KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN

KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN

Oleh: DWI HANDAYANI OKTORINA F14102117

2006 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

DWI HANDAYANI OKTORINA. F14102117. Kajian Karakteristik Modul Termoelektrik untuk Sistem Penyimpanan Dingin. Di bawah bimbingan: Armansyah H. Tambunan dan Leopold O. Nelwan. 2006 RINGKASAN Teknologi termoelektrik merupakan salah satu teknologi refrigerator tanpa menggunakan kompresor dan refrigeran. Sistem refrigerasi ini bekerja dengan mengkonversikan energi lisrik untuk menghasilkan dingin (termoelektrik refrigerator). Termoelektrik refrigerator memanfaatkan efek Peltier yangmenyebutkan bahwa bila dua buah metal atau bahan semi konduktor yang berbeda dihubungkan dan dialiri arus, maka akan terjadi perbedaan suhu. Kemudian modul termoelektrik akan menyerap panas yang ada disekitarnya pada satu sisi dan melepasnya pada sisi yang lain. Menurut Tambunan (2000), jika arus dilewatkan melalui suatu termokopel maka akan terjadi lima efek termoelektrik yang terdiri dari efek Seebeck, efek Peltier, efek Joulean, efek Thomson, dan efek konduksi panas. Kelima efek tersebut akan timbul bersama-sama pada saat sistem termoelektrik berlangsung. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji karakteristik modul termoelektrik untuk sistem penyimpanan dingin dengan menggunakan modul tipe TEC1-12706. Kajian karakteristik bahan meliputi kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik. Kesesuaian bahan ini terutama ditentukan oleh nilai figure of merit (Z). Besarnya nilai Z ini bergantung pada jenis bahan seperti yang biasa digunakan antara lain Bishmut Tellurium (B2Te3), Plumbum Tellurium (PbTe), Silicon Germanium (SiGe), dan Sb2T3. Semakin besar nilai Z, performansi dari modul akan semakin baik. Untuk meningkatkan nilai Z, bahan yang digunakan harus mempunyai nilai koefisien Seebeck (αpn) yang besar, nilai tahanan jenis listrik (ρ) yang kecil, dan nilai konduktivitas panas (k) yang kecil pula. Besarnya nilai koefisien Seebeck (αpn) rata-rata untuk 3 modul yang digunakan dalam pengujian adalah 3.59E-04 V/K, nilai tahanan jenis listriknya (ρp + ρn) sebesar 5.45E-06 Ωm, dan nilai konduktivitas panasnya (kp + kn) adalah 13.21 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-ratanya adalah sebesar 1.79E-03. Nilai Coefficient of Performance (COP) selain dipengaruhi oleh besarnya nilai kerja listrik (Pmasukan) juga dipengaruhi oleh besarnya kapasitas pendinginan yang dapat dilakukan oleh modul, sedangkan nilai kapasitas pendinginan tersebut sangat dipengaruhi oleh besarnya arus (I) yang mengalir pada modul, suhu pada terminal dingin (Td), dan perbedaan suhu antara terminal dingin dan terminal panas (∆T). Besarnya nilai arus rata-rata yang didapat adalah 8.66 A dengan tegangan rata rata sebesar 10.13 V. Dengan demikian, daya yang dipakai oleh modul termoeletrik rata-rata dalam kerjanya adalah sebesar 87.73 W. Besarnya nilai kapasitas pendinginan (Qo) rata-rata pada tiga kali pengujian adalah sebesar 49.13 W, sedangkan besarnya nilai kerja listrik rata-rata adalah sebesar 195.65 W, sehingga nilai COP rata-rata untuk 3 modul adalah sebesar 0.26.

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN

SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor

Oleh: DWI HANDAYANI OKTORINA F14102117

2006 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR

KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN

Oleh: Dwi Handayani Oktorina F14102117

Dilahirkan pada tanggal 12 Oktober 1984 Di Pekalongan, Jawa Tengah Tanggal lulus: ......................... Bogor, Agustus 2006 Disetujui oleh:

Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M.Si

Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan

Dosen Pembimbing II

Dosen Pembimbing I Mengetahui:

Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S Ketua Departemen Teknik Pertanian

RIWAYAT HIDUP

Penulis dilahirkan di Pekalongan, Jawa Tengah pada tanggal 12 Oktober 1984. Penulis merupakan putri kedua dari dua bersaudara dari pasangan Bapak Usman Hadi dan Ibu Siti Kudung Al Temu. Penulis mempunyai seorang kakak yang bernama Alfiadi Teguh Kurniawan. Pendidikan dasar diselesaikan pada tahun 1996 di SDN Panjang Wetan 05 Pekalongan, pendidikan lanjutan menengah pertama diselesaikan pada tahun 1999 di SLTP Negeri 2 Pekalongan. Kemudian penulis melanjutkan pendidikan lanjutan menengah atas yang diselesaikan pada tahun 2002 di SMU Negeri 1 Pekalongan. Penulis diterima sebagai mahasiswa di Institut Pertanian Bogor melalui jalur UMPTN (Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri) pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian dan menyelesaikan pendidikan sarjananya pada tahun 2006. Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif menjadi anggota Himateta (Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian) dan menjadi Pengurus Himateta periode 2005-2006. Penulis melakukan kegiatan Praktek Lapang di PT. Frisian Flag Indonesia, Ciracas – Jakarta dengan judul “Mempelajari Proses Pasteurisasi dan Pendinginan Susu Segar (Fresh Milk) di PT. Frisian Flag Indonesia Ciracas – Jakarta”. Selanjutnya penulis melakukan penelitian di Institut Pertanian Bogor sebagai tugas akhir untuk memperoleh gelar sarjana dengan judul “Kajian Karakteristik Modul Termoelektrik untuk Sistem Penyimpanan Dingin” di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan..

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-Nya yang tak berkesudahan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dan laporan skripsi ini dengan baik. Penyelesaian tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian. Dalam menyelesaikan penelitian dan skripsi ini penulis telah banyak dibantu oleh beberapa pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan selaku dosen pembimbing akademik atas segala bimbingan, nasehat, arahan dan motivasi selama masa studi, penelitian, dan penyelesaian tugas akhir. 2. Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M. Si sebagai dosen pembimbing II sekaligus dosen penguji atas bimbingan,

masukan dan nasehatnya untuk

kelengkapan skripsi. 3. Dr. Ir. I Made Dewa Subrata, M.Agr selaku dosen penguji atas masukan dan nasehatnya. 4. Hibah Penelitian Projek Due-Like. 5. Yang terkasih dan tersayang Papa, Mama dan mas Alfi atas segala doa, nasehat, motivasi serta dukungan moril dan material kepada penulis. 6. Teman-teman sepenelitian dan seperjuangan, Windi, Jakle, Vera dan Peri atas kebersamaan dan bantuannya selama penelitian. 7. Teman-teman di sub program studi Teknik Biosistem Pertanian dan teman-teman TEP angkatan ’39, serta teman-teman sekandang “PIM AE ZONE” (Nano, Miaw dan Yuli) atas dukungan, bantuan dan semangatnya selama penulis melakukan studi dan penyusunan skripsinya. 8. Semua pihak yang tidak bisa disebutkan namanya satu persatu yang telah membantu terlaksananya penelitian hingga tersusunnya laporan ini. Dengan segala kerendahan hati, penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kekurangan karena keterbatasan pengetahuan dan pengalaman

penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritikan sebagai bahan perbaikan laporan ini. Penulis berharap laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis pribadi maupun semua pihak yang memerlukannya. Bogor, Agustus 2006 Penulis

DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR ............................................................................... iv DAFTAR ISI .............................................................................................. vi DAFTAR TABEL

................................................................................... viii

DAFTAR GAMBAR .................................................................................. ix DAFTAR LAMPIRAN .............................................................................. xi DAFTAR SIMBOL .................................................................................... xii I.

PENDAHULUAN ............................................................................. 1 A. LATAR BELAKANG ................................................................. 1 B. TUJUAN ...................................................................................... 3

II.

TINJAUAN PUSTAKA .................................................................... 4 A. EFEK TERMOELEKTRIK ......................................................... 4 B. KINERJA REFRIGERATOR TERMOELEKTRIK ................... 11 C. PENERAPAN TERMOELEKTRIK ............................................ 15 D. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA .................. 16

III. METODE PENELITIAN ................................................................... 18 A. WAKTU DAN TEMPAT ............................................................ 18 B. BAHAN DAN ALAT .................................................................. 18 1. Modul Termoelektrik ............................................................. 18 2. Recorder ................................................................................. 19 3. Termokopel ............................................................................ 19 4. Baterai (accu) ......................................................................... 19 5. Multimeter .............................................................................. 20 6. Sirip Pendingin (heat sink) ..................................................... 20 C. PROSEDUR PERCOBAAN ........................................................ 21 D. PENGAMATAN DAN PENGUKURAN ................................... 24 1. Pengukuran Suhu ................................................................... 24 2. Pengukuran Arus .................................................................... 25 3. Pengukuran Tegangan ............................................................ 26

E. PERHITUNGAN ......................................................................... 26 1. Nilai Daya Listrik ................................................................... 26 2. Nilai Resistivitas atau Tahanan Jenis Listrik (ρp+ ρn) ............ 27 3. Nilai Figure of Merit (Z) ........................................................ 27 4. Nilai Konduktansi Panas Diantara Dua Sambungan (U) ....... 28 5. Nilai Koefisien Seebeck Pada Bahan (αpn) ............................ 28 6. Nilai Kapasitas Pendinginan (Qo) .......................................... 28 7. Nilai Panas Yang Timbul Pada Terminal Dingin (Qc) ........... 29 8. Nilai Efek Peltier (Φpn) ........................................................... 29 9. Nilai Konduktivitas Panas Pada Bahan (kp + kn) ................... 29 10. Nilai Kerja Listrik Yang Dilakukan Modul (Pmasukan) ............ 29 11. Nilai Koefisien Penampilan (COP) ........................................ 30 IV. HASIL DAN PEMBAHASAN .......................................................... 32 A. KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK ................... 32 B. COEFFICIENT OF PERFORMANCE (COP) ............................. 40 C. FIGURE OF MERIT (Z) .............................................................. 41 D. TEGANGAN LISTRIK ................................................................ 44 V.

KESIMPULAN DAN SARAN .......................................................... 46 A. KESIMPULAN ............................................................................ 46 B. SARAN ........................................................................................ 46

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................ 48 LAMPIRAN ............................................................................................... 50

DAFTAR TABEL Halaman o

Tabel 1. Koefisien Seebeck pada suhu 100 C (Culp, 1979) ................... 5 Tabel 2. Data hasil pengujian 3 modul TEC1-12706 dirangkai paralel ... 33 Tabel 3. Data hasil pengujian pada 3 kali ulangan ................................... 42

DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Rangkaian efek Seebeck ........................................................ 5 Gambar 2. Rangkaian efek Peltier ........................................................... 7 Gambar 3. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-p (Culp, 1979) ................................................................. 9 Gambar 4. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-n (Culp, 1979).................................................................. 9 Gambar 5. Diagram skematis fenomena termoelektrik untuk refrigerator (Culp dan Godfrey, 1979) ................................... 10 Gambar 6. Modul termoelektrik tipe TEC1-12706 .................................. 19 Gambar 7. Hybrid recorder ..................................................................... 19 Gambar 8. Baterai (accu) N70 ................................................................. 20 Gambar 9. Digital Multimeter .................................................................. 20 Gambar 10. Sirip pendingin (heat sink) ..................................................... 21 Gambar 11. Rangkaian modul termoelektrik ............................................. 21 Gambar 12. Titik-titik pengukuran pada modul termoelektrik .................. 22 Gambar 13. Rangkaian pengukuran ........................................................... 22 Gambar 14. Diagram skematik rangkaian pengujian ................................. 23 Gambar 15. Diagram alir perhitungan ....................................................... 26 Gambar 16. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 14 Juli 2006 selama 90 menit dengan Tl = 32.28 oC ............. 34 Gambar 17. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 15 Juli 2006 selama 45 menit dengan Tl = 31.6 oC ............... 35 Gambar 18. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 16 Juli 2006 selama 80 menit dengan Tl = 33.48 oC ............. 35 Gambar 19. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 7 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler ................... 38 Gambar 20. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 8 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler ................... 38

Gambar 21. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 9 Agustus 2006 tanpa menggunakan kontroler ...................... 38 Gambar 22. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 14 Juli 2006 ........................ 43 Gambar 23. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 15 Juli 2006 ........................ 44 Gambar 24. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 16 Juli 2006 ........................ 44

DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data percobaan dengan 3 modul termoelektrik yang dirangkai secara paralel ........................................................ 51 Lampiran 2. Data hasil perhitungan pengukuran dengan 3 modul termoelektrik yang dirangkai secara paralel ........................ 54 Lampiran 3. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus untuk 3 modul dirangkai secara paralel .......................................... 57 Lampiran 4. Grafik hubungan arus dengan suhu terminal dingin untuk percobaan dengan 3 modul dirangkai paralel ....................... 58 Lampiran 5. Data percobaan dengan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan baterai untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel .. 57 Lampiran 6. Hasil perhitungan data percobaan dengan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan baterai untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel ................................................................... 63 Lampiran 7. Data percobaan masing-masing modul termoelektrik ......... 67 Lampiran 8. Grafik hubungan waktu dengan suhu masing-masing modul termoelektrik ........................................................................ 68 Lampiran 9. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus masingmasing modul ....................................................................... 69 Lampiran 10. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan arus masingmasing modul ....................................................................... 70 Lampiran 11. Contoh perhitungan .............................................................. 71

DAFTAR SIMBOL Tp

= suhu sisi permukaan panas (oC)

Td

= suhu sisi permukaan dingin (oC)

Qo

= jumlah pindah panas ke permukaan dingin (Joule)

Φpn

= koefisien Peltier kaki semi konduktor tipe-p dan tipe-n (volt)

T(d atau p) = suhu sisi permukaan panas atau dingin (oC)

α pn

= koefisien Seebeck rerata kaki semi konduktor tipe-p dan tipe-n (volt/ oC)

Q

= jumlah pindah panas ke sambungan (Joule)

Ug

= konduktansi material refrigerator (watt/ oC)

U

= konduktivitas panas material kaki semi konduktor (watt/m oC)

Up

= konduktans kaki semi konduktor tipe-p (watt/ oC)

kp

= konduktivitas panas material kaki semi konduktor tipe-p (watt/m oC)

Un

= konduktans kaki semi konduktor tipe-n (watt/ oC)

kn

= konduktivitas panas material kaki semi konduktor tipe-n (watt/m oC)

ΔT

= beda suhu (oC)

I

= arus listrik (Ampere)

m

= jumlah pasangan kaki semi konduktor tipe-p dan tipe-n atau pellets

R

= resistans material refrigerator (oC/watt)

Rp

= resistans material kaki semi konduktor tipe-p (oC/watt)

Rn

= resistans material kaki semi konduktor tipe-n (oC/watt)

ρp

= resistivitas panas material semi konduktor tipe-p (m oC/watt)

ρn

= resistivitas panas material semi konduktor tipe-n (m oC/watt)

Lp

= panjang kaki semi konduktor tipe-p (m)

Ln

= panjang kaki semi konduktor tipe-n (m)

Ap

= luas penampang melintang kaki semi konduktor tipe-p (m2)

An

= luas penampang melintang kaki semi konduktor tipe-n (m2)

I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Pendinginan produk hasil pertanian adalah salah satu mata rantai penanganan pasca panen hasil pertanian yang penting untuk mempertahankan mutu produk, sebagai alternatif metode untuk memperpanjang masa simpan produk. Asas dasar penyimpanan dalam suhu dingin adalah menghambat respirasi oleh suhu rendah. Pendinginan dapat didefinisikan sebagai proses pengkondisian udara di sekitar produk yang disimpan sehingga mencapai suhu tertentu yang dapat menghambat proses pembusukan karena kegiatan enzimatik dalam bahan. Alat atau mesin yang biasa digunakan untuk pendinginan selain tipe kompresi uap, antara lain: mesin pendingin tipe absorpsi, adsorpsi, jet uap, dan pendinginan vakum. Salah satu jenis mesin pendingin yang umum digunakan pada jaman sekarang adalah mesin pendingin kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap), kemudian ke fase cair kembali secara berulang. Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Keragaan suatu siklus pendinginan umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Namun penggunaan refrigeran terutama yang mengandung klor (Cl) seperti freon atau CFC (Chlorofluorocarbon), ternyata tidak ramah lingkungan karena senyawa chlorin termasuk bahan perusak ozon (Ozon Depleting Substances = ODS), yaitu bahan yang dapat menyebabkan lapisan ozon di atmosfir bumi semakin menipis (UNEP, 1992). Zat-zat tadi selain dapat merusak lapisan ozon di atmosfer bumi, juga berdampak terhadap pemanasan global. Selain itu, di masa mendatang pada tahun 2020 diperkirakan kebutuhan energi akan bertambah sekitar 40% dari kebutuhan saat ini, sehingga diperlukan teknologi yang mampu menghasilkan energi alternatif.

