Pemanfaatan Modul Termoelektrik Generator Untuk Mengisi Baterai

BAB II
LANDASAN TEORI
Pada bab ini akan dibahas mengenai teori – teori yang mendasari perancangan
dan peralisasian pemanfaatkan modul termoelektrik generator untuk mengisi baterai
ponsel. Teori – teori yang digunakan untuk skripsi ini antara lain : efek termoelektrik,
termoelektrik generator, dc-dc step up converter.
2.1.
Efek Termoelektrik
Efek termoelektrik adalah proses perubahan energi panas (perubahan
temperatur) menjadi energi listrik atau sebaliknya dari energi listrik menjadi perbedaan
temperatur. Ada tiga efek utama dalam efek termoelektrik yaitu Seebeck, Peltier dan
Thomson. Efek Seebeck mengubah perbedaan temperatur menjadi tegangan atau
kekuatan listrik (EMF). Perubahan EMF sehubungan dengan perubahan temperatur
disebut dengan koefisien Seebeck. Efek Peltier merupakan kebalikan dari efek Seebeck
yang memberikan perbedaan temperatur dengan memberikan EMF. Untuk efek
Thomson berkaitan dengan perbedaan suhu dan EMF dalam suatu pengantar
homogen[2].
2.1.1. Efek Seebeck
Efek Seebeck adalah konversi langsung dari perbedaan temperatur menjadi
energi listrik. Ditemukan pertama kali tahun 1821 oleh ilmuwan Jerman, Thomas
Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian tertutup
dan di antara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika pada
persambungan logam dipanaskan, jarum kompas bergerak. Hal ini karena logam yang
berbeda menanggapi perbedaan temperatur, yang menimbulkan loop arus dan medan
magnet. Medan magnet inilah yang menggerakkan jarum kompas. Seebeck tidak
menyadari ada arus yang terlibat, sehingga dia menyebut fenomena dengan efek
thermomagnetic. Tetapi fisikawan Denmark, Hans Christian Ørsted memperbaiki
kesalahan itu dan menciptakan istilah untuk mengganti efek thermomagnetic yang
disebut thermoelectricity.
4
Gambar 2.1. Diagram untai seebeck A dan B adalah logam yang berbeda
Jika ada dua buah material logam yang tersambung berada pada lingkungan
dengan suhu yang berbeda, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak
listrik. Pada Gambar 2.1 ditunjukan junction penghubung dari kabel logam dengan
bahan material yang berbeda, yaitu material A dan B dan dikondisikan dalam
temperatur yang berbeda T1 dan T2. Tegangan ΔV yang dihasilkan berasal dari :
𝑇2
Δ𝑉 = ∫ SAB 𝑑𝑇 . . . . . . . . (2.1)
𝑇1
Dimana : ΔV
SAB
= Tegangan yang dihasilkan (volt)
= Koefisien Seebeck (volt/K)
T1 dan T2 = Temperatur dari dua persambungan (K)
Koefisien Seebeck merupakan besaran nonliniar sebagai fungsi dari temperatur
dan bergantung pada bahan dan stuktur molekul material. Tanda positif dan negatif dari
koefisien Seebeck dipengaruhi olah muatan pembawanya. Jika koefisien Seebeck secara
efektif konstan untuk jangkauan temperatur yang diukur, maka koefisien Seebeck
dituliskan menjadi :
Δ𝑉
. . . . . . . . (2.2)
ΔT
= Tegangan yang dihasilkan (volt)
S=
Dimana : ΔV
ΔT
= Perbedaan temperature (K)
S
= Koefisien Seebeck (volt/K)
5
Tegangan yang dihasilkan ini sebanding dengan perbedaan temperatur diantara
dua junction. Semakin besar perbedaan temperatur, semakin besar tegangan diantara
junction. Timbul perbedaan kerapatan pembawa muatan akan menimbulkan difusi
elektron dari daerah rapatan muatan yang tinggi ke daerah rapatan muatan yang rendah
dan temperatur tinggi ke temperatur rendah. Hal ini disebabkan karena kepadatan
elektron dari material logam yang berbeda. Inilah yang menyebabkan arus mengalir
berlawanan dan menimbulkan tegangan (EMF) yang disebut dengan fenomena
thermoelectric. Tetapi jika junction pada material ini dialiri dengan temperatur yang
sama, maka difusi elektron pada junction juga sama. Karena arus berlawanan dan
bernilai sama maka jumlah arusnya adalah nol.
