bab ii landasan teori - uksw · bab ii landasan teori ... 2.1.1. efek seebeck efek seebeck adalah...
Post on 20-Mar-2021
9 Views
Preview:
TRANSCRIPT
4
BAB II
LANDASAN TEORI
Pada bab ini akan dibahas megenai teori-teori yang mendasari perancangan dan
perealisasian pemanfaatan modul termoelektrik generator sebagai alat pemanen yang
mengubah energi panas menjadi energi listrik. Teori-teori yang digunakan untuk
skripsi ini antara lain: efek termoelektrik, termoelektrik generator, dc-dc step up
conventer, perpindahan kalor, dan kompor biomassa.
2.1. Efek Termoelektrik
Efek termoelektrik adalah proses perubahan energi panas (perubahan
temperatur) menjadi energi listrik atau sebaliknya dari energi listrik menjadi
perbedaan temperatur. Ada tiga efek utama dalam efek termoelektrik yaitu efek
Seebeck, efek Peltier dan efek Thomson. Efek Seebeck mengubah mengubah
perbedaan temperatur menjadi tegangan atau kekuatan listrik (EMF). Perubahan EMF
sehubungan dengan perubahan temperatur disebut dengan koefisien Seebeck. Efek
Peltier merupakan kebalikan dari efek Seebeck yang memberikan perbedaan
temperatur dengan memberikan EMF. Untuk efek Thomson berkaitan dengan
perbedaan suhu dan EMF dalam suatu jenis bahan homogeni [4].
2.1.1. Efek Seebeck
Efek Seebeck adalah konversi langsung dari perbedaan temperatur menjadi
energi listrik. Ditemukan pertama kali pada tahun 1821 oleh ilmuan Jerman, Thomas
Johann Seebeck. Ia menghubungkan tembaga dan besi dalam sebuah rangkaian
tertutup dan diantara kedua logam tersebut diletakkan jarum kompas. Ketika pada
persambungan logam dipanaskan, jarum kompas bergerak. Hal ini karena logam yang
berbeda menanggapi perbedaan temperatur, yang menimbulkan loop arus dan medan
magnet. Medan magnet inilah yang menggerakan jarum kompas. Seebeck tidak
menyadari ada arus yang terlibat, sehingga dia menyebut fenomena dengan efek
thermomagnetic. Tetapi fisikawan Denmark, Hans Christian Orsted memperbaiki
kesalahan itu dan menciptakan istilah untuk mengganti efek thermomagnetic yang
disebut thermoelectricity.
5
Gambar 2.1. Diagram untai Seebeck A dan B adalah logam yang berbeda
Jika ada dua buah material logam yang tersambung berada pada lingkungan
dengan suhu yang bebeda, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak
listrik. Pada Gambar 2.1. ditunjukkan junction penghubung dari kabel logam dengan
bahan material yang berbeda, yaitu material A dan B dan dikondisikan dalam
temperatur yang berbeda T1 dan T2. Tegangan ∆V yang dihasilkan berasal dari:
∆V =∫𝑇1
𝑇2 SAB dT………(2.1.)
Dimana:
∆V : Tegangan yang dihasilkan (V)
SAB : Koefisien Seebeck (V/K)
T1 dan T2 : Temperatur dari dua persambungan(K)
Koefisien Seebeck merupakan besaran nonlinear sebagai fungsi dari
temperature dan bergantung pada bahan dan molekul material. Tanda positif dan
negatif dari koefisien Seebeck dipengaruhi oleh muatan pembawanya. Jika koefisien
Seebeck secara efektif konstan untuk jangkauan temperatur yang diukur, maka
koefisien Seebeck dituliskan menjadi:
S = ∆V
∆T ………….(2.2.)
Dimana:
S : Koefisien Seebeck (V/K)
∆V : Tegangan yang dihasilkan (V)
∆T : Perbedaan Temperatur (K)
6
Tegangan yang dihasilkan ini sebanding dengan perbedaan temperatur diantara
dua junction. Semakin besar perbedaan temperatur, semakin besar tegangan diantara
junction. Timbul perbedaan kerapatan pembawa muatan akan menimbulkan difusi
elektron dari daerah rapatan muatan yang tinggi ke daerah rapatan muatan yang rendah
dan temperatur tinggi ke temperatur rendah. Hal ini disebabkan karena kepadatan
elektron dari material logam yang berbeda. Inilah yang menyebabkan arus mengalir
berlawanan dan menimbulkan tegangan (EMF) yang disebut dengan fenomena
thermoelectric. Tetapi jika junction pada material ini dialiri dengan temperatur yang
sama, maka difusi elektron pada junction juga sama. Karena arus berlawanan dan
bernilai sama maka jumlah arusnya adalah nol.