Teknologi termoelektrik merupakan salah satu teknologi refrigerator (mesin pendingin) tanpa pemakaian refrigeran. Sistem refrigerasi ini bekerja dengan mengkonversi energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendinginan termoelektrik). Prinsip termoelektrik yang dipergunakan adalah efek Peltier yang menyatakan bahwa bila dua buah metal atau bahan semi konduktor yang berbeda dihubungkan dan diberi arus, maka akan terdapat perbedaan suhu. Jika material termoelektrik dialiri arus listrik, panas yang ada disekitarnya akan diserap dan dilepaskan pada bagian yang lain. Dengan demikian, untuk mendinginkan udara tidak diperlukan kompresor pendingin seperti halnya mesin-mesin pendingin konvensional. Pendingin termoelektrik (TEC, Thermoelectric Cooling) dalam bentuk modul dengan satu stage telah terpabrikasi secara luas dalam bentuk lempeng termoelektrik berukuran 40 x 40 mm2 atau 30 x 30 mm2. Modul dengan satu stage mampu menghasilkan beda suhu maksimal sebesar 73 K, dua stage dengan beda suhu maksimal 103 K, tiga stage dengan beda suhu maksimal 123 K, dan empat stage dengan beda suhu maksimal 132 K (Gromov, 2002). Menurut Buist (1997) dan Gromov (2002), masing-masing modul dipengaruhi oleh beda suhu maksimum, panas maksimum yang dihasilkan, arus maksimum, dan tegangan maksimum. Material bahan modul yang banyak dipergunakan untuk pembuatan efek Peltier ini pada umumnya adalah semi konduktor Bismuth Tellurium (B2Te3), Plumbum Tellurium (PbTe), Silicon Germanium (SiGe), dan Sb2T3. Dalam penelitian ini akan dikaji masalah karakteristik bahan modul pada alat pendingin termoelektrik, yaitu termoelektrik tipe TEC1-12706 dengan alasan bahwa modul mudah didapat dan harga relatif murah. Kajian karakteristik bahan meliputi kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik. Kesesuaian bahan-bahan ini terutama ditentukan oleh nilai figure of merit (Z). Besarnya nilai Z ini sangat bergantung pada sifat-sifat bahan yang digunakan. Semakin besar nilai Z, performansi termoelektrik akan semakin baik. Untuk mendapatkan nilai Z

maksimum, parameter bahan termoelektrik harus memenuhi syarat sebagai berikut: koefisien Seebeck (S) harus besar, tahanan jenis listrik (ρ) harus kecil, dan konduktivitas panas (k) harus kecil. B. TUJUAN PUSTAKA Penelitian ini bertujuan mengetahui karakteristik modul termoelektrik untuk sistem penyimpanan dingin.

II. TINJAUAN PUSTAKA A. EFEK TERMOELEKTRIK Fenomena termoelektrik didasarkan kepada efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas J. Seebeck pada tahun 1822, efek Peltier ditemukan oleh J. C. A. Peltier pada tahun 1844, dan efek Thomson yang ditemukan oleh William Thomson atau Lord Kelvin pada tahun 1854 (Culp, 1979). Joumot (1960) menyatakan, bahwa yang dimaksudkan dengan efek termoelektrik adalah segala fenomena yang melibatkan suatu pertukaran panas dan gaya gerak listrik (GGL). Bila pertukaran yang terjadi hanya dapat berlangsung satu arah saja, seperti dari GGL menjadi panas, tetapi tidak dapat terjadi dari panas menjadi listrik, maka proses tersebut disebut proses tak mampu balik bila pertukarannya juga dapat terjadi dalam arah kebalikannya. Menurut Tambunan (2000), jika arus dilewatkan melalui suatu termokopel maka akan terjadi lima efek termoelektrik yang terdiri dari efek Seebeck, efek Peltier, efek Joulean, efek Thomson, dan efek konduksi panas. Kelima efek tersebut akan timbul bersama-sama pada saat sistem termoelektrik berlangsung. Efek Seebeck menjelaskan, bahwa GGL akan timbul dalam rangkaian dari dua buah material yang berbeda (A dan B) dirangkaikan seperti pada Gambar 1, dan masing-masing ujungnya diletakkan pada suhu yang berbeda, maka akan terjadi arus listrik pada rangkaian tersebut. Arus listrik tersebut akan tetap mengalir selama dua ujung tersebut berada pada suhu yang berbeda. Jika material A bersifat lebih positif (+) terhadap logam B, maka arus akan mengalir dari A ke B melalui T1. Fenomena ini banyak diterapkan pada mekanisme pengukuran suhu dengan termokopel. Gaya Gerak Listrik (GGL) yang menghasilkan arus tersebut dikenal dengan “GGL termal Seebeck”. Hubungan antara besar suhu dengan GGL tersebut adalah: E = α (Tp – Td) ............................................................ (1) dengan: E = tegangan termoelektrik terinduksi (Volt)

α = koefisien Seebeck atau daya termoelektrik (V/K) Tp = suhu terminal panas (K) Td = suhu terminal dingin (K) A (+) T0

T1 aliran arus B (-) Gambar 1. Rangkaian efek Seebeck.

Koefisien Seebeck adalah sifat material dan memberikan kecepatan perubahan antara tegangan termoelektrik (E) dan (T) yang ditunjukkan dengan persamaan: α =

dE ..................................................................... .. (2) dT

Nilai koefisien Seebeck sangat berpengaruh terhadap karakteristik modul termoelektrik. Nilai koefisien Seebeck ini akan digunakan dalam perhitungan nilai figure of merit (Z). Nilai koefisien Seebeck berbeda untuk beberapa janis bahan seperti yang dicantumkan dalam tabel 1 berikut ini: Tabel 1. Koefisien Seebeck pada suhu 100 oC (Culp, 1979) Material Aluminium Besi Konstantan Tembaga Platinum Germanium Silikon

α(μV/K) - 0,2 + 13,6 - 47,0 + 3,5 - 5,2 + 375,0 - 455,0

Koefisien Seebeck untuk logam-logam dan paduannya sangat rendah nilainya jika dibandingkan dengan material-material semi konduktor (Tabel 1). Kombinasi besi-konstantan mempunyai koefisien Seebeck sebesar (+ 13,6) – (- 47,0) μV/K.

Koefisien Seebeck untuk semi konduktor n – p juga tinggi dan material tersebut umum digunakan dalam generator termoelektrik. Tegangan termoelektrik terinduksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian yang terdiri dari dua material dapat dihitung dengan persamaan: Tp

E =

∫ (α

Tp

a

Td

− α b )dT = ∫ α ab dT ..................................... (3) Td

dengan: αab = koefisien Seebeck kombinasi, ditentukan positif jika arus listrik (aliran muatan positif) mengalir dari material A ke B pada simpangan dingin di mana panas kombinasi ulang dilepaskan Tp = batas suhu tinggi Td = batas suhu rendah Semi konduktor tipe-n, adalah jenis semi konduktor dengan atom-atom tambahan ditambahkan ke lattice (kristal latis) yang mempunyai kelebihan 1 elektron dari yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan ikatan valensi. Jadi material mempunyai elektron negatif ekstra di dalam lattice, meskipun material tidak mempunyai keuntungan muatan karena adanya elektron tersebut. Semi konduktor tipe-p, adalah jenis semi konduktor dengan atomatom tambahan yang kekurangan 1 elektron untuk ditambahkan ke lattice memenuhi kebutuhan ikatan valensi. Hal itu menimbulkan hole (lubang) positif terhadap lattice meskipun material tetap bermuatan netral. Dalam konverter termoelektrik yang terbuat dari semi konduktor, keduanya (kelebihan elektron dan lubang) berpindah ke bagian yang dingin dimana keduanya ditumpuk dan digabungkan. Koefisien Seebeck kombinasi untuk

lattice ini, adalah αab = αpn = α-np, sehingga tegangan termoelektrik terkonduksi: Tp

E =

∫ (α

Td

Tp

p

− α n ) dT = ∫ α pn dT ................................... (4) Td

dengan: αpn = koefisien Seebeck kombinasi Suatu proses yang didasarkan pada fenomena termoelektrik, selain efek Seebeck sebagaimana telah dikemukakan, efek Peltier memegang

peranan penting. Jika arus dialirkan pada rangkaian dua konduktor yang berbeda, maka akan terjadi beda suhu pada kedua ujungnya (Gambar 2). Beda suhu tersebut terjadi karena sejumlah panas dilepas pada salah satu ujungnya dan sejumlah panas lagi diserap pada ujung lainnya. Hal tersebut berkebalikan dari efek Seebeck dan fenomena antara keduanya dapat dibalik, yaitu jika aliran arus berlawanan, maka material yang tadinya dipanaskan akan didinginkan dan yang tadinya didinginkan akan dipanaskan. Saat arus mengalir dari logam A (+) ke logam B (-) maka akan terjadi pelepasan panas pada T1 – ΔT, selanjutnya jika arus mengalir dari logam B (-) ke logam A (+) akan terjadi penyerapan panas pada T1 + ΔT. A (+) T1 – ΔT

T1 + ΔT aliran arus B (-) Gambar 2. Rangkaian efek Peltier.

Koefisisen Peltier untuk suatu rangkaian yang terdiri dari material A dan material B ditandai dengan Φab dan didefinisikan sebagai: Φab =

−Q ...........................................................................(5) I ab

dengan: - Q = jumlah perpindahan panas dari simpangan (watt) Iab

= arus searah yang mengalir di dalam generator (ampere)

Sebagaimana koefisien Seebeck, koefisien Peltier merupakan fungsi kuat arus terhadap suhu. Hubungannya dengan koefisien Seebeck seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: Φab = T(d dengan:

atau p)

αab = T(d atau p) (αa – αb) = -Φab ..................(6)

T(d atau p) = suhu mutlak bagian dingin (Td) atau suhu mutlak bagian panas (Tp). Koefisien Peltier Φab bernilai positif jika panas dibangkitkan, ketika arus searah mengalir dari material A ke B dalam simpangan. Efek Thomson menyatakan, bahwa terdapat penyerapan atau pelapasan secara bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan listrik secara simultan. Koefisien Thomson (τ) seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: τ =

Q ΔT ............................................................................(7) I

dengan: Q = jumlah perpindahan panas yang diserap konduktor ketika arus listrik mengalir ke arah suhu yang lebih tinggi (watt) Hubungan antara koefisien Thomson dan Seebeck seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: τ =T

dα .............................................................................(8) dT

Koefisien bernilai positif jika material dari tipe-p dan bernilai negatif jika material dari tipe-n. Hubungan suhu terhadap parameter efisiensi dari tipe-p dan n seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4. Efek Joulean, yaitu efek pembentukan panas akibat dari arus yang mengalir karena terbentuknya GGL pada efek Seebeck. Panas Joulean yang terbentuk sebesar: Qj = I2 R ..............................................................................(9) dimana: Qj = panas Joulean (watt) I

= arus (A)

R = total tahanan pada rangkaian (ohm) Efek konduksi yaitu jika salah satu ujung jembatan termokopel tersebut dipertahankan pada suhu yang lebih tinggi dari ujung lainnya, maka akan terjadi aliran panas ke ujung yang lebih dingin. Efek ini bersifat tak mampu balik, dan besarnya adalah: Qk = U (Tp – Td) ..................................................................(10) dimana:

U = koefisien panas keseluruhan (W/m2K)

Gambar 3. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-p (Culp, 1979).

Gambar 4. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-n (Culp, 1979). Gabungan semi konduktor tipe-p dan tipe-n membentuk satu modul termoelektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Diagram skematis fenomena termoelektrik untuk refrigerator (Culp dan Godfrey, 1979). Keseimbangan energi pada kedua sambungan panas dan dingin terdiri dari 4 (empat) bentuk energi (Culp, 1979), yaitu: 1. ± Q, sejumlah pindah panas dari sambungan ke sekelilingnya atau sebaliknya. 2. ± U ΔT, sejumlah pindah panas dari sambungan panas ke sambungan dingin melalui refrigerator. 3. ± αpn I = ± T(p atau d) I α pn , sejumlsh pindah panas karena efek Peltier. 4. I2

R 2

, hamburan daya di peralatan karena pemanasan Joulean (setengah

panas yang timbul berasal dari resistans di dalam masing-masing sambungan). Di bagian sambungan panas, jumlah perpindahan panas Peltier adalah m Φ pn I atau m α pn Tp I (dalam watt), dimana:

Tp

α pn =

α p − αn

∫T

Td

p

− Td

dT .............................................................(11)

R Daya masuk ke sambungan panas sama dengan I2 2

ditambah Qa,

sedangkan daya meninggalkan sambungan panas sama dengan U ΔT ditambah m α pn Tp I, sehingga: Qa +

I 2R

2

= m α pn Tp I + U (Tp − Td ) .................................(12)

atau Qa = m α pn Td I + U (Tp − Td ) −

I 2R

................................(13)

2

Panas dipindahkan dari sambungan ke sekelilingnya pada bagian sambungan dingin sama dengan – Qo dan semua bentuk daya lain akhirnya dipindahkan ke sambungan dingin, sehingga diperoleh persamaan: - Qo = m α pn Td I + U (T p − Td ) +

I 2R 2

...........................(14)

B. KINERJA REFRIGERATOR TERMOELEKTRIK Gambaran keuntungan setiap sistem refrigerator ditunjukkan dalam koefisien kinerja (unjuk kerja atau COP, Coefficient Of Performance) pendinginan yang didefinisikan sebagai: COP =

Qo Pmasukan

.....................................................................(15)

COP harus setinggi mungkin, dapat lebih besar atau lebih kecil dari satu. Keseimbangan energi pada sambungan dingin menunjukkan, bahwa bentuk daya masukan (Pmasukan), adalah: 1. Jumlah panas dipindahkan ke sambungan (Qo) 2. Jumlah perpindahan panas konduksi dari sambungan panas (U ΔT) R 3. Pemanasan Joulean dalam sambungan I2 2

Nilai-nilai parameter yang dimaksud adalah: U = m (Up + Un) .................................................................(16) R = m (Rp + Rn) .................................................................(17)

Nilai Up, Un, Rp, dan Rn seperti ditunjukkan pada persamaan-persamaan berikut: Up = Un = Rp = Rn =

k p Ap Lp

...........................................................................(18)

k n An ...........................................................................(19) Ln

ρ p Lp Ap

ρ n Ln An

..........................................................................(20) ...........................................................................(21)

Jumlah energi dibuang dari sambungan dingin adalah sama dengan jumlah aliran panas Peltier m α pn Tp I, sehingga memberikan persamaan berikut: Qo = m α pn Td I − U (T p − Td ) −

I 2R 2

...............................(22)

Daya dimasukkan ke refrigerator termoelektrik adalah perkalian arus dan tegangan masukan (I * vmasukan). Nilai tegangan masukan (vmasukan) adalah jumlah turun tegangan Peltier setiap sambungan ( m α pn ) dan turun tegangan karena resistans internal (I * R): vmasukan = m Φ pn + I R = m α pn ΔT + I R

.......................(23)

dan Pmasukan = m α pn ΔT I + I 2 R .............................................(24) Memasukkan persamaan (22) dan (24) ke persamaan (15), diperoleh nilai:

COP =

m α pn Td I − m α pn

Mengganti nilai N =

COP =

I 2R

− U ΔT 2 .......................................(25) ΔT I + I 2 R

R I m α pn

dan Z =

m 2 α 2pn U R

, maka persamaan (25) menjadi:

N 2 ΔT − 2 Z .....................................................(26) ΔT N + N 2

N Td −

dengan Z = figure of merit Figure of merit adalah fungsi sifat-sifat material refrigerator (αpn, U, dan R) dan dimensi kaki-kaki refrigerator (luas penampang dan panjang). Untuk memperbaiki efisiensi termis refrigerator, nilai Z harus sebesar mungkin. Apabila penetapan material untuk refrigerator termoelektrik telah ditentukan, maka hasil perkalian U dan R atau U * R yang bernilai minimum akan memberikan nilai Z maksimum (Zmaks) seperti ditunjukkan pada persamaan berikut:

⎛ k p A p k n An =⎜ + ⎜ Lp Ln ⎝

U*R

⎞ ⎛ ρ p L p ρ n Ln ⎟⎜ + ⎟ ⎜ Ap An ⎝ ⎠

⎞ 2 ⎟m ⎟ ⎠

kn ρ p ⎛ ⎞ = m 2 ⎜⎜ k p ρ p + k p ρ n x + + k n ρ n ⎟⎟ ...........(27) x ⎝ ⎠

dengan:

x=

A p Ln An Ln

Nilai x optimum yang memberikan nilai minimum U * R atau Zmaks dapat dihitung dengan menolkan diferensiasi U * Rg terhadap x (nol) atau

d (U ∗ R ) dx

= 0 , sehingga nilai x optimum adalah:

xopt =

A p Ln An Ln

ρ p kn

=

ρn k p

.....................................................(28)

dan hal itu memberikan: Zmaks =

(

α 2pn ρ p k p + ρ n kn

)

