Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

Pengaruh Variasi Luas Heat Sink Terhadap Densitas Energi danTegangan Listrik Thermoelektrik

Purnami1 *, Widya Wijayanti1 dan Sidiq Darmawan1

1 Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Brawijaya

Jl. Mayjend Haryono No. 167, Malang 65145, Indonesia

Email : purnami.ftub@ub.ac.id

AbstrakTeknologi thermoelektrik merupakan teknologi yang bisa diandalkan dimasa depan untukmengatasi krisis energi karena teknologi ini mampu mengubah energi panas menjadi energilistrik secara langsung. Sumber energi panas yang ada didunia ini sangat melimpah tapi belumadanya teknologi yang mampu mengkonversinya secara langsung membuat energi panas sepertipanas matahari dan panas losses mesin konversi energi kurang dimanfaatkan dengan baik.Padahal sumber energi panas didunia adalah sumber energi yang terbarukan. Teknologithermoelektrik merupakan teknologi dengan rekayasa material semikonduktor tipe P dan tipe Nyang disusun secara seri secara elektrik sehingga dapat mengubah energi panas menjadi listriksecara langsung menggunakan prinsip pergerakan elektron pada jalur konduksi dan pergerakanhole pada jalur valensi sehingga ketika semikonduktor tersebut menerima energi panas dari luarmaka semikonduktor tersebut akan menghasilkan tegangan listrik. Teori lain yang mendukungadalah effect seeback yang menyatakan bila terdapat perbedaan suhu antara dua material yangberbeda maka akn dihasilkan tegangan listrik pada sambungan material itu.Penelitian ini akan mempelajari pengaruh luas permukaan heat sink terhadap densitas energy dantegangan listrik yang dihasilkan thermoelektrik. Variabel bebas dalam penelitian ini adalah luaspermukaan heat sink yang variasikan dalam penelitian ini adalah 468 cm2, 936 cm2, 1404 cm2.Variabel terikat yang akan dicari adalah densitas energi dan tegangan listrik yang dihasilkanthermoelektrik setiap 30 detik selama 15 menit.Dari hasil penelitian didapatkan bahwa Semakin besar luas permukaan heat sink maka semakinbesar tegangan listrik yang dihasilkan thermoelektrik, karena perbedaan suhu yang dihasilkansemakin besar. Semakin besar luas permukaan heat sink maka semakin besar panas yang mampudilepas ke lingkungan. Densitas energi dari suatu sumber panas akan mempengaruhi teganganlistrik yang dihasilkan thermoelektrik. Tegangan listrik tertinggi didapatkan pada heat sink ke 3dengan voltase pada detik ke 210 adalah 3.97 volt.

Kata Kunci : heat sink, tegangan thermoelektrik, densitas energi

PENDAHULUANThermoelektrik adalah teknologi

rekayasa material baru yang dapatmengkonversi energi panas menjadi energilistrik secara langsung. Thermoelektrikterdiri dari bahan semikonduktor tipe P dansemikonduktor tipe N [1]. Prinsip dasarkonversi energi pada thermoelektrik adalah

berdasarkan effect seeback. Effect seebackadalah teori yang mengatakan bahwa ketikaada perbedaan suhu pada dua jenis materialyang berbeda maka akan ada aliran elektron.

Bahan thermoelektrik ini terdiri dari duasisi yaitu sisi panas dan sisi dingin. Sisipanas dijaga agar suhu selalu panas, padasisi dingin suhu dijaga juga agar selalu

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

dingin. Hal ini dilakukan untukmendapatkan perbedaan suhu yang tinggiantara kedua sisi thermoelektrik, karenasemakin tinggi perbedaan suhu pada sisithermoelektrik maka elektron yang mengalirpada thermoelektrik juga semakin banyakdan akan menghasilkan tegangan listrikyang besar[8].

Penguasahan dibidang teknologithermoelektrik ini sangat penting dimasadepan, sehingga kita bisa mengkonversienergi panas menjadi listrik dengan lebihoptimal. Pada penelitian ini akan dilakukanpenelitian pengaruh luas permukaan heatsink terhadap tegangan listrik yang dapatdihasilkan thermoelektrik, karena luaspermukaan heat sink mempengaruhi suhupengkondisian pada sisi dinginthermoelektrik. Semakin luas permukaanheat sink maka semakin besar jugakemampuan heat sink dalam membuangpanas ke ligkungan sehingga suhu pada sisidingin thermoelektrik dapat di jaga agartetap dingin. Penelitian ini penelitian inidiharapkan dapat diterapkan untukmengkonversi energi panas dari mataharimaupun losses energi dari mesin konversienergi.

