BAB III PERANCANGAN DAN METODE PENELITIAN 3. 1. Perancangan Modul Percobaan Ada tiga hal penting yang harus diperhatikan saat merancang percobaan untuk melakukan pengujian terhadap thermoelectric generator yaitu bagian pemanas, bagian thermoelectric generator, dan bagian pendingin. Rancangan dari setiap bagian tersebut akan dijelaskan masing – masing seperti berikut.
3. 1. 1. Bagian Pemanas Panas buatan dihasilkan memakai transistor tipe 2N3055 melalui badan transistor. Transistor tersebut merupakan transistor daya yang didesain untuk penguat dan switching. Namun, untuk penelitian ini transistor tersebut digunakan sebagai penghasil panas yang dapat diatur besar temperaturnya. Jangkauan temperatur transistor beroperasi mulai dari –65 0C hingga mencapai 200 0C [9]. Oleh karena itu, dipilih transistor tipe 2N3055 sebagai penghasil panas karena temperatur kerjanya tinggi sehingga sesuai dengan yang diperlukan.
Gambar
3.1
menunjukkan
untai
pemanas
yang
dibuat
menggunakan transistor 2N3055.
Vcc +V
R1 100 Q1 2N3055 D1 1N4001
Gambar 3.1. Untai pemanas menggunakan 2N3055.
Untuk membuat temperatur yang berbeda dilakukan dengan cara mengubah – ubah nilai VCC. Dengan memberikan nilai VCC yang berbeda 14
menyebabkan arus yang mengalir melalui kaki basis dan kaki kolektor juga berubah. Semakin besar nilai VCC yang diberikan akan membuat arus yang mengalir juga bertambah sehingga temperatur yang dihasilkan juga semakin panas. Resistor R1 berfungsi untuk mengalirkan arus dari VCC ke kaki basis transistor. Dioda D1 yang terbuat dari bahan silikon / germanium memiliki tegangan buka sekitar 0,6 – 0,7 V yang mendekati nilai VBE transistor. Oleh karena itu, transistor berada dalam kondisi aktif. Transistor membutuhkan arus yang lebih kecil ketika temperaturnya lebih tinggi untuk mencapai kondisi yang sama ketika temperaturnya lebih rendah. Oleh sebab itu, badan dioda diletakkan bersentuhan dengan badan transistor supaya ikut panas sehingga tegangan dioda menurun. Saat tegangan dioda turun maka arus basis juga akan turun. Hal ini akan membuat temperatur yang dihasilkan lebih stabil. Penerima panas dari sumber panas digunakan pelat yang terbuat dari alumunium kemudian diwarna hitam dengan ukuran 19,7 x 9,7 (cm). Namun, ketika percobaan tidak semua menggunakan pelat aluminium sebagai penerima panas. Pelat aluminium digunakan hanya saat memanfaatkan sumber panas dari sinar matahari dan panas buatan. Selain itu, pelat aluminium berfungsi sebagai penahan elemen thermoelectric generator agar tidak berubah posisinya dengan memasangkan sekrup dengan heat sink.
3. 1. 2. Bagian Thermoelectric Thermoelectric generator yang digunakan untuk percobaan adalah tipe TEG127–40B yang diperoleh dari Everredtronics dengan spesifikasi seperti pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Spesifikasi TEG 127–40B. [4] P–N
Imax
Vmax
QcMax
Couples
(A)
(V)
ΔT = 0 (W)
127
12
15,2
113,0
DTmax
Dimensions
Qc = 0 (C)
(mm)
Th = 27 C
LxWxH
67
40 x 40 x 3,2
Resistance (Ω) 0,97
Pada kedua sisi TEG127–40B yaitu sisi panas dan sisi dingin diolesi dengan pasta termal yang bertujuan agar proses perambatan panas menjadi 15
lebih cepat baik antara sumber panas dengan sisi panas TEG127–40B dan antara sisi dingin TEG127–40B dengan heat sink. Hal ini perlu dilakukan karena dalam antarmuka apapun selalu terdapat rongga mikroskopis yang dapat menjebak udara masuk di antaranya sehingga mengakibatkan kerugian perambatan panas sebab terjadi proses perpindahan panas secara konveksi melalui medium udara. Dengan penggunaan pasta termal akan mengisi rongga mikroskopis tersebut sehingga meningkatkan konduktivitas termal. Namun, pemakaian pasta termal yang berlebihan akan mencegah kontak antarmuka sehingga konduktivitas termal akan berkurang. Umumnya pasta termal terbuat dari silikon dengan tambahan ZnO yang menghasilkan kinerja yang baik. Untuk kinerja maksimal dapat digunakan pasta termal dengan tambahan AIN atau BN yang akan mengurangi hambatan termal [10].
Gambar 3.2. Antarmuka dengan permukaan tidak rata.