2

................................................(29)

Persamaan (29) tidak bergantung pada bentuk geometri sistem selama luas dan panjang elemen generator proporsional menurut resistansi listrik dan konduktivitas material seperti ditunjukkan pada persamaan (28). Untuk memperoleh nilai COP setinggi mungkin, nilai Z harus mempunyai nilai maksimum. Nilai N optimal untuk memperoleh COP

maksimum, dapat dihitung dengan mendiferensialkan persamaan (26) terhadap N yang sama dengan nol atau

Nopt =

R I opt m α pn

=

dCOP = 0 . Nilai N optimal adalah: dN

ΔT ....................................(30) 1 + Z maks Trerata − 1

Arus masukan optimum untuk COP maksimum adalah: Iopt =

m α pn N opt R

..................................................................(31)

Diasumsikan nilai dari Tp dan Td bernilai tetap untuk suatu refrigerator termoelektrik yang diberikan, jumlah pemompaan panas dari Td ke Tp adalah seperti ditunjukkan pada persamaan (22). Nilai maksimum jumlah perpindahan panas ke sambungan (Qdingin

(maks))

yang dapat dihitung sebagai

fungsi arus maksimum. Untuk arus terlalu tinggi bentuk pemanasan Joulean akan lebih menonjol, tetapi jika arus terlalu rendah jumlah pemompaan Peltier terlalu rendah. Nilai arus yang memberikan pemompaan maksimum didekati dengan: Imaks (Q) =

m α pn Td R

..............................................................(32)

Jika arus tersebut dijaga tetap untuk suatu refrigerator termoelektrik dan jumlah panas yang dipompa diturunkan, suhu pada bagian dingin akan mencapai nilai minimum ketika Qdingin mendekati nol. Suhu dingin tersebut didekati dengan: T’d =

Td + Z maks 1 + Z maks

Td2 2 ..............................................................(33) Td

Suatu suhu rerata lebih rendah dapat dicapai pada refrigerator termoelektrik, jika arus diturunkan ketika aliran panas dari sambungan dingin diturunkan. Mengacu ke persamaan (32) dan (33), suhu terendah yang dapat dicapai adalah: Td (min) =

1 + Z maks Tp − 1 Z maks

...................................................(34)

C. PENERAPAN TERMOELEKTRIK

Pada tahun 1977 Pesawat ruang angkasa Voyager I dan II telah memanfaatkan teknologi termoelektrik dengan plutonium-238 sebagai sumber panasnya (Radioisotop Thermoelectric Generators-RTGs). Sistem ini mampu membangkitkan listrik sebesar 400 W, serta secara kontinyu dan tanpa perawatan apapun. Voyager dapat mengirimkan data walau sudah terbang selama 30 tahun. Contoh menarik lainnya adalah yang dilakukan oleh Seiko Co. Ltd. Seiko memasarkan jam termoelektrik sejak tahun 1998 dengan nama Seiko Thermic. Jam ini memanfaatkan perbedaan suhu tubuh dengan suhu sekitarnya. Bahan yang digunakan adalah Bismuth-Tellurium yang mampu menghasilkan listrik sebesar 0.2 mV/ oC. Aplikasi termoelektrik yang lebih luas lagi adalah pendingin wine di hotel Jepang yang mempergunakan teknologi ini. Pendingin termoelektrik dapat diletakkan dengan leluasa di bawah tempat tidur karena tidak menimbulkan suara dan getaran. Mitsubishi saat ini juga sudah memproduksi kulkas termoelektrik yang mampu menghemat energi 20% dibandingkan dengan kulkas biasa. Dalam dunia komputer, termoelektrik dipergunakan untuk mendinginkan CPU komputer. Panas yang dihasilkan dari sumber panas dalam komputer digunakan untuk membangkitkan listrik, kemudian listrik itu dipergunakan untuk memutar kipas yang diarahkan ke sumber panas. Perangkat ini mampu menurunkan panas sekitar 32 oC. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini, seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, atau pemanfaatan panas bumi. Pemanfaatan teknologi termoelektrik dalam pendinginan bahan pangan masih jarang digunakan. Untuk itu masih banyak diperlukan pengembangan teknologi pendinginan termoelektrik untuk bahan pangan, khususnya bahan pangan pertanian.

D. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA

Zuhal (1989), melakukan penelitian karakteristik alat pendingin sistem termoelektrik dengan catu daya sel surya. Bahan modul yang digunakan adalah Bismuth-Tellurium (Bi2Te3) dengan jumlah 4 buah untuk satu kotak pendingin dengan ukuran 20 cm x 15 cm x 15 cm, dengan ketebalan alumunium 0.8 mm. Dari jenis bahan modul, dapat diketahui nilai koefisien Seebeck Bismuth-Tellurium sebesar 0.410 x 10-3 V/K. Hasil yang didapatkan adalah suhu modul terminal dingin (Td) sebesar 17.0 oC, suhu modul terminal panas (Tp) sebesar 27.6 oC, arus yang mengalir (I) sebesar 0.84 A, dan suhu lingkungan (Tl) sebesar 25.5 oC, sehingga diperoleh nilai figure of merit (Z) sebesar 0.0028. Suhu tersebut dapat tercapai setelah 3.5 jam pengujian. Modul termoelektrik yang digunakan pada penelitian Zuhal (1989) terdiri dari 71 pasang kaki tipe-p dan tipe-n. Dari data yang didapatkan, nilai kapasitas pendinginan setiap pasang kaki termoelektrik sebesar 0.027 W, sedangkan setiap modul terdiri dari 71 pasang kaki, sehingga nilai kapasitas pendinginan (Qo) dalam satu buah modul TE, yaitu sebesar 1.92 W. Dengan demikian 4 modul yang digunakan dalam kotak pendingin tersebut belum dapat mencukupi kebutuhan. Untuk dapat memenuhi kebutuhan yang sesuai dengan kapasitas pendinginannya, maka diperlukan 24 modul untuk satu kotak pendingin. Dapat diketahui juga nilai W sebesar 6.68 W untuk satu buah modul TE. Hal ini menunjukkan bahwa dalam 1 buah modul termoelektrik dapat memberikan kerja listrik sebesar 6.68

W. Dari nilai Qo dan W,

didapatkan nilai COP sebesar 0.29 dengan ΔT sebesar 10.6 K. Sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Trenggonowati (2005), melakukan pengkajian karakteristik bahan modul termoelektrik untuk sistem pendinginan dengan menggunakan bahan modul termoelektrik tipe TEC112706 yang mempunyai 127 pasang kaki. Dari jenis bahan modul, dapat diketahui nilai koefisien Seebeck rata-rata untuk satu pasangan kaki modul sebesar 0.86 x 10-3 V/K. Hasil yang didapatkan adalah suhu modul terminal dingin (Td) sebesar 6.9 oC, suhu modul terminal panas (Tp) sebesar 32.8 oC, arus yang mengalir (I) sebesar 2.34 A, dan nilai tegangan rata-rata sebesar 8.37 V, sehingga diperoleh nilai kerja rata-rata adalah sebesar 19.59 W.

Besarnya Qo untuk satu modul termoelektrik adalah sebesar 32.86 W, sedangkan besarnya nilai kerja listrik rata-rata untuk satu modul termoelektrik adalah sebesar 17.45 W, sehingga nilai COP adalah 1.88 dan figure of merit (Z) sebesar 0.0017.

III. METODE PENELITIAN A. WAKTU DAN TEMPAT

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei – Agustus 2006 dan bertempat di Laboratorium Pindah Panas dan Massa, Laboratorium Surya, Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. B. BAHAN DAN ALAT 1. Modul termoelektrik

Modul termoelektrik adalah komponen elektrik semi konduktor yang berfungsi untuk menyerap panas yang ada dalam kotak pendingin dan membuangnya ke lingkungan. Modul termoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini adalah tipe TEC1-12706. Dalam penggunaannya, modul termoelektrik membutuhkan media untuk membuang panas yang dihasilkan pada terminal panasnya. Media yang digunakan sebagai pembuang panas pada penelitian ini adalah sirip pendingin (heat sink) dan air. Semakin bagus sistem pembuangan panasnya, maka semakin rendah suhu yang dapat dicapai pada terminal dinginnya. Modul termoelektrik ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut: Ukuran = (40 x 40 x 3.8) mm A = 1.69 x 10-6 m2 L = 0.0016 m Imax = 6.4 Ampere Vmax = 14.9 Volt Qmax = 53 Watt (∆T = 0) ∆Tmax = 68 oC R = 1.98 ohm m = 128 pasang Modul termoelektrik tipe TEC1-12706 yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 6.

Gambar 6. Modul termoelektrik tipe TEC1-12706. 2. Recorder

Alat pencatat suhu yang digunakan adalah hybrid recorder dengan merk Yokogawa model 308123 Suffix–7/GP-IB No: 40 SB D 149 yang dapat menampilkan data hasil pengukuran secara digital. Hybrid recorder ini dapat dilihat pada Gambar 7.

Gambar 7. Hybrid recorder. 3. Termokopel

Termokopel yang digunakan adalah termokopel tipe T (C – C) pada beberapa titik pengukuran suhu yang dirangkai dengan Hybrid recorder. 4. Baterai (accu)

Termoelektrik dapat bekerja apabila dialiri arus searah (direct current). Arus ini dapat diperoleh dari baterai. Baterai yang digunakan

adalah baterai dengan kapasitas 70 Ah merk INCOE dengan model 65D31R (N70). Baterai ini dapat dilihat pada Gambar 8.

Gambar 8. Baterai (accu) N70. 5. Multimeter

Pengukuran nilai arus dan tegangan menggunakan digital multimeter. Digital multimeter yang digunakan untuk mengukur arus dirangkai secara seri antara baterai dan modul termoelektrik dengan merk Constant model 50, dan untuk mengukur tegangan digunakan digital multimeter dengan merk Uni-Trend model UT30F. Multimeter yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 9.

Gambar 9. Digital Multimeter. 6. Sirip pendingin (heat sink)

Sirip pendingin ini digunakan sebagai pembuangan panas pada terminal panas modul termoelektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 10 dengan ukuran 30 cm x 12 cm x 3 cm yang terbagi dalam 12 sirip.

Gambar 10. Sirip pendingin (heat sink). C. PROSEDUR PERCOBAAN

1. Menyiapkan recorder, modul termoelektrik, sirip pendingin, termokopel C – C, dan wadah berisi air. 2. Tiga modul yang digunakan untuk pengukuran dirangkai secara paralel. Terminal panas modul termoelektrik ditempatkan pada sirip pembuangan panas yang direndam dalam wadah sampai batas permukaan dari sirip pembuangan panas, sedangkan terminal dinginnya langsung ke ruangan yang akan didinginkan. Rangkaian modul tersebut dapat dilihat pada Gambar 11.

Gambar 11. Rangkaian modul termoelektrik. 3. Memasang termokopel pada hybrid recorder, dan ujung yang lainnya dipasang pada titik terminal dingin dan terminal panas modul termoelektrik, air pada wadah, dan lingkungan seperti yang terlihat pada Gambar 12.

Tl Td1

Td2

1

2

Tp1

Tp2

Ta

Td3 3

Tp3

Wadah berisi air

A

Keterangan: Td (1, 2, 3) = Titik pengukuran suhu terminal dingin pada modul 1, modul 2, dan modul 3 Tp (1, 2, 3) = Titik pengukuran suhu terminal panas pada modul 1, modul 2, dan modul 3 Tl

= Titik pengukuran suhu lingkungan

Ta

= Titik pengukuran suhu air dalam wadah

Gambar 12. Titik-titik pengukuran pada modul termoelektrik. 4. Memasang termokopel pada hybrid recorder, dan ujung yang lainnya dipasang pada titik terminal dingin dan terminal panas modul termoelektrik, air pada wadah, dan lingkungan seperti yang terlihat pada Gambar 12. 5. Modul termoelektrik, sirip pendingin, dan multimeter dirangkai jadi satu dan dihubungkan dengan baterai seperti pada Gambar 13.

Gambar 13. Rangkaian pengukuran.

Secara sistematik, diagram alir dari rangkaian pengujian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar 14.

Baterai

-

+

+ A -

-

+

Termoelektrik

-

V

+

Gambar 14. Diagram skematik rangkaian pengujian. Penelitian mengenai karakteristik bahan modul tipe TEC1-12706 ini dilakukan dengan studi pustaka baik dari buku, jurnal, skripsi, internet, dan lain-lain. Metode tersebut dilakukan karena ketidaktersediaan alat atau mesin untuk mengatahui karakteristik bahan modul tersebut. Data yang diperlukan adalah sifat listrik, konduktivitas panas, koefisien Seebeck, dan hambatan jenis (ρ, ohm. m). Dalam pembuatan modul termoelektrik, banyaknya pasangan p-n dan ukurannya didasarkan pada persamaan berikut: R= ρ

L ...............................................................................(35) A

dimana: R = Hambatan listrik (Ohm) ρ = Hambatan jenis (Ohm. m) L = Panjang bahan (m) A = Luas penampang (m2) Ukuran dari pasangan p-n didasarkan pada ukuran luas penampang dan panjang bahan yang digunakan. Hambatan listrik (R) yang diharapkan adalah kecil, agar panas akibat arus yang mengalir karena GGL juga kecil. Hambatan

listrik (R) yang kecil dapat diperoleh dengan cara memperkecil nilai L dan memperbesar nilai A. Dan untuk banyaknya pasangan didasarkan pada berapa hambatan listrik yang sesuai untuk satu modul termoelektrik. Kajian karakteristik modul termoelektrik meliputi beberapa hal, diantaranya suhu yang dihasilkan pada terminal panas dan terminal dingin, nilai figure of merit. Nilai figure of merit ini sangat berpengaruh dalam penentuan karakteristik lainnya. Semakin tinggi nilai figure of merit, maka COPnya makin tinggi. Persamaan untuk mengetahui nilai figure of merit adalah: Z= dimana:

( Z

(α

−α n )

2

p

k p ρ p + kn ρn

)

2

...................................................(36)

= figure of merit (1/ oC)

αp-n = koefisien Seebeck (μV) kp-n = konduktivitas panas (W/m oC) ρp-n = hambatan jenis (Ohm. m) D. PENGAMATAN DAN PENGUKURAN

Pengujian dilakukan dengan 3 kali percobaan pada kondisi rataan suhu lingkungan yang berbeda. Pengamatan dan pengukuran dilakukan terhadap: 1. Pengukuran suhu

Pengukuran

suhu

dilakukan

pada

berbagai

titik

dengan

menggunakan termokopel yang dihubungkan langsung ke recorder digital. Pengukuran dilakukan selama 45 menit, 80 menit, dan 90 menit sampai suhu konstan. Perbedaan waktu pengukuran ini juga dipengaruhi oleh kapasitas baterai pada saat pengukuran. Pengukuran dihentikan saat baterai pada tegangan minimum yaitu 6 volt agar tidak merusak baterai. Titik-titik pengukuran suhu adalah sebagai berikut: a. Suhu modul pada terminal dingin Suhu terminal dingin adalah suhu pada bagian dingin modul termoelektrik. Suhu terminal dingin ini bergantung pada besaran arus (I), yaitu arus yang digunakan oleh modul termoelektrik dan pada suhu

terminal panas. Dalam pemakaiannya, terminal dingin ini ditempelkan langsung pada sirip pendingin (evaporator) ke ruang pendingin dan alumunium kotak pendinginnya dilubangi seukuran modul. Dalam pengujiannya, terminal dingin berada dalam ruangan terbuka dan sangat dipengaruhi oleh besaran arus searah yang mengalir pada modul termoelektrik. Penentuan nilai suhu pada terminal dingin ini digunakan untuk menghitung kapasitas pendinginan dari modul termoelektrik, seperti tercantum pada persamaan (22). b. Suhu modul pada terminal panas Suhu terminal panas ini diperlukan untuk menghitung besarnya panas yang dilepaskan modul termoelektrik ke lingkungan. c. Suhu air pada wadah Air dalam wadah digunakan sebagai media pembuangan panas selain udara. Suhu air ini diperlukan untuk mengetahui kondisi air karena sangat mempengaruhi suhu dingin pada terminal dingin modul. Suhu air akan meningkat karena pengaruh dari panas yang dibuang dari terminal panas modul melalui sirip dan panas akan merambat ke terminal dingin, oleh karena itu air selalu diaduk agar penyebaran panasnya merata sehingga tidak berpengaruh banyak terhadap suhu pada terminal dinginnya. d. Suhu lingkungan Suhu lingkungan ini adalah suhu tempat pengujian modul termoelektrik. Data suhu lingkungan ini diperlukan untuk melihat seberapa jauh penurunan suhu pendinginan modul termoelektrik terhadap suhu lingkungan. 2. Pengukuran Arus

Pengukuran arus dilakukan setiap 5 menit selama waktu pengujian. Pengukuran arus ini menggunakan multimeter digital merk Constant model 50 yang dirangkai secara seri dengan modul dan baterai. Data arus ini digunakan untuk menghitung besarnya kapasitas pendinginan, panas yang timbul pada terminal panas dan nilai kerja baterai.

