Theobroma cacao L
advertisement
JURNAL APLIKASI FISIKA VOLUME 8 NOMOR 1 FEBRUARI 2012 Pengaruh Beda Temperatur Terhadap Daya Modul Termolistrik Nur Untoro Jurusan Fisika FMIPA Universitas Haluoleo Kampus Bumi Tri Dharma Anduonohu, Kendari, Sulawesi Tenggara Abstrak Pembakit daya termolistrik (thermoelectric generator) telah lama digunakan untuk menghasilkan energi listrik secara langsung dari sumber panas. Keunggulan dari alat ini adalah sumber panas yang digunakan dari berbagai sumber, sehingga dapat digunakan untuk pemanfaatan panas yang terbuang atau limbah panas. Daya yang dihasilkan oleh suatu modul termolistrik bergantung pada beda temperatur antara dua sisi modul termolistrik tersebut. Penelitian ini mempelajari pengaruh beda temperatur terhadap daya maksimum modul termolistrik. Modul termolistrik yang digunakan berukuran 4cm x 4cm, dengan 56 sambungan. Pengujian dilakukan dengan memanaskan sisi panas termolistrik dengan pemanas berupa seterika listrik yang suplai tegangannya divariasikan. Daya listrik maksimum untuk berbagai beda temperatur diperkirakan berdasarkan hambatan dalam modul termolistrik dan koefisien Seebeck. Perkiraan daya maksimum diperbandingkan dengan daya listrik diukur dengan teknik pembebanan. Hasil pengujian menunjukkan daya maksimum modul termolistrik meningkat sebanding dengan kuadrat beda temperatur antara kedua sisi modul termolistrik. Kata kunci: modul termolistrik, hambatan dalam, koefisien Seebeck,daya maksimum Absract Thermoelectric generators module have long been used to generate electricity directly from heat sources. The advantages of this tool is the source of heat used from various sources, so it can be used for waste heat. Power generated by a thermoelectric module depends on the temperature difference between the two sides of the thermoelectric module. This research studied the effect of different temperature on the maximum power of thermoelectric module. Modules are used thermoelectric module sized 4cm x 4cm, with 56 couple. Tests carried out by heating the hot side thermoelectric module with iron, which the voltage was varied. The maximum electrical power for a variety of different temperatures were estimated from the internal resistance of the thermoelectric module and Seebeck coefficient. Estimated maximum power compared with the electrical power measured by the loading technique. Test results showed maximum power thermoelectric module increases proportional to the square of the temperature difference between the two sides of the thermoelectric module. Key words: thermoelectric module, resistivity, Seebeck coefficient, the maximum power Efek Seebeck dan efek peltier terus diteliti untuk berbagai jenis material yang mengarah pada pencarian material yang menghasilkan efisiensi tinggi dalam mengkonversi energi panas menjadi energi listrik atau sebaliknya. Peralatan yang bekerja berdasarkan efek Seebeck dan efek Peltier antara lain: termokopel, termofil, pendingin termolistrik, dan generator termolistrik. Generator listrik dikehendaki memiliki tegangan tertentu dan memiliki daya tertentu juga, sesuai kebutuhan. Berdasarkan efek 1. Pendahuluan Tahun 1826, seorang fisikawan Jerman bernama Thomas Johann Seebeck mempublikasikan penemuannya bahwa dua sebuah konduktor berbeda jenis yang disambung pada ujung-ujungnya dan terdapat gradien temperatur, maka akan menghasilkan tegangan listrik[1]. Gejala ini disebut efek Seebeck atau termoelektrik. Sebaliknya arus listrik dialirkan pada persambungan dua jenis logam akan menghasilkan perpindahan kalor, yang dikelal sebagai efek Peltier. 