article.download - Jurnal Unsyiah

KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro
e-ISSN: 2252-7036
Vol.1 No.3 2016: 57-62
Pemanfaatan Energi Panas Sebagai Pembangkit
Listrik Alternatif Berskala Kecil Dengan
Menggunakan Termoelektrik
Muammar Khalid#1, Mahdi Syukri*2, Mansur Gapy#3
#
Jurusan Teknik Elektro dan Komputer, Fakultas Teknik, Universitas Syiah Kuala
Jl. Tgk. Syech Abdurrauf No. 7, Darussalam, Banda Aceh, 23111, Aceh, Indonesia
[email protected]
[email protected]
[email protected]
Abstrak— Dengan semakin majunya perkembangan zaman
membuat kebutuhan akan energi listrik kian meningkat.
Berbagai usaha dilakukan untuk mencari sumber energi listrik
baru, salah satunya dengan pembangkit energi listrik dengan
kapasitas mikro yang memamfaatkan energi panas.
Pemamfaatan energi panas sebagai pembangkit energi listrik
dengan kapasitas mikro dapat dilakukan dengan menggunakan
elemen termoelektrik. Penelitian ini bertujuan untuk
mengetahui karakteristik serta unjuk kerja dari termoelektrik
sebagai pembangkit energi listrik. Penelitian ini menggunakan
termoelektrik tipe TEC1-12706 dengan aluminium sebagai
penerima panas dan heatsink sebagai media pendingin. Variasi
penelitian meliputi antara lain rangkaian termoelektrik tanpa
beban dan berbeban yang dirangkai seri. Sumber panas yang
dipilih yaitu sinar matahari dan api. Hasil penelitian
menunjukkan panas dari matahari dan api dapat menjadi
sumber energi listrik dengan kapasitas mikro yang cukup
potensial. 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai secara
seri menghasilkan tegangan sebesar 1.4 V ketika plat
aluminium menyerap sinar matahari dengan beda temperatur
antara sisi panas dan sisi dingin sebesar 31 K. Pada pengujian 4
buah modul termoelektrik yang dirangkai seri dengan beban
10 ohm, didapat efisiensi maksimal dari pembangkit yaitu
0.314% pada menit ke 60 sejak pemaparan sinar matahari
dengan ∆T sebesar 30 K. Pada pengujian dengan beban panas
api, didapat efisiensi maksimal dari pembangkit yaitu 1% pada
menit ke 6 sejak pemanasan dengan ∆T sebesar 63.5 K. Dari
hasil ini dapat disimpulkan, termoelektrik dapat menghasilkan
listrik dengan memamfaatkan energi panas.
pembangkit listrik dengan kapasitas mikro yang salah
satunya adalah dengan memamfaatkan energi panas[1].
Energi panas tersebut antara lain berasal dari sinar matahari
dan benda-benda yang melepaskan panas, seperti setrika,
panas pembakaran dapur industri dan knalpot kendaraan
bermotor.
Jika ditinjau dari letak geografisnya, Indonesia terletak di
garis khatulistiwa, sehingga mempunyai potensi sumber
energi surya yang berlimpah. Dalam suatu penelitian
disebutkan bahwa intensitas radiasi matahari rata-rata sekitar
4,8 kWh/m2 perhari diseluruh wilayah Indonesia[2].
Termoelektrik merupakan sebuah teknologi yang
berfungsi untuk mengkonversi energi panas menjadi energi
listrik secara lansung. Untuk menghasilkan listrik, material
termoelektrik cukup diletakkan sedemikian rupa dalam
sistem yang menghubungkan antara sumber sisi panas dan
sisi dingin. Dari mekanisme ini dapat dihasilkan sejumlah
arus listrik[5].
