STUDI AWAL PEMANFAATAN THERMOELECTRIC MODULE SEBAGAI ALAT PEMANEN ENERGI Oleh : La Ode Torega Palinta (2108100524)
Dosen Pembimbing :
PROGRAM SARJANA JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
Dr.Eng Harus L.G, ST, M.Eng
LATAR BELAKANG
Thermoelectric Effect adalah konversi dari perbedaan temperatur menjadi perbedaan potensial (voltase) maupun sebaliknya yang terjadi secara langsung. Material thermoelectric umumnya menggunakan bulk semiconductor Bismuth Telluride (Bi2Te3).
Thermoelectric effect ini dibagi menjadi dua yaitu Peltier Effect dan Seebeck Effect. Peltier Effect mengubah perbedaan voltase menjadi perbedaan temperatur, sedangkan Seebeck Effect mengubah perbedaan temperatur menjadi perbedaan voltase.
THERMOELECTRIC MODULE
Thermoelectric memiliki banyak keunggulan yakni : - Tidak adanya komponen yang bergerak - Bentuknya compact dan ringan - Bebas perawatan - Tidak menghasilkan bunyi (silent operation) - Ramah lingkungan Thermoelectric juga memiliki beberapa kelemahan : - Efisiensi yang cukup kecil (umumnya dibawah 10%) - Tidak mampu bekerja pada temperatur tinggi
RUMUSAN MASALAH • Bagaimana memanfaatkan thermoelectric agar dapat digunakan sebagai pemanen energi / Temperature Differential Energy Harvester (TDEH). • Pengaruh perbedaan temperatur pada TDEH terhadap voltase yang dihasilkan. • Bagaimana membuat voltase output pada TDEH sesuai dengan kebutuhan perangkat elektronik bergerak (portable electronic device)
BATASAN MASALAH • Temperatur pada sisi TDEH dianggap konstan • Thermoelectric yang digunakan adalah tipe C12706 • Proses konveksi yang terjadi dianggap free convection pada silinder horizontal sepanjang kawat tembaga • Konduksi sempurna • Parameter pengujian Perbedaan temperatur (∆T), Tegangan (Volt) dan Arus (Ampere) yang dihasilkan pada beban tertentu • Temperatur kerja rangkaian elektronik = 25°C
TUJUAN PENELITIAN • Merancang dan membuat TDEH • Melakukan studi eksperimental, hubungan antara ∆T dengan daya output yang dihasilkan oleh TDEH tersebut.
MANFAAT PENELITIAN • Dapat menyediakan sumber energi alternatif memanfaatkan energi yang terbuang dalam bentuk beda temperatur. Aplikasi utama untuk emergency mobile charger bagi portable electronic device (perangkat elektronik bergerak). • Membantu mahasiswa lebih memahami tentang pengaruh beda temperatur terhadap daya listrik bangkitan TDEH berdasarkan themoelectric module.
KAJIAN PUSTAKA Thermoelectric sudah sejak lama digunakan oleh instansi maupun branded product. Semiconductor yang digunakan umumnya Bismuth Telluride yang terdiri dari N type dan P type Aliran kalor akan menyebabkan terlepasnya elektron (e-) pada N type dan lubang/holes (h+) pada P type yang akhirnya tercipta aliran elektron.
NASA menggunakan radioactive element sebagai sumber kalor guna menghasilkan energi. BMW menerapkan teknologi ini untuk memanfaatkan panas yang terbuang dari hasil pembakaran engine.