3. 1. 3. Bagian Pendingin Sistem pendingin yang digunakan terdiri dari heat sink dan air. Penggunaan heat sink bertujuan untuk menyerap panas dari sisi dingin TEG127–40B. Heat sink terbuat dari aluminium dengan ukuran 19,7 x 9,7 (cm). Namun heat sink yang tersedia di pasaran harus diubah bentuknya terlebih dahulu agar dapat digunakan sebagaimana mestinya yaitu agar dapat mengalirkan air di dalamnya. Oleh karena itu, pada bagian dalam heat sink dibuat jalur – jalur yang akan dilalui air ketika mengalir dan pada bagian luar 16
ditutup dengan menggunakan aluminium. Jalur air yang dibuat seperti pada Gambar 3.3.
Gambar 3.3. Arah aliran air di dalam heat sink.
Sementara itu, air digunakan untuk membuat temperatur pada sisi dingin TEG127–40B menjadi lebih rendah. Air yang mengalir di dalam heat sink akan menyerap panas dan membuat panas terbuang bersamaan dengan air keluar dari heat sink. Air ditampung dalam dua buah tandon. Yang pertama diletakkan lebih tinggi dari heat sink sebagai penyuplai air masuk ke heat sink dan yang kedua diletakkan lebih rendah dari heat sink sebagai penampung air yang keluar dari heat sink. Sirkulasi aliran air dilakukan secara manual [2].
3. 1. 4. Komponen Tambahan Komponen tambahan berupa terminal blok yang digunakan untuk menghubungkan antara kabel – kabel dari elemen thermoelectric generator, hambatan beban, serta probe dari multimeter.
3. 1. 5. Perancangan Keseluruhan Rancangan percobaan dibedakan menjadi dua macam yaitu percobaan pertama menggunakan panas dari untai pemanas dan percobaan kedua memanfaatkan panas dari sumber panas yang terbuang. Percobaan pertama bertujuan untuk mengetahui karakteristik TEG127–40B sedangkan percobaan 17
kedua bertujuan untuk mengetahui seberapa besar pemanfaatan TEG127–40B. Pemasangan alat – alat ukur yang dipakai beserta perancangan percobaan baik pertama maupun kedua secara lengkap dapat dilihat pada Gambar 3.4 dan Gambar 3.5.
Untai Pemanas Termokopel Termometer
TEG127-40B
Multimeter
Termokopel Heat Sink
Gambar 3.4. Perancangan percobaan pertama. [4]
Termometer
Sumber Panas (sinar matahari, knalpot, setrika) Termokopel TEG127-40B
Multimeter
Termokopel
Tandon Air
Heat Sink
Tandon Air
Gambar 3.5. Perancangan percobaan kedua. [11]
3. 2. Macam Pengukuran Pengukuran yang dilakukan pada TEG127–40B ada dua macam yaitu pengukuran tegangan dan pengukuran temperatur. Di bawah ini akan dijelaskan mengenai cara pengukuran yang dilakukan beserta dengan alat ukur yang dipakai.
18
3. 2. 1. Pengukuran Tegangan Pengukuran tegangan dilakukan pada saat TEG127–40B mendapatkan panas dan tidak mendapatkan panas menggunakan multimeter.
V TEG127-40B
Gambar 3.6. Pengukuran tegangan TEG127–40B. [3]
Tabel 3.2. Spesifikasi FLUKE 26 III true RMS multimeter. Maximum
Accuracy
Resolution
DC V
1000 V
± (0,3 % + 1)
0,1 mV
DC A
10 A
± (1,5 % + 2)
0,01 mA
Multimeter yang digunakan bermerk FLUKE 26 III True RMS dengan spesifikasi seperti Tabel 3.2. Pengukuran menggunakan multimeter tersebut dapat diperoleh hasil dengan ralat yang kecil sebab memiliki tingkat akurasi yang tinggi.
3. 2. 2. Pengukuran Temperatur Pengukuran temperatur dilakukan pada sisi panas dan sisi dingin TEG127–40B saat mendapatkan panas dan tidak mendapatkan panas menggunakan termometer. Namun, pengukuran tidak dapat secara langsung dilakukan pada sisi panas dan sisi dingin TEG127–40B karena akan menimbulkan rongga yang membuat proses perambatan panas kurang maksimal. Jadi, pengukuran sisi panas dilakukan pada permukaan sumber panas dan sisi dingin dilakukan pada permukaan heat sink.
19
Lempeng Aluminium Knalpot Setrika Termokopel Termometer
TEG127-40B Termokopel Heat Sink
Gambar 3.7. Pengukuran temperatur sisi panas dan sisi dingin TEG127–40B. [3]
Termometer yang digunakan bermerk LUTRON tipe TM 914C sebagai tampilan yang memiliki spesifikasi seperti Tabel 3.3. Probe yang digunakan yaitu termokopel K dengan bahan pembentuknya adalah kromel (Nikel – Kromium) dan alumel (Alumunium – Nikel) tipe TP– 01. TP–01 dapat mengukur temperatur dengan jangkauan –40 0C hingga 250 0
C, memiliki respon yang cepat, dan cocok dipakai pada aplikasi secara umum. Cara pengukuran menggunakan termometer dan dua probe yaitu :
a. Masukkan probe pertama ke dalam socket T1. b. Masukkan probe kedua ke dalam socket T2. c. Display akan memperlihatkan temperatur dari probe pertama apabila slider berada di posisi T1. d. Display akan memperlihatkan temperatur dari probe kedua apabila slider berada di posisi T2. Polaritas yang tertera baik pada termometer dan probe ketika memasukkan probe ke dalam socket harus diperhatikan.
