,342 110,935 0,304 0,544 11:20 6,273 5,841 0,030 0,054 343,604 322,858 1,451 2,595 115,373 111,024 0,304 0,544 11:30 6,295 5,805 0,030 0,054 344,656 321,183 1,449 2,592 115,592 110,668 0,304 0,544 11:40 6,298 5,778 0,030 0,054 344,807 319,933 1,446 2,587 115,623 110,402 0,304 0,543 11:50 6,255 5,844 0,030 0,054 342,704 322,999 1,449 2,592 115,186 111,053 0,304 0,544 12:00 6,359 5,880 0,030 0,054 347,834 324,685 1,465 2,621 116,252 111,411 0,306 0,548 12:10 6,377 6,024 0,030 0,054 348,747 331,532 1,484 2,655 116,442 112,853 0,309 0,553 12:20 6,389 5,985 0,030 0,054 349,358 329,662 1,481 2,649 116,568 112,460 0,309 0,553 12:30 6,344 6,024 0,030 0,054 347,074 331,532 1,480 2,648 116,094 112,853 0,309 0,552 12:40 6,292 5,955 0,030 0,054 344,505 328,231 1,466 2,623 115,561 112,159 0,306 0,548 12:50 6,206 6,009 0,030 0,054 340,318 330,811 1,463 2,616 114,690 112,702 0,306 0,547 13:00 6,218 5,994 0,030 0,054 340,913 330,092 1,462 2,616 114,814 112,551 0,306 0,547 13:10 6,191 5,889 0,030 0,054 339,577 325,108 1,447 2,588 114,535 111,500 0,303 0,543 13:20 6,209 6,009 0,030 0,054 340,467 330,811 1,463 2,617 114,721 112,702 0,306 0,547 13:30 6,158 5,991 0,030 0,054 337,951 329,949 1455 2,602 114,196 112,521 0,305 0,545 13:40 6,139 6,003 0,030 0,054 337,067 330,523 1,454 2,601 114,012 112,641 0,305 0,545 13:50 6,142 6,036 0,030 0,054 337,214 332,110 1,458 2,609 114,042 112,974 0,305 0,546 14:00 6,061 5,934 0,030 0,054 333,269 327,234 1,437 2,570 113,217 111,949 0,302 0,540

RATA-RATA 6,248 5,931 0,030 0,054 342,393 327,126 1,458 2,609 115,121 111,924 0,305 0,546

36

Tabel 5.2 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi pemasangan termoelektrik secara seri

Jam DT I VO PO QH ηG IG G 2

FR η totalη 11:00 12,6 0,2532 0,506 0,128 147,667 0,087 0,375 937,5 0,055 3,935 0,003 11:10 14,5 0,2914 0,583 0,170 170,012 0,100 0,366 915,0 0,065 4,576 0,005 11:20 14,3 0,2871 0,574 0,165 167,827 0,098 0,391 977,5 0,060 4,233 0,004 11:30 16,2 0,3256 0,651 0,212 189,937 0,112 0,400 10000 0,057 4,050 0,005 11:40 17,2 0,3461 0,692 0,240 201,295 0,119 0,343 857,5 0,059 4,245 0,005 11:50 13,6 0,2733 0,547 0,149 159,404 0,094 0,368 920,0 0,051 3,554 0,003 12:00 15,8 0,3150 0,630 0,199 187,352 0,106 0,400 1000,0 0,055 3,787 0,004 12:10 11,6 0,2292 0,458 0,105 139,365 0,075 0,396 990,0 0,043 3,056 0,002 12:20 13,3 0,2632 0,526 0,139 159,453 0,087 0,069 172,5 1,312 18,330 0,016 12:30 10,5 0,2079 0,416 0,086 125,785 0,069 0,058 145,0 5,699 19,653 0,014 12:40 11,1 0,2212 0,442 0,098 131,651 0,074 0,300 750,0 0,049 3,383 0,003 12:50 6,5 0,1298 0,260 0,034 76,871 0,044 0,355 887,5 0,039 2,738 0,001 13:00 7,4 0,1478 0,296 0,044 87,499 0,050 0,326 815,0 0,047 3,377 0,002 13:10 10 0,2012 0,402 0,081 116,994 0,069 0,132 330,0 0,174 8,192 0,006 13:20 6,6 0,1318 0,264 0,035 78,074 0,044 0,066 165,0 0,648 12,953 0,006 13:30 5,5 0,1102 0,220 0,024 64,688 0,038 0,135 337,5 0,111 5,928 0,002 13:40 4,5 0,0902 0,180 0,016 52,897 0,031 0,072 180,0 0,258 8,946 0,003 13:50 3,5 0,0700 0,140 0,010 41,262 0,024 0,081 202,5 0,160 7,711 0,002 14:00 4,2 0,0849 0,170 0,014 48,783 0,030 0,262 655,0 0,032 2,443 0,001