1 2 JAF, Vol. 8 No. 1 (2012), 1-5 Seebeck, potensial listrik yang dihasilkan oleh suatu modul termolistrik bergantung pada beda temperatur persambungannya. Oleh karenanya daya listrik yang dihasilkan juga bergantung pada perbedaan persambungannya. Bagaimana kebergantungan potensial listrik dan daya maksimum modul termolistrik dikaji lebih lanjut dalam penelitian ini. . 2. Dasar Teori Gradien temperatur pada sebatang logam menyebabkan perbedaan kerapatan pembawa muatan. Perbedaan rapat pembawa muatan ini menimbulkan difusi, di lain pihak perbedaan muatan juga menghasilakan medan listrik. Difusi pembawa muatan berlangsung dari rapat muatan tinggi ke rapat muatan rendah, atau dari temperatur rendah ke temperatur tinggi. Difusi pembwa muatan tersebut ditentang oleh medan listrik, hingga terjadi kesetimbangan. Dari peristiwa inilah gradien temperatur menghasilkan medan listrik. Penelitian lebih lanjut ternyata persambungan dua semikonduktor tipe p dan n menghasilkan tegangan lebih besar Gambar 2. EfekPeltier Temperatur mempengaruhi distribusi rapat muatan, semakin tinggi temperatur rapat pembawa muatan makin rendah, dan sebaliknya. Perbedaan temperatur dari titik ketitik dalam konduktor atau gradien temperatur perbedaan rapat pembawa muatan yang menyebabkan difusi. Difusi dihambat oleh kehadiran medan listrik yang menimbulkan menimbulkan potensial (built-in potential): S V Vhot Vcold / Thot Tcold (2) T Buit-in Potential Cold Th Tc hot Vc Vh Temperature gradient Gambar 3. Gradien temperatur menimbulkan perbedaan rapat pembawa muatan Gambar 1. Seebeck Arus listrik dalam konduktor isotermal J e nev neE E E (1) Bila konduktor A dengan koefisien Seebeck SA disambung ujung-ujungnya dengan konduktor B dengan koefisien Seebeck SB, dengan temperatur sambungan T1 dan T2, menghasil beda potensial : T2 V S A T S B T dT (3) T1 Penemuan Seebeck ini memberikan inspirasi pada Jean Charles Peltier untuk melihat Pengaruh Beda Temperatur Terhadap Daya Modul Termolistrik …………….……..(Nur Untoro) kebalikan dari fenomena tersebut. Dia mengalirkan listrik pada dua buah logam yang direkatkan dalam sebuah rangkaian. Ketika arus listrik dialirkan, terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam tersebut dan pelepasan panas pada sambungan yang lainnya. Pelepasan dan penyerapan panas ini saling berbalik begitu arah arus dibalik. Penemuan yang terjadi pada tahun 1834 ini kemudian dikenal dengan efek Peltier. Fluks panas J q nqv q J e J e e ZT (6) Dengan T adalah temperatur rata-rata: T TH TC 2 (7) Daya yang dihasilan termolistrik Panas/kalor yang masuk (QH) ke termolistrik sebagian diubah menjadi energi listrik dan panas buangan QC. [3] QH P QC (8) QH S I TH I 2 R KT A K L Termolistrik R R DC L (4) Dengan q adalah kalor per muatan, Je rapat arus listrik dan adalah koefisien Peltier. Performa material termolistrik dapat diungkapkan [2]: (5) Z S / Dengan Z adalah figure of merit dari material, S adalah koefisien Seebeck, adalah resitivitas, dan konduktivitas termal. Figure of merit ini dibuat menjadi tidak