BAB II LANDASAN TEORI

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

3/5¯

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