II. TINJAUAN PUSTAKA
A. Termoelektrik
Termoelektrik adalah proses konversi langsung dari
suatu perbedaan
suhu menjadi tegangan listrik atau
sebaliknya. Sebuah perangkat modul termoelectrik
menghasilkan tegangan ketika ada suhu yang berbeda di
setiap sisi. Sebaliknya, bila termoelectrik diberi tegangan
listrik, akan menciptakan perbedaan suhu.
Kata Kunci— Thermoelectric, koefisien Seebeck, Perbedaan
Temperatur, Energi Panas
B. . Elemen Termoelektrik
Elemen termoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe N
dan tipe P yang bagian atas dan bawah dilapisi dengan
konduktor tembaga sebagai penghubung satu sama lain
antara tipe N dan tipe P. Konduktor tembaga pada
termoelektrik membantu perpindahan electron-elektron
untuk dapat bergerak bebas. Apabila batang logam
dipanaskan dan didinginkan pada dua kutub batang logam
tersebut, electron pada sisi panas logam akan bergerak aktif
dan memiliki kecepatan aliran yang lebih tinggi
dibandingkan pada sisi bagian dingin logam.
I. PENDAHULUAN
Listrik bagi manusia di zaman modern merupakan
kebutuhan besar yang tidak bisa dihindarkan. Setiap orang
pasti membutuhkan listrik untuk melakukan kegiatan seharihari, tak terkecuali masyarakat Indonesia. Di Indonesia ada
beberapa sumber energi yang dapat digunakan untuk
membangkitkan listrik yang dibedakan menjadi dua jenis.
Pertama, pembangkit listrik dengan kapasitas makro yang
biasanya memamfaatkan air, uap, gas, dan nuklir. Kedua,
Vol.1 No.3 2016
57
@2016 kitektro
KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro
e-ISSN: 2252-7036
Vol.1 No.3 2016: 57-62

Bismuth Telluride Alloys
E. Spesifikasi Termoelektrik TEC1-12706
Modul termoelektrik TEC1 12706 yang dipergunakan
dalam penelitian ini adalah modul termoelektrik jenis
Termoelektrik Cooler dengan 127 pasang semikonduktor,
skema modul termoelektrik dapat dilihat pada gambar.
Berikut ini spesifikasi modul termoelektrik TEC1 12706 :
 Ukuran sisi 40 mm x 40 mm dengan tebal 3.8 mm
 Perbedaan temperature sisi panas dengan sisi dingin
maksimal (∆Tmax) sebesar 66 oC
 Arus listrik maksimal yang mengalir (Imax) sebesar 6
Ampere
 Tegangan listrik maksimal yang diperbolehkan (Vmax)
sebesar 14,4 volt
 Material
keramik
Electrical
Insulator
yang
dipergunakan adalah Aluminia (Al2O3)
 Temperatur maksimal dalam penggunaanya sebesar
138 oC
Gambar. 1 Rangkaian Ekivalen Termoelektrik
Seperti yang terlihat pada gambar diatas, sebuah
termoelektrik diwakili oleh rangkaian thermo-listrik dimana
generator (TEG) diletakkan diantara 2 reservoir suhu yaitu
sisi panas (TH) dan sisi dingin (TC). Kedua suhu ini (∆T)
berpengaruh pada besaran energi panas (QH) yang diserap
oleh termoelektrik serta besaran tegangan dan arus yang
akan dihasilkan. Sebuah TEG dikarakteristikkan dengan
adanya hambatan listrik isotermal (R), konduktansi termal
(K) dan koefisien seebeck (S).
III. METODE PENELITIAN
C. Koefisien Seebeck
Koefisien Seebeck menjelaskan bahwa pada saat
thermocouple dipanaskan, kondisi semikonduktor yang terisi
banyak elektron koefisien seebecknya bertanda negatif.
Sedangkan semikonduktor yang kekurangan elektron
koefisien seebecknya bertanda negatif. Sedangkan
semikonduktor yang kekurangan elektron koefisien
seebecknya bertanda positif. Jadi koefisien seebeck setiap
logam ada yang bernilai positif dan ada yang bernilai negatif.
