View
5
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
18
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Bab ini akan menjelaskan mengenai perancangan serta realisasi alat
pemanfaatan modul termoelektrik generator sebagai alat pemanen yang mengubah
energi panas menjadi energi listrik. Perancangan secara keseluruhan terbagi menjadi
perancangan mekanik dan perancangan perangkat keras.
3.1. Gambaran Alat
Alat yang akan dirancang adalah sebuah sistem pemanen energi panas dari
kompor berbahan bakar biomassa dengan menggunakan modul termoelektrik
generator. Termoelektrik generator atau TEG adalah modul yang bisa mengubah
energi panas (perbedaan temperatur) menjadi energi listrik. Termoelektrik generator
mengkonversi perbedaan temperatur dari sisi panas dan sisi dingin modul
termoelektrik generator. Termoelektrik generator mendapatkan sumber panas dari
kompor biomassa, pada sisi dingin diberi sistem pendingin water cooling dan
kemudian ditempelkan lagi dengan heatsink agar suhu sisi dingin modul termoelektrik
generator bisa dijaga tetap dingin. Perbedaan temperature yang besar antara sisi panas
dan sisi dingin dari modul termoelektrik generator bisa menghasilkan tegangan dan
arus listrik yang besar juga.
Tegangan keluaran dari termoelektrik generator yang kecil harus dinaikan dan
distabilkan agar dapat digunakan untuk menghidupkan lampu LED sebagai lampu
penerangan sederhana. Penaik tegangan menggunakan dc-dc step up converter yang
bisa menaikkan tegangan masukan yang kecil menjadi lebih besar dan stabil.
Gambar 3.1. Blok diagram alat
19
3.2. Perancangan Mekanik
Mekanik pemanenan energi panas dari kompor biomassa ini terdiri dari
penampang yang mempunyai batang-batang logam yang masuk melalui bagian
samping kompor biomassa yang berfungsi menerima panas dari kompor ini. Kompor
biomasa yang digunakan memiliki dimensi panjang 28 cm, lebar 28 cm, dan dengan
tinggi 36 cm. Kemudian energi panas dari kompor yang ada pada batang-batang logam
akan mengalir pada penampang yang akan dipasangkan pada sisi panas modul
termoelektrik generator. Dengan dimensi panjang 9 cm, lebar 9 cm, dan dengan
ketebalan 3 mm. penampang ini terbuat dari material besi