dengan mengkonversi energi panas, maka diperlukan kolektor atau pengumpul energi dari radiasi matahari. Melalui berbagai studi literatur maka pada penelitian ini dipilih bahan aspal sebagai kolektor radiasi matahari. Aspal memiliki banyak karakteristik yang menguntungkan sebagai kolektor matahari. Penelitian sebelumnya tentang aspal ini pernah dilakukan oleh Mallick. Dalam penelitiannya dikatakan bahwa, satu bagian aspal panas dapat tetap menghasilkan energi meskipun matahari telah terbenam dalam jangka tertentu. Hal ini dapat terjadi karena adanya panas yang tersimpan dalam aspal. Berbeda halnya pada sel surya photovoltaic konvensional yang hanya menyerap foton secara langsung[4]. Pertimbangan lain dari penggunaan aspal sebagai kolektor adalah material aspal sudah digunakan dibanyak tempat seperti areal jalan besar dan tempat parkir, sehingga tidak perlu mencari lahan tambahan untuk membangun energi matahari tersebut. Aspal yang secara alami dipanaskan oleh radiasi matahari tersebut selain bermanfaat untuk energi alternatif juga dapat mengurangi efek peningkatan panas perkotaan[3]. Penyerapan energi matahari yang cukup efektif menyebabkan suhu aspal relatif tinggi yang kemudian dilepaskan ke udara sekitar dalam bentuk emisi panas sehingga menyebabkan kenaikan suhu udara sekitarnya[4]. Oleh karena itu, sistem pembangkit listrik termoelektrik dengan memanfaatkan panas aspal jalan raya sangat cocok diaplikasikan pada kondisi tersebut. Penelitian ini dilakukan dengan tujuan untuk merancang dan membangun prototype Termoelektrik dan mengukur potensi daya Generator tersebut. Adapun permasalahan dalam penelitian ini membatasi percobaan pada model jalan raya beraspal yang dibangun di laboratorium. 2.
Kajian Teori 2.1. Termoelektrik Generator Termoelektrik adalah suatu pembangkit listrik yang didasarkan pada efek Seebeck, yang pertama kali ditemukan tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Dengan memanfaatkan teori efek seebeck, kalor radiasi surya ini bisa dimanfaatkan untuk menghasilkan arus listrik. Prinsip kerja dari efek Seebeck yang bekerja pada sistem pembangkit termoelektrik adalah : jikalau dua buah material logam (umumnya semi konduktor) yang tersambung berada di lingkungan dengan temperatur yang berbeda maka didalam material tersebut akan mengalir arus listrik[7].
Gambar 1. : Struktur Modul Termoelektrik
2
Struktur Modul Termoelektrik dapat dilihat pada Gambar 1. Gambar tersebut menunjukkan struktur termoelektrik yang terdiri dari suatu susunan elemen tipe-N (material dengan kelebihan elektron) dan tipe-P (material dengan kekurangan elektron). Panas masuk pada salah satu sisi dan dibuang dari sisi yang lainnya. Transfer panas tersebut menghasilkan suatu tegangan yang melewati sambungan termoelektrik dan besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur[9]. 2.2.
Intensitas Radiasi Matahari di Indonesia Tabel 1. Intensitas Radiasi Matahari di Indonesia
Propinsi
NAD SumSel Lampung DKI Jakarta Jawa Tengah DI Yogyakarta Jawa Timur KalBar Gorontalo SulTeng Papua Bali NTB NTT
Lokasi
[2]
Tahun Pengukuran
Pidie Ogan Komering Ulu Kab. Lampung Selatan Jakarta Utara Semarang Yogyakarta Pacitan Pontianak Gorontalo Donggala Jayapura Denpasar Kabupaten Sumbawa Ngada Intensitas radiasi rata –rata
1980 1979-1981 1972-1979 1965-1981 1979-1981 1980 1980 1991-1993 1991-1995 1991-1994 1992-1994 1977-1979 1991-1995 1975-1978
Intensitas Radiasi (Wh/m2) 4.097 4.951 5.234 4.187 5.488 4.500 4.300 4.552 4.911 5.512 5.720 5.263 5.747 5.117 4.800
Dari Tabel 1 diatas, didapatkan bahwa besarnya intensitas radiasi matahari rata-rata adalah sekitar 4,8 kWh/m2 per hari dengan energi sekitar 17,27 x 106 Joule. Dengan rata-rata intensitas tersebut, Indonesia tentu sangatlah mempunyai potensi untuk mengembangkan teknologi Generator Termoelektrik yang bisa memanfaatkan panas tersebut. 2.3.