berdimensi dengan mengalikan temperature: S 2T 3 (9) (10) Dengan P adalah daya, R adalah hambatan divais, RL hambatan beban, K konduktansi, konduktivitas panas, A luas penampang divais, L panjang divais. Gambar 4. Model rangkaian termolistrik Daya P I 2 RL Voc I R RL Voc ST (11) T TH TC (14) (12) (13) Dari (12) dan (13), maka (11): 2 2 V ST (15) RL P oc RL R RL R RL Tampak bahwa daya yang dihasilkan sebanding dengan kuadrat beda temperatur persambungan. Daya maksimum Daya listrik yang dihasilkan oleh termolistrik yang bekerja pada beda temperatur tertentu bergantung pada beban RL, Untuk menentukan daya maksimum maka dilakukan diferensiasi (15) terhadap RL: RL dP d 2 ST 2 dRL dRL R R L R 2 2 RR L RL2 2 R 2 RL RL 2 ST R RL 4 ST 2 R RL2 R RL 4 2 Kondisi maksimum diperoleh saat dipenuhi jika RL = R. Daya maksimum menjadi dP 0, dRL 4 JAF, Vol. 8 No. 1 (2012), 1-5 Thermoelectric Pmax V oc RR R 2 R T R 1 T 4 R 2R 2 L A 2 (16) Efisiensi generator termolistrik Efisiensi menyatakan perbandingan daya output dibanding daya input T T M 1 (19) max H C T TH H M TC (20) Dengan Z adalah figure of merit, dan adalah resistivitas [6][7] Berdasarkan (5), (19) dan (20) efisiensi konversi akan lebih tinggi jika Z besar begitu juga TH. Figure of merit bernilai besar jika koefisien Seebeck besar, sedangkan resistivitas dan konduktivitas panas kecil. 3. Transformator variabel TH TC Metode Penelitian Daya modul termolistrik ditentukan dari hasil pengukuran dan hasil perhitungan. Perhitungan teoritis didasarkan pada nilai hambatan modul termo listrik dan koefisien Seebeck. Pengukuran daya dilakukan dengan teknik pembebanan pada beberapa beda temperature. Penelitian pengaruh beda temperature terhadap daya termolistrik digunakan modul termolistrik dengan ukuran 4cm x 4cm dengan 56 sambungan. Sisi panas ditempelkan pada hotplate, sisi dingin ditempel dengan heat sink. V A Hot Cold (17) Menurut Rowe, daya output maksimum meningkat secara parabolik dengan perbedaan temperatur[4] Dengan resistivitas bahan, nilainya bergantung bergantung pada temperatur [5]: o 1 T T0 (18) Koefisien dapat bernilai positif atau negatif bergantung pada jenis material. 1 M 1 Z TH TC 2 RL PLN Gambar 5. Rangkaian pengukuran pembebanan termolistrik 4. Hasil Penelitian Langkah pertama pengukuran hambatan termolistrik. Pengukuran hambatan termolistrik dilakukan dengan cara langsung dan tidak langsung. Pengukuran langsung sulit dilakukan, hal ini karena perbedaan temperature yang sangat kecil sekalipun akan menghasilkan ggl yang akan mengganggu pengukuran hambatan. Cara pengukuran langsung ditempuh dengan menyamakan temperatur yang dikontrol dari ggl yang dihasilkan. Jika ggl tepat nol, baru dilakukan pengukuran hambatan. Pengukuran hambatan pada temperatur 30oC adalah sebesar 3,6. Pengukuran hambatan tidak langsung dilakukan ketika termolistrik diberikan berikan panas, yaitu dengan analisa kurva pembebanan. Pengukuran pada TH = 51.5oC dan TC = 43.5oC atau temperatur rata-rata 47,5oC, potensial listrik yang dihasilkan Voc 0,5V dan I sc 0,115A , dan hambatan dalam R = 4,348. Berdasarkan hasil pengukuran dan persamaan (2) potensial listrik dari modul termolistrik dapat dinyatakan: V T 0,0625 T Sedangkan hambatan dalam termolistrik berdasarkan persamaan (16) dapat dinyatakan: RT 3,61 0,013405T Berdasarkan persamaan (14) daya maksimum modul termolistrik dapat diperkirakan: 0,0625T 1 T 0,25 4 R 3,61 0,013405T .Hasil perkiraan potensial listrik modul termolistrik dan hasil pengukuran adalah sebagai berikut: Pmax T 2 2 Pengaruh Beda Temperatur Terhadap Daya Modul Termolistrik …………….