3. Pengukuran Tegangan

Pengukuran tegangan juga dilakukan setiap 5 menit selama waktu pengujian. Pengukuran tegangan ini dilakukan secara paralel terhadap modul dan baterai dengan menggunakan multimeter digital merk Uni-Trend model UT30F. Data pengukuran tegangan digunakan untuk menghitung besarnya daya listrik yang dipergunakan oleh modul termoelektrik. E. PERHITUNGAN MULAI

Qmax, ∆Tmax, R, m, L, A, ∆T, Td, Tp, V, I

P, (ρp + ρn), Z, U

αpn, Qo, Qc,

Φ, (kp + kn)

COP

SELASAI

Gambar 15. Diagram alir perhitungan. 1. Nilai Daya Listrik

Nilai daya listrik dipengaruhi oleh nilai tegangan dan arus yang mengalir pada modul termoelektrik. Besarnya daya listrik yang dipergunakan oleh modul ini dapat dihitung menurut persamaan berikut:

P = V x I .........................................................................(37) Dimana P = Daya listrik (W) V= Tegangan terukur (V) I = Arus terukur (A) 2. Nilai Resistivitas atau Tahanan Jenis Listrik (ρp + ρn)

Resistivitas atau tahanan jenis listrik dipengaruhi oleh nilai resistivitas bahan kaki modul, panjang dan luas penampang kaki modul. Semakin panjang kaki modul semakin besar nilai reisistivitasnya, namun sebaliknya semakin besar luas penampang kaki modul maka semakin kecil nilai

resistivitasnya.

Kaki-kaki

atau

elemen-elemen

dari

modul

termoelektrik dihubungkan seri untuk aliran listrik dan dihubungkan paralel untuk aliran panas (Culp, 1979). Nilai resistivitas atau tahanan jenis listrik (R) yang terhubung seri dapat dilihat pada persamaan (17), (20) dan (21) sehingga didapat persamaan berikut: ⎛ ρ p × L ρn × L ⎞ ⎟ ..............................................(38) R = m ⎜⎜ + ⎟ A A ⎝ ⎠

(ρ

p

+ ρn )=

R× A ..........................................................(39) m× L

Dimana R = Tahanan listrik teoritis (Ω) m = Jumlah pasang kaki semi konduktor L = Panjang kaki semi konduktor (m) A = Luas penampang melintang kaki semi konduktor (m2) 3. Nilai Figure of Merit (Z)

Nilai Z sangat penting dalam pendinginan termoelektrik. Semakin besar harga Z, performansi dari modul termoelektrik akan semakin baik dan ∆T akan semakin besar. Satuan figure of merit adalah per derajat suhu dan besarnya nilai Z ini sangat bergantung dari sifat-sifat bahan yang digunakan. Nilai Z ini dapat dihitung dari rumus ∆Tmax pada saat Qo sama dengan nol, yaitu:

(T

p

− Td )max = 0.5 Z Td 2 ................................................(40)

Z=

ΔTmax

0.5 × Td

2

.................................................................(41)

Dimana Td = Suhu terminal dingin (oC) 4. Nilai Konduktansi Panas Diantara Dua Sambungan (U)

Tingkat perpindahan panas bergantung pada perbedaan suhu (∆T) dan konduktivitas jenis. Menurut hukum Wiedemann-Franz, nilai konduktivitas panas semakin meningkat dengan bertambahnya kecepatan rata-rata partikel dalam perpindahan energi. Nilai konduktivitas panas dapat dihitung dari rumus pada persamaan berikut: Qomax = U (0.5 x Z x Td2 - ∆T) ....................................(42) U =

Qo max

(0.5 × Z × T

2 d

− ΔT

)

........................................(43)

Dimana Qomax = Kapasitas pendinginan maksimum (W) Z

= Figure of merit (/K)

Td

= Suhu terminal dingin (oC)

5. Nilai Koefisien Seebeck Pada Bahan (αpn)

Nilai koefisien Seebeck sangat berpengaruh terhadap karakteristik bahan modul yang digunakan. Nilai koefisien Seebeck pada bahan modul termoelektrik dapat dihitung dari persamaan berikut: m 2 × (α pn )

2

Z=

(α ) = pn

U ×R

............................................................(44)

Z ×U × R ........................................................(45) m2

Dimana m = Jumlah pasang kaki semi konduktor 6. Nilai Kapasitas Pendinginan (Qo)

Nilai kapasitas pendinginan merupakan sejumlah panas yang diserap dari ruang pendingin oleh terminal dingin. Panas yang diserap ini kemudian dibuang ke lingkungan melalui terminal panas dan dibantu oleh

sirip pembuangan panas dan air. Besarnya nilai kapasitas pendinginan dapat terlihat sebagai berikut: Qo

= (m x αpn x Td x I) – (U x ∆T) – (0.5 x I2 x R) ....(46)

7. Nilai Panas Yang Timbul Pada Terminal Dingin (Qc)

Panas yang timbul pada terminal dingin (Qc) merupakan panas yang terjadi akibat adanya efek Konduksi dan efek Joulean. Besarnya panas yang timbul tersebut dapat dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut: Qc

= (U x ∆T) + (0.5 x I2 x R) ....................................(47)

8. Nilai Efek Peltier (Φpn)

Nilai efek Peltier menjadi dasar dari pendinginan termoelektrik. Bahwa arus yang mengalir pada dua sambungan semikonduktor yang berbeda akan terjadi perpindahan panas dari sambungan satu ke sambungan yang lain. Nilai tersebut dapat dihitung dari persamaan berikut: Φpn = αpn x Td x I ..........................................................(48) 9. Nilai Konduktivitas Panas Pada Bahan (kp+ kn)

Aliran panas pada modul termoelektrik terhubung secara paralel (Culp, 1979). Nilai konduktivitas panas pada bahan modul termoelektrik dapat dihitung dari rumus pada persamaan (16), (18) dan (19) sehingga diperoleh: ⎛ A× k p A× kn U = m × ⎜⎜ + L ⎝ L

(k

p

+ kn ) =

⎞ ⎟ ............................................(49) ⎟ ⎠

U ×L ...........................................................(50) m× A

10. Nilai Kerja Listrik Yang Dilakukan Modul (Pmasukan)

Kerja listrik yang dilakukan pada termoelektrik dapat didefinisikan sebagai perbedaan antara panas yang dilepaskan pada terminal dingin dan

terminal panas. Perhitungan nilai kerja listrik (Pmasukan) dapat terlihat pada persamaan (24). 11. Nilai COP

Nilai COP menunjukkan performansi atau prestasi dari bahan modul termoelektrik yang digunakan. Semakin tinggi nilai COP, maka semakin bagus bahan yang digunakan sebagai modul. Nilai COP merupakan perbandingan antara kapasitas pendinginan (Qo) dengan nilai kerja listrik (Pmasukan). Nilai karakteristik dari bahan modul termoelektrik dipengaruhi oleh persamaan-persamaan di atas. Kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul juga sangat berpengaruh terhadap nilai karakteristiknya. Kesesuaian bahan-bahan tersebut ditentukan oleh nilai figure of merit (Z) yang bergantung pada sifat-sifat bahan tersebut.

Semakin besar nilai Z, performansi modul akan semakin baik. Untuk mendapatkan nilai Z maksimum, parameter bahan termoelektrik harus memenuhi syarat sebagai berikut: koefisien Seebeck (α) harus besar, resistivitas atau tahanan jenis listrik (ρ) harus kecil, dan konduktivitas panas (k) harus kecil. Pada penelitian kali ini tidak diketahui jenis bahan modul termoelektrik,

sehingga

dalam

pengkajian

karakteristiknya

hanya

didasarkan pada besarnya nilai figure of merit (Z) dan nilai COP. Culp (1979), menyatakan bahwa untuk memperoleh nilai COP setinggi mungkin, nilai Z harus mempunyai nilai maksimum seperti ditunjukkan pada persamaan berikut ini:

(α )

2

Z max =

(

pn

k p ρ p + kn ρn

)

.............................................(51)

Karakteristik bahan yang didasarkan pada besarnya nilai figure of merit (Z) dipengaruhi oleh nilai koefisien Seebeck (αpn), koefisien

konduktansi panas keseluruhan (U), jumlah pasangan kaki p-n pada modul dan tahanan listrik (R), seperti terlihat pada persamaan (44). Semakin kecil nilai koefisien konduktansi panas keseluruhan (U) dan nilai tahanan

listrik (R), maka semakin besar nilai Z, sehingga karakteristik bahan yang digunakan semakin bagus.

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK

Modul termoelektrik ini berfungsi untuk menyerap panas dari dalam kotak pendingin dan membuangnya ke lingkungan. Dengan diberikannya arus listrik searah (DC) pada kedua kaki modul yang merupakan pasangan dari kaki p dan kaki n yang terdiri dari bahan logam atau semikonduktor elektris sebagai pemanas mini, akan terdapat beda suhu pada kedua terminalnya dan terjadi pengambilan panas pada salah satu terminal serta pelepasan panas pada terminal lainnya. Sehingga dalam penerapannya, kedua sisi terminal modul dapat digunakan baik untuk pendinginan maupun pemanasan. Pada Gambar 12 terlihat skema modul termoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini dengan jenis TEC1-12706, dengan spesifikasi 1 modul termoelektrik sebagai berikut: Ukuran = (40 x 40 x 3.8) mm

Qmax = 53 Watt (∆T = 0)

A = 1.69 x 10-6 m2

∆Tmax = 68 oC

L = 0.0016 m

R = 1.98 ohm

Imax = 6.4 Ampere

m = 128 pasang

Vmax = 14.9 Volt Untuk meningkatkan kapasitas pendinginan, diperlukan beberapa modul termoelektrik. Dalam percobaan ini digunakan tiga buah modul yang dirangkai secara paralel. Masing-masing modul memiliki 128 pasang kaki p-n termoelektrik. Karakteristik bahan modul termoelektrik yang digunakan, dalam penerapannya perlu diketahui karena hal ini berhubungan dengan besarnya tenaga listrik yang mampu dihasilkan modul, arus dan tegangan yang stabil, nilai figure of merit (Z) pada bahan, nilai koefisien performansi (COP) maksimum pada modul, dan besarnya kapasitas pendinginan yang mampu dihasilkan oleh modul termoelektrik tersebut.

Tabel 2. Data hasil percobaan dengan 3 modul TEC1-12706 dirangkai paralel Nilai Rata-rata Suhu terminal dingin (Td), oC

Percobaan 1 4.28

Percobaan 2 1.66

Percobaan 3 1.02

Suhu terminal panas (Tp), oC

43.30

38.90

39.20

Perbedaan suhu (∆T), C

39.02

37.24

38.18

Arus listrik (I), Ampere

8.45

8.61

8.92

Tegangan (V), Volt

9.96

o

9.87 -3

10.56

1.77 x 10

1.80 x 10

1.81 x 10-3

Kapasitas pendinginan (Qo), W

37.72

54.83

54.85

Nilai kerja listrik (Pmasukan), W

190.40

191.82

204.72

0.21

0.29

0.27

Figure of merit (Z)

Coefficient

of

Performance

-3

(COP) Tabel 2 menunjukkan data percobaan untuk 3 modul termoelektrik yang dirangkai paralel selama 3 kali percobaan dalam nilai rata-rata. Percobaan pertama dilakukan pada tanggal 14 Juli 2006 dalam waktu 90 menit, sedangkan percobaan kedua dilakukan pada tanggal 15 Juli 2006 dalam waktu 45 menit, dan percobaan ketiga dilakukan pada tanggal 16 Juli 2006 dalam waktu 80 menit. Perbedaan waktu yang dilakukan pada saat pengujian didasarkan pada kondisi kemampuan baterai untuk memberi arus yang dibutuhkan oleh modul dan suhu konstan. Apabila tegangan pada baterai menurun, maka arus pada baterai yang mengalir ke modul juga akan menurun. Oleh karena itu, dengan semakin kecil arus yang diterima oleh modul akan mengakibatkan suhu terminal dingin pada modul akan naik, sehingga pengukuran akan dihentikan dan baterai akan cepat rusak karena baterai bekerja dalam kondisi tegangan minimum yang dapat mengurangi kinerja dari baterai. Perbedaan lain dari ketiga percobaan di atas adalah dilakukan pada rataan suhu lingkungan yang berbeda, yaitu pada percobaan pertama pada kondisi suhu 32.28 oC, sedangkan percobaan kedua dilakukan pada kondisi suhu 31.6 oC, dan percobaan ketiga dilakukan pada kondisi suhu mencapai 33.48 oC.

Ketiga percobaan di atas diberi perlakuan yang sama, yaitu pemasangan heat sink pada terminal panas dan sebagian sisi heat sink direndam dengan air dalam wadah untuk membantu dalam proses pembuangan panas. Sedangkan pada terminal dingin, diletakkan dalam ruangan terbuka tempat pengujian. Pengukuran arus dan tegangan dilakukan setiap 5 menit selama waktu pengujian. Dari Tabel 2 dapat terlihat nilai rata-rata suhu terminal dingin, suhu terminal panas, arus dan tegangan. Nilai rata-rata mulai dihitung pada menit ke-0, seperti yang terlihat pada Lampiran 2. Pada percobaan pertama, suhu terminal dingin (Td) dapat mencapai nilai rata-rata 4.28 oC, pada percobaan kedua mencapai suhu rata-rata 1.66 oC, dan pada percobaan ketiga mencapai suhu rata-rata 1.02 oC. Suhu terminal panas modul pada percobaan pertama mencapai rata-rata 43.30 oC, pada percobaan kedua mencapai suhu rata-rata 38.90 oC, dan pada percobaan ketiga mencapai suhu rata-rata 39.20 oC. Perubahan suhu yang tercapai selama waktu pengujian dapat dilihat pada Gambar 16, 17, dan 18.

60.00

Suhu ( oC)

50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

80

85

90

Waktu (m enit) Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu air dalam w adah, Ta

Suhu lingkungan, Tl

Gambar 16. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 14 Juli 2006 selama 90 menit dengan Tl = 32.28 oC.

50.00

Suhu (oC)

40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 -10.00 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Waktu (m enit) Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu air dalam w adah, Ta

Suhu lingkungan, Tl

Gambar 17. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 15 Juli 2006 selama 45 menit dengan Tl = 31.6 oC.

50.00

Suhu (oC)

40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 -10.00 0

15

45

10

15

20

35

25

55

75

30

65

70

60

40

80

50

Waktu (m enit) Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu lingkungan,Tl

Suhu air dalam w adah, Ta

Gambar 18. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 16 Juli 2006 selama 80 menit dengan Tl = 33.48 oC. Untuk masing-masing modul termoelektrik yang digunakan yaitu modul 1, 2, dan 3 seperti yang terlihat pada Gambar 12 diketahui kemampuan modul tersebut untuk bekerja pada arus rata-rata yaitu sebesar 3.58 A, 3.48 A, dan 3.33 A. Sehingga jika ketiga modul tersebut dirangkai menjadi satu dalam rangkaian paralel, maka akan meningkatkan nilai arus yang mengalir ke rangkaian yaitu penjumlahan dari ketiga masing-masing arus yang dibutuhkan oleh modul termoelektrik. Didapatkan bahwa nilai arus untuk 3 modul yang dirangkai secara paralel adalah sebesar 8.66 A. Dalam hubungannya dengan suhu yang dihasilkan saat masing-masing modul termoelektrik bekerja pada rata-rata suhu tersebut dapat dilihat pada lampiran 8.

