TEG

BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dibahas mengenai perancangan dan realisasi sistem yang dibuat.
Blok diagram alat yang dibuat secara keseluruhan ditunjukkan oleh Gambar 3.1.
Setrika
Kolektor Panas Alas
Setrika
TEG dengan
Pendingin
Buck- Boost
Converter
Baterai Kering
Gambar 3.1. Diagram kotak keseluruhan alat yang dibuat.
Secara garis besar, panas setrika yang mengenai bagian Kolektor Panas akan
dikonversi menjadi energi listrik oleh TEG, kemudian energi listrik yang dihasilkan akan
diproses dalam rangkaian Buck-Boost Converter dan disimpan ke dalam Baterai Kering
yang dapat diisi ulang yaitu lithium polymer.
16
3.1. Cara Kerja Alat
Alat ini nantinya akan digunakan sebagai alas setrika dan yang bersifat portable
sehingga mudah dipindahkan. Sumber panas yang digunakan berasal dari panas setrika
listrik yang terbuang. Ketika setrika listrik yang telah panas sedang tidak digunakan
menyetrika, posisi setrika yang biasanya diletakkan secara berdiri ataupun diletakkan di
atas alas setrika konvensional, akan diletakkan pada bagian Kolektor Panas Alas Setrika.
Panas ini kemudian diubah oleh TEG sehingga menghasilkan tegangan DC. Rangkaian
Buck-Boost Converter merupakan rangkaian yang akan mengubah keluaran TEG agar
stabil dan dapat disimpan dalam Baterai Kering.
3.2. Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras
Perancangan alat yang dibuat secara keseluruhan adalah seperti yang ditunjukkan
Gambar 3.2 dan 3.3 sebagai berikut.
1
2
3
4
5
Gambar 3.2. Gambaran alat yang akan dibuat tampak depan.
17
1
2
3
4
5
Gambar 3.3. Gambaran alat yang akan dibuat tampak samping.
Penjelasan dari Gambar 3.2 dan 3.3 di atas adalah sebagai berikut :
1. Setrika
2. Kolektor Panas Alas Setrika
3. TEG dengan Oli sebagai Pendingin
4. DC-DC Converter tipe Buck- Boost Converter
5. Baterai Kering
Alat ini dibagi dalam beberapa bagian, yaitu modul Kolektor Panas Alas Setrika,
TEG dengan Pendingin, modul Buck-Boost Converter, dan yang terakhir adalah Baterai
Kering.
3.2.1. Kolektor Panas Alas Setrika
Bagian ini merupakan bagian yang akan bersentuhan dengan bagian bawah
setrika saat setrika tersebut masih sedang jeda tidak digunakan. Kolektor panas yang
merupakan penyalur panas dari setrika menuju TEG dibuat dari alumunium berukuran
25×15cm dengan tebal 3mm seperti ditunjukkan Gambar 3.4 di bawah. Pemilihan
alumunium sebagai alas setrika dikarenakan alumunium merupakan logam yang
konduktivitas panasnya cukup baik serta bersifat ringan dan kuat. Selain itu
alumunium juga mudah diperoleh di pasaran.
18
Gambar 3.4. Lempeng alumunium yang digunakan.
Bagian pendingin diberi heat sink seperti ditunjukkan Gambar 3.5 sebagai
penyerap panas dari TEG yang dicelupkan dalam cairan oli dikarenakan sifatnya yang
mampu mempertahankan suhu dingin, yaitu dengan titik didih ˃300°C[8]. Bagian
wadah cairan digunakan kaca berukuran 21 × 11 × 8cm dengan alasan kaca tahan
terhadap suhu tinggi seperti ditunjukkan pada Gambar 3.6. Sebelumnya telah
dilakukan uji coba membuat tempat penampung air dari akrilik akan tetapi tidak tahan
terhadap suhu panas dari setrika dan mudah meleleh. Besarnya volume zat air yang
digunakan yaitu apabila besar penampung air diperkirakan :
𝑣 =𝑝×𝑙×𝑡
𝑣 = 21 𝑐𝑚 × 11 𝑐𝑚 × 8 𝑐𝑚
𝑣 = 1,84 𝑙
(3.1)
(3.2)
(3.3)
Pelat bagian atas diberi sekrup dengan heat sink, berfungsi untuk menahan
elemen TEG agar tidak berubah posisi. Di antara pelat atas dan pelat bawah akan
diberikan semacam sekat peredam panas atau bubble laminated foil untuk mengisolasi
agar panas tidak tercampur dari kedua sisi. Pemberian sekat ini berperan penting untuk
menjaga perbedaan suhu antara dua sisi TEG.
Meskipun panas dari setrika diserap oleh logam alumunium dari sisi panas
TEG pada saat jeda menyetrika, elemen pemanas setrika masih tetap mengalirkan
panas pada alas setrika sehingga panas yang berkurang tidak akan berpengaruh besar
terhadap fungsi dari setrika itu sendiri. Hal ini sesuai dengan percobaan yang telah
dilakukan (Gambar 1.2 dan 1.3).