Gambar 2.2. Skema efek Seebeck
2.1.2. Efek Peltier
Efek Peltier adalah kebalikan dari efek Seebeck dimana arus listrik akan
menghasilkan perbedaan temperatur (panas dan dingin) pada junction dari dua
material logam yang berbeda. Ditemukan pada tahun 1834 oleh fisikawan Perancis,
Jean Charles Peltier Athanase berdasarkan inspirasi dari penemuan efek Seebeck. Ia
mengalirkan arus listrik melalui rangkaian dua logam yang tidak sejenis dan mendapati
penurunan temperatur pada salah satu junction sementara pada ujung yang lain
mengalami peningkatan temperatur.
7
Gambar 2.3. Skema efek Peltier
Ketika arus listrik mengalir melalui junction dari dua material logam yang
berbeda A dan B, panas akan dipindahkan dari sisi dingin dan diserap pada sisi panas.
Panas Peltier (Ǭ) yang diserap atau perpindahan panas pada junction setiap waktu
adalah:
Ǭ = ΠAB I……………. (2.3)
Ǭ = (ΠA – ΠB) I ...........(2.4)
Dimana:
Π = Koefisien Peltier (W/A)
I = Arus Listrik (A)
Ǭ = Perpindahan Panas (W)
2.1.3. Efek Thomson
Selanjutnya Wiliam Thomson fisikawan asal Inggris Raya menyelidiki lebih
lanjut termoelektrisitas dan menemukan efek ketiga dari termoelektrik, efek Thomson.
Sebuah konduktor (kecuali superkonduktor) yang dialiri arus listrik dan perbedaan
temperaturnya terjaga dapat melepaskan atau menyerap panas disepanjang konduktor
tersebut. Atau bisa dikatakan bahwa terdapat penyerapan atau pelepasan panas bolak
balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan perbedaan arus
listrik secara simultan.
Dalam material logam seperti seng dan tembaga, jika dia lebih bersuhu panas
pada potensial yang lebih tinggi dan bersuhu dingin pada ujung potensial yang lebih
8
rendah, ketika arus bergerak dari ujung panas ke ujung dingin, arus begerak dari
potensial rendah ke potensial tinggi. Koefisien Thomson ditunjukan pada persamaan
berikut:
µ = Ǭ
𝐼 ∆T ……..(2.5)
Dimana:
µ = Koefisien Thomson (V/K)
∆T = Beda temperature (K)
I = Arus listrik (A)
Ǭ = Panas peltier (W)
Dengan Ǭ adalah jumlah perpindahan panas yang diserap oleh konduktor
ketika arus listrik mengalir kearah suhu yang lebih tinggi. Hubungan koefisien
Thomson dengan Seebeck sebagai berikut:
µ =T 𝑑𝑆
𝑑𝑇……..(2.6)
Dimana:
µ = Koefisien Thomson (V/K)
S = Koefisien Seebeck (V/K)
T = Temperatur mutlak (K)
Jadi termoelektrik intinya ada dua hal yaitu yang pertama adanya dua material
logam dengan properti yang berbeda, satu dengan pembawa muatan negatif dan logam
lain pembawa muatan positif. Dan yang kedua adanya perbedaan temperatur diantara
kedua junction material logam yang tidak sejenis, sehingga dapat terjadi aliran listrik.
2.2. Elemen Termoelektrik
Dari ketiga prinsip termoelektrik dapat disimpulkan apabila batang material
logam dipanaskan dan didinginkan pada dua kutub batang material logam. Elektron
pada sisi panas logam akan bergerak aktif dan memiliki kecepatan aliran yang lebih
tinggi dibanding dengan sisi dingin logam. Maka elektron akan mengalami difusi dari
9
rapatan muatan tinggi ke rapatan muatan yang lebih rendah. Dari sisi panas ke sisi
dingin dan menyebabkan timbulnya medan listrik.