Dari pengujian masing-masing modul termoelektrik sebelum dirangkai paralel, dilakukan pada rataan suhu lingkungan yang berbeda dan nilai ratarata mulai dihitung pada menit ke-0 seperti terlihat pada Lampiran 7. Modul 1 dilakukan pada rataan suhu lingkungan 30.89 oC, modul 2 dilakukan pada rataan suhu lingkungan 31.24 oC dan modul 3 dilakukan pada rataan suhu lingkungan 31.36 oC. Ketiga modul tersebut diberi perlakuan yang sama, yaitu pemasangan heat sink pada terminal panas dan sebagian heat sink direndam dalam air pada wadah untuk membantu proses pembuangan panasnya. Pengukuran arus, tegangan dan suhu dilakukan setiap 5 menit selama 30 menit dengan tujuan untuk mengetahui apakah masing-masing modul termoelektrik tersebut dapat bekerja dengan baik. Suhu terminal dingin yang dapat dicapai masing-masing modul yaitu nilai rataannya untuk modul 1 sebesar 6.09 0C, modul 2 sebesar 6.59 oC dan untuk modul 3 sebesar 5.71 oC. Hasil tersebut tidak berbeda jauh dengan suhu terminal dingin yang dihasilkan dalam penelitian Trenggonowati (2005) dengan menggunakan 1 modul termoelektrik yaitu 6.9 oC. Tipe modul yang sama yang digunakan dalam penelitian, hanya berbeda dalam sistem pembuangan panasnya yaitu penelitian Trenggonowati (2005) menggunakan udara sebagai media pembuang panasnya, sedangkan dalam penelitian kali ini menggunakan air sebagai media pembuang panasnya. Seperti halnya pengukuran suhu dengan menggunakan 3 modul termoelektrik, pengukuran suhu pada masing-masing modul ini juga mengalami kenaikan suhu di terminal panas pada 5 menit pertama pengukuran. Suhu lingkungan sangat berpengaruh terhadap perubahan suhu pada terminal panas, semakin tinggi suhu lingkungan maka suhu terminal panas juga akan semakin tinggi. Demikian juga dengan pemakaian arus pada awal kerja atau pada awal pengukuran menit ke-0, modul termoelektrik membutuhkan arus listrik yang lebih besar dan relatif stabil pada menit-menit sesudahnya. Apabila sistem pembuangan panas yang dilakukan dapat bekerja dengan baik, maka akan menghasilkan suhu sesuai yang diharapkan, yaitu suhu terminal panas mendekati suhu lingkungan dan suhu terminal dingin

mendekati suhu dingin yang mampu dicapai oleh modul tersebut. Pemasangan modul pada sirip pembuangan panas harus benar-benar rapat agar tidak timbul efek Konduksi dan Joulean, sehingga suhu pada terminal dingin menjadi naik. Pada penelitian sebelumnya oleh Zuhal (1989), suhu terminal panas yang dapat dicapai sebesar 27.6 oC, dan suhu terminal dingin yang dapat dicapai sebesar 17.0 oC. Sedangkan oleh Trenggonowati (2005), suhu terminal panas yang dicapai sebesar 32.8 oC dan suhu terminal dingin sebesar 6.9 oC. Grafik perubahan suhu untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel pada Gambar 16, 17 dan 18 di atas didapatkan dari hasil pengukuran suhu pada tanggal dan kondisi suhu rataan lingkungan yang berbeda dan pada titik pengukuran yang sama untuk ketiga percobaan yang dilakukan. Dari grafik diatas memperlihatkan bahwa suhu terminal panas naik pada 5 menit pertama, kemudian pada menit-menit pengukuran selanjutnya relatif stabil mulai pada menit ke-20. Sedangkan pada suhu terminal dingin turun pada 5 menit pertama pengukuran dan menit-menit selanjutnya diikuti dengan penurunan yang lambat, tetapi suhu pada terminal dingin mengalami kenaikan suhu ketika arus yang mengalir ke dalam modul juga mengalami penurunan. Suhu terminal panas yang naik dengan cepat pada awal kerja dipengaruhi oleh pemakaian

arus

listrik.

Pada

awal

kerjanya,

modul

termoelektrik

membutuhkan arus listrik yang lebih besar dari waktu sesudahnya seperti terlihat pada Lampiran 1. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Zuhal (1989), dan Trenggonowati (2005), modul yang digunakan dalam pengujian membutuhkan arus listrik yang lebih besar pada awal kerjanya dan relatif lebih stabil untuk menit-menit sesudahnya yaitu sekitar 2.63 A dan membutuhkan arus rata-rata 2.40 A untuk menit-menit sesudahnya. Untuk pengukuran tanpa menggunakan kontroler atau menggunakan suplai daya langsung dari Photo Voltaic (PV), arus yang digunakan oleh modul seperti terlihat pada Lampiran 6 sesuai dengan keadaan sinar matahari apakah itu mendung atau cerah. Arus akan semakin turun apabila keadaan sinar matahari redup atau PV tertutup oleh awan. Sedangkan pengukuran yang dilakukan dengan menggunakan kontroler (baterai dan PV), arus yang digunakan oleh modul relatif stabil seperti terlihat pada Lampiran 5. Hal

tersebut dikarenakan sebagian besar modul masih mendapatkan suplai dari baterai dan PV.

40.00

Suhu (oC)

35.00

30.00 25.00

20.00 15.00 0

50

100

150

200

250

300

350

Waktu (m enit) Suhu lingkungan. Tl

Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu air kondensor, Ta

Gambar 19. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 7 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler.

40.00

Suhu (oC)

35.00

30.00 25.00

20.00 15.00 0

50

100

150

200

250

Waktu (m enit) Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu lingkungan, Tl

Suhu air kondensor, Ta

Gambar 20. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 8 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler.

40.00

Suhu (oC)

35.00

30.00 25.00

20.00 15.00 0

50

100

150

200

250

Waktu (m enit) Suhu terminal dingin, Td

Suhu terminal panas, Tp

Suhu lingkungan, Tl

Suhu air kondensor, Ta

Gambar 21. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 9 Agustus 2006 tanpa menggunakan kontroler.

Suhu lingkungan sangat berpengaruh terhadap perubahan suhu pada terminal panas seperti yang terlihat pada grafik di atas, semakin tinggi suhu lingkungan maka semakin tinggi juga suhu terminal pada dingin. Seperti halnya juga percobaan dengan menggunakan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan pada titik pengukuran yang sama untuk ketiga percobaan yang dilakukan, semakin tinggi suhu lingkungan maka suhu pada terminal panas pun akan meningkat seperti ditunjukkan pada Gambar 19, 20, dan 21. Fenomena ini dapat dijelaskan efek konduksi yang selalu menyertai efek Peltier. Dengan adanya efek konduksi, peningkatan suhu pada terminal panas akan menaikkan suhu pada terminal dingin. Untuk menurunkan suhu pada terminal dingin diperlukan sistem pembuangan panas yang bagus pada terminal panasnya, sehingga suhu pada terminal dingin akan sangat rendah walaupun suhu pada terminal panasnya akan sangat tinggi. Pembuangan panas pada terminal panas modul termoelektrik tidak mudah untuk dilakukan, karena apabila panas tersebut tidak dibuang maka panas itu akan merambat ke bagian terminal dingin sehingga akan mengurangi kinerja dari modul termoelektrik. Untuk melakukan pembuangan panas memerlukan alat bantu yaitu sirip pendingin dan air. Sirip pendingin harus mempunyai nilai konduktivitas panas yang besar dan bahan yang lebih tebal, agar pembuangan panasnya efektif. Pemasangan sirip ini menggunakan sirip yang telah biasa digunakan sebagai pendingin pada transistor. Sirip terbuat dari alumunium, mengingat nilai konduktivitas panas alumunium yang besar yaitu sekitar 208 W/m oC pada suhu 27 oC. Dengan memakai air untuk membantu dalam pembuangan panas, akan lebih bagus dari penggunaan udara karena nilai koefisien konveksinya yang lebih besar dibandingkan udara. Nilai arus dan tegangan yang terukur selama pengujian digunakan untuk mengatahui daya yang bekerja pada modul termoelektrik. Penurunan nilai arus yang terjadi karena kapasitas arus baterai juga menurun, sehingga perlu dilakukan pengisian ulang (charging) agar tegangan selalu dalam keadaan optimum. Perubahan arus dan tegangan untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel selama waktu pengujian dapat dilihat pada Lampiran 3.

Besarnya arus sangat mempengaruhi nilai kapasitas pendinginan (Qo) seperti terlihat pada persamaan (22). Parameter lain yang mempengaruhi Qo antara lain nilai koefisien Seebeck, suhu terminal dingin (Td), perbedaan suhu antara suhu terminal dingin dan terminal panas (∆T), tahanan listrik (R), dan konduktansi panas antara dua sambungan (U). Semakin besar nilai koefisien Seebeck, arus dan terminal dingin serta semakin rendah perbedaan suhu antara terminal dingin dengan terminal panas, maka nilai kapasitas pendinginan akan semakin besar. Kapasitas pendinginan akan mencapai nilai maksimum pada saat ∆T sama dengan nol. Nilai kapasitas pendinginan (Qo) rata-rata pada tiga kali pengujian adalah sebesar 49.13 W untuk 3 modul termoelektrik dan 16.37 W untuk 1 modul termoelektrik. Sedangkan pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Zuhal (1989) diperoleh nilai kapasitas pendinginan sebesar 7.76 W untuk 4 modul dan 0.027 W untuk 1 modul, sedangkan Trenggonowati (2005) diperoleh 32.86 W untuk 1 modul. Perbedaan besarnya nilai kapasitas pendinginan ini dipengaruhi oleh besarnya arus listrik yang digunakan oleh modul dan nilai koefisien Seebeck pada bahan modul. Nilai koefisien Seebeck rata-rata pada penelitian sebelumnya oleh Zuhal (1989) sebesar 0.41E-03 V/K dengan arus rata-rata 0.84 A, dan oleh Trenggonowati (2005) diperoleh nilai koefisien Seebeck rata-rata sebesar 0.86E-03 V/K dengan arus rata-rata 2.34 A, sedangkan pada penelitian ini diperoleh nilai rata-rata koefisien Seebeck sebesar 0.36E-03 V/K dengan arus rata-rata 2.89 A untuk 1 modul termoelektrik. B. COEFFICIENT OF PERFORMANCE (COP)

Daya guna yang terdapat di dalam modul termoelektrik ditunjukkan melalui parameter COP. COP merupakan perbandingan antara kemampuan modul termoelektrik untuk mendinginkan beban dengan kerja listrik yang dilakukan oleh modul termoelektrik. Untuk meningkatkan COP tersebut adalah dengan meningkatkan kapasitas pendinginan modul termoelektrik (Qo). Peningkatan Qo terjadi bila nilai-nilai parameter bahan modul termoelektrik dapat meningkatkan pula nilai figure of merit (Z). Langkah

tersebut akan berhubungan langsung dengan teknologi pembuatan modul termoelektrik itu sendiri. Persamaan untuk menghitung COP dapat dilihat pada persamaan (25). Demikian juga nilai kerja listrik (Pmasukan) sangat berpengaruh terhadap COP, semakin tinggi nilai kerja listrik maka semakin rendah daya guna yang dapat ditunjukkan oleh modul termoelektrik. Pada penelitian kali ini didapatkan nilai COP untuk rataan 3 kali percobaan percobaan dengan menggunakan 3 modul termoelektrik dan suplai daya dari baterai adalah sebesar 0.26 dengan pemakaian arus rata-rata sebesar 8.66 A. Sedangkan nilai COP untuk rataan 3 kali percobaan percobaan dengan menggunakan 3 modul termoelektrik dan suplai daya berasal dari baterai dengan PV adalah sebesar 0.87 dengan menggunakan arus rata-rata sebesar 8.53 A. Untuk percobaan dengan menggunakan suplai daya dari PV tanpa menggunakan kontroler seperti terlihat pada Lampiran 6 mendapatkan nilai COP yang lebih tinggi, karena modul menggunakan arus sebesar 6.35 A yaitu sebesar 1.21. Hal tersebut dapat terjadi karena semakin kecil arus yang digunakan, maka nilai kerja listrik yang dilakukan oleh modul pun akan semakin kecil. C. FIGURE OF MERIT (Z) Figure of merit (Z) merupakan karakteristik khusus yang terdapat pada

modul termoelektrik. Nilai ini hanya tergantung kepada sifat-sifat bahan yang digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik. Perhitungan nilai Z ini dimasukkan ke dalam Lampiran 2. Dari perhitungan tersebut didapatkan nilai rata-rata dari ketiga modul yang digunakan dalam tiga kali pengujian adalah 1.79E-03. Bahan-bahan yang biasa digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik adalah bahan-bahan semikonduktor seperti Bismuth Tellurium (Bi2Te3), PbTe, SiGe, dan SB2T3. Pada penelitian kali ini digunakan tipe modul yang tidak diketahui jenis bahan pembuat kaki modulnya pada literatur, sehingga pada perhitungan hanya menggunakan data-data spesifikasi modul yang diperoleh dari literatur. Dari perhitungan juga belum dapat diketahui jenis bahan kaki modulnya, hanya didapatkan karakteristik bahan pada modul. Berdasarkan persamaan (29), agar nilai Z dapat ditingkatkan maka:

1. Koefisien Seebeck (α) harus diperbesar 2. Tahanan jenis listrik (ρ) harus diperkecil 3. Konduktivitas panas (k) harus diperkecil Tabel 3. Data hasil pengujian 3 modul termoelektrik yang dirangkai paralel pada 3 kali percobaan Nilai rata-rata untuk tiga modul Percobaan Percobaan Percobaan termoelektrik 1 2 3 Tahanan jenis listrik (ρp + ρn), Ωm 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 Konduktansi panas keseluruhan (U), W/K 5.55 5.18 5.34 Efek Konduksi + efek Joulean (Qc), W 290.15 267.23 283.13 Koefisien Seebeck (αpn), V/K 3.63-04 3.54E-04 3.60E-04 Efek Peltier (Φpn), W 327.88 322.06 337.97 Konduktivitas panas pada bahan (kp + kn), 13.68 12.77 13.17 W/mK

Dari hasil perhitungan pada Tabel 3 adalah untuk 3 modul yang dirangkai secara paralel, sedangkan nilai tahanan jenis listrik untuk satu pasangan kaki modul (ρp + ρn) adalah 5.45E-06 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk satu pasang kaki modul (kp + kn) sebesar 13.21 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata adalah sebesar 1.79E-03 /K. Pada penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Zuhal (1989) dengan menggunakan modul termoelektrik yang dikeluarkan oleh pabrik MELCOR dengan jenis CP.1.471-06L, nilai tahanan jenis listrik untuk satu pasangan kaki modul (ρp + ρn) adalah 0.02E-03 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk satu pasang kaki modul (kp + kn) sebesar 0.03E-02 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata adalah sebesar 0.28E-02 /K. Trenggonowati (2005) mendapatkan perhitungan untuk nilai tahanan jenis listrik (ρp + ρn) untuk satu pasangan kaki modul untuk modul tipe TEC1-12706, adalah sebesar 0.78E-05 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk satu pasang kaki modul (kp + kn) adalah sebesar 19.87 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata adalah sebesar 0.17E-02 /K. Nilai figure of merit (Z) dipengaruhi oleh besarnya koefisien Seebeck (αpn), koefisien pindah panas keseluruhan (U), dan tahanan listrik (R). Hal ini dapat terlihat pada persamaan (44). Semakin besar nilai koefisien Seebeck,

semakin kecil nilai koefisien pindah panas keseluruhan dan tahanan listrik, maka nilai figure of merit (Z) akan semakin besar dan begitu juga sebaliknya. Dari nilai koefisien figure of merit (Z) pada penelitian-penelitian sebelumnya diketahui bahwa karakteristik bahan modul termoelektrik yang digunakan oleh Zuhal (1989) lebih bagus dibandingkan dengan penelitian kali ini. Semakin besar nilai Z, performansi termoelektrik akan semakin bagus. Besarnya nilai figure of merit (Z), juga dapat dipengaruhi oleh besarnya perbedaan suhu antara suhu terminal panas dengan suhu terminal dingin maksimum (∆Tmax), dan besarnya suhu terminal dingin (Td). Hubungan antar ketiganya dapat dilihat pada persamaan (41). Semakin rendah suhu terminal dingin (Td) dan semakin besar perbedaan suhu maksimum (∆Tmax), maka nilai figure of merit (Z) cenderung akan semakin besar, sehingga kualitas bahan termoelektrik yang digunakan semakin bagus. Nilai figure of merit (Z) pada hasil perhitungan untuk 3 modul yang dirangkai paralel juga

dipengaruhi oleh besarnya arus yang mengalir pada rangkaian, semakin tinggi nilai rata-rata arus yang dihasilkan, maka nilai Z rerata juga akan semakin tinggi. Grafik hubungan antara suhu terminal dingin (Td) dengan nilai figure of merit (Z) dapat terlihat pada Gambar 22, 23, dan 24.

0.00182

Figure of Merit (Z)

0.00180 0.00178 0.00176 0.00174 0.00172 0.00170 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

Suhu Term inal Dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Linear (Suhu terminal dingin, Td)

Gambar 22. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 14 Juli 2006.

0.00184

Figure of Merit (Z)

0.00183 0.00182 0.00181 0.00180 0.00179 0.00178 0.00177 0.00176 -1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Suhu Dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Linear (Suhu terminal dingin, Td)

Gambar 23. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 15 Juli 2006.

1.84E-03

Figure of Merit (Z)

1.83E-03 1.82E-03 1.81E-03 1.80E-03 1.79E-03 1.78E-03 -1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

Suhu Term inal Dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Linear (Suhu terminal dingin, Td)

Gambar 24. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 16 Juli 2006.