Gambar 2.2. Skema Efek Seebeck
2.1.2. Efek Peltier
Efek Peltier adalah kebalikan dari efek Seebeck dimana arus listrik akan
menghasilkan perbedaan temperatur (panas dan dingin) pada junction dari dua material
logam yang berbeda. Ditemukan pada tahun 1834 oleh fisikawan Perancis, Jean Charles
Peltier Athanase berdasarkan inspirasi dari penemuan efek Seebeck. Ia mengalirkan
arus listrik melalui rangkaian dua logam yang tidak sejenis dan mendapati penurunan
temperatur pada salah satu junction sementara pada ujung yang lain mengalami
pengingkatan temperatur.
6
Gambar 2.3. Skema Efek Peltier
Ketika arus listrik mengalir melalui junction dari dua material logam yang
berbeda A dan B, panas akan dipindahkan dari sisi dingin dan diserap pada sisi panas.
Panas peltier (Ǭ) yang diserap atau perpindahan panas pada junction setiap waktu
adalah :
Ǭ = ∏AB 𝐼. . . . . . . . (2.3)
Ǭ = (∏B − ∏A)𝐼. . . . . . . . (2.4)
Dimana : ∏
= Koefisien Peltier (W/A)
I
= Arus Listrik (ampere)
Ǭ
= Perpindahan Panas (watt)
2.1.3. Efek Thomson
Selanjutnya Wiliam Thomson fisikawan asal Inggris Raya menyelidiki lebih
lanjut termoelektrisitas dan menemukan efek ketiga dari termoelektrik, efek Thomson.
Sebuah konduktor (kecuali superkonduktor) yang dialiri arus listrik dan perbedaan
temperatur nya terjaga dapat melepaskan atau menyerap panas di sepanjang konduktor
tersebut. Atau bisa dikatakan bahwa terdapat penyerapan atau pelepasan panas bolakbalik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan arus
listrik secara simultan.
Dalam material logam seperti seng dan tembaga, jika dia lebih bersuhu panas
pada pontensial yang lebih tinggi dan bersuhu dingin pada ujung potensial yang lebih
rendah, ketika arus bergerak dari ujung panas ke ujung dingin, arus bergerak dari
7
potensial rendah ke potensial tinggi, sehingga ada emisi panas. Hal ini disebut efek
Thomson positif. Sedangkan efek Thomson negatif dalam logam seperti kobalt, nikel
dan besi yang memiliki ujung dingin pada potensial yang lebih tinggi dan ujung panas
pada potensial yang lebih rendah, ketika arus bergerak dari ujung panas ke ujung dingin,
arus bergerak dari potensial rendah ke potensial tinggi. Koefisien Thomson ditunjukan
pada persamaan berikut :
Ǭ
𝛥𝑇. . . . . . . . (2.5)
𝐼
= Koefisien Thomson (V/K)
𝜇=
Dimana : μ
ΔT
= Beda temperatur (K)
I
= Arus Listrik (ampere)
Ǭ
= Panas Peltier (watt)
Dengan Ǭ adalah jumlah perpindahan panas yang diserap oleh konduktor ketika
arus listrik mengalir ke arah suhu yang lebih tinggi. Hubungan koefisien Thomson
dengan Seebeck sebagai berikut :
𝜇= 𝑇
𝑑𝑆
. . . . . . . . (2.6)
𝑑𝑇
Dimana : μ
= Koefisien Thomson (V/K)
S
= Koefisien Seebeck (volt/K)
T
= Temperatur mutlak (K)
Jadi termoelektrik intinya ada dua hal yaitu yang pertama adanya dua material
logam dengan properti yang berbeda, satu dengan pembawa muatan negatif dan logam
lain pembawa muatan positif. Dan yang kedua adanya perbedaan temperatur di antara
kedua junction material logam yang tidak sejenis, sehingga dapat terjadi aliran listrik.
2.2.
Elemen Termoelektrik
Dari ketiga prinsip efek termoelektrik dapat disimpulkan apabila batang material
logam dipanaskan dan didinginkan pada 2 kutub batang material logam. Elektron pada
sisi panas logam akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi
dibandingkan dengan sisi dingin logam. Maka elektron akan mengalami difusi dari
rapatan muatan tinggi kerapatan muatan rendah. Dari sisi panas ke sisi dingin dan
menyebabkan timbulnya medan listrik[3].
8
Gambar 2.4 Pergerakan ion pada logam
Pergerakan Ion pada logam yang diakibatkan dari perbedaan temperatur akan
menimbulkan tegangan. Elemen termoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe-p
(material yang kekurangan elektron) dan tipe n (material yang kelebihan elektron)
dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik yang tertutup dengan diberi beban.
Perbedaan temperatur antar junction dari material semikonduktor itu akan menyebabkan
perpindahkan elektron atau terjadi difusi dari sisi panas menuju sisi dingin.
Heat flow yang terjadi pada sisi panas terdiri dari tiga komponen. Heat flow
yang melalui material termoelektrik karena sifat konduktivitas dari material logam.