Semikonduktor

Didalam sebuah semikonduktor intristik,terdapat dua jenis pembawa arus antara lainadalah elektron dan hole. Elektron elektronpembawa arus adalah elektron elektron padatingkat energi tertinggi didalam elektronvalensi atau pita valensi, yang telahmenerima cukup energi biasanya energipanas dan elektron tersebut berpindah kepita konduksi. Bila suhu dinaikan diatas nolmutlak, maka akan terjadi perubahan. Energipanas yang diberikan akan melepaskanbeberapa ikatan kovalen, yaitu elektronelektron valensi pindah ke jalur konduksi,

dengan pengaruh panas elektron ini bebasbergerak dan membangkitkan arus.[2]

Semikonduktor tipe n ialah jenissemikonduktor murni yang dicampuridengan unsur golongan pentavalen [3] ataugolongan 5 sehingga semikonduktor inimemiliki kelebihan satu elektron dari yangdibutuhkan untuk memebuhi ikatan valensi.Semikonduktor tipe p ialah semikonduktormurni yang dicampuri unsur golongantrivalent atau golongan tiga, hal inimenyebabkan atom akan kekurangan 1elektron untuk stabil. Ini akan menimbulkanhole positif. Dalam thermoelektrik inielektron pada tipe n dan hole pada tipe pakan berpindah ke bagian yang dingin danmereka akan ditumpuk dan digabungkansehingga menghasilkan potensialthermoelektrik [4]

Effect Seeback

Efek Seebeck adalah sebuah fenomenadimana perbedaan temperatur padasemikonduktor yang menghasilkan bedapotensial diantara kedua ujungnya

[5]

Keterangan:

αab : Efeect Seeback ( V/K)

V : Voltase (V)

ΔT : Beda Suhu (K)

METODE PENELITIAN

Penelitian ini dilakukan di LaboratoriumMesin Mesin Fluida Teknik MesinUniversitas Brawijaya.

Variabel yang digunakan dalampenelitian ini adalah

1. Variabel Bebas

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

Luas permukaan heat sink A 468cm2,heat sink B 936cm2, heat sink C1404cm2

2. Variabel Terikat Beda Suhu atau Delta Suhu

Tegangan Listrik

Skema Instalasi Penelitian

Gambar 1. Skema Instalasi Penelitian

Modul thermoelektrik diletakkandibagian tengah dan dihimpit oleh reservoirpanas dan heat sink. Pada reservoir panasdiberikan lapisan peredam panas dengantujuan agar tidak ada perpindahan panas daridinding reservoir panas ke lingkungan.Sensor suhu diletakkan pada bagianreservoir panas yang paling dekat denganthermoelektrik dengan asumsi panas yangditerima pada sensor sama dengan panasyang diterima pada thermoelektrik.

Pengolahan Data Hasil Penelitian

Penelitian dilakukan sesuai denganmetode pengambilan data dengan menyusunsetiap variasi heat sink kemudian dilakukandengan pengambilan data menggunakan datalogger. Pengambilan data dilakukan selama15 menit yakni 4 menit pemanasan denganheater dan 11 menit pengukuran tanpaheater. Pengambilan data dilakukan secaraotomatis menggunakan data logger arduino,

sehingga data bisa langsung diolah dicomputer.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Dari penelitian yang dilakukan diperolehhasil bahwa tegangan listrik dipengaruhioleh besarnya nilai perbedaan suhu padaheat sink A dengan luas permukaan 468 cm2

dari 3.430C sampai 40.570C, pada heat sinkB dengan luas permukaan 936 cm2

perbedaan suhu yang terbentuk dari 0.490Csampai 45.750C dan panad heat sink Cdengan luas permukaan 1404 cm2 perbedaansuhu yang terbentuk dari 1.470C sampai46.430C. Untuk nilai voltase yang terbentukakan dibahas pada grafik dibawah.