RATA-RATA 10,5 0,2094 0,419 0,103 123,517 0,071 0,258 644,1 0,472 6,584 0,004

* Warna Merah: menandakan Fr Lebih dari satu dikarenakan saat pengambilan data matahari tertutup oleh awan.

37

Tabel 5.3 Hasil perhitungan koefisien Seebeck,, tahanan termal dan konduktansi termal variasi rangkaian seri-paralel termoelektrik

Jam SMTH (V/K)

SMTC (V/K)

SM (V/K)

newS (V/K)

RMTH (ohm)

RMTC (ohm)

RM (ohm)

newR (ohm)

KMTH (W/K)

KMTC (W/K)

KM (W/K)

newK (W/K)

11:00 6,221 5,928 0,030 0,054 341,062 326,949 1,455 2,602 114,845 111,889 0,305 0,545 11:10 6,267 5,802 0,030 0,054 343,303 321,044 1,445 2,586 115,311 110,638 0,303 0,543 11:20 6,237 5,961 0,030 0,054 341,807 328,517 1,461 2,613 115,000 112,219 0,306 0,547 11:30 6,133 5,844 0,030 0,054 336,774 322,999 1,435 2,567 113,950 111,053 0,302 0,540 11:40 6,282 5,967 0,030 0,054 344,054 328,802 1,467 2,623 115,467 112,279 0,307 0,548 11:50 6,212 5,823 0,030 0,054 340,616 322,019 1,442 2,579 114,752 110,846 0,303 0,542 12:00 6,353 5,982 0,030 0,054 347,530 329,518 1,476 2,641 116,189 112,430 0,308 0,551 12:10 6,371 5,835 0,030 0,054 348,443 322,578 1,461 2,614 116,379 110,964 0,306 0,547 12:20 6,344 6,094 0,030 0,054 347,074 334,870 1,488 2,662 116,094 113,552 0,310 0,555 12:30 6,402 6,042 0,030 0,054 349,969 332,399 1,489 2,663 116,695 113,035 0,310 0,555 12:40 6,380 6,058 0,030 0,054 348,900 333,124 1,488 2,662 116,473 113,187 0,310 0,555 12:50 6,353 6,024 0,030 0,054 347,530 331,532 1,481 2,650 116,189 112,853 0,309 0,553 13:00 6,313 6,124 0,030 0,054 345,561 336,333 1,488 2,662 115,780 113,858 0,310 0,554 13:10 6,282 6,021 0,030 0,054 344,054 331,388 1,473 2,635 115,467 112,823 0,307 0,550 13:20 6,185 5,949 0,030 0,054 339,280 327,946 1,453 2,599 114,473 112,099 0,304 0,544 13:30 6,221 5,928 0,030 0,054 341,062 326,949 1,455 2,602 114,845 111,889 0,305 0,545 13:40 6,282 5,994 0,030 0,054 344,054 330,092 1,470 2,629 115,467 112,551 0,307 0,549 13:50 6,258 5,979 0,030 0,054 342,854 329,375 1,465 2,621 115,217 112,400 0,306 0,548 14:00 6,325 5,973 0,030 0,054 346,165 329,089 1,472 2,633 115,906 112,340 0,307 0,550

RATA-RATA 5,958 5,653 0,029 0,051 326,265 311,504 1,390 2,486 109,456 106,369 0,291 0,520

38

Tabel 5.4 Hasil perhitungan efisiensi kolektor dan efisiensi total variasi pemasangan termoelektrik secara seri-paralel