Panas yang terserap pada sisi panas dari termoelektrik karena efek peltier dan panas
yang disebabkan oleh daya yang dihasilkan dari termoelektrik.
2.2.1. Figure of Merit
Parameter material termoelektrik dilihat dari besar figure of merit atau sering
disebut dengan ZT. Suatu material termoelektrik idealnya memiliki konduktivitas listrik
tinggi dan kondutivitas panas yang rendah. Tetapi pada kenyataannya sangat sulit
mendapatkan material logam seperti itu, karena pada umumnya jika konduktivitas listrik
suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi. Figure of Merit
didefinisikan sebagai berikut.
9
𝑍=
Dimana : S
Jadi
𝑆 2𝜎
. . . . . . . . (2.7)
𝜆
= Koefisien Seebeck (volt/K)
σ
= Konduktivitas listrik bahan (A/Vm)
λ
= Konduktivitas panas bahan (W/mK)
bahan
termoelektrik
yang
baik
harus
mempunyai
karakteristik,
konduktivitas listrik yang tinggi untuk meminimalkan kenaikan temperatur dari
hambatan ke arus listrik yang mengalir melaluinya. Koefisien Seebeck yang besar untuk
perubahan maksimal dari panas menjadi daya listrik atau sebaliknya dari daya listrik
menjadi perbedaan temperatur. Konduktivitas panas yang rendah untuk mencegah
konduksi panas melalui bahan material logam. Ketiga sifat inilah yang menjadi dasar
parameter untuk menentukan bagus tidaknya termoelektrik digabungan menjadi satu
parameter yaitu figure of merit. Karena Z mempunyai satuan per derajat temperatur,
maka figure of merit didefinisikan sebagai ZT, dimana T adalah temperatur kerja ratarata. Parameter figure of merit ini penting untuk menentukan besarnya perubahan daya
atau koefisien pendinginan maksimal dari kinerja termoelektrik.
Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi2Te3 Bismuth Telluride, PbTe
Lead Telluride, SiGe Silicon Germanium. Ketiga bahan ini bekerja dalam rentang
temperatur yang berbeda. Bahan yang sering digunakan untuk aplikasi teg atau tec
menggunakan Bi2Te3 yang mempunyai rentang 180 K sampai 450 K [4]. Sedangkan
bahan PbTe dan SiGe bekerja pada temperatur tinggi yang biasa digunakan untuk
pembangkit listrik pesawat luar angkasa. Semakin tinggi nilai figure of merit, maka
semakin tinggi nilai efisiensi dari termoelektrik. Gambar berikut adalah grafik jenisjenis bahan semikonduktor bedasarkan figure of merit terhadap satuan temperatur K.
10
Gambar 2.5. Nilai Figure of Merit dari bahan semikonduktor yang berbeda-beda
2.2.2. Efisiensi, Perbedaan Temperatur dan Figure of Merit
Efisiensi dari termoelektrik sangat bergantung pada figure of merit dan tentu saja
bergantng pada perbedaan temperatur kerja. Efisiensi maksimal dari termoelektrik
dalam pembangkit listrik adalah.
𝜂𝑚𝑎𝑥 =
𝑇𝐻 − 𝑇𝐶 √1 + 𝑍𝑇 ∗ − 1
[
] . . . . . . . . (2.8)
𝑇𝐶
𝑇𝐻
∗
√1 + 𝑍𝑇 + 𝑇
𝐻
Dimana : T*
= Temperatur rata-rata Th dan Tc
Th dan Tc = Temperatur sisi Panas dan Dingin
Z
= Nilai figure of merit
11
Gambar 2.6. Efisiensi terhadap beda temperature dalam pengaruh ZT
Perangkat termoelektrik dapat menjadi pembangkit listrik dan menghasilkan
energi listrik ketiga terjadi perbedaan temperatur pada material di termoelektrik. Saat ini
efisiensi termoelektrik dalam pembangkit listrik sekitar 5% dan ZT < 1.
2.3.
Modul Termoelektrik
Modul termoelektrik adalah alat yang dapat mengubah energi panas dari
perbedaan temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya. Modul ini memanfaatkan
tiga efek termoelektrik yaitu seebeck, peltier dan Thomson. Konstruksi modul
termoelektrik terdiri dari pasangan material semikonduktor tipe-pe dan tipe-n.
2.3.1. TEG
Termoelektrik generator atau TEG menggunakan prinsip efek seebeck. Jika ada
dua buah material logam yang berbeda tersambung pada lingkungan dengan temperatur
yang berbeda, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak listrik.
Termoelektrik generator secara langsung mengubah energi panas menjadi energi listrik.
