PENGUKURAN DAN ANALISIS KARAKTERISTIK THERMOELECTRIC GENERATOR DALAM PEMANFAATAN ENERGI PANAS YANG TERBUANG
oleh Soelistio Permadi Widjaja NIM : 612007043
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2012
INTISARI
Berbagai usaha dilakukan untuk mencari sumber energi listrik baru, salah satunya dengan pembangkit listrik dengan kapasitas mikro yang memanfaatkan energi panas. Pemanfaatan energi panas sebagai pembangkit energi listrik dengan kapasitas mikro dapat dilakukan dengan menggunakan elemen thermoelectric generator. Penelitian ini menggunakan thermoelectric generator tipe TEG127–40B dengan alumunium sebagai penerima panas dan heat sink yang dialiri air secara manual sebagai pendingin. Variasi penelitian antara lain sumber panas, susunan thermoelectric generator, dan hambatan beban. Sumber panas yang dipilih yaitu sinar matahari, knalpot sepeda motor, setrika listrik, dan panas buatan dari rangkaian transistor 2N3055 untuk mengetahui karakteristik thermoelectric generator. Sedangkan susunan thermoelectric generator meliputi seri dan paralel. Hasil penelitian menunjukkan panas buangan setrika dapat menjadi sumber energi listrik dengan kapasistas mikro yang cukup potensial. Empat thermoelectric generator yang disusun seri menghasilkan tegangan 3,67 V ketika ditempelkan dengan setrika dengan beda temperatur 94 0C dan menghasilkan daya keluaran sebesar 1,347 W dengan beban 10 Ω.
i
ABSTRACT
A variety of attempts had been done to find the new source of electrical energy. One of them was by using a micro capacity power plant which utilized heat energy. The utilization of heat energy as a micro capacity power plant could be done by using a thermoelectric generator element. This research used a thermoelectric generator type TEG127–40B with aluminum as the heat receiver and as the cooler was a heat sink manually flowed by water. The variations of this research were the heat source, the configuration of the thermoelectric generator, and the load resistance. The heat sources chosen were the sun ray, a motorcycle exhaust, an electric iron, and artificial heat of a transistor circuit 2N3055 with the aim of knowing the characteristics of a thermoelectric generator. The configuration of the thermoelectric generators included series and parallel. The output of this research indicated that waste heat of the electric iron could be a source of electrical energy with micro capacity. Four thermoelectric generators arranged in series could produce 3,67 Volt when being attached to electric iron with 94 0C difference in temperature. It yielded also an output power of 1,347 Watt with a 10 Ω load.
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan penyertaan – Nya selama ini sehingga saya mampu menyelesaikan skripsi ini. Tak lupa saya berterimakasih kepada Lukas B. Setyawan, M.Sc selaku pembimbing pertama dan F. Dalu Setiaji, M.T selaku pembimbing kedua saya karena telah menyediakan waktu untuk membimbing, mengarahkan, serta mengevaluasi skripsi saya hingga selesai. Terselesaikannya skripsi ini tentu juga tidak lepas dari dukungan, doa, serta kasih saying dari keluarga saya. Oleh dari itu, saya berterima kasih kepada Chandra Widjaja, ATT – I (Papah) dan Lindawati Siswosaputro, Apt (Mamah) yang telah mendukung biaya kuliah saya selama ini. Saya juga mengucapkan terima kasih kepada kakak pertama saya S. Sari Widjaja, S.TP dan kakak kedua saya S. Wati Widjaja, Apt serta kakak ipar saya Edi Hartono, S.E yang telah memberi saya semangat untuk menyelesaikan skripsi ini. Selain itu, saya berterima kasih pula pada Lidia Haryani, S.Pd atas bantuan, semangat, serta kasih sayang yang dia berikan kepada saya selama ini sehingga saya bisa menyelesaikan skripsi ini. Apresiasi juga saya berikan kepada seluruh dosen (FTEK) Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer atas ilmu pengetahuan dan pengalaman yang beliau – beliau bagi kepada saya sehingga dapat bermanfaat sebagai dasar untuk membuat skripsi ini. Kepada staf dan laboran FTEK saya mengucapkan terima kasih atas pertolongan yang diberikan selama saya menjadi mahasiswa. Tak terkecuali seluruh teman serta sahabat saya di FTEK baik seangkatan maupun tidak seangkatan, yang tidak dapat saya sebutkan namanya satu – persatu. Terima kasih atas kerja sama dan kebaikan kalian selama ini. iii
Sebagai kalimat penutup, saya sebagai penulis mengharapkan skripsi ini dapat memberi manfaat yang krusial bagi pihak yang membacanya. Karena kekurangan dan keterbatasan yang saya miliki menjadikan skripsi ini jauh dari sempurna. Maka dari itu kritik dan saran yang membangun akan saya terima dengan berbesar hati.