Koefisien seebeck tergantung pada perbedaan suhu dan
perbedaan tegangan yang dihasilkan tergantung dari nilai
koefisien seebeck dan perbedaan temperatur. Perbedaan
tegangan dinyatakan dalam persamaan :
V = S x ∆T (Thot – Tcool)
Dimana :
V = Tegangan
S = Koefisien Seebeck
∆T = Perbedaan antara suhu panas dan suhu dingin
Dalam melakukan sebuah penelitian diperlukan adanya
metode yang sistematis sehingga penelitian dapat berjalan
sesuai dengan yang diharapkan. Penulis menggunakan
metode seperti gambar berikut :
(1)
D. Termoelektrik Generator
Thermoelectric power generating adalah suatu
pembangkit listrik yang didasarkan pada efek Seebeck, yang
pertama kali ditemukan pada tahun 1821 oleh Thomas
Johann Seebeck. Aplikasi penggunaan termoelektrik
Generator dapat digunakan secara luas terutama pada
pembangkit-pembangkit yang membutuhkan energy panas
sebagai sumber energy utama yang nantinya akan di
konversikan
menjadi
energy
listrik.
Penggunaan
termoelektrik generator ini juga cocok digunakan pada
pabrik-pabrik yang memiliki buangan panas yang besar
sehingga dapat dimamfaat sebagai pembangkit listrik. Secara
umum material-material yang digunakan pada termoelektrik
generator yaitu :
 Silicon Germanium
 Lead Telluride
Vol.1 No.3 2016
Gambar. 2 Diagram Alir Penelitian
Prosedur penelitian dilakukan dalam beberapa tahap
diantaranya, studi literatur, memilih peralatan, mendesain
prototipe pembangkit, perakitan prototipe dan dilakukan
pengujian alat, pengujian awal dan pengujian sistem ke
beban untuk mendapatkan hasil, dan penulisan laporan.
58
@2016 kitektro
KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro
e-ISSN: 2252-7036
Vol.1 No.3 2016: 57-62
Berikut adalah bahan-bahan yang digunakan dalam
penelitian ini:
C. Perangkaian Termoelektrik secara Seri
Dalam penelitian ini, susunan termoelektrik disusun
secara seri agar prototipe menghasilkan tegangan yang lebih
besar.
TABLE I
ALAT DAN BAHAN
No
1
2
3
4
5
6
7
8
Nama Bahan
Thermoeletric
Heatsink
Thermal pasta
Thermometer infrared
Multimeter digital
Lilin
Plat aluminium
Air
Jumlah
4
1
3
1
2
4
Secukupnya
Secukupnya
Gambar. 5 Skema rangkaian modul secara seri
D. Pegujian Termoelektrik
Adapun tahap pengujian prototipe termoelektrik dalam
penelitian ini adalah :
 Pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai
seri.
 Pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dibebani.
 Pengujian 4 buah modul termoelektrik yang dirangkai
seri dengan sumber panas api.
Gambar. 3 Model pembangkit termoelektrik panas matahari
A. Perancangan Kolektor Panas
Pada tahap ini peneliti merancang sebuah kolektor panas
yang terbuat dari logam aluminium. Aluminium yang
digunakan memiliki ketebalan 2 mm dengan ukuran 25 x 30
cm. Agar proses penyerapan panas menjadi lebih maksimal,
maka plat aluminum tersebut di cat menjadi warna hitam.
Fungsi dari plat aluminium ini adalah untuk menyerap panas
matahari.
Gambar. 6 Skema Pengukuran Tegangan
B. Pemansangan Termoelektrik pada Heatsink
Heatsink yang digunakan berjumlah 2 buah dengan
ukuran masing-masing 10x20cm. Jumlah termoelektrik yang
dipasangkan pada tiap heatsink adalah 4 modul. Bagian
modul yang dipasangkan ke heatsink adalah bagian dingin
dari modul termoelektrik yaitu bagian yang ditandai dengan
sisi yang bertuliskan kode modul (dalam hal ini modul yang
digunakan adalah TEC1-12706).
