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]