Gambar 2.4. Pergerakan ion pada logam
Pergerakan ion pada logam yang diakibatkan dari perbedaan temperatur akan
menimbulkan tegangan. Elemen termoelektrik terdiri dari semikonduktor tipe-p
(material yang kekurangan elektron) dan tipe-n (material yang kelebihan elektron)
dihubungkan dalam suatu rangkaian listrik yang tertutup dan diberi beban. Perbedaan
temperatur antar junction dari material semikonduktor itu akan menyebabkan
perpindahan elektron atau terjadi difusi dari sisi panas menuju sisi dingin.
Heat flow yang terjadi pada sisi panas terdiri dari tiga komponen. Heat flow
yang melalui material termoelektrik karena sifat konduktivitas dari material logam.
Panas yang terserap pada sisi panas dari termoelektrik karena efek Peltier dan panas
yang disebabkan oleh daya yang dihasilkan oleh termoelektrik.
2.2.1. Figure of Merit
Parameter material termoelektrik dlihat dari besar figure of merit atau sering
disebut dengan ZT. Suatu material termoelektrik idealnya memiliki konduktivitas
listrik tinggi dan konduktivitas panas yang rendah. Tetapi pada kenyataannya sangat
sulit mendapatkan material logam yang seperti itu, karena pada umumnya jika
konduktivitas listrik suatu material tinggi, konduktivitas panasnya pun akan tinggi.
Figure of merit didefinisikan sebagai berikut.
10
Z = 𝑆2𝜎
𝜆 …….(2.7)
Dimana:
S = Koefisien Seebeck (V/K)
σ = Konduktivitas listrik bahan (A/Vm)
λ = Konduktivitas panas bahan (W/mK)
Jadi bahan termoelektrik yang baik harus mempunyai karakteristik,
konduktivitas listrik yang tinggi untuk meminimalkan kenaikan temperatur dari
hambatan ke arus listrik yang mengalir melaluinya. Koefisien Seebeck yang besar
untuk perubahan maksimal dari panas menjadi daya listrik atau sebaliknya dari daya
listrik menjadi perbedaan temperatur. Konduktivitas panas yang rendah untuk
mencegah konduksi panas melalui bahan material logam. Ketiga sifat inilah yang
menjadi dasar parameter untuk menentukan bagus tidaknya termoelektrik digabung
menjadi satu parameter yaitu figure of merit. Karena Z mempunyai satuan per derajat
temperatur, maka figure of merit didefinisikan sebagai ZT, dimana T adalah
temperatur kerja rata-rata. Parameter figure of merit ini penting untuk menentukan
besarnya perubahan daya atau koefisien pendinginan maksimal dari kinerja
termoelektrik.
Material yang banyak digunakan saat ini adalah Bi2Te3 Bismuth Telluride,
PbTe Lead Telluride, SiGe Silicon Germanium. Ketiga bahan ini bekerja dalam rentan
temperatur yang berbeda. Bahan yang sering digunakan untuk aplikasi TEG atau TEC
menggunakan Bi2Te3 yang mempunyai rentang 180K sampai 450K. sedangkan bahan
PbTe dan SiGe bekerja pada temperature tinggi yang biasa digunakan untuk
pembangkit listrik pesawat luar angkasa. Semakin tinggi nilai figure of merit, maka
semakin tinggi nilai efisiensi dari termoelektrik. Gambar berikut adalah grafik jenis-
jenis bahan semikonduktor berdasarkan figure of merit terhadap satuan temperature K.
11
Gambar 2.5. Nilai figure of merit dari bahan semikonduktor yang berbeda-beda
2.2.2. Efisiensi, Perbedaan Temperatur dan Figure of Merit
Efisiensi termoelektrik sangat bergantung pada figure of merit dan tentu saja
bergantung pada perbedaan temperatur kerja. Efisiensi maksimal dari termoelektrik
dalam pembangkit listrik adalah.
ηmax = 𝑇𝐻−𝑇𝐶
𝑇𝐻[
√1+𝑍𝑇∗ − 1
√1+𝑍𝑇∗ + 𝑇𝐶𝑇𝐻
].……… (2.8)
Dimana:
T* = Temperatur rata-rata TH dan TC
TH dan TC = Temperatur sisi panas dan sisi dingin
Z = Nilai figure of merit
12
Gambar 2.6. Efisiensi terhadap beda temperatur dalam pengaruh ZT
Perangkat termoelektrik dapat menjadi pembangkit listrik dan menghasilkan
energi listrik ketika terjadi perbedaan temperatur pada material di termoelektrik. Saat
ini efisiensi termoelektrik dalam pembangkit listrik sekitar 5% dan ZT < 1.