Jam DT (K)

I (A)

VO (volt)

PO (W)

QH (W)

ηG (%)

IG (A)

G (W/m2) FR η

(%) totalη

(%) 11:00 9,7 0,350 0,618 0,216 165,120 0,131 0,352 880,0 0,071 4,902 0,0064 11:10 15,4 0,558 0,984 0,549 261,335 0,210 0,346 865,0 0,067 4,547 0,0095 11:20 9,1 0,328 0,578 0,189 155,243 0,122 0,342 855,0 0,069 4,486 0,0055 11:30 9,6 0,349 0,616 0,215 162,144 0,133 0,344 860,0 0,064 4,028 0,0053 11:40 10,4 0,373 0,660 0,246 177,867 0,138 0,346 865,0 0,066 4,366 0,0060 11:50 12,9 0,468 0,825 0,386 218,520 0,177 0,338 845,0 0,068 4,215 0,0074 12:00 12,2 0,436 0,771 0,336 209,520 0,160 0,339 847,5 0,069 4,307 0,0069 12:10 17,7 0,637 1,124 0,716 302,323 0,237 0,316 790,0 0,079 4,583 0,0109 12:20 8,2 0,292 0,516 0,151 141,457 0,106 0,327 817,5 0,066 4,238 0,0045 12:30 11,8 0,420 0,742 0,311 203,691 0,153 0,330 825,0 0,069 4,282 0,0065 12:40 10,6 0,377 0,667 0,252 182,901 0,138 0,307 767,5 0,069 4,272 0,0059 12:50 10,8 0,385 0,681 0,263 185,821 0,141 0,263 657,5 0,090 5,121 0,0072 13:00 6,2 0,221 0,390 0,086 106,936 0,080 0,160 400,0 0,100 5,855 0,0047 13:10 8,6 0,308 0,544 0,168 147,431 0,114 0,292 730,0 0,050 3,356 0,0038 13:20 7,8 0,282 0,497 0,140 132,661 0,106 0,275 687,5 0,058 3,577 0,0038 13:30 9,5 0,350 0,618 0,216 165,120 0,131 0,255 637,5 0,053 3,307 0,0042 13:40 9,2 0,341 0,602 0,205 162,667 0,126 0,263 657,5 0,065 3,889 0,0048 13:50 11,6 0,331 0,584 0,193 157,237 0,123 0,240 600,0 0,076 4,505 0,0069 14:00 8,0 0,415 0,734 0,305 198,864 0,153 0,053 132,5 23,964 16,277 0,0170

RATA-RATA 10,5 0,639 0,259 172,197 0,134 0,639 0,289 722,105 1,327 4,953 0,0067

39

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 ∆T. Grafik-grafik tersebut

dapat dilihat pada variasi rangkaian sebagai berikut :

Variasi rangkaian seri dan seri paralel

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

susunan seri dan seri paralel.

40

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

pada susunan seri dan seri paralel.

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


41

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


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


42

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


Gambar 5.7 Grafik hubungan tegangan generator (Vo) dengan temperatur sisi dingin (TC)


43

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


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


44

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


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


45

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

5 10 15 20ΔT, oC

VO, V

Seri Seri Paralel

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


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


46

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


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


47

5.3 Pembahasan

Unjuk kerja termoelektrik susunan seri sebagai pembangkit listrik tenaga surya

pendingin air dinyatakan dengan arus, tegangan, daya dan efisiensi yang dapat

dihasilkan. Dalam penelitian ini unjuk kerja termoelektrik susunan seri ditinjau pula

unjuk kerja susunan seri-paralel. Arus maksimal yang dapat dihasilkan susunan seri

sebesar 0.346 A, sementara susunan seri-paralel dapat menghasilkan arus 0,637 A. Arus

keluaran generator semakin besar dengan bertambahnya temperatur sisi panas (gambar

5.1) atau berkurangnya temperatur sisi dingin (gambar 5.16 ). Secara keseluruhan arus

listrik yang dapat dihasilkan oleh kedua susunan tersebut dapat dilihat pada gambar 5.11.

Gambar 5.11 menunjukkan arus pada susunan seri-paralel lebih tinggi dibandingkan

susunan seri 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.