Modul direkatkan dengan menggunakan thermal pasta
yang berguna agar proses pemindahan panas dari modul ke
heatsink menjadi lebih maksimal..
Gambar. 7 Skema Pengukuran Arus
Gambar. 4 Heatsink dan Termoelektrik
Gambar. 8 Ilustrasi Pengujian
Vol.1 No.3 2016
59
@2016 kitektro
KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro
e-ISSN: 2252-7036
Vol.1 No.3 2016: 57-62
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Dalam Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui output
yang dihasilkan modul termoelektrik yang dirangkai seri
baik ketika tidak berbeban maupun ketika modul diberi
beban.
yang diterima dari matahari. Plat aluminum akan menyerap
panas matahari secara perlahan-lahan sesuai keadaan cuaca
pada saat pengujian dilakukan. Temperatur maksimum yang
terukur pada plat aluminium saat pengujian berlangsung
adalah 331.7 K dengan tegangan maksimal 1.4 V pada menit
ke 60.
A. Pengujian 4 modul termoelektrik yang dirangkai seri
B. Pengujian 4 modul termoelektrik yang dibebani
TABLE 2
DATA HASIL PENGUJIAN
TABLE 3
DATA HASIL PENGUJIAN
Gambar. 9 Grafik hubungan ∆T dengan tegangan
Gambar. 10 Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus
Pada grafik dan tabel diatas dapat dilihat bahwa pengaruh
selisih suhu antar sisi panas dan dingin terhadap tegangan
output adalah berbanding lurus dimana semakin besar ∆T
dari temperatur panas pada plat aluminium dengan
temperatur dingin pada heatsink maka semakin besar pula
tegangan yang dihasilkan pada pengujian modul
termoelektrik ini. Hal ini sesuai dengan teori efek seebeck
yang sudah disebutkan pada bab 2 dimana besarnya tegangan
yang dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur yang
didapat.
Dapat dilihat pada menit 0 dan perbedaan temperature
antara sisi dingin dan panas masih belum besar, belum ada
tegangan yang dihasilkan. Namun pada menit ke 10,
tegangan mulai tercipta dengan ∆T sebesar 19 K.
Temperatur pada heatsink (sisi dingin) akan terjadi
perubahan dikarenakan temperatur heatsink mendapat
pengaruh dari lingkungan sekitar seperti angin, sehingga
temperatur heatsink perlahan-lahan akan menyesuaikan
dengan temperatur lingkungan sekitarnya. Temperatur pada
plat aluminum akan terjadi perubahan sesuai dengan panas
Gambar dan tabel diatas menunjukkan grafik hubungan
antara waktu pemanasan dengan besarnya ∆T yang
dihasilkan. Dari grafik tersebut dapat diketahui bahwa
semakin lama waktu pemanasan maka ∆T yang didapat juga
akan semakin besar. Dimana pada percobaan diatas, ∆T
terbesar yang didapatkan adalah pada menit ke 60 dengan
besar ∆T yaitu 31.5 K. Tentu saja teori ini bukanlah teori
absolut, karena besarnya ∆T yang didapat sangat terpengaruh
kepada paparan sinar matahari (panas). Bisa saja paparan
sinar matahari (panas) pada menit 40 lebih besar daripada
menit ke 60, hanya saja pada percobaan diatas, kenaikan ∆T
cenderung semakin tinggi seiring lamanya waktu pemaparan
sinar matahari (panas).