Seiko dan Citizen memanfaatkan panas tubuh manusia sebagai sumber energi pada produk jam tangan mereka
Perpindahan Panas Konduksi Jika suatu benda terdapat gradien temperatur maka akan terjadi perpindahan energi dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah
T q kA x Perpindahan Panas Konveksi
q Tw
Pelepasan kalor secara konveksi dari TDEH menggunakan media gulungan acak kawat tembaga dengan diameter kecil, agar didapatkan luas penampang yang maksimal Pengukuran Daya Output P=VxI Dimana : P = Power Output V = Voltase bangkitan I = Arus yang mengalir
METODOLOGI FLOWCHART PENELITIAN START
Studi literatur
Proses perancangan dan pembuatan produk
Pengujian
Pengolahan data dan hasil
FINISH
FLOWCHART PROSES PERANCANGAN PRODUK Ide Rancangan
Perancangan TDEH Modul
Optimasi Produk •Optimasi dimensi Optimasi komponen
Gambar detail
Pembuatan prototipe
Pengujian (∆T,P)
Perbaika n tidak Produk akhir
ya
Desain TDEH
Desain TDEH Penyerapan Kalor
Pada bagian ini digunakan plat aluminium sebagai penerima kalor sebelum diteruskan kepada thermoelectric module dengan cara konduksi.
Pelepasan Kalor
Pada bagian ini digunakan plat aluminium, akan tetapi hanya digunakan sebagai “rumah” dari gulungan acak kawat tembaga yang berfungsi untuk melepas kalor secara konveksi.
SKEMA PENGUJIAN FREE CONVECTION
Pengujian dilakukan dengan konveksi alamiah Pengujian awal dilakukan dengan memvariasikan panjang kawat tembaga sebagai media pelepas kalor
SKEMA PENGUJIAN FORCE CONVECTION
Pengujian dilakukan dengan konveksi paksa Pengujian selanjutnya dilakukan dengan memvariasikan kecepatan udara pada TDEH dengan panjang kawat tembaga 6200 meter
PERALATAN PENGUJIAN
Kompor Listrik
AVO Meter
Thermoelectric Module
LM35
Baterai 9 Volt
PENGUJIAN
Pengujian I dilakukan dengan memberi ∆T yang berbeda-beda pada tiap-tiap pengujian, agar diketahui apakah peningkatan daya output sebanding dengan peningkatan ∆T yang dberikan. Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali kemudian hasil dirata-rata. Parameter yang diambil adalah (Tc, Th, Vout, dan Iout) Pengujian II dilakukan dengan cara mengeset temperatur Th pada suhu 80 °C. Kemudia TDEH diletakkan pada sumber kalor lalu dibiarkan selama 30 menit. Pengambilan data (Tc, Th, dan Vout) dilakukan setiap 1 menit. Percobaan dilakukan secara beruntun mulai dari TDEH dengan panjang kawat tembaga 850 meter, 2400 meter, lalu kemudian 6200 meter. Pengujian III dilakukan dengan cara yang hampir sama dengan Pengujian II, hanya saja variasi kecepatan kipas yang menjadi parameter utama yaitu Kecepatan III, Kecepatan II, dan Kecepatan I. Hasil pengukuran yang didapat juga berupa Tc, Th, dan Vout . Pengambilan data dilakukan setiap 1 menit sampai menit ke 30.
GRAFIK PENGUJIAN DENGAN SATU THERMOELECTRIC MODULE Grafik Tegangan vs Beda Temperatur 3
Tegangan (V)
2,5 2
Pengujian dilakukan dengan suhu Max 100 C.
1,5 1 0,5 0 7
12
17
22
27
32
37
42
47
52
57
62
67
72
Beda Temperatur (C)
Grafik Arus vs Beda Temperatur 0,4
Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali kemudian hasilnya dirata-rata
0,35
Arus (A)
0,3
Temperatur Ambient = 28 C
0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0 7
12
17
22
27
32
37
42
47
Beda Temperatur (C)
52
57
62
67
72
GRAFIK TDEH 850, 2400, dan 6200 METER (FREE CONVECTION) Grafik Temperatur (Tc) vs Waktu
60
Pengujian dilakukan dengan Th = 80 C.