D. TEGANGAN LISTRIK

Tegangan listrik yang digunakan pada penelitian berasal dari baterai (accu). Tegangan listrik sangat diperlukan oleh modul termoelektrik dalam proses kerjanya. Tegangan listrik relatif stabil selama proses kerja dan terjadi penurunan tegangan ketika kapasitas elektron dalam baterai tersebut berkurang sehingga perlu dilakukan pengisian ulang (charging) ketika akan digunakan untuk pengujian berikutnya agar tegangan listrik yang ada dalam baterai selalu dalam keadaan optimum.

Pengukuran tegangan listrik ini adalah untuk menentukan daya yang dipakai oleh modul termoelektrik, seperti yang dapat dilihat pada persamaan (37). Dari hasil pengujian didapatkan nilai tegangan rata-rata untuk 3 modul adalah sebesar 10.13 dengan arus rata-rata sebesar 8.66 A. Dengan demikian, daya yang dipakai oleh modul termoeletrik rata-rata dalam kerjanya adalah sebesar 87.73 W.Grafik hubungan antara tegangan dengan waktu dapat dilihat pada Lampiran 3 untuk 3 kali percobaan pengujian.

V. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN

1. Besarnya nilai koefisien Seebeck (αpn) rata-rata untuk 3 modul termoelektrik yang digunakan adalah 3.59E-04 V/K, nilai tahanan jenis listrik rata-rata untuk 3 modul termoelektrik (ρp + ρn) sebesar 5.45E-06 Ωm, dan nilai konduktivitas panas untuk 3 modul termoelektrik (kp + kn)

sebesar 13.21 W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-rata untuk 3 modul termoelektrik adalah sebesar 1.79E-03. 2. Besarnya nilai arus rata-rata adalah sebesar 8.66 A dengan nilai tegangan rata-rata untuk 3 modul termoelektrik dalam 3 kali percobaan percobaan adalah 10.13 V, sehingga daya yang dipakai adalah sebesar 87.73 W. Besarnya nilai kapasitas pendinginan (Qo) rata-rata adalah sebesar 49.13 W, sedangkan besarnya nilai kerja listrik rata-rata adalah sebesar 195.65 W, sehingga nilai COP rata-rata untuk 3 modul adalah sebesar 0.26. 3. Dari semua data dan nilai di atas, dapat dikatakan bahwa karakteristik bahan untuk 3 modul termoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini sudah cukup bagus. Hal ini juga terlihat jelas dari suhu terminal dingin rata-rata yang dapat dicapai yaitu sebesar 2.32 oC dan suhu terminal panas rata-rata adalah sebesar 40.47 oC pada pengujian dengan menggunakan baterai, sehingga didapatkan beda suhu yang cukup besar yaitu 38.15 oC dibandingkan dengan hasil dari penelitian sebelumnya yang dilakukan oleh Trenggonowati (2005), yaitu suhu pada terminal dingin sebesar 6.9 o

C dan suhu terminal panasnya adalah 32.8 oC.

4. Kondisi pengukuran yang dilakukan berbeda pada sistem pembuangan panasnya yaitu pada penelitian ini digunakan heat sink dan air sedangkan pada penelitian Trenggonowati (2005), pada sistem pembuangan panasnya menggunakan heat sink dan udara. B. SARAN

1. Untuk mengetahui karakteristik bahan modul dengan lebih baik, diperlukan data jenis bahan kaki modul sehingga dapat diketahui nilai

koefisien Seebeck, konduktivitas panas dan tahanan jenis listrik pada bahan kaki modul termoelektrik. 2. Untuk mendapatkan suhu terminal yang dingin yang rendah diperlukan alat bantu pembuangan panas yang bagus pada sisi terminal panasnya, seperti sirip pembuangan panas dan sirkulasi air yang baik, selain itu pemasangan modul dalam sirip pendingin harus diperhatikan dengan baik agar tidak terdapat celah pada permukaan modul yang menempel di sirip pendingin, sehingga tidak terjadi efek Konduksi dan efek Joulean yang terlalu besar yang menyebabkan suhu terminal dingin naik. 3. Untuk memperpanjang umur modul sebaiknya digunakan pengatur arus, sekering dan dioda agar modul dapat bekerja pada kondisi yang optimum dan tidak cepat rusak.

DAFTAR PUSTAKA

Callister, W. D., Jr. 2000. Fundamentals of Materials Science and Engineering. John Wiley and Sons, Inc., New York. Culp, A. W., Jr. 1979. Principles of Energy Conversion. McGraw-Hill, Ltd., New York. Godfrey, S. 1996. Electronics Cooling: An Introduction to Thermoelectrics Coolers.http://www.electronicscooling.com/Resource/EC_Articles/SEP96/ sep96_o4.htm. Gromov,G.

2002.

Thermoelectric

Cooling

Modules.

http://www.rmtltd.ru/te_modules.htm Handoko, K. 1981. Teknik Lemari Es. PT. Ichtiar Baru. Jakarta. Kryotherm. Manufactures Peltier Modules. Temperature Range -150 oC to +80 o

C. http://www.kryotherm.ru/multi_tems.html.

Marder, M. P. 2000. Condensed Matter Physics. John Wiley and Sons, Inc., New York. Palacios, R. and M. Zhu Li. Electrical Properties of Commercial Thermoelectric Modules. [email protected]. Rogers, G. And Y. Mayhew. 1991. Engineering Thermodynamics Work and Heat Transfer. John Wiley and Sons, Inc., New York. Stoecker, W. F. dan W. J. Jerold. 1987. Refrigerasi dan Pengkondisian Udara. Erlangga. Jakarta. Sukur, E. 2004. Melirik Teknologi Termoelektrik Sebagai Energi Alternatif. www.energi.lipi.go.id. Tambunan, A. H. 1998. Diktat Teknik Pendinginan. FATETA-IPB, Bogor.

Thermo Electric Cooling America Corpooooration (TECA). 2002. Thermoelectric Technology. http://www.thermoelectric.com/2002/tt/index. TECA. USA. Trenggonowati,

D.

A.

2005.

Pengkajian

Karakteristik

Bahan

Modul

Termoelektrik Untuk Sistem Pendinginan. Skripsi. Departemen Teknik Pertanian. Fateta, IPB, Bogor. Threlkeld, J. L. 1970. Thermal Environmental Engineering. Second Edition. Englewood

Cliffs,

New

Jersey.Wood,

B.

D.

1988.

Penerapan

Termodinamika. Edisi Kedua. Erlangga. Jakarta. United Nations Environment Programme (UNEP). 1992. The Impact of Ozone Layer Depletion. UNEP/GEMS Environment Library No. 7. Nairobi, Kenya. Terjemahan. Oleh Kantor menteri Lingkungan Hidup dan PT. Sucofindo. Zemansky, M. W. dan R. H. Dittman. 1986. Kalor dan Termodinamika. Terbitan Keenam. ITB. Bandung. Zuhal, 1989. Rancangan dan Uji Teknis Alat Pendingin Termoelektrik Efek Peltier dengan Catu Daya Sel Surya. Skripsi. Jurusan Mekanisasi Pertanian. Fateta, IPB, Bogor.

Lampiran 1. Data percobaan dengan 3 modul termoelektrik yang dirangkai secara paralel Tabel lampiran 4. Data percobaan 1 (tanggal 14 Juli 2006) T 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Rata-rata

Tp1 38.8 42.4 44.1 45.5 46.3 47.0 43.0 41.6 41.0 42.1 42.4 42.6 41.3 42.6 40.5 41.5 42.9 41.3 36.5 42.28

Tp2 44.2 48.6 48.5 49.3 50.5 50.9 49.1 44.5 45.1 46.0 46.8 46.3 45.3 44.6 42.4 42.8 45.0 44.0 42.1 46.11

Tp3 37.3 39.7 42.6 43.4 44.6 45.0 42.6 40.5 40.9 41.2 42.8 42.1 41.1 41.4 39.9 40.3 42.4 41.1 39.7 41.51

Td1 0.9 1.1 1.8 2.6 4.2 4.4 1.3 -0.4 -0.4 0.0 1.2 1.2 1.7 4.5 5.0 4.8 6.9 6.0 6.9 2.83

Td2 2.4 4.0 5.2 6.1 7.0 7.2 4.0 6.5 2.6 2.7 4.4 7.3 9.6 7.0 7.3 6.9 9.1 8.2 9.2 6.14

Td3 0.9 1.4 2.8 3.6 5.5 5.6 2.1 0.3 0.6 0.9 2.5 1.5 3.6 6.0 6.4 6.0 8.2 7.4 8.4 3.88

dT1 37.9 41.3 42.3 42.9 42.1 42.6 41.7 42.0 41.4 42.1 41.2 41.4 39.6 38.1 35.5 36.7 36.0 35.3 29.6 39.46

dT2 41.8 44.6 43.3 43.2 43.5 43.7 45.1 38.0 42.5 43.3 42.4 39.0 35.7 37.6 35.1 35.9 35.9 35.8 32.9 39.96

dT3 36.4 38.3 39.8 39.8 39.1 39.4 40.5 40.2 40.3 40.3 40.3 40.6 37.5 35.4 33.5 34.3 34.2 33.7 31.3 37.63

Ta 29.1 28.9 29.0 29.0 29.2 29.3 30.1 33.5 34.0 34.6 34.9 35.0 35.6 36.0 36.1 36.4 35.9 36.4 36.8 33.15

Tl 32.3 32.4 32.3 32.5 32.4 32.4 32.3 32.3 32.4 32.3 32.4 32.2 32.3 32.2 32.2 32.2 32.2 32.0 32.1 32.28

V 10.51 10.73 10.71 10.69 10.72 10.69 10.59 10.54 10.53 10.51 10.44 10.4 10.27 9.48 8.54 8.53 9.14 8.99 7.16 9.96

I 10.96 9.08 9.01 8.93 8.91 8.85 9.00 9.00 9.00 8.94 8.85 8.78 8.63 8.00 7.23 7.18 6.99 6.91 6.32 8.45

P 115.19 97.43 96.50 95.46 95.52 94.61 95.31 94.86 94.77 93.96 92.39 91.31 88.63 75.84 61.74 61.25 63.89 62.12 45.25 85.05

Lampiran 1. (lanjutan) Tabel lampiran 5. Data percobaan 2 (tanggal 15 Juli 2006) t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Rata-rata

Tp1 38.4 42.5 42.8 44.0 38.5 39.7 39.4 39.3 38.5 37.7 40.08

Tp2 36.9 40.2 41.7 43.0 37.7 38.6 38.1 36.9 37.2 36.6 38.69

Tp3 35.5 39.2 41.0 42.0 36.8 37.9 37.5 36.3 36.7 36.4 37.93

Td1 1.6 3.0 4.3 4.9 0.7 1.1 1.7 1.7 2.1 3.6 2.47

Td2 -2.2 0.4 2.4 3.1 -1.5 1.0 -0.6 -0.1 0.4 1.8 0.47

Td3 1.6 3.2 3.6 4.2 0.0 0.4 0.8 1.5 1.8 3.2 2.03

dT1 36.8 39.5 38.5 39.1 37.8 38.6 37.7 37.6 36.4 34.1 37.61

dT2 39.1 39.8 39.3 39.9 39.2 37.6 38.7 37.0 36.8 34.8 38.22

dT3 33.9 36.0 37.4 37.8 36.8 37.5 36.7 34.8 34.9 33.2 35.90

Ta 29.2 29.3 29.2 29.3 31.7 32.1 32.9 33.1 33.5 33.6 31.39

Tl 31.1 31.1 31.7 31.7 31.7 31.6 31.7 31.6 31.7 31.7 31.6

V 10.81 10.88 10.84 10.77 10.65 10.63 10.35 8.77 8.51 6.50 9.87

I 9.37 9.1 9.08 8.99 9.17 9.07 8.91 7.53 7.36 7.55 8.61

P 101.29 99.01 98.43 96.82 97.66 96.41 92.22 66.04 62.63 49.08 85.96

Lampiran 1. (lanjutan) Tabel lampiran 6. Data percobaan 3 (16 Juli 2006) t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Rata-rata

Tp1 34.3 40.0 38.6 38.3 39.8 40.9 41.8 40.4 41.9 41.1 42.1 42.2 42.2 42.2 42.9 41.1 42.8 40.74

Tp2 33.5 37.8 37.1 36.7 37.4 38.1 39.0 37.5 39.0 38.8 40.1 41.1 41.2 40.5 41.3 40.6 41.2 38.88

Tp3 32.3 35.8 35.8 35.1 36.8 37.4 39.0 36.9 36.8 37.6 38.9 40.5 40.6 39.9 41.0 40.1 41.3 37.99

Td1 1.2 1.1 -0.1 -0.4 0.4 0.9 1.6 0.0 0.4 2.1 1.0 3.4 2.6 2.7 2.9 1.5 1.3 1.33

Td2 -2.1 -1.6 -1.4 -1.4 -1.1 -0.6 0.4 -1.5 -1.6 0.5 -0.7 2.5 1.4 1.4 2.2 1.6 1.7 -0.02

Td3 0.9 0.1 0.0 0.0 0.3 1.5 2.2 1.8 0.5 2.0 1.3 3.0 2.9 2.9 3.4 3.3 3.6 1.75

dT1 33.1 38.9 38.7 38.7 39.4 40.0 40.2 40.4 41.5 39.0 41.1 38.8 39.6 39.5 40.0 39.6 41.5 39.41

dT2 35.6 39.4 38.5 38.1 38.5 38.7 38.6 39.0 40.6 38.3 40.8 38.6 39.8 39.1 39.1 39.0 39.5 38.89

dT3 31.4 35.7 35.8 35.1 36.5 35.9 36.8 35.1 36.3 35.6 37.6 37.5 37.7 37.0 37.6 36.8 37.7 36.24

Ta 31.9 32.1 32.1 32.3 32.3 32.2 32.1 32.2 32.2 32.1 32.3 32.2 32.2 32.3 32.2 32.3 32.5 32.21

Tl 29.3 29.7 30.6 31.3 31.9 32.2 32.9 33.4 33.7 34.2 34.6 35.1 35.4 35.8 35.9 36.4 36.7 33.48

V 10.96 10.91 10.71 10.72 10.67 10.63 10.61 10.55 10.56 10.56 10.52 10.50 10.48 10.30 10.32 10.33 10.18 10.56

I 9.43 9.43 9.27 9.23 9.15 9.03 8.99 8.95 8.96 8.93 8.96 8.76 8.70 8.46 8.39 8.44 8.50 8.92

P 103.35 102.88 99.28 98.95 97.63 95.99 95.38 94.42 94.62 94.30 94.26 91.98 91.18 87.14 86.58 87.19 86.53 94.22

Lampiran 2. Data hasil perhitungan pengukuran dengan 3 modul termoelektrik yang dirangkai secara paralel Tabel lampiran 7. Data hasil perhitungan percobaan 1 (14 Juli 2006) t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 Rata-rata

ΣTp 40.10 43.57 45.07 46.07 47.13 47.63 44.90 42.20 42.33 43.10 44.00 43.67 42.57 42.87 40.93 41.53 43.43 42.13 39.43 43.30

ΣTd 1.40 2.17 3.27 4.10 5.57 5.73 2.47 2.13 0.93 1.20 2.70 3.33 4.97 5.83 6.23 5.90 8.07 7.20 8.17 4.28

Σ∆T 38.70 41.40 41.80 41.97 41.57 41.90 42.43 40.07 41.40 41.90 41.30 40.33 37.60 37.03 34.70 35.63 35.37 34.93 31.27 39.02

ρp + ρn 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06

Z 1.81E-03 1.80E-03 1.78E-03 1.77E-03 1.75E-03 1.75E-03 1.79E-03 1.80E-03 1.81E-03 1.81E-03 1.79E-03 1.78E-03 1.76E-03 1.75E-03 1.74E-03 1.75E-03 1.72E-03 1.73E-03 1.72E-03 1.77E-03

U 5.43 5.98 6.07 6.11 6.02 6.09 6.22 5.69 5.98 6.09 5.96 5.75 5.23 5.13 4.77 4.91 4.87 4.81 4.33 5.55

Qo 90.03 35.20 30.19 26.89 29.97 25.65 24.22 44.10 33.42 27.71 30.91 37.28 53.48 43.96 41.81 35.06 32.50 33.40 40.89 37.72

Qc 328.93 329.09 334.04 335.26 328.62 332.79 344.08 308.25 327.66 334.38 323.48 308.11 270.39 253.51 217.43 226.08 220.69 215.25 174.88 290.15

αpn 3.63E-04 3.80E-04 3.81E-04 3.81E-04 3.76E-04 3.78E-04 3.87E-04 3.71E-04 3.81E-04 3.85E-04 3.78E-04 3.71E-04 3.52E-04 3.47E-04 3.34E-04 3.40E-04 3.36E-04 3.34E-04 3.16E-04 3.63E-04