19
Gambar 3.5. Heat sink yang digunakan.
Gambar 3.6. Wadah kaca sebagai tempat cairan pendingin.
3.2.2. Thermoelectric Generator (TEG)
Modul TEG akan menghasilkan listrik ketika terdapat gradien temperatur atau
𝛥T antara sisi panas dan sisi dingin dengan cara sisi panas diberi sumber panas
kemudian sisi dingin diberi heat sink. Modul TEG yang terbuat dari Bi-Te ini akan
bekerja hingga suhu 330˚C.
20
Gambar 3.7. TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S[11] yang digunakan.
Berikut spesifikasi TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S[11] yang digunakan:
Tabel 3.1. Spesifikasi TEG TE-MOD-5W5V-30S yang digunakan[11].
Temperatur sisi panas (˚C)
300
Temperatur sisi dingin (˚C)
30
Tegangan buka (V)
10,8
Hambatan dalam (ohms)
5.4
Tegangan keluaran dengan beban (V)
5.4
Arus keluaran dengan beban (A)
1.0
Daya keluaran dengan beban (W)
5.4
Aliran panas yang melewati modul (W)
≈ 96
≈ 10.7
Kerapatan aliran panas (W cm-2)
Beban AC (ohms) di ukur dibawah 27˚C pada 1000 Hz
21
2.8 ~ 4.0
Gambar 3.8. Grafik POUT TE-MOD-5W5V-30S terhadap variasi suhu[11].
Dari grafik pada Gambar 3.8 dapat diketahui bahwa dengan 𝛥T sebesar
270°C, thermoelectric generator ini mampu menghasilkan daya listrik sebesar 5,4W.
Besarnya daya panas yang dirubah menjadi daya listrik yaitu:
𝑄=𝐴 × 𝑞
(3.4)
𝑄 = 3 × 3 × 10,7
(3.5)
𝑄 = 96,3𝑊
(3.6)
Dimana q adalah kerapatan aliran panas.
Dari persamaan di atas kita bisa hitung efisiensi modul TEG yang digunakan
mempunyai efisiensi sebesar:
𝜂=
𝜂=
𝑃
𝑄
5,4
96,3
𝜂 = 5,6%
(3.7)
(3.8)
(3.9)
TEG yang digunakan memiliki ukuran 30×30mm dengan ketebalan 5mm.
Empat buah TEG tipe TE-MOD-5W5V-30S disusun seri dan diletakkan di antara
bagian kolektor panas dan bagian pendingin. Tujuan pemasangan TEG secara seri ini
adalah agar mendapat tegangan keluaran yang lebih besar, V=V1+V2+V3+V4 seperti
ditunjukkan Gambar 3.9 sebagai berikut:
22
TEG
TEG
TEG
V1
V2
V3
TEG
V4
Gambar 3.9. Susunan TEG secara seri.
Kedua sisi TEG diolesi dengan pasta termal yang bertujuan agar panas
merambat lebih cepat pada sisi panas maupun sisi dingin. Hal ini perlu dilakukan
karena dalam antarmukanya terdapat rongga mikroskopis yang dapat menjebak udara
masuk di antaranya sehingga mengakibatkan kerugian perambatan panas secara
konveksi melalui medium udara. Penggunaan pasta termal akan mengisi rongga
mikroskopis tersebut sehingga meningkatkan konduktivitas termal[1].
3.2.3. Buck- Boost Converter
Modul pengisi baterai menggunakan DC-DC Converter berupa Buck-Boost
Converter yaitu rangkaian yang bisa menaikkan dan menurunkan tegangan DC dengan
mengatur besarnya duty cycle pada switch nya. Dengan menggunakan rangkaian ini,
VINPUT dari TEG akan menghasilkan VOUT yang stabil untuk mengisi baterai lithiumpolymer yang ada. VOUT yang dihasilkan thermoelectric generator (TEG) bervariasi
antara kurang dari VREF hingga melebihi VREF. Modul ini bertugas mengubah keluaran
dari modul TEG menjadi sebesar 4,7V sehingga dapat disimpan dalam baterai lithium
polymer 3,7V 380mAh.
23
L1
100uH
Vin +
3V
220uF
Cin
0,1uF
1N5821
2,2uH
1N4004
Rc
2,2k
Vout+
4,7V
47uH
220uF
R1
10k
Cout
IN OUT
COM
R2
2k
LM 2577-Adj
Cc
238nF
Gambar 3.10. Untai buck-boost converter dengan LM2577-Adj.