1. Grafik Hubungan Suhu TerhadapWaktu Heating rate dan Cooling RatePada Semua Variasi Heat sink

Berdasarkan Grafik 1 ditunjukanbesarnya nilai heating rate dan cooling ratepada semua variasi heat sink. Dapat terlihatbahwa pada proses pemanasanmenggunakan heater pada reservoir panasakan membuat suhu dinding reservoir naiksampai suhu tertentu. Pengukuran suhu padareservoir panas ini menggunakan sensorsuhu yang ditempelkan pada dindingreservoir panas dekat dengan thermoelektrikdengan asumsi bahwa nilai panas yangditerima thermoelektrik sama dengan panasyang diukur menggunakan sensor. Prosespemanasan dilakukan selama 4 menitmenggunakan heater dengan daya 1000

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

Watt. Setelah itu heater dimatikan dandibiarkan selama 11 menit data. Dapatdilihat pada detik ke 240 suhu pada heat sinkA adalah 80.16, pada heat sink B 83.9 danpada heat sink C 81.16. Grafik heating rateini memiliki kecenderungan yang sama, adabeberapa perbedaan hal ini disebabkankarena sebagian panas mengalir ke heatsink. Proses mengalirnya panas darireservoir panas ke heat sink dapat dilihatpada detik 900 bahwa nilai heating rate heatsink C pling rendah. Hal ini disebabkanpanas heat sink C mengalir ke heat sinklebih banyak dibandingkan pada heat sink Adan B karena luas permukaan heat sink Cpaling besar. Semakin besar luas permukaanheat sink semakin besar juga kemampuanheat sink melepas panas kelingkungan.

Pada grafik cooling rate data diambil darisuhu heat sink menggunakan sensor suhuyang ditempelkan pada bagian heat sinkdekat dengan thermoelektrik. Dapat terlihatbahwa suhu heat sink memilikikecenderungan naik sampai detik ke 900tetapi kecepatan naiknya suhu pada heat sinkterjadi paling cepat pada detik 180-240karena pada waktu tersebut suhu air padareservoir panas sudah tinggi dan mudahmengalir ke heat sink. Dari grafik dapatdilihat bahwa suhu akhir heat sink berbedabeda pada setiap variasi heat sink, heat sinkA adalah memiliki suhu 54.75, heat sink Bmemilki suhu 52.3 dan pada heat sink Cmemiliki suhu 45.46. suhu tertinggi terjadipada heat sink A karena heat sink Amemiliki luas permukaan paling kecilsehingga sulit untuk melepas panaskelingkungan.

Perbedaan luas permukaan heat sinkakan mempengaruhi proses perpindahanpanas konveksi dari heat sink ke lingkungan.Berikut sesuai dengan rumus berikut ini:

[4]Keterangan:Q/t : Laju aliran kalor (W/s)h : koeffisien heat transfer konveksi

(W/m2)

A : luas permukaan (m2)TS : Temperatur permukaan (0C)T∞ : Tempertur lingkungan (0C)

Dari rumus diatas dapat diketahuidengan nilai temperatur permukaan,temperatur lingkungan dan koeffisien heattransfer konveksi adalah pada setiap heatsink tetapi yang mempengaruhi lajuperpindahan panas konveksi adalah luaspermukaannya (A). Luas permukaanberbanding lurus dengan nilai lajuperpindahan panas konveksinya. Semakinbesar luas permukaan maka semakin besarlaju perpindahan panas konveksinya.Sehingga panas dapat terbuangkelingkungan dengan cepat.

2. Grafik Hubungan Delta SuhuTerhadap Waktu Pada Semua VariasiHeat sink

Grafik 2 menunjukan grafik hubungan deltasuhu terhadap waktu pada setiap variasi heatsink. Besarnya delta suhu pada detik 0sampai 240 terjadi penyimpangan. karenapada saat itu delta suhu pada heat sink A

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

memiliki nilai paling tinggi dari detik 0-180tapi pada detik 180-240 nilai delta suhupaling tinggi adalah pada heat sink B.Setelah detik 240 nilai delta suhu palingtinggi adalah pada heat sink C.

Penyimpangan pertama pada detik 0-180yakni nilai ΔT tertinggi pada heat sink Adikarenakan pada saat detik 0 atau startingup penelitian nilai delta suhu pada variasiheat sink A sudah memiliki delta suhusebesar 3.430C, sedangkan pada variasi heatsink B dan C berturut-turut adalah 1,47 0Cdan 0,49 0C. hal ini menyebabkan deltasuhu heat sink A menjadi paling tinggi padadetik 0-180. Karena hampir setiap titik daridetik 0-180 selisih delta suhu heat sink Adan heat sink B, C sebesar 3 0C. Tetapisetelah melewati detik 180 delta suhu heatsink A turun.