Gambar 10 menunjukkan grafik hubungan antara ∆T dan
tegangan yang dihasilkan. Menurut gambar diatas dapat
dilihat bahwa tegangan output akan semakin naik seiring
dengan kenaikan ∆T. Tegangan maksimum yang didapat dari
susunan 4 modul termoelektrik pada saat kondisi berbeban
resistor 10 ohm adalah 1.4 Volt dan 0.27 A dengan
perbedaan temperatur 31.5 K. Output ini didapat pada saat
pengukuran pukul 14.00 WIB (menit ke 60) dimana
intensitas panas matahari sedang sangat tinggi. Hasil
Vol.1 No.3 2016
60
@2016 kitektro
KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro
e-ISSN: 2252-7036
Vol.1 No.3 2016: 57-62
pengukuran diatas sesuai dengan teori efek seebeck yaitu
tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien
temperatur, semakin tinggi perbedaan temperatur (∆T) yang
didapat maka semakin tinggi pula tegangan dan arus yang
dihasilkan.
C. Pengujian 4 modul termoelektrik dengan panas api
TABLE 6
DATA HASIL PENGUJIAN
TABLE 4
DATA EFISIENSI
Setelah didapat nilai koefisien seebeck, yaitu sebesar
0.054 v/k maka dapat dicari besar tegangan yang dihasilkan.
Untuk mengukur tegangan yang dihasilkan, maka digunakan
persamaan (1) :
V = S x ∆T (TH – TC)
Untuk menghitung persentase galat hitung dan ukur
tegangan termoelektrik, digunakan rumus menghitung galat :
% galat =
Gambar. 11 Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan ∆T
× 100%
Gambar dan tabel diatas menunjukkan grafik hubungan
antara lamanya waktu pemanasan terhadap ∆T dan tegangan
yang dihasilkan. Seperti yang terlihat pada grafik diatas,
tegangan mulai muncul ketika adanya perbedaan suhu (∆T)
pada menit ke-2 yaitu sebesar 58.1 K dengan tegangan yang
dihasilkan yaitu 3.4 V. Kemudian tegangan output terus
meningkat seiring dengan besarnya ∆T yang terjadi hingga
mengalami puncak pada menit ke-6 dengan besar ∆T 63.5 K
dan tegangan output 4.1 V. Pada pengukuran menit ke 8, ∆T
yang didapat menurun dikarenakan suhu pada sisi dingin (air
dalam bejana aluminium) mengalami peningkatan suhu.
Peningkatan suhu ini diakibatkan oleh adanya konduksi
panas dari lilin ke air melalui aluminium. Akibat dari
peningkatan suhu pada air mengakibatkan ∆T yang
dihasilkan akan semakin mengecil yang berpengaruh
terhadap besarnya keluaran tegangan. Besaran arus yang
dihasilkan juga mengikuti besarnya tegangan yang
dihasilkan, dimana jika tegangannya semakin besar maka
arusnya pun akan ikut besar. Sebaliknya jika tegangan
mengecil, maka arus yang dihasilkan akan ikut mengecil.
Maka didapat galat tegangan ukur dan hitung yaitu :
TABLE 5
DATA HASIL GALAT
Pada table diatas dapat dilihat perbandingan antara
tegangan ukur dengan tegangan hasil perhitungan pada
setiap waktu. Tegangan yang dihasilkan semakin naik seiring
lamanya waktu pemanasan. Besaran galat rata-rata yang
dihasilkan yaitu 34.2 %. Galat yang didapat cukup besar, hal
ini mungkin diakibatkan dari kurangnya tingkat presisi alat
ukur yang digunakan.
Vol.1 No.3 2016
61
@2016 kitektro
KITEKTRO: Jurnal Online Teknik Elektro
e-ISSN: 2252-7036
Vol.1 No.3 2016: 57-62
berbanding lurus dengan kenaikan ∆T. Jika ∆T turun, maka
efisiensi juga akan ikut turun. Begitu juga sebaliknya.
Efisiensi terbesar yang dihasilkan terdapat pada menit ke-6
dimana ∆T pada saat itu adalah sebesar 63.5 K dengan besar
efisiensi 1 %.