Dilihat dari segi tegangan yang dihasilkan maka tegangan keluaran generator

meningkat dengan berkurangnya temperatur sisi dingin (gambar 5.7). Selain itu

bertambahnya temperatur sisi panas (gambar 5.2) dan selisih temperatur kedua sisi

termoelektrik (5.12). Gambar 5.12 menunjukkan tegangan yang dihasilkan pada susunan

seri lebih rendah dibandingkan dengan susunan seri-paralel.

48

Tegangan maksimum yang dicapai susunan seri sebesar 0,692 volt dan susunan seri-

paralel 1,124 volt. Tegangan pada susunan seri 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. Pada tiap

termoelektrik menghasilkan tegangan berbeda-beda yang disebabkan oleh permukaan

plat pemanas tidak merata dan panas minyak goreng tidak merata.

Daya merupakan kemampuan kerja alat untuk menghasilkan listrik. Kemampuan

alat dapat dilihat pada gambar 5.3, 5.8, 5.13. Gambar 5.8 menunjukkan daya berbanding

terbalik dengan temperatur sisi dingin. Gambar 5.3 menunjukkan daya berbanding lurus

dengan temperatur sisi panas. Demikian juga dengan gambar 5.13 menunjukan daya pada

susunan seri lebih rendah daripada seri-paralel. Daya pada susunan seri lebih rendah

daripada seri-paralel merupakan akibat dari tegangan dan arus yang dikeluarkan pada

susunan seri 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) atau selisih temperatur kedua sisi termoelektrik semakin besar

(gambar 5.15). Jika temperatur sisi dingin semakin besar maka efisiensi total menurun

(gambar 5.10). Perbandingan Efisiensi total pada kedua susunan termoelektrik dapat

dilihat pada gambar 5.15.

49

Efisiensi pada termoelektrik susunan seri lebih rendah dibanding dengan susunan seri-

paralel. Efisiensi maksimal yang dihasilkan pada susunan seri 0,0159 % dan susunan seri-

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

pembangkit listrik adalah efisiensi generator dan efisiensi kolektor.

50

BAB VI

PENUTUP

6.1 Kesimpulan

Dari hasil penelitian karakteristik termoelektrik dengan susunan seri untuk

menghasilkan energi listrik dengan pendingin air maka dapat disimpulkan sebagai berikut

:

1. Termoelektrik bisa digunakan untuk pembangkit energi listrik dalam sekala

rumah tangga (apabila jumlah kapasistas termoelektrik ditambah).

2. Penelitian telah berhasil membuat model pembangkit energi listrik tenaga surya

dengan menggunakan termoelektrik

3. Arus, tegangan, daya dan efisiensi keseluruhan maksimal yang dapat dicapai oleh

alat penelitian termoelektrik penghasil listrik dengan menggunakan susunan seri-

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

tegangan, daya, efisiensi keseluruhan maksimal yang dicapai 0,692 amper, 1,1242

volt, 0,716 watt, 0,0109 % dengan menggunakan termoelektrik susunan seri-

paralel.

51

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. Cara meningkatkan kapasitas termoelektrik untuk bisa digunakan sebagai

pembangkit enegi listrik pada sekala rumah tanggga dengan cara jumlah

termoelektrik ditambah.

2. Kontak permukaan pada plat aluminium harus rata supaya suhu panas maupun

dingin dari tangki penyimpan dapat merambat dengan baik ke termoelektrik.

3. Pada waktu saat mau mengisi fluida pada alat ini sebaiknya menggunakan atau

membuat katup T di saluran masuk pada kolektor sehingga tidak adanya udara

terjebak di dalam alat.

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.

52

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

53

LAMPIRAN

Lampiran 1: Gambar –gambar alat

(a) Kolektor pelat rata tipe paralel

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

(c) Konstruksi pendinginan air

(d) Penempatan termoelektrik pada tangki penyimpan panas

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

• 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 T∆ air/ ∆ t

= 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.

.TM

tQair∆

∆

= )296,64.(97,0

60.5.18,342−

= 2927,72 J/kgoC

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

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.

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

karakteristik termoelektrik untuk pembangkit listrik

Documents