Penyimpangan kedua pada detik 210-240nilai delta suhu tertinggi terjadi pada heatsink B hal ini disebabkan karena beberapafaktor hal ini terjadi diwaktu pemanasanberlangsung, faktor posisi heater yangterlalu dekat dengan sensor pada heat sink 2juga memiliki pengaruh. Perbedaan deltasuhu yang terjadi pada heat sink B di detik210-240 adalah 2 0C.

Tetapi setelah detik 240 atau setelahheater dimatikan nilai delta suhu tertinggiadalah heat sink C karena heat sink Cmemiliki kemampuan perpindahan panaskonveksi yang paling tinggi jadi suhu heatsink C tidak mudah naik. Panas yang masukke heat sink akan cepat dilepaskelingkungan dengan konveksi natural.Karena panas mengalir dari temperaturtinggi ke temperature rendah. Semakin besarluas permukaan yang mengalirkan panasmaka semakin besar panas yang berpindahkelingkungan. Prinsip ini sesuai denganrumus berikut:

Keterangan :Q/t : Laju aliran kalor (W/s)h : koeffisien heat transfer konveksi

(W/m2)A : luas permukaan (m2)TS : Temperatur permukaan (C)T∞ : Tempertur lingkungan (C)

Dari rumus diatas dapat diketahui dengannilai temperatur permukaan, temperaturlingkungan dan koeffisien heat transferkonveksi adalah sama pada setiap variasiheat sink, tetapi yang mempengaruhikemapuan perpindahan panas konveksiadalah luas permukaannya (A). luaspermukaan berbanding lurus dengan lajuperpindahan panas konveksinya. Semakinbesar luas permukaan maka semakin besarkemampuan perpindahan panaskonveksinya. Hal ini akan menyebabkansuhu pada heat sink C akan lebih rendahdibandingkan dengan suhu heat sink B danheat sink A. Maka nilai delta suhu padaheatsink C paling tinggi setelah detik 240.Hal ini disebabkan karena kemapuanmelepas panas kelingkungan heat sink Cpaling besar dibandingkan yang lain.

3. Grafik Hubungan VoltaseTerhadap Waktu Pada Semua VariasiHeat sink

Pada grafik 3 dapat dilihat grafik hubunganvoltase terhadap waktu pada setiap variasi

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

heat sink. Pada grafik dapat dilihat bahwaheat sink C memiliki produktifitas teganganlistrik yang paling tinggi dari pada heat sinklainnya hal ini disebabkan beda suhu padaheat sink C paling tinggi dibandingkan yanglainnya. Hal ini sesuai dengan prinsip effectseeback yang menyatakan bahwa ketika adaperbedaan suhu pada dua material makaakan terjadi aliran listrik. Semakin besarperbedaan suhuh maka semakin besartegangan listrik yang akan terjadi. Berikutdinyatakan dalam rumus seeback

[6]Keterangan:V : Tegangan Listrik (V)αab : Koeffisien seeback (V/0C)DT : Perbedaan Suhu (0C)

Semakin tinggi nilai perbedaan suhumaka semakin tinggi juga tegangan listrikyang akan dihasilkan thermoelektrik. Karenaperbedaan suhu berbanding lurus dengantegangan listrik. Perbedaan suhu ini akanberhubungan dengan pergerakan elektronyang ada didalam sel thermoelektrik.Semakin besar perbedaan suhu semakinbesar pula kecepatan elektron mengalir dansemakin cepat juga terbentuknya hole danelektron dijalur konduksi. Perbedaan suhuini akan menyebabkan elektron akanmengalir dari suhu tinggi kerendah danakhirnya akan menyebabkan timbulnyategangan listrik pada thermoelektrik,semakin tinggi perbedaan suhu semakincepat panas mengalir dan semakin tinggijuga aliran elektron yang akan menyebebkantegangan listrik.

Pada grafik sebelum dan setelah detik240 memiliki perbedaan tegangan listrikyang dihasilkan. Pada beda yang sama padadetik setelah 240 menghasilkan teganganlistrik yang lebih rendah dibandingkan

sebelum detik 240, hal ini disebabkankarena sebelum detik 240 ada energi dariheater yang mengalir. Hal itu seperti rumusdibawah

KeteranganQ : Energi (W)Q air :Energi didalam air (W)Q heater : Energi heater (W)

Jadi walaupun memiliki beda suhu yangsama tetepi memiliki densitas energi yangberbeda maka tegangan listrik yangdihasilkan juga berbeda. Densitas energisebelum detik 240 lebih tinggi dibandingkandensitas energi setelah detik 240. Hal inidikarenakan pada detik sebelum 240 adaenergi tambahan dari energi heater, tetapisetelah detik 240 energi hanya dari energiair.