2.3. Modul Termoelektrik
Modul termoelektrik adalah alat yang bisa mengubah energi panas dari
perbedaan temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya. Modul ini memanfaatkan
tiga efek termoelektrik yaitu efek Seebeck, efek Peltier, dan efek Thomson. Konstruksi
modul termoelektrik terdiri dari pasangan material semikonduktor tipe-p dan tipe-n[5].
2.3.1. TEG
Termoelektrik generator atau TEG menggunakan prinsip efek Seebeck. Jika
ada dua buah material logam yang berbeda tersambung pada lingkungan dengan
temperatur yang berbada, maka pada material itu akan mengalir arus atau gaya gerak
listrik. Termoelektrik generator secara langsung mengubah energi panas menjadi
energi listrik.
13
Gambar 2.7. Termoelektrik generator
Dengan perbedaan temperatur panas antara sisi panas dan sisi dingin pada
termoelektrik generator, pada elemen ini akan mengalir arus sehingga terjadi beda
tegangan. Secara umum termoelektrik generator menggunakan bahan BiTe, dengan
rentan temperatur kerja hingga 350 0C. besarnya tegangan yang dihasilkan sebanding
dengan gradien temperatur.
2.3.2. TEC
Termoelektrik cooler atau TEC menggunakan prinsip yang berkebalikan dari
TEG yaitu menggunakan efek Peltier. Jika ada arus listrik yang mengalir melewati
rangkaian dari dua buah konduktor dengan material yang berbeda, akan terjadi
kenaikan dan penurunan temperatur pada junction yang bergantung pada arah aliran
listrik. Pembuangan panas dari sisi panas akan menurunkan temperatur pada sisi dingin
dengan cepat, besarnya penurunan temperatur bergantung pada arus yang diberikan.
Gambar 2.8. Termoelektrik cooler
14
Modul TEC biasanya digunakan untuk sistem pendingin, seperti dispenser.
Ketika ada aliran arus listrik, elektron bergerak dari bahan tipe-p ke bahan tipe-n
menyerap energi panas pada junction sisi dingin. Elektron-elektron menbuang
kelebihan energi pada junction sisi panas.
2.3.3. Efisiensi modul termoelektrik
Dalam penggunaan aplikasi pembangkit listrik terdapat jumlah maksimum
energi yang dapat digunakan. Jumlah ini adalah efisiensi karnot maksimum. Dalam
termoelektrik perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin, maka
semakin besar daya yang dihasilkan. Efisiensi karnot menggambarkan batas teoritis,
jika kita mempunyai mesin kalor yang paling ideal artinya mesin mempunyai efisiensi
karnot 100%. Untuk efisiensi termal berbeda, karena selalu lebih kecil dari efisiensi
karnot ideal. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa tidak semua kalor yang
diberikan dalam suatu mesin kalor dapat digunakan untuk melakukan kerja, efisiensi
karnot menetapkan nilai batas pada fraksi kalor yang dapat digunakan.
Sebagai perbandingan, pembangkit daya termoelektrik memiliki efisiensi
karnot paling rendah yaitu 5-8%. Sementara pembangkit daya lain seperti mesin diesel
memiliki efisiensi karnot sebesar 10-15%, turbin gas memiliki efisiensi karnot sebesar
30%. Power Chip diproyeksikan mencapai efisiensi karnot sekitar 70-80%, efisiensi
ini adalah yang paling besar dibandingkan dengan pembangkit daya yang lain.
Gambar 2.9. Perbandingan efisiensi peltier dengan pembangkit daya yang lain
15
2.4. Perpindahan Kalor
Panas mengalir dari medium yang bertemperatur tinggi ke medium yang
bertemperatur lebih rendah. Terdapat tiga cara perpindahan, yaitu perpindahan kalor
secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Tetapi pada proses pemanenan energi dengan
modul termoelektrik generator hanya terjadi dua proses saja[6]. Perpindahan kalor
yang pertama yaitu konduksi yang terjadi pada alas penampang dengan sisi panas dan
hubungan sisi dingin dengan water cooling block modul termoelektrik generator.