Karakteristik Aspal sebagai Kolektor Matahari Aspal ialah bahan hidrokarbon yang bersifat melekat (adhesive), berwarna hitam kecoklatan, tahan terhadap air, dan visoelastis. Selain itu, aspal dapat bersifat padat pada suhu ruang dan bersifat cair bila dipanaskan dengan titik didih tertentu. Aspal tergolong dalam benda hitam yang ideal, dengan nilai emisivitas (ε) 0.83 – 0.96. Oleh karena kemampuan penyerapan radiasi yang tinggi menyebabkan aspal memiliki suhu yang tinggi pada saat siang hari. Melihat Potensi dalam penyerapan radiasi matahari yang efektif maka panas aspal sangat cocok dimanfaatkan sebagai kolektor energi matahari yang selanjutnya dapat dikonversi menjadi bentuk energi listrik.
3
3.
Metodologi Secara keseluruhan, desain Generator Termoelektrik dan strukturstrukturnya yang dirancang pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Desain Prototipe Generator Termoelektrik dengan aspal sebagai kolektor panas
Desain Generator Termoelektrik ini dirancang dengan menggunakan 20 buah Modul Termoelektrik. Modul Termoelektrik yang digunakan pada penelitian ini adalah jenis modul Thermoelectric cooler atau TEC1 – 12705 yang setiap modulnya terdiri dari 127 pasang elemen termoelektrik P dan N[7]. Komponen sistem ini diawali dengan lapisan aspal pada bagian kolektor yang menutupi lempeng plat logam (aluminium) di bawahnya. Gambar 3(a) menunjukkan deretan modul termoelektrik yang di sebar secara merata dengan tujuan dapat menghantarkan kalor dengan lebih efektif. Sedangkan Gambar (3b) memperlihatkan sistem pendingin yang terbuat dari aluminium yang diberi sirip atau sekat-sekat yang berfungsi untuk melepas panas yang diterima dari sumber panas (aspal).
(a) (b) Gambar 3. (a) Susunan Modul Termoelektrik dan (b) Sirip Pendingin Termoelektrik.
Proses pengambilan data dilakukan pada tengah hari sekitar pukul 13.55 – 14.55 WIB (60 menit) dengan tujuan bahwa pada tengah hari, intensitas matahari akan lebih banyak sehingga aspal dapat menyerap panas dengan efektif. Pengambilan data pada penelitian ini dilakukan dengan menggunakan tanah sebagai pendinginnya, seperti terlihat pada Gambar 4.
4
Gambar 4. Tanah sebagai pendingin
Sebelum Generator Termoelektrik diuji, aspal dipanaskan terlebih dahulu selama kurang lebih 60 menit, dengan tujuan agar suhunya menjadi lebih merata. Selanjutnya, alat ukur yang digunakan untuk mengukur suhu aspal adalah Termometer Infrared dan untuk mengukur tegangan yang dihasilkan oleh Generator Termoelektrik adalah multimeter digital yang dipasang pada keluaran (output) sistem. 4.
Hasil dan Analisa Generator Termoelektrik yang dibuat pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 5. Aspal yang terpasang diatas berfungsi sebagai kolektor panas yang nantinya akan diteruskan ke Modul Termoelektrik hingga ke sirip pendingin.
Gambar 5. Generator Termoelektrik
Waktu pengambilan data dilakukan selama 60 menit. Cara pengambilan data dalam penelitian ini adalah dengan mencatat kenaikan suhu aspal dan kenaikan tegangan Generator Termoelekrik selama selang waktu 5 menit. Daya yang dihasilkan dapat dihitung dengan menggunakan rumus, yaitu:
Dengan, P adalah Daya, R adalah hambatan dalam termoelektrik itu sendiri yaitu 60 Ω dan V adalah tegangan. Pada penelitian ini, Generator Termoelektrik mampu menghasilkan V hingga 3,514 Volt dan daya 0,2 Watt (data percobaan dapat dilihat pada lampiran 1). 5
Dari Gambar 6 dapat diamati bahwa terjadi kenaikan V di sepanjang melakukan percobaan selama 60 menit. Kenaikan tersebut bervariasi dari rentang waktu menit ke 0 – 20, V mengalami kenaikan yang signifikan dan pada menit ke 50 – 60 keniakan V berubah drastis.
V
3
ΔT
35 ΔT (oC)
V ( Volt)
V (Volt)
40
2
0
30 10
20 30 40 50 60 t (menit) 0 Gambar 6. Peningkatan V dan ΔT terhadap waktu pada suhu tanah 29,1 C yang dilakukan t (menit) dengan rentang waktu 13.55 – 14.55 WIB.
Begitu pula dengan perbedaan temperatur (ΔT) antara suhu aspal (TAspal) dan suhu tanah (TTanah) terhadap waktu terlihat bahwa dari menit pertama pengambilan data hingga menit ke 20, 30 – 35 dan 45 – 55 terjadi kenaikan ΔT kemudian menurun di menit ke 25, 40 dan 60. Peningkatan dan penurunan ΔT yang terjadi pada percobaan ini disebabkan oleh adanya peningkatan dan pernurunan intensitas cahaya matahari yang dapat diindikasikan oleh adanya peningkatan dan penurunan temperatur udara sekeliling.