Salatiga, Oktober 2012 Penulis
Soelistio Permadi Widjaja
iv
DAFTAR ISI HALAMAN INTISARI
i
ABSTRACT
ii
KATA PENGANTAR
iii
DAFTAR ISI
v
DAFTAR GAMBAR
vii
DAFTAR TABEL
x
DAFTAR LAMBANG
xi
DAFTAR SINGKATAN
xii
BAB I
PENDAHULUAN
1
1. 1. Latar Belakang
1
1. 2. Spesifikasi
2
1. 3. Sistematika Penulisan
3
DASAR THERMOELECTRIC GENERATOR
5
2. 1. Konsep Thermoelectric
5
BAB II
2. 1. 1. Thermoelectric Generator
5
2. 1. 2. Thermoelectric Cooling
6
2. 2. Efisiensi dari Bahan Thermoelectric : Figure – of – Merit (ZT)
7
2. 3. Efisiensi, ZT, dan Perbedaan Temperatur
9
2. 4. Efek Thermoelectric
10
2. 4. 1. Efek Seebeck
11
2. 4. 2. Efek Peltier
12
2. 4. 3. Efek Thomson
13
BAB III PERANCANGAN DAN METODE PENELITIAN
14
3. 1. Perancangan Modul Percobaan
14
3. 1. 1. Bagian Pemanas
14
3. 1. 2. Bagian Thermoelectric
15
3. 1. 3. Bagian Pendingin
16
3. 1. 4. Komponen Tambahan
17
3. 1. 5. Perancangan Keseluruhan
17
3. 2. Macam Pengukuran
18
3. 2. 1. Pengukuran Tegangan v
19
3. 2. 2. Pengukuran Temperatur 3. 3. Variasi Percobaan
21
3. 3. 1. Variasi Sumber Panas
21
3. 3. 2. Variasi Hambatan Beban
23
3. 3. 3. Variasi Jumlah dan Susunan Thermoelectric Generator
23
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN ANALISIS
25
4. 1. Pengujian Menggunakan Sumber Panas Buatan
25
4. 2. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Sinar Matahari
28
4. 2. 1. Analisis Perbedaan Temperatur
28
4. 2. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran
32
4. 2. 3. Analisis Daya Keluaran
34
4. 3. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Knalpot Sepeda Motor
36
4. 3. 1. Analisis Perbedaan Temperatur
36
4. 3. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran
39
4. 3. 3. Analisis Daya Keluaran
41
4. 4. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Setrika Listrik
BAB V
19
43
4. 4. 1. Analisis Perbedaan Temperatur
43
4. 4. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran
47
4. 4. 3. Analisis Daya Keluaran
49
PENUTUP
52
5. 1. Kesimpulan
52
5. 2. Saran Pengembangan
53
DAFTAR PUSTAKA
54
LAMPIRAN HUBUNGAN TEGANGAN DAN ARUS PADA HAMBATAN BEBAN YANG BERBEDA
55
vi
DAFTAR GAMBAR HALAMAN Gambar 2.1. Elemen thermoelectric
5
Gambar 2.2. Thermoelectric power generator
6
Gambar 2.3. Thermoelectric cooling
7
Gambar 2.4. ZT dari variasi bahan thermoelectric
9
Gambar 2.5. Efisiensi sebagai fungsi dari perbedaan temperatur
10
Gambar 2.6. Diagram untai seebeck. A dan B adalah dua logam yang berbeda
11
Gambar 3.1. Untai pemanas menggunakan 2N3055
14
Gambar 3.2. Antarmuka dengan permukaan tidak rata
16
Gambar 3.3. Arah aliran air di dalam heat sink
17
Gambar 3.4. Perancangan percobaan pertama
18
Gambar 3.5. Perancangan percobaan kedua
18
Gambar 3.6. Pengukuran tegangan TEG127–40B
19
Gambar 3.7. Pengukuran temperatur sisi panas dan sisi dingin TEG127–40B
20
Gambar 3.8. Percobaan dengan sumber panas sinar matahari
22
Gambar 3.9. Percobaan dengan sumber panas knalpot sepeda motor
22
Gambar 3.10. Percobaan dengan sumber panas setrika listrik
23
Gambar 3.11. Susunan TEG127–40B secara seri
24
Gambar 3.12. Susunan TEG127–40B secara paralel
24
Gambar 4.1. Grafik tegangan keluaran terhadap beban TEG127–40B
26
Gambar 4.2. Grafik arus keluaran TEG127–40B
26
Gambar 4.3. Grafik daya keluaran TEG127–40B
27
Gambar 4.4. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 1 Ω, dan 3.3 Ω
29
Gambar 4.5. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω, dan 15 Ω
29
Gambar 4.6. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω
30
Gambar 4.7. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω
30
Gambar 4.8. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban 0.39 Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω vii
31
Gambar 4.9. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban 15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω
31
Gambar 4.10. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B
32
Gambar 4.11. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel
33
Gambar 4.12. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri
33
Gambar 4.13. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B
34
Gambar 4.14. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel
35
Gambar 4.15. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri
35
Gambar 4.16. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 1 Ω, Dan 3.3 Ω
36
Gambar 4.17. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω, dan 15 Ω
37
Gambar 4.18. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω
37
Gambar 4.19. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω
38
Gambar 4.20. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban 0.39 Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω
38
Gambar 4.21. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban 15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω
39
Gambar 4.22. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B
40
Gambar 4.23. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel
40
Gambar 4.24. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri
41
Gambar 4.25. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B
42
Gambar 4.26. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel
42
Gambar 4.27. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri
43
Gambar 4.28. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 1 Ω, dan 3.3 Ω
44
Gambar 4.29. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω, dan 15 Ω
44
Gambar 4.30. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω
viii
45
Gambar 4.31. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω
45
Gambar 4.32. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban 0.39 Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω
46
Gambar 4.33. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban 15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω
46
Gambar 4.34. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B
47
Gambar 4.35. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel
48
Gambar 4.36. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri
48
Gambar 4.37. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B
49
Gambar 4.38. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel
50
Gambar 4.39. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri
50
ix
DAFTAR TABEL HALAMAN Tabel 3.1.
Spesifikasi TEG 127–40B
15
Tabel 3.2.
Spesifikasi FLUKE 26 III true RMS multimeter
19
Tabel 3.3.
Spesifikasi dual channel thermometer TM 914C
20
Tabel 4.1.
Data karakteristik TEG127–40A
28
Tabel 5.1.
Rangkuman hasil pemanfaatan panas terbuang
53
x
DAFTAR LAMBANG Z
Figure – of – Merit
α
Koefisien Seebeck bahan
σ
Konduktivitas listrik bahan
λ
Konduktivitas panas bahan
Th
Temperatur sisi panas thermoelectric generator
Tc
Temperattur sisi dingin thermoelectric generator
η
Efisiensi
Q
Panas Peltier tiap satuan waktu
∏
Koefisien Peltier bahan
J
Kerapatan arus
ρ
Resistivitas bahan
μ
Koefisien Thomson
q
Panas Thomson tiap satuan volume
xi
DAFTAR SINGKATAN DC
Direct Current
EMF Electromotive Force TEC
Thermoelectric Cooling
TEG
Thermoelectric Generator
xii