Φ 418.96 364.29 364.23 362.15 358.59 358.45 368.30 352.36 361.08 362.09 354.40 345.40 323.87 297.47 259.25 261.14 253.19 248.65 215.77 327.88

kp + k n 13.38 14.74 14.96 15.06 14.83 15.02 15.33 14.03 14.74 15.02 14.68 14.17 12.90 12.66 11.77 12.11 12.01 11.86 10.67 13.68

Pmasukan 296.93 218.05 215.85 212.74 210.70 208.96 217.11 211.69 214.95 213.58 208.17 203.05 191.27 166.23 135.72 135.44 128.60 125.54 103.08 190.40

COP 0.30 0.16 0.14 0.13 0.14 0.12 0.11 0.21 0.16 0.13 0.15 0.18 0.28 0.26 0.31 0.26 0.25 0.27 0.40 0.21

Lampiran 2. (lanjutan) Tabel lampiran 8. Data hasil perhitungan percobaan 2 (15 Juli 2006) t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Rata-rata

ΣTp 36.93 40.63 41.83 43.00 37.67 38.73 38.33 37.50 37.47 36.90 38.90

ΣTd 0.33 2.20 3.43 4.07 -0.27 0.83 0.63 1.03 1.43 2.87 1.66

Σ∆T 36.60 38.43 38.40 38.93 37.93 37.90 37.70 36.47 36.03 34.03 37.24

ρp + ρn 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06

Z 1.82E-03 1.80E-03 1.78E-03 1.77E-03 1.83E-03 1.81E-03 1.82E-03 1.81E-03 1.81E-03 1.79E-03 1.80E-03

U 5.06 5.38 5.37 5.47 5.29 5.28 5.25 5.04 4.97 4.68 5.18

Qo 73.75 57.63 57.44 52.05 62.19 60.43 58.51 37.46 36.50 52.31 54.83

Qc 272.25 288.66 287.89 292.98 283.85 281.64 276.43 240.01 232.86 215.74 267.23

αpn 3.52E-04 3.60E-04 3.58E-04 3.61E-04 3.60E-04 3.59E-04 3.58E-04 3.50E-04 3.47E-04 3.35E-04 3.54E-04

Φ 346.00 346.29 345.34 345.03 346.04 342.08 334.93 277.47 269.36 268.05 322.06

k p + kn 12.48 13.26 13.24 13.49 13.04 13.02 12.94 12.43 12.26 11.54 12.77

Pmasukan 220.17 212.33 211.22 208.51 214.63 210.23 203.33 149.19 142.62 145.93 191.82

COP 0.33 0.27 0.27 0.25 0.29 0.29 0.29 0.25 0.26 0.36 0.29

Lampiran 2. (lanjutan) Tabel lampiran 9. Data hasil perhitungan percobaan 3 (16 Juli 2006) t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Rata-rata

∑Tp 33.37 36.70 39.17 37.17 37.87 38.00 38.27 38.80 41.27 40.60 39.93 40.87 41.73 41.33 39.23 41.77 40.37 39.20

∑Td 0.00 -0.60 1.53 -0.50 -0.13 -0.13 0.10 0.60 2.97 2.13 1.40 2.33 2.83 2.30 -0.23 2.20 0.53 1.02

∑∆T 33.37 37.30 37.63 37.67 38.00 38.13 38.17 38.20 38.30 38.47 38.53 38.53 38.90 39.03 39.47 39.57 39.83 38.18

ρp + ρn 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06

Z 1.82E-03 1.83E-03 1.80E-03 1.83E-03 1.83E-03 1.83E-03 1.82E-03 1.82E-03 1.79E-03 1.80E-03 1.81E-03 1.79E-03 1.79E-03 1.79E-03 1.83E-03 1.80E-03 1.82E-03 1.81E-03

U 4.59 5.18 5.24 5.24 5.30 5.32 5.33 5.34 5.35 5.38 5.40 5.40 5.46 5.49 5.57 5.59 5.64 5.34

Qo 90.34 67.17 59.32 65.76 66.81 60.55 56.34 57.73 51.59 43.74 54.75 43.70 39.59 45.29 47.68 37.06 45.00 54.85

Qc 241.22 277.52 276.00 282.51 289.44 285.89 282.71 284.54 281.01 277.62 287.93 278.78 282.23 289.19 299.40 292.79 304.34 283.13

αpn 3.35E-04 3.57E-04 3.56E-04 3.59E-04 3.61E-04 3.61E-04 3.61E-04 3.61E-04 3.58E-04 3.60E-04 3.62E-04 3.61E-04 3.62E-04 3.64E-04 3.70E-04 3.67E-04 3.71E-04 3.60E-04

Φ 331.56 344.69 335.32 348.27 356.25 346.44 339.06 342.28 332.60 321.36 342.68 322.48 321.82 334.48 347.08 329.84 349.33 337.97

kp + kn 11.32 12.77 12.91 12.92 13.07 13.13 13.14 13.15 13.20 13.27 13.30 13.30 13.47 13.53 13.74 13.79 13.92 13.17

Pmasukan 216.60 215.88 203.86 218.29 225.68 214.19 205.99 209.24 198.10 185.97 208.15 186.84 184.76 197.29 209.18 190.48 209.83 204.72

COP 0.42 0.31 0.29 0.30 0.30 0.28 0.27 0.28 0.26 0.24 0.26 0.23 0.21 0.23 0.23 0.19 0.21 0.27

Lampiran 3. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus untuk 3 modul

11.00

12.50

10.00

11.00

9.00

9.50

8.00

8.00

7.00

6.50

6.00

Arus (I)

Tegangan (V)

dirangkai secara paralel

5.00 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Waktu (m enit) Tegangan, V

Arus, I

13.00

10.00

12.00

9.50

11.00

9.00

10.00

8.50

9.00

8.00

8.00

7.50

7.00

7.00

6.00

6.50

5.00

Arus (I)

Tegangan (V)

Gambar lampiran 25. Grafik pada percobaan tanggal 14 Juli 2006.

6.00 0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Waktu (m enit) Tegangan, V

Arus, I

Gambar lampiran 26. Grafik pada percobaan tanggal 15 Juli 2006.

11.20

9.60

11.00

9.40 9.20 9.00

10.60

8.80

10.40

8.60 10.20

Arus (I)

Tegangan (V)

10.80

8.40

10.00

8.20

9.80

8.00

9.60

7.80 0

15

45

10

15

20

35

25

55

75

30

65

70

60

40

80

50

Waktu (m enit) Tegangan, V

Arus, I

Gambar lampiran 27. Grafik pada percobaan tanggal 16 Juli 2006.

Lampiran 4. Grafik hubungan arus dengan suhu terminal dingin untuk percobaan dengan 3 modul dirangkai paralel

12.00 11.00

A r u s (I)

10.00 9.00 8.00 7.00 6.00 0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

Suhu Terminal Dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 28. Grafik pada percobaan tanggal 14 Juli 2006.

10.00 9.50

Arus (I)

9.00 8.50 8.00 7.50 7.00 6.50 6.00 -1.00

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

Suhu Term inal Dingin ( oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 29. Grafik pada percobaan tanggal 15 Juli 2006.

9.60 9.40

Arus (I)

9.20 9.00 8.80 8.60 8.40 8.20 -1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

3.00

3.50

Suhu Term inal Dingin ( oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 30. Grafik pada percobaan tanggal 16 Juli 2006.

Lampiran 4. (lanjutan)

8.80 8.70 8.60

Arus (I)

8.50 8.40 8.30 8.20 8.10 8.00 7.90 7.80 20.00

20.50

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

T dingin ( oC) T dingin

Gambar lampiran 31. Grafik pada percobaan tanggal 7 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler.

9.80 9.60

Arus (I)

9.40 9.20 9.00 8.80 8.60 8.40 21.50

22.00

22.50

23.00

23.50

24.00

24.50

25.00

25.50

T dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 32. Grafik pada percobaan tanggal 8 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler.

8.00 7.00

A r u s (I)

6.00 5.00 4.00 3.00 2.00 1.00 0.00 19.50

20.00

20.50

21.00

21.50

22.00

22.50

23.00

T dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 33. Grafik pada percobaan tanggal 9 Agustus 2006 dengan tanpa menggunakan kontroler.

Lampiran 5. Data percobaan dengan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan baterai untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel Tabel lampiran 10. Data percobaan 1 dilakukan dengan menggunakan kontroler (7 Agustus 2006) T

Ta

Tl

Tp

Td

I

0

26.50

28.70

28.40

21.70

8.71

10

27.00

29.00

31.90

20.40

8.32

20

28.30

29.20

32.60

20.60

8.47

30

29.30

29.30

29.90

21.00

8.28

40

29.90

29.90

34.10

21.40

8.26

50

30.40

30.10

33.80

20.90

7.99

60

30.80

29.50

34.10

21.50

8.11

70

31.30

29.70

35.00

21.40

8.43

80

31.70

29.60

35.40

21.50

8.42

90

32.10

29.90

35.20

21.90

8.41

100

32.20

29.80

35.60

21.80

8.33

110

32.50

30.10

35.80

21.90

8.35

120

32.60

30.00

36.00

22.30

8.38

130

33.40

31.10

33.50

22.30

8.38

140

33.30

30.40

34.90

21.80

8.38

150

33.30

30.70

36.10

22.30

8.30

160

33.40

31.10

36.20

21.90

8.10

170

32.90

31.40

35.90

22.80

8.55

180

33.40

31.10

36.50

22.40

8.56

190

33.60

30.90

36.70

22.30

8.54

200

33.80

31.20

37.00

22.40

8.55

210

34.00

31.30

37.20

22.80

8.53

220

34.10

31.30

37.20

22.20

8.53

230

34.20

31.90

37.10

22.30

8.69

240

34.50

31.40

37.30

22.90

8.59

250

34.50

31.50

37.50

23.40

8.47

260

34.70

31.50

37.70

22.90

8.61

270

34.60

31.50

37.70

22.90

8.56

280

34.80

31.50

37.60

23.50

8.51

290

34.90

31.50

37.60

23.30

8.49

300

34.90

31.50

37.80

23.00

8.26

310

35.00

31.60

37.60

22.90

8.10

320

35.00

31.40

37.40

22.90

7.88

Rata-rata

32.63

30.62

35.58

22.17

8.40

Lampiran 5. (lanjutan) Tabel lampiran 11. Data percobaan 2 dilakukan dengan menggunakan kontroler (8 Agustus 2006) t 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Rata-rata

Ta 26.50 26.80 28.00 28.90 29.40 29.80 30.20 30.50 30.80 31.20 31.00 31.30 31.80 31.80 31.90 32.20 32.40 32.10 32.30 32.40 32.60 30.66

Tl 28.20 28.30 28.10 28.20 28.00 28.20 28.00 28.00 28.40 28.20 28.00 28.30 28.40 29.10 29.40 28.70 28.40 28.70 28.70 28.60 28.60 28.40

Tp 28.20 32.40 33.10 33.80 34.20 34.50 34.20 34.60 34.80 35.10 33.40 35.30 35.70 35.10 35.70 36.20 36.30 36.60 36.40 36.60 36.50 34.70

Td 24.35 21.75 21.95 22.00 22.30 22.45 22.35 22.45 22.70 22.75 23.65 23.05 23.80 23.40 23.35 23.75 25.25 23.80 23.80 23.90 23.90 23.18

I 9.61 8.82 8.71 8.72 8.66 8.65 8.65 8.53 8.58 8.50 8.50 8.64 8.66 8.62 8.55 8.67 8.54 8.54 8.59 8.50 8.56 8.66

Lampiran 5. (lanjutan) Tabel lampiran 12. Data percobaan 3 dilakukan dengan tanpa menggunakan kontroler (9 Agustus 2006) t 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 rata-rata

Ta 27.10 27.30 27.50 27.60 27.90 28.10 28.20 28.40 28.60 28.60 28.90 29.00 29.20 29.20 29.20 29.40 29.30 29.20 29.40 29.50 29.70 29.60 29.90 28.73

Tl 28.50 28.50 28.80 31.10 31.80 32.00 33.40 32.50 33.40 33.90 33.30 34.60 33.30 33.10 33.40 34.40 35.10 33.90 30.90 30.60 30.20 29.90 30.70 32.06

Tp 30.60 31.80 32.10 32.40 32.50 32.50 32.90 32.30 33.00 33.50 33.30 33.70 33.60 33.40 33.80 33.20 33.90 34.30 34.30 34.20 34.30 33.10 33.20 33.13

Td 22.15 20.10 20.10 20.30 20.00 21.10 20.20 20.70 20.25 20.40 20.50 20.50 20.95 20.70 20.45 20.70 20.75 20.75 20.90 20.90 21.65 21.25 22.50 20.77

I 5.96 5.27 6.43 6.43 6.58 6.80 6.69 6.70 6.66 6.63 6.44 6.53 6.36 5.41 6.72 6.26 6.38 6.51 6.42 6.12 6.09 3.22 4.60 6.14

Lampiran 6. Hasil perhitungan data percobaan dengan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan baterai untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel Tabel lampiran 13. Data hasil perhitungan percobaan 1 dilakukan dengan menggunakan kontroler (7 Agustus 2006) t

Tp

Td

ΣΔT

ρp + ρn

Z

U

αpn

Qo

Qc

S

k p + kn

Pmasukan

COP

0

28.40

21.70

6.70

5.45E-06

1.57E-03

2.59

2.34E-04

137.71

92.48

230.19

6.39

150.21

0.92

10

31.90

20.40

11.50

5.45E-06

1.58E-03

2.81

2.44E-04

128.14

100.89

229.03

6.94

137.06

0.93

20

32.60

20.60

12.00

5.45E-06

1.58E-03

2.84

2.45E-04

129.11

105.09

234.20

7.00

142.05

0.91

30

29.90

21.00

8.90

5.45E-06

1.57E-03

2.69

2.38E-04

131.05

91.82

222.86

6.63

135.75

0.97

40

34.10

21.40

12.70

5.45E-06

1.57E-03

2.88

2.46E-04

125.78

104.06

229.84

7.09

135.09

0.93

50

33.80

20.90

12.90

5.45E-06

1.57E-03

2.89

2.47E-04

122.30

100.43

222.73

7.11

126.40

0.97

60

34.10

21.50

12.60

5.45E-06

1.57E-03

2.87

2.46E-04

124.18

101.28

225.46

7.08

130.23

0.95

70

35.00

21.40

13.60

5.45E-06

1.57E-03

2.92

2.48E-04

126.39

110.10

236.50

7.21

140.71

0.90

80

35.40

21.50

13.90

5.45E-06

1.57E-03

2.94

2.49E-04

125.83

111.04

236.87

7.25

140.37

0.90

90

35.20

21.90

13.30

5.45E-06

1.56E-03

2.91

2.47E-04

126.61

108.68

235.29

7.17

140.04

0.90

100

35.60

21.80

13.80

5.45E-06

1.56E-03

2.93

2.48E-04

124.95

109.18

234.12

7.23

137.39

0.91

110

35.80

21.90

13.90

5.45E-06

1.56E-03

2.94

2.48E-04

125.03

109.88

234.90

7.25

138.05

0.91

120

36.00

22.30

13.70

5.45E-06

1.56E-03

2.93

2.48E-04

125.67

109.64

235.31

7.22

139.04

0.90

130

33.50

22.30

11.20

5.45E-06

1.56E-03

2.80

2.42E-04

129.20

100.87

230.08

6.90

139.04

0.93

140

34.90

21.80

13.10

5.45E-06

1.56E-03

2.90

2.47E-04

126.56

107.46

234.02

7.14

139.04

0.91

150

36.10

22.30

13.80

5.45E-06

1.56E-03

2.93

2.48E-04

124.60

108.68

233.28

7.23

136.40

0.91

160

36.20

21.90

14.30

5.45E-06

1.56E-03

2.96

2.49E-04

121.42

107.29

228.72

7.30

129.91

0.93

170

35.90

22.80

13.10

5.45E-06

1.55E-03

2.90

2.46E-04

128.46

110.31

238.77

7.14

144.74

0.89

180

36.50

22.40

14.10

5.45E-06

1.56E-03

2.95

2.48E-04

127.12

114.13

241.26

7.27

145.08

0.88

190

36.70

22.30

14.40

5.45E-06

1.56E-03

2.97

2.49E-04

126.45

114.92

241.37

7.31

144.40

0.88

200

37.00

22.40

14.60

5.45E-06

1.56E-03

2.98

2.50E-04

126.26

115.84

242.10

7.34

144.74

0.87

210

37.20

22.80

14.40

5.45E-06

1.55E-03

2.97

2.49E-04

126.33

114.75

241.08

7.31

144.07

0.88

220

37.20

22.20

15.00

5.45E-06

1.56E-03

3.00

2.51E-04

125.41

117.03

242.44

7.40

144.07

0.87

230

37.10

22.30

14.80

5.45E-06

1.56E-03

2.99

2.50E-04

127.53

118.99

246.53

7.37

149.52

0.85

240

37.30

22.90

14.40

5.45E-06

1.55E-03

2.97

2.49E-04

127.01

115.77

242.78

7.31

146.10

0.87

250

37.50

23.40

14.10

5.45E-06

1.55E-03

2.95

2.48E-04

126.10

112.62

238.72

7.27

142.05

0.89

260

37.70

22.90

14.80

5.45E-06

1.55E-03

2.99

2.50E-04

126.63

117.62

244.26

7.37

146.78

0.86

270

37.70

22.90

14.80

5.45E-06

1.55E-03

2.99

2.50E-04

126.07

116.77

242.84

7.37

145.08

0.87

280

37.60

23.50

14.10

5.45E-06

1.55E-03

2.95

2.48E-04

126.56

113.29

239.85

7.27

143.39

0.88

290

37.60

23.30

14.30

5.45E-06

1.55E-03

2.96

2.48E-04

126.03

113.70

239.73

7.30

142.72

0.88

300

37.80

23.00

14.80

5.45E-06

1.55E-03

2.99

2.50E-04

122.55

111.78

234.33

7.37

135.09

0.91

310

37.60

22.90

14.70

5.45E-06

1.55E-03

2.98

2.49E-04

120.77

108.81

229.57

7.35

129.91

0.93

320

37.40

22.90

14.50

5.45E-06

1.55E-03

2.97

2.49E-04

118.35

104.57

222.92

7.33

122.95

0.96

Rata-rata

35.58

22.17

13.42

5.45E-06

1.56E-03

2.92

2.47E-04

126.13

109.08

235.21

7.19

139.62

0.90

Lampiran 6. (lanjutan) Tabel lampiran 14. Data hasil perhitungan percobaan 2 dilakukan dengan menggunakan kontroler (8 Agustus 2006) t 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 Rata-rata