0.2 Daya (P)
V P
Volt (V)
3 V
P
0.1
2
30
35
ΔT (0C)
0
40
Gambar 7. Peningkatan V dan P terhadap ΔT pada suhu tanah 29,1 C yang dilakukan dengan rentang waktu 13.55 – 14.55 WIB.
6
Gambar 7 memperlihatkan bahwa Faktor kenaikan V juga dipengaruhi oleh ΔT, secara keseluruhan dapat dikatakan bahwa semakin besar ΔT maka V yang dihasilkan juga semakin bertambah. Hasil tersebut sesuai dengan teori efek Seebeck, yaitu ketika terjadi perbedaan temperatur antara material semikonduktor yang berbeda, maka akan terjadi beda potensial listrik. Beda potensial listrik ini meningkat dengan semakin meningkatnya beda temperatur[8]. Namun pada percobaan tersebut, menit ke 25, 40 dan 60 nilai ΔT mengalami penurunan tetapi nilai V terus meningkat. Karena pada saat pengambilan data pengukuran suhu aspal diukur dipermukaannya. Maka dengan sifatnya (panas) yang merambat, suhu permukaan aspal tidak sama dengan permukaan Modul Termoelektrik. Oleh sebab itu, nilai V terus bertambah. Selain mempengaruhi besarnya V, ternyata ΔT juga berpengaruh pada nilai P yang dihasilkan. Pada gambar 7 diatas dapat dikatakan secara keseluruhan bahwa nilai P terus bertambah seiring dengan meningkatnya ΔT. 5.
Kesimpulan dan Saran Berdasarkan hasil pengujian yang dilakukan dibawah pengaruh panas matahari didapatkan bahwa sebuah Generator Termoelektrik yang dipasang 20 buah Modul Termoelektrik, dengan ΔT rata-rata 33,40C, mampu menghasilkan tegangan sekitar 3,514 Volt dengan daya keluaran yang dihasilkan adalah 0,2 Watt. Secara garis besar, daya yang dihasilkan dari Generator Termoelektrik ini masih cukup kecil. Akan tetapi, penelitian ini telah menunjukkan bahwa pembangkit termoelektrik memiliki prospek yang cerah dimasa yang akan datang sebagai sumber energi alternatif. Apalagi ditambah dengan potensi panjangnya jalan raya aspal di Indonesia yang setiap tahunnya terjadi peningkatan yaitu pada tahun 2009 yang mencapai 271.230 km[10]. Apabila seperempat dari panjang jalan raya aspal tersebut diaplikasikan suatu Generator Termoelektrik yang memanfaatkan panas aspal jalan raya, maka sumber energi alternatif ini setidaknya dapat menyumbang untuk mengatasi kelangkaan energi yang terjadi sekarang ini. Jika penelitian selanjutnya menggunakan aspal yang didesain seperti ini, diusahakan agar panas aspal yang disalurkan oleh aluminium tidak kontak langsung dengan suhu lingkungan sekitar, agar energi matahari yang diterima seluruhnya dapat disalurkan ke Modul Termoelektrik. Selain itu, pemilihan karakteristik Modul Termoelektrik juga perlu menjadi pertimbangan.
7
DAFTAR PUSTAKA [1]
Anonim, 2008. Pembangkit Listrik Tenaga Surya. http://b0cah.org/index.php?option=com content&task=view&id=485&itemid=39 (05/03/11) [2] Irawan Rahardjo, Ira Fitriana, “Analisis Potensi Pembangkit Listrik Tenaga Surya di Indonesia”. [3] Bao-Liang Chen, “Alternative energy hits the road”, Worcester Polytechnic Institute (WPI), 2008. [4] Rajib B. Mallick*), Bao-Liang Chen, Sankha Bhowmick, “Reduction of Urban Heat Island Effect through Harvest of Heat Energy from Asphalt Pavements”, Worcester Polytechnic Institute (WPI). [5] Zuryati Djafar*), Nandy Putra, R.A. Koestoer, “Kajian Eksperimental Pengembangan Generator Termoelektrik Sebagai Sumber Listrik”, UI Depok 16424, Indonesia, 2010. [6] Amien Rahardjo, Herlina, Husni Safruddin,”Optimalisasi Pemanfaatan Sel Surya pada Bangunan Komersial Secara Terintegrasi sebagai Bangunan Hemat Energi", Universitas Indonesia, Depok, Indonesia, 2008. [7] HB Corporation. Thermoelectric Cooler TEC-12705 Performance Specifications. www.alldatasheet. com. [8] N. Putra, H. Hardanu, P.A. Sugiarto, F.N. Iskandar, “Proceedings of 10th Quality in Research”, Depok, Indonesia, 2007, IMM-28. [9] Nandy Putra*), Raldi Artono Koestoer, M. Adhitya, Ardian Roekettino, dan Bayu Trianto, “Potensi Pembangkit Daya Termoelektrik Untuk Kendaraan Hibrid”. Depok 16424, Indonesia, 2009. [10] Badan Pusat Statistik Republik Indonesia (Statistics Indonesia), (8 /12/ 2011).
8