12
Gambar 2.7. Termoelektrik generator
Dengan perbedaan temperatur panas antara sisi panas dan sisi dingin pada
termoelektrik generator, pada elemen ini akan mengalir arus sehingga terjadi beda
tegangan. Secara umum termoelektrik generator mengunakan bahan BiTe Bismuth
Tellurid, dengan rentang temperature kerja hingga 350˚C[3]. Besarnya tegangan yang
dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur[6].
2.3.2. TEC
Termoelektrik cooler atau TEC menggunakan prinsip yang berkebalikan dari
TEG yaitu menggunakan efek peltier. Jika ada arus listrik yang mengalir melewati
rangkaian dari dua buah konduktor dengan material yang berbeda, akan terjadi kenaikan
dan penurunan temperatur pada junction yang bergantung pada arah aliran arus listrik.
Pembuangan panas dari sisi panas akan menurunkan temperatur pada sisi dingin dengan
cepat, besarnya penurunan temperatur begantung pada arus yang diberikan[6].
13
Gambar 2.8. Termoelektrik cooler
Modul TEC biasanya digunakan untuk sistem pendingin, seperti dispenser.
Ketika ada aliran arus listrik, elektron bergerak dari bahan tipe-p ke bahan tipe-n
menyerap energi panas pada junction sisi dingin. Elektron-elektron membuang
kelebihan energi pada junction sisi panas.
2.3.3. Efisiensi modul termoelektrik
Dalam penggunaan aplikasi pembangkit listrik terdapat jumlah maksimum
energi yang dapat digunakan. Jumlah ini adalah efisiensi karnot maksimum. Dalam
termoelektrik perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin, maka
semakin besar daya yang dihasilkan. Efisiensi karnot menggambarkan batas teoritis,
jika kita mempunyai mesin kalor yang paling ideal artinya mesin memiliki efisien
karnot 100%[5]. Untuk efisiensi termal berbeda, karena selalu lebih kecil dari efisiensi
karnot ideal. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa tidak semua kalor yang
diberikan dalam suatu mesin kalor dapat digunakan untuk melakukan kerja, efisiensi
karnot menetapkan nilai batas pada fraksi kalor yang dapat digunakan.
Sebagai perbandingan, pembangkit daya termoelektrik memiliki efisiensi karnot
paling rendah yaitu 5-8%. Sementara pembangkit daya lain seperti mesin diesel
memiliki efisiensi karnot sebesar 10-15%, turbin gas memiliki efisiensi karnot sebesar
30%. Power Chip diproyeksikan mencapai efisiensi karnot sekitar 70-80%, efisiensi ini
adalah yang paling besar dibandingkan dengan pembangkit daya yang lain.
14
Gambar 2.9. Perbandingan efisiensi peltier dengan pembangkit daya yang lain
2.4.
Dc-dc Step Up Converter
Pada skripsi ini menggunakan dc-dc step up converter untuk mengkonversi daya
listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik DC lainnya yang terkontrol arus, tegangan
atau keduanya. Untuk membuat tegangan keluaran lebih besar dari tegangan masukan
dengan menggunakan rangkaian dc-dc step up converter. Dc-dc step up converter atau
penaik tegangan akan membuat masukan dari termoelektrik generator menjadi lebih
besar dan stabil. Rangkaian ini menggunakan IC MAX 756.
2.4.1. Integrated Circuit (IC) MAX756
IC MAX 756 adalah salah satu IC dc-dc step up converter yang mempunyai
karakteristik dengan input tegangan minimum 0,7 volt, dengan keluaran maksium
berkisar 5 sampai 5,5 volt. Keluaran dc-dc step up converter bisa diatur pada 3,3 volt
atau 5 volt. IC MAX 756 mempunyai jumlah kaki sebanyak 8. Adapun konfigurasi dan
deskripsi pin nya sebagai berikut :
Gambar 2.10. Konfigurasi pin IC MAX 756
15
Tabel 2.1. Deskripsi pin IC MAX 756
Nomor Pin
Nama Pin
Fungsi
1
¯¯¯¯¯
SHDN
Shutdown input disables
SMPS when low
2
3/5̄
Memilih tegangan
keluaran; 5 V ketika low,
3,3 V ketika high
2.5.
3
REF
Tegangan referensi
4
LBO
Low Battery output
5
LBI
Low Battery input
6
OUT
Tegangan keluaran
7
GND
Ground
8
LX
Arus masukan
Konektor USB
USB atau Universal Serial Bus merupakan teknologi yang memungkinkan kita
untuk menghubungkan alat eksternal, bisa juga digunakan untuk mengisi baterai ponsel
dengan masukan 5 volt DC.
Gambar 2.11. Konfigurasi USB female
Tabel 2.2. Deskripsi pin USB female
Nomor Pin
Nama Pin
Fungsi
1
GND
Ground
2
D+
Data +
3
D-
Data -
4
VCC
Input tegangan
16