Tp 28.20 32.40 33.10 33.80 34.20 34.50 34.20 34.60 34.80 35.10 33.40 35.30 35.70 35.10 35.70 36.20 36.30 36.60 36.40 36.60 36.50 34.70

Td 24.35 21.75 21.95 22.00 22.30 22.45 22.35 22.45 22.70 22.75 23.65 23.05 23.80 23.40 23.35 23.75 25.25 23.80 23.80 23.90 23.90 23.18

ΣΔT 3.85 10.65 11.15 11.80 11.90 12.05 11.85 12.15 12.10 12.35 9.75 12.25 11.90 11.70 12.35 12.45 11.05 12.80 12.60 12.70 12.60 11.52

ρp + ρn 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06

Z 1.54E-03 1.57E-03 1.56E-03 1.56E-03 1.56E-03 1.56E-03 1.56E-03 1.56E-03 1.56E-03 1.55E-03 1.55E-03 1.55E-03 1.54E-03 1.55E-03 1.55E-03 1.54E-03 1.53E-03 1.54E-03 1.54E-03 1.54E-03 1.54E-03 1.55E-03

U 2.48 2.77 2.80 2.83 2.83 2.84 2.83 2.85 2.84 2.86 2.73 2.85 2.83 2.82 2.86 2.86 2.79 2.88 2.87 2.88 2.87 2.82

αpn 2.26E-04 2.41E-04 2.42E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.43E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.38E-04 2.44E-04 2.42E-04 2.42E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.39E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.44E-04 2.42E-04

Qo 147.30 134.45 132.74 132.02 131.27 130.97 131.23 129.55 130.16 128.96 132.31 130.60 131.27 131.11 129.50 130.65 131.11 128.77 129.59 128.47 129.27 131.49

Qc 100.97 106.54 106.29 108.66 107.97 108.32 107.63 106.62 107.30 106.81 98.14 108.84 107.97 106.60 107.66 110.05 103.05 109.07 109.21 108.04 108.70 106.88

S 248.27 240.99 239.03 240.68 239.24 239.29 238.86 236.18 237.46 235.77 230.45 239.44 239.24 237.71 237.16 240.70 234.16 237.84 238.80 236.51 237.97 238.37

kp + k n 6.11 6.84 6.90 6.98 6.99 7.01 6.98 7.02 7.01 7.04 6.73 7.03 6.99 6.96 7.04 7.06 6.88 7.10 7.08 7.09 7.08 6.95

Pmasukan 186.07 162.74 159.25 160.18 158.13 157.91 157.73 153.78 155.48 152.90 150.63 157.71 158.08 156.51 154.63 158.93 153.08 154.66 156.24 153.17 155.18 157.76

COP 0.79 0.83 0.83 0.82 0.83 0.83 0.83 0.84 0.84 0.84 0.88 0.83 0.83 0.84 0.84 0.82 0.86 0.83 0.83 0.84 0.83 0.83

Lampiran 6. (lanjutan) Tabel lampiran 15. Data hasil perhitungan percobaan 3 dilakukan tanpa menggunakan kontroler (9 Agustus 2006) T 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 rata-rata

Tp 30.60 31.80 32.10 32.40 32.50 32.50 32.90 32.30 33.00 33.50 33.30 33.70 33.60 33.40 33.80 33.20 33.90 34.30 34.30 34.20 34.30 33.10 33.20 33.13

Td 22.15 20.10 20.10 20.30 20.00 21.10 20.20 20.70 20.25 20.40 20.50 20.50 20.95 20.70 20.45 20.70 20.75 20.75 20.90 20.90 21.65 21.25 22.50 20.77

ΣΔT 8.45 11.70 12.00 12.10 12.50 11.40 12.70 11.60 12.75 13.10 12.80 13.20 12.65 12.70 13.35 12.50 13.15 13.55 13.40 13.30 12.65 11.85 10.70 12.35

ρp + ρn 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06 5.45E-06

Z 1.56E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.57E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.57E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.58E-03 1.57E-03 1.57E-03 1.57E-03 1.57E-03 1.56E-03 1.58E-03

U 2.67 2.82 2.84 2.84 2.86 2.81 2.88 2.82 2.88 2.90 2.88 2.90 2.87 2.88 2.91 2.86 2.90 2.92 2.91 2.91 2.87 2.83 2.77 2.86

αpn 2.37E-04 2.45E-04 2.46E-04 2.46E-04 2.47E-04 2.44E-04 2.47E-04 2.44E-04 2.47E-04 2.48E-04 2.47E-04 2.48E-04 2.46E-04 2.47E-04 2.48E-04 2.46E-04 2.48E-04 2.49E-04 2.48E-04 2.48E-04 2.46E-04 2.44E-04 2.41E-04 2.46E-04

Qo 102.08 84.79 102.79 102.60 104.09 109.22 105.33 107.46 104.80 103.69 101.43 102.01 100.50 85.04 104.55 99.26 99.83 101.03 99.95 95.48 96.32 45.10 75.10 97.06

Qc 57.73 60.54 75.00 75.35 78.67 77.80 80.82 77.14 80.60 81.46 77.93 80.51 76.38 65.49 83.55 74.61 78.42 81.52 79.83 75.74 73.06 43.82 50.64 73.33

S 159.81 145.33 177.79 177.95 182.76 187.03 186.15 184.60 185.40 185.15 179.36 182.53 176.89 150.53 188.09 173.87 178.25 182.55 179.78 171.22 169.38 88.92 125.74 170.40

kp + k n 6.58 6.96 7.00 7.01 7.06 6.93 7.09 6.95 7.10 7.14 7.10 7.15 7.08 7.09 7.17 7.06 7.15 7.20 7.18 7.17 7.08 6.98 6.84 7.05

Pmasukan 74.91 60.79 89.14 89.20 93.52 98.80 96.68 96.17 95.88 95.30 89.94 92.64 87.70 64.46 97.97 84.99 88.57 92.33 89.81 81.91 80.71 24.11 46.45 83.13

COP 1.36 1.39 1.15 1.15 1.11 1.11 1.09 1.12 1.09 1.09 1.13 1.10 1.15 1.32 1.07 1.17 1.13 1.09 1.11 1.17 1.19 1.87 1.62 1.21

Lampiran 7. Data percobaan masing-masing modul termoelektrik Tabel lampiran 16. Data percobaan untuk modul 1 t 0 5 10 15 20 25 30 Rata-rata

Ta 29.70 30.00 30.00 30.00 30.30 30.40 30.60 30.14

Tl 30.80 30.70 30.70 30.90 30.90 31.40 30.80 30.89

Tp 47.80 47.30 46.80 45.00 44.80 52.70 46.30 47.24

Td 4.20 5.80 5.40 5.40 5.70 8.00 8.10 6.09

dT 43.60 41.50 41.40 39.60 39.10 44.70 38.20 41.16

V 11.99 11.95 11.93 11.91 11.92 11.91 11.90 11.93

I 4.59 3.43 3.43 3.43 3.39 3.39 3.39 3.58

P 55.03 40.99 40.92 40.85 40.41 40.37 40.34 42.70

I 4.39 3.29 3.31 3.32 3.35 3.34 3.33 3.48

P 52.42 39.09 39.29 38.01 38.46 38.18 38.03 40.50

Tabel lampiran 17. Data percobaan untuk modul 2 t 0 5 10 15 20 25 30 Rata-rata

Ta 31.30 31.30 30.90 31.20 31.40 31.20 31.50 31.26

Tl 31.30 31.10 31.20 31.30 31.30 31.20 31.30 31.24

Tp 40.30 43.90 44.70 46.70 47.90 48.80 47.10 45.63

Td 4.60 8.30 8.70 6.70 5.70 6.00 6.10 6.59

dT 35.70 35.60 36.00 40.00 42.20 42.80 41.00 39.04

V 11.94 11.88 11.87 11.45 11.48 11.43 11.42 11.64

Tabel lampiran 18. Data percobaan untuk modul 3 t 0 5 10 15 20 25 30 Rata-rata

Ta 31.60 31.50 31.50 31.70 31.60 31.70 31.60 31.60

Tl 31.30 31.30 31.30 31.30 31.50 31.40 31.40 31.36

Tp 60.70 63.20 63.20 57.70 60.70 44.10 44.10 56.24

Td 7.60 5.70 5.60 5.10 5.20 5.40 5.40 5.71

∆T 53.10 57.50 57.60 52.60 55.50 38.70 38.70 50.53

V 11.55 11.48 11.43 11.48 11.46 11.43 11.42 11.46

I 3.38 3.30 3.34 3.33 3.33 3.33 3.33 3.33

P 39.04 37.88 38.18 38.23 38.16 38.06 38.03 38.23

Lampiran 8. Grafik hubungan waktu dengan suhu masing-masing modul termoelektrik

60.00

Suhu (oC)

50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (m enit) Suhu terminal panas,Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu lingkungan, Tl

Suhu air kondensor, Ta

Gambar lampiran 34. Grafik hubungan waktu dengan suhu modul termoelektrik 1.

60.00

Suhu (oC)

50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (m enit) Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu lingkungan, Tl

Suhu air kondensor

Gambar lampiran 35. Grafik hubungan waktu dengan suhu modul termoelektrik 2.

70.00 60.00

Suhu ( oC)

50.00 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0

5

10

15

20

25

30

35

Waktu (m enit) Suhu terminal panas, Tp

Suhu terminal dingin, Td

Suhu lingkungan, Tl

Suhu air kondensor, Ta

Gambar lampiran 36. Grafik hubungan waktu dengan suhu modul termoelektrik 3.

Lampiran 9. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus masing-masing modul 5.00

12.00

4.50

11.98

4.00

Arus (I)

11.94

3.00 2.50

11.92

2.00

11.90

1.50

11.88

1.00

Tegangan (V)

11.96

3.50

11.86

0.50 0.00

11.84

0

5

10

15

20

25

30

Waktu (m enit) Arus (I)

Tegangan (V)

Gambar lampiran 37. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus modul

5.00

12.00

4.50

11.90

4.00

11.80

Arus (I)

3.50

11.70

3.00

11.60

2.50

11.50

2.00

11.40

1.50 1.00

11.30

0.50

11.20

0.00

Tegangan (V)

termoelektrik 1.

11.10 0

5

10

15

20

25

30

Waktu (m enit) Arus (I)

Tegangan (V)

Gambar lampiran 38. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus modul termoelektrik 2. 11.60

3.40 3.38

Arus (I)

11.50

3.34 3.32

11.45

3.30

Tegangan (V)

11.55 3.36

11.40

3.28 3.26

11.35 0

5

10

15

20

25

30

Waktu (m enit) Arus

Tegangan

Gambar lampiran 39. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus modul termoelektrik 3.

Lampiran 10. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan arus masing-masing modul 5.00

Arus (I)

4.50

4.00

3.50

3.00

2.50 3.00

3.50

4.00

4.50

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

8.50

9.00

Suhu term inal dingin ( oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 40. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan arus modul termoelektrik 1. 5.00 4.50

Arus (I)

4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

Suhu term inal dingin ( oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 41. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan arus modul termoelektrik 2.

3.40 3.38

Arus (I)

3.36 3.34 3.32 3.30 3.28 4.50

5.00

5.50

6.00

6.50

7.00

7.50

8.00

Suhu term inal dingin (oC) Suhu terminal dingin, Td

Gambar lampiran 42. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan arus modul termoelektrik 3.

Lampiran 11. Contoh perhitungan 1. Spesifikasi 1 modul termoelektrik:

•

Ukuran = (40 x 40 x 3.8) mm

•

A = 1.69 x 10-6 m2

•

L = 0.0016 m

•

Imax = 6.4 Ampere

•

Vmax = 14.9 Volt

•

Qmax = 53 Watt (∆T = 0)

•

∆Tmax = 68 oC

•

R = 1.98 ohm

•

m = 128 pasang

2. Parameter perhitungan pada pengujian tanggal 16 Juli 2006 pada menit ke-30:

•

L

= 0.0016 m

•

A

= 1.69 x 10-6 m2

•

Tdrerata(30) = 1.4 oC

•

o

Tprerata(30) = 39.93 C

= 274.4 K = 312.93 K

o

•

ΔTrerata(30) = 38.53 C

•

V(30)

= 10.61 V

•

I(30)

= 8.99 A

•

Vrerata

= 10.56 V

•

Irerata

= 8.92 A

3. Perhitungan untuk 3 modul termoelektrik disusun secara paralel: 1. Nilai daya listrik rata-rata (P)

P =VxI = 10.56 x 8.92 = 94.22 W

2. Nilai resistivitas atau tahanan jenis listrik (ρp + ρn ) ⎛ ρ p × L ρn × L ⎞ ⎟⎟ R = m × ⎜⎜ + A A ⎝ ⎠

(ρp + ρn) = =

R× A m× L

1.98 × 1.69 × 10 −6 384 × 0.0016

= 5.45 x 10-6 Ωm 3. Nilai Figure of Merit (Z)

ΔTmax terjadi pada saat Qo = 0, maka: (Tp –Td)max = 0.5 x Z x Td2 68 = 0.5 x Z x (274.4)2 Z = 1.81 x 10-3 4. Nilai konduktansi panas diantara dua sambungan (U)

Qomax

= U [0.5 x Z x Td2 – ΔT]

159 = U [0.5 x 1.81 x 10-3 x (274.42) – 38.53] U = 5.37 W/K 5. Nilai koefisien Seebeck pada bahan (αpn) m 2 × (α pn )

2

Z=

U×R -3

1.81 x 10 αpn

=

(384)2 × (α pn )2 5.37 × 1.98

= 3.61 x 10-4 V/K

6. Nilai kapasitas pendinginan / beban panas yang diserap di permukaan dingin (Qo)

Qo = (m x αpn x Td x I) – (U x ΔT) – (0.5 x I2 x R) = (384 x 3.61 x 10-4 x 274.4 x 8.99) – (5.37 x 38.53) – (0.5 x 8.992 x 1.98)

= 55.05 W 7. Nilai jumlah pindah panas ke permukaan dingin (Qc), Efek Konduksi dan Efek Joulean

Qc

= (U x ΔT) + (0.5 x I2 x R) = (5.37 x 38.53) + (0.5 x 8.992 x 1.98) = 286.92 W

8. Nilai Efek Peltier (Φ)

S = m x αpn x Td x I = 384 x 3.61 x 10-4 x 274.4 x 8.99 = 341.97 W 9. Nilai konduktivitas panas pada bahan (kp + kn) ⎛ A × k p A × kn U = m × ⎜⎜ + L ⎝ L

(kp + kn) = =

⎞ ⎟⎟ ⎠

U×L m× A

5.37 × 0.0016 384 × 1.69 × 10 −6

= 13.24 W/mK 10. Nilai kerja listrik dari baterai (Pmasukan)

Pmasukan

= (m x αpn x ΔT x I) + (I2 x R) = (384 x 3.61 x 10-4 x 38.53 x 8.99) + (8.992 x 1.98) = 208.04 W

11. Coefficient of Performance (COP)

COP = =

Qo Pmasukan

55.05 208.04

= 0.26