Besar arus maksimum ILOAD(MAX) keluaran IC dapat dihitung dengan
Persamaan 2.6 berikut:
ILOAD(max) ≤
2,1 𝐴 × 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛)
𝑉𝑂𝑈𝑇
ILOAD (max) ≤
2,1 𝐴 × 3 𝑉
4,7𝑉
ILOAD (max) ≤ 1,340A
(3.10)
(3.11)
Nilai maksimum duty cycle dapat dihitung dengan Persamaan 2.7 berikut:
D(max) =
𝑉𝑂𝑈𝑇 + 𝑉𝐹 − 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛)
𝑉𝑂𝑈𝑇 + 𝑉𝐹 − 0,6 V
D(max) =
4,7+ 0,5 − 3
4,7 + 0,5 − 0,6
D(max) = 0,478
(3.12)
(3.13)
Karena diperoleh nilai D ≤ 0,85 yaitu 0,478, persamaan yang digunakan untuk
menghitung LMIN adalah Persamaan 2.9 dan 2.10.
E∙T=
𝐷(max) (𝑉𝐼𝑁(min) −0,6𝑉)106
52.000 𝐻𝑧
E∙T=
0,478 × (3 − 0,6𝑉)× 106
52.000 𝐻𝑧
E ∙ T = 22,06 V.µs
24
(3.14)
(3.15)
Kemudian mencari nilai 𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 melalui Persamaan 2.10:
1,05 × 𝐼𝐿𝑂𝐴𝐷(max)
𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 =
1−𝐷(max)
𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 =
1,05 × 1,34 𝐴
1−0,478
𝐼𝐼𝑁𝐷,𝐷𝐶 = 2,69𝐴
(3.16)
(3.17)
Dengan melihat grafik pada Gambar 2.7 didapatkan nilai induktor sebesar 47µH.
Persamaan yang digunakan untuk menghitung nilai RC dan CC yang terhubung dengan
pin 1 sebagai berikut:
750 × ILOAD(max) × 𝑉𝑂𝑈𝑇 2
RC ≤
𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) 2
RC ≤
750 × 1,34 × 4,72
32
RC ≤ 2466 Ω
(3.18)
(3.19)
Resistor yang digunakan yaitu 2200 Ω.
CC ≥
58,5 × 𝑉𝑂𝑈𝑇 2 × 𝐶𝑂𝑈𝑇
CC ≥
𝑅𝐶 2 × 𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛)
58,5 × 4,72 ×2681
22002 × 3
CC ≥ 238,6 nF
(3.20)
(3.21)
Nilai COUT berdasarkan Persamaan 2.13 dan 2.14 berikut
COUT ≥
COUT ≥
0,19 × 𝐿 ×𝑅𝐶 × ILOAD(max)
𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) × 𝑉𝑂𝑈𝑇
0,19 × 47 µ𝐻 × 2200 × 1,34
3 × 4,7 𝑉
COUT ≥ 1867µF
25
(3.22)
(3.23)
Dan
COUT ≥
𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) × 𝑅𝐶 × (𝑉𝐼𝑁(𝑚𝑖𝑛) + (3,74 × 105 × 𝐿))
487.800 × 𝑉𝑂𝑈𝑇 3
COUT ≥
3 × 2200 × (3 +(3,74 × 105 × 47 µ𝐻))
487.800 × 4,73
COUT ≥ 2681µF
(3.24)
(3.25)
Dalam datasheet nilai kapasitas minimum yang diambil adalah yang lebih besar yaitu
2681 µF.
Tegangan keluaran (VOUT) dari IC ini dapat dihitung dengan Persamaan 2.15 berikut:
VOUT = 1,23𝑉(1 + 𝑅1 /𝑅2 )
VOUT = 1,23𝑉(1 + 5642/2000)
VOUT = 4,7V
(3.26)
(3.27)
Gambar 3.11. Buck-boost converter yang digunakan.
Rangkaian Buck-Boost Converter ini menggunakan IC LM2577-Adj dan akan
bekerja jika terdapat VIN antara 3-35 V, sedangkan VOUT modul ini diatur sebesar 4,7V.
26
3.2.4. Baterai Kering
Energi listrik yang telah melalui modul konverter telah siap untuk disimpan
ke dalam Baterai Kering. Baterai yang dipilih merupakan baterai kering lithium
polimer 3,7V 380mAh seperti ditunjukkan oleh Gambar 3.12.
Gambar 3.12. Baterai lithium- polymer 3,7V 380mAh.
Baterai diperkirakan mampu menyimpan energi total sebanyak:
𝐸 =𝑉×𝐼×𝑡
(3.28)
𝐸 = 3,7V × 0,38A × 1jam
(3.29)
𝐸 = 1,41 𝑊ℎ
(3.30)
Saat dilakukan pengisian baterai, terdapat LED indikator sebagai penanda
mengalirnya arus dari rangkaian buck-boost converter menuju baterai. Gambar 3.13
berikut merupakan rangkaian LED indikator yang digunakan.
TEG
D1
DIODE
Buck-Boost
Converter
Baterai
R1
D2
LED1
Gambar 3.13. Skema rangkaian LED indikator.
27
Untuk dapat menyala dengan baik, LED membutuhkan arus sekitar 10mA.
Perhitungan nilai R1 adalah dengan persamaan berikut:
𝑅1=
4,7 V−2 𝑉
10 𝑚𝐴
𝑅1= 270𝛺
28
(3.31)
(3.32)