40 20 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
Waktu (Menit) 850 meter
2400 meter
6200 meter
Grafik Tegangan vs Waktu
Tegangan (Volt)
Temperatur (C)
80
1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0
27
29
Pengujian dilakukan selama 30 menit dengan rentang pengambilan data adalah 1 menit Temperatur Ambient = 28 C
1
3
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 Waktu (Menit)
850 meter
2400 meter
6200 meter
GRAFIK TDEH 6200 METER (FORCE CONVECTION)
Temperatur (C)
Grafik Temperatur vs Waktu 70 60 50 40 30 20 10 0
Pengujian dilakukan dengan Th = 80 C. 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
Waktu (Menit) Free Conv.
Force Conv. III
Force Conv. II
Force Conv. I
Grafik Tegangan vs Waktu
Pengujian dilakukan selama 30 menit dengan rentang pengambilan data adalah 1 menit
Tegangan (V)
2,5
Temperatur Ambient = 28 C
2 1,5 1 0,5 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
Waktu (Menit) Free Conv.
Force Conv. III
Force Conv. II
Force Conv. I
29
ANALISA HASIL PERCOBAAN
Walaupun ∆T yang terjadi pada 3 macam variasi panjang kawat tembaga ini berbeda (70 °C, 66.6 °C, dan 61.2 °C), akan tetapi didapatkan tegangan yang memiliki nilai serupa (0.43 Volt, 0.39 Volt, dan 0.43 Volt). Hal ini menandakan bahwa ∆T sesungguhnya (pada permukaan thermoelectric module) memiliki nilai yang serupa. Nilai temperatur dan tegangan diatas merupakan rata-rata pada saat stabil untuk panjang kawat tembaga 850, 2400, dan 6200 meter dengan free convection secara berturut-turut. Hal yang serupa juga terjadi pada force convection dengan panjang kawat tebaga 6200 meter. Walaupun ∆T yang terjadi pada 3 macam variasi kecepatan angin berbeda (40.5 °C, 36.4 °C, dan 34.9 °C), didapat tegangan yang memiliki nilai serupa (1.02 Volt, 1.01 Volt, dan 1.02 Volt). Hal ini menandakan bahwa ∆T sesungguhnya (pada permukaan thermoelectric module) memiliki nilai yang serupa. Nilai temperatur dan tegangan diatas merupakan rata-rata pada saat stabil untuk kecepatan 2.56 m/s, 2.98 m/s, 3.32 m/s secara berturut-turut
KESIMPULAN
Semakin besar beda temperatur yang diberikan terhadap Thermoelectric Module (TDEH) maka akan semakin besar pula daya yang dihasilkan. Dengan semakin bertambahnya panjang kawat tembaga sebagai media pelepasan kalor, semakin besar pula q yang mampu dilepaskan ke udara sekitar. Dari hasil percobaan, sebuah thermoelectric module mampu menghasilkan tegangan sebesar 2,73 Volt pada beda temperatur 72°C dan arus sebesar 0,37 Ampere. Dari hasil percobaan TDEH, media pelepas panas kawat tembaga dengan panjang 6200 meter memiliki performa terbaik dengan voltase yang dihasilkan rata-rata 0,42 Volt dan Tc pada temperatur 61,2 °C untuk free convection. Dan dari hasil percobaan TDEH, media pelepas panas kawat tembaga dengan panjang 6200 meter memiliki performa terbaik dengan voltase yang dihasilkan rata-rata 1,02 Volt dan Tc pada temperatur 34,9 °C untuk force convection I.
SARAN
Pada penelitian selanjutnya, desain pelepasan panas dengan menggunakan kawat tembaga ini dapat dikembangkan sehingga dapat secara efektif melepaskan panas ke udara sekitar baik secara free convection maupun force convection. Memberikan material pengarah aliran udara terutama untuk proses pelepasan kalor secara paksa (force convection). Memberi ruang atau rongga pada TDEH Modul agar proses pelepasan kalor yang terjadi semakin besar sehingga daya bangkitan semakin besar pula. Sebaiknya pengambilan data dilakukan dengan menggunakan data logger, agar meminimalisir kesalahan dalam pencatatan data baik data voltase, arus, maupun temperatur pada kedua sisi TDEH sehingga didapatkan hasil yang lebih akurat.
Sekian dan Terima Kasih Mohon Kritik dan Saran