4. Grafik Hubungan Delta Suhu danVoltase Terhadap Waktu Pada SemuaVariasi Heat sink

Pada grafik diatas dapat dilihat hubunganbeda suhu dan voltase terhadap waktu padavariasi setiap heat sink. Dari gambar terlihatbahwa besarnya nilai voltase berbandinglurus dengan nilai ΔT. Hal ini sesuai denganteori effect seeback seperti rumus dibawahini:

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

Keterangan:V : Tegangan Listrik (V)αab : Koeffisien seeback (V/0C)DT : Perbedaan Suhu (0C)

Semakin tinggi nilai perbedaan suhumaka semakin tinggi juga tegangan listrikyang akan dihasilkan thermoelektrik. Karenaperbedaan suhu berbanding lurus dengantegangan listrik. Perbedaan suhu padathermoelektrik ini akan menyebabkanpergerakan elektron dan akhirnya akanmenyebabkan terbentuknya hole yangbermuatan positif yang akan menghasilkantegangan listrik. Jika terjadi perbedaan suhumaka akan ada panas yang mengalir darisuhu yang tinggi ke suhu yang lebih rendah.Proses mengalirnya panas ini akan disertaioleh pergerakan elektron yang akanmenyebabkan timbulnya tegangan listrikpada elemen thermoelektrik, semakin tinggiperbedaan suhu semakin cepat panasmengalir dan semakin tinggi juga aliranelektron yang akan menghasilkan teganganlistrik.

Besarnya Voltase tergantung besarnyanilai perbedaan suhu pada sisithermoelektrik, Pada variasi heat sink Anilai voltase tertinggi terjadi pada detik 210dengan nilai 3.58 volt dan tegangan padadetik 900 adalah 0.81 volt. Pada Heat sink Bnilai voltase tertinggi terjadi pada detik 210dengan nilai 3.7 volt dan tegangan padadetik 900 adalah 0.96 volt. Pada variasi heatsink C nilai voltase tertinggi terjadi padadetik 210 dengan nilai 3.97 volt dantegangan pada detik terakhir yaitu detik 900adalah 1.23 volt. Terdapat penyimpanganpada detik 240 terjadi delta T paling tinggitetapi tegangan listrik teringgi terjadi padadetik 210. Hal ini disebabkan karena padadetik 240 energi yang dikonversi menjadienergi listrik hanya energi dari air atau Q

air. Tetapi dibawah pada detik 210 energiyang dikonversi adalah energi air dan energiheater seperti pada rumus dibawah ini:

KeteranganQ : Energi (W)Q air : Energi didalam air (W)Q heater : Energi heater (W)

Jadi sekalipun memiliki beda yang samatetapi memiliki densitas energi yang berbedamaka tegangan listrik yang dihasilkan jugaberbeda. Densitas energi sebelum detik 240lebih tinggi dibandingkan densitas energisetelah detik 240. Hal ini dikarenakan padadetik sebelum 240 ada energi tambahan darienergi heater, tetapi setelah detik 240 energihanya dari energi air.

KESIMPULAN

1. Semakin besar luas permukaan heat sinkmaka semakin besar tegangan listrik yangdihasilkan thermoelektrik. Semakin besarluas permukaan heat sink maka semakinbesar panas yang mampu dilepaskelingkungan. Densitas energi dari suatusumber panas akan mempengaruhitegangan listrik yang dihasilkanthermoelektrik.

2. Tegangan listrik tertinggi didapatkanpada heat sink C yang memiliki luaspermukaan 1404 cm2 dengan voltasepada detik ke 210 adalah 3.97 volt

DAFTAR PUSTAKA[1] Cengel, Yunus, A.,Boles. Michael A.

2002 , Thermodynamic.

[2] Hayt, William H.. Buck, John A. 2006 ,“Elektro magnetika” PT. Erlangga.Jakarta

Proceeding Seminar Nasional Tahunan Teknik Mesin XIV (SNTTM XIV)Banjarmasin, 7-8 Oktober 2015

KE-53

[3] Malvino, Albert. 2011. Prinsip PrinsipElektronika. PT. Erlangga. Jakarta

[4] Culp, Archie W. 1985. “Principles ofEnergy Conversion. PT.Erlangga.Jakarta

[5] Goldsmid, H Julian 2010. “Introductionto Thermoelectricity” Springer,Australia

[6] Hayt, William H.. Buck, John A. 2006 ,“Elektro magnetika” PT. Erlangga.Jakarta