……..(Nur Untoro) 1.8 1.6 Potensial (volt) 1.4 1.2 1 V prediksi 0.8 V ukur 0.6 0.4 0.2 0 0 5 10 15 20 25 30 5 perbedaan temperatur rendah yaitu sebesar 24Co. Sekilas tampak bahwa pada perbedaan temperatur rendah menghasilkan daya tinggi, namun sebenarnya bila ditinjau efisiensinya rendah mengingat persamaan (15) dan (16). Jadi untuk menghasilkan modul termolistrik dengan efisiensi tinggi, sisi temperatur rendah Tc harus dipertahankan serendah mungkin. Perbedaan Temperatur (celsius derajat) Gambar 6. Pengaruh beda temperatur terhadap potensial termolistrik [8] Daya (watt) Berdasarkan Gambar 6 tampak bahwa hasil pengukuran beda potensial modul termo listrik berbanding lurus dengan beda temperatur persambungan, sesuai teori efek Seebeck. Pada beda temperatur 100Co modul termolistrik ini akan menghasilkan beda potensial 6,25V. Tegangan ini cocok untuk mensuplai sebuah radio transistor. Daya maksimum yang dihasilkan modul termolistrik adalah seperti Gambar 7. 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 P prediksi P ukur 0 10 20 30 Daftar Pustaka [1]. Duckworth, Henry E. Electricity and Magnetism, pp. 180-181. New York: Holt, Rinehart and Winston (1960). [2]. Rowe DM. Thermoelectric waste heat recovery as a renewable energy source. Int J Innov Energy Syst Power 2006; 1: 13-23. [3]. Cobble, M. H.,”Calculation of Generator Performance” CRC Handbook of Thermoelectrics, CRC Press, Inc., 1995 [4]. Rowe DM, Min G. Evaluation of thermoelectric modules for power generation. J Power Sources 1998; 73: 193-198. [5]. Halliday.D. Resnick. R. (diterjemah oleh Pantur Silaban dan Erwin Sucipto). Fisika jilid 2 edisi ke 3. Jakarta: Penerbit Erlangga, (1988). [6]. K.Uemura and I.A.Nishida: Thermoelectric Semiconductor and its Applications, Nikkan Kogyo Shimbun Ltd., Tokyo, (1988) in Japanese. 40 Beda Temperature (celsius derajat) Gambar 7. Pengaruh beda temperatur terhadap daya modul termolistrik [8] Perkiraan daya modul termo listrik pada perbedaan temperature rendah sangat dekat dengan hasil pengukuran. Pada beda temperatur lebih tinggi perkiraan daya sedikit lebi rendah dibanding hasil pengukuran. Hal ini terjadi diduga karena hubungan perubahan temperatur terhadap perubahan hambatan tidak linier. Pada temperatur tinggi perubahan hambatan lebih besar. Kondisi ini teramati jelas karena pendingin atau heat sink tidak berfungsi dengan baik. Pada temperatur tinggi 120oC, temperatur rendah 96oC, sehingga temperatur tinggi hanya menimbulkan [1]. vised Neural Network dan Aplikasinya”, Yogyakarta: Graha Ilmu, hal 33-46 [2]. Pandjaitan, L W., 2007, “Dasar-dasar Komputasi Cerdas”, Yogyakarta: Andi Offset, hal 89-92 [3]. Hines, W J, 1997, “MATLAB Supplement to Fuzzy and Neural Approaches in Engineering”, John Wiley & Sons, hal 6891 [4]. Siang, J.J., 2004, “Jaringan Saraf Tiruan dan Pemogramannya menggunakan MATLAB”, Yogyakarta, hal 97-113 [5]. Puspitaningrum, D, “Pengantar Jaringan Saraf Tiruan”, Yogyakarta: Andi Offset, 2006, hal 1-4/125-137 [6]. Arhami, M, 2005, “Pemograman MATLAB”, Yogyakarta: Andi Offset.