TABLE 7
DATA EFISIENSI
V. KESIMPULAN
Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang
dirangkai secara seri tanpa beban didapatkan hasil tegangan
maksimal 1.4 V pada saat ∆T 31 K. Keadaan cuaca yang
tidak menentu menjadi penghambat dalam penelitian ini
dikarenakan modul termoelektrik tidak mendapatkan panas
secara konstan dan maksimal.
Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang
dirangkai seri dengan beban 10 ohm, didapat efisiensi
maksimal dari pembangkit yaitu 0.314% pada menit ke 60
dengan ∆T sebesar 31.5 K.
Pada pengujian 4 buah modul termoelektrik yang
dirangkai seri dengan sumber panas api didapat efisiensi
maksimal dari pembangkit yaitu 1 % pada menit ke-6
dengan ∆T sebesar 63.5 K. Sedangkan pada menit ke 8 mulai
terjadi penurunan ∆T yang diakibatkan oleh peningkatan
suhu yang terjadi dibagian pendingin (air) sehingga
mengakibatkan tegangan dan arus yang dihasilkan juga ikut
turun.
Dari keseluruhan percobaan dapat kita lihat bahwa
tegangan yang dihasilkan berbanding lurus dengan besarnya
∆T. Hal ini sesuai dengan karakteristik termoelektrik
berdasarkan teori dasar Seebeck dimana tegangan yang
dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur yang
didapat.
Setelah didapat nilai koefisien seebeck, yaitu sebesar
0.054 v/k maka dapat dicari besar tegangan yang dihasilkan.
TABLE 8
DATA HASIL GALAT
UCAPAN TERIMA KASIH
Puji syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT. Ucapan
terimakasih banyak kepada orang tua penulis yang telah
memberi dukungan dan motivasi. Kemudian terimakasih
kepada dosen pembimbing 1, Bapak Mahdi Syukri, S.T.,M.T
dan pembimbing 2 Bapak Ir. Mansur Gapy, M.T yang telah
membimbing dan membantu dalam penyempurnaan karya
ilmiah ini.
Gambar. 12 Grafik hubungan ∆T (K) dengan efisiensi pembangkit
Seperti yang terlihat pada gambar dan table diatas
menunjukkan bahwa kenaikan efisiensi pembangkit
REFERENSI
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
Adhi Gunawan. "Penggunaan Energi Panas pada Aspal Jalan Raya
Sebagai Energi Alternatif" Fakultas Teknik - Universitas Syiah Kuala,
Juli 2013.
Irawan Rahardjo, Ira Fitriana, "Analisis Potensi Pembangkit Listrik
Tenaga Surya di Indonesia". FPMIPA UPI – JICA Bandung, 2005.
Nandy Putra*), Raldi Artono Koestoer, M. Adhitya, Ardia
Roekettino, dan Bayu Trianto, "Potensi Pembangkit Daya
Termoelektrik Untuk Kendaraan Hibrid". UI Depok 16424, Indonesia,
2009.
Yani Sanwaty. "Prototipe Generator Solar Thermoelektrik
Memamfaatkan Energi Thermal Matahari". Fakultas Sains dan MIPA
- Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga, 2012.
Vol.1 No.3 2016
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
62
Zuryati Djafar*), Nandy Putra, R.A. Koesteor, "Kajian Eksperimental
Pengembangan Generator Termoelektrik Sebagai Sumber Listrik", UI
Depok 16424, Indonesia, 2010.
http://www.ieverred.com/TEG.html [Diakses : 9 Agustus 2016]
http://www.alldatasheet.com/ [Diakses : 20 September 2016]
Adrian Eoekettino, "Perancangan Awal dan Manufaktur
Thermoelektric Generator Menggunakan Dua Belas Modul
Thermoelectric Untuk Aplikasi Kedaraan Hibrid". Fakultas Teknik Universitas Indonesia. Juli 2008
http://id.wikipedia.org/wiki/Generator_termoelektrik [Diakses : 14
Juli 2016]
http://thermal.ferrotec.com/technology/thermoelectric/thermalRef11/
[Diakses : 25 September 2016]
@2016 kitektro