Untuk yang yang kedua yaitu konveksi yang terjadi karena permukaan tidak rata pada
kedua persambungan antara alas penampang dengan sisi panas maupun sisi dingin
dengan water cooling block.
2.4.1. Konduksi
Konduksi yaitu proses perpindahan kalor antar zat tanpa melibatkan
perpindahan molekul zat tersebut. Kita dapat menghitung persamaan perpindahan
kalor induksi atau yang dikenal dengan hukum fourier sebagai berikut:
q = -kA𝑇0−𝑇1
∆𝑥………..(2.9)
dimana:
q : energi kalor (W)
k : konduktivitas termal (W/m.K) dimana tanda
(-) menunjukan arah aliran kalor
A : luas penampang (m2)
∆x : tebal penampang permukaan (m)
T0 : temperatur yang lebih tinggi (K)
T1 : temperatur yang lebih rendah (K)
2.4.2. Konveksi
Konveksi adalah perpindahan kalor yang terjadi disertai dengan perpindahan
molekul benda tersebut. Konveksi panas terjadi akibat perpindahan partikel zat
bertemperatur tinggi dengan mengalir secara sendirinya sehingga terjadi perpindahan
panas melalui perpindahan massa. Konveksi yang terjadi karena permukaan tidak rata
pada bagian persambungan antara alas penampang dengan sisi panas maupun sisi
16
dingin dengan bagian water cooling block dapat menghambat perpindahan kalor
secara konduksi yang lebih diutamakan untuk mendapatkan hasil lebih baik. Karena
persambungan pada permukaan yang tidak rata tersebut menyebabkan masih adanya
rongga-rongga udara yang ketika terjadi pemanenan, kalor yang diterima oleh medium
udara akan dilepaskan ke lingkungan luar yang dapat menyebabkan kurang optimalnya
perpindahan panas pada sisi panas termoelektrik generator.
2.5. Dc-dc Step Up Conventer
Pada skripsi ini menggunakan dc-dc step up conventer untuk mengkonversi
daya listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik lainnya yang terkontrol arus, tegangan
atau keduanya[4]. Untuk membuat tegangan keluaran lebih besar dari tegangan
masukan dengan menggunakan rangkaian dc-dc step up converter. Dc-dc step up
converter atau penaik tegangan akan membuat masukan dari termoelektrik generator
menjadi lebih besar dan stabil. Rangkaian ini menggunakan IC MAX 756.
2.5.1. Integrated Circuit (IC) MAX 756
IC MAX 756 adalah salah satu IC dc-dc step up converter yang mempunyai
karakteristik dengan input tegangan minimum 0,7 volt, dengan keluaran maksimum
berkisar 5 volt sampai 5,5 volt. Keluaran dc-dc step up converter bisa diatur pada 3,3
volt atau 5 volt. IC MAX 756 mempunyai jumlah kaki sebanyak 8. Adapun konfigurasi
dan deskripsi pin nya sebagai berikut:
Gambar 2.10. Konfigurasi pin IC MAX 756.
17
Table 2.1. Deskripsi pin IC MAX 756
Nomor Pin Nama Pin Fungsi
1 SHDN Shutdown input disables
SMPS when low
2 3/5 Memilih tegangan
keluaran; 5 volt ketika
low, 3,3 volt ketika high
3 REF Tegangan referensi
4 LBO Low Baterry output
5 LBI Low Baterry input
6 OUT Tegangan keluaran
7 GND Ground
8 LX Arus masukan
2.6. Kompor Biomassa
Energi biomassa merupakan salah satu alternatif yang terus dikembangkan
penggunaannya karena dapat mensubsitusi energi dari fosil seperti minyak bumi, gas
dan lain-lain. Energi biomassa sebagai alternatif yang bersumber dari biomassa yang
tersedia banyak diseluruh pelosok tanah air Indonesia[7]. Pada perancangan ini
menggunakan kompor biomassa Prime yang sudah mendapatkan sertifikasi lulus uji
pada program Clean Stove Initiative (CSI) Indonesia, program yang diprakarsai oleh
Bank Dunia dan bekerja sama dengan Kementerian Energi dan Sumber Daya Mineral
(ESDM)[8].
Gambar 2.11. Kompor biomassa Prime[8]
top related