Tabel 3.3. Spesifikasi dual channel thermometer TM 914C. Display
3 ½ digits, 15 mm LCD, max. indication 1999
Sensor Type
Thermocouple K (NiCr – NiAl)
Measurement
Two channel input (T1, T2)
Range
–40 0C to 1200 0C
Resolution
1 0C
Accuracy
± (1 % + 1 0C)
Sampling Time
Approx. 0,4 second 20
Pengukuran menggunakan termometer dan probe tersebut dapat diperoleh hasil dengan ralat yang kecil sebab memiliki tingkat akurasi yang tinggi serta hasil dari dua masukan dapat diperoleh secara bersamaan dan cepat karena memiliki dua channel masukan dengan waktu sampling yang kecil.
3. 3. Variasi Percobaan Dilakukan variasi uji coba dengan maksud untuk mengetahui komposisi kerja yang bagaimana diperoleh hasil optimal ketika TEG127–40B beroperasi. Macam – macam variasi pengujian yang dilakukan saat pengambilan data akan dijelaskan di bawah ini.
3. 3. 1. Variasi Sumber Panas Pengujian variasi ini dilakukan untuk mendapatkan tingkat temperatur yang berbeda – beda serta mengetahui kriteria sumber panas bagaimanakah yang dapat dimanfaatkan agar memperoleh hasil secara maksimal [12]. Terdapat tiga sumber panas buangan yang dipilih yaitu sinar matahari, knalpot sepeda motor, dan setrika listrik. Masing – masing sumber panas akan dijelaskan berikut ini.
a. Sinar matahari. Pengujian dengan memanfaatkan sinar matahari sebagai sumber panas dilaksanakan selalu pada siang hari yaitu antara pukul 11.00 hingga pukul 14.00 WIB. Percobaan ini dilakukan pada 28 Juni 2012 hingga 3 Juli 2012 dengan temperatur lingkungan sekitar berkisar dari 28 0C hingga 35 0C.
21
Gambar 3.8. Percobaan dengan sumber panas sinar matahari.
b. Knalpot sepeda motor. Pengujian dengan memanfaatkan knalpot sepeda motor sebagai sumber panas dilaksanakan pada 5 Juli 2012 hingga 7 Juli 2012 mulai sore hari sampai malam hari. Temperatur lingkungan sekitar berkisar antara 26 0
C hingga 32 0C. Posisi gigi sepeda motor dalam keadaan netral dan tidak
digas.
Gambar 3.9. Percobaan dengan sumber panas knalpot sepeda motor.
22
c. Setrika listrik. Pengujian dengan memanfaatkan setrika listrik sebagai sumber panas dilaksanakan pada 17 Juni 2012 sampai 25 Juni 2012 di malam hari hingga pagi hari. Temperatur lingkungan sekitar berkisar antara 25 0C sampai 30 0
C. Ketika setrika tidak digunakan untuk menyetrika pakaian maka setrika
tidak diposisikan berdiri seperti pada umumnya namun alas setrika diposisikan berada di atas thermoelectric generator.
Gambar 3.10. Percobaan dengan sumber panas setrika listrik.
3. 3. 2. Variasi Hambatan Beban Untuk mengetahui hambatan dalam TEG127–40B sehingga dapat menghasilkan energi yang paling besar dengan mengatur hambatan beban pada keluaran untai [12]. Pengujian variasi hambatan beban yang dilakukan meliputi : 0,39 Ω, 0,5 Ω, 0,68 Ω, 1 Ω, 3,3 Ω, 4,7 Ω, 10 Ω, 15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω.
3. 3. 3. Variasi Jumlah dan Susunan Thermoelectric Generator Uji coba variasi ini dilakukan untuk mengetahui karakteristik arus, tegangan, dan daya dari masing – masing susunan TEG127–40B [12]. Uji coba variasi jumlah thermoelectric generator meliputi satu buah TEG127–40B dan empat buah TEG127–40B. Untuk empat buah TEG127–40B dilakukan pula pengujian susunan. Yang dimaksud susunan thermoelectric generator adalah dalam hal kelistrikan sementara keseluruhan elemen 23
thermoelectric generator mendapatkan panas secara paralel. Uji coba variasi susunan TEG127–40B meliputi secara seri yang terlihat pada Gambar 3.11 dan secara paralel dapat dilihat pada Gambar 3.12.
TEG127-40B
TEG127-40B
TEG127-40B
TEG127-40B
Gambar 3.11. Susunan TEG127–40B secara seri.
TEG127-40B
TEG127-40B
TEG127-40B
TEG127-40B
Gambar 3.12. Susunan TEG127–40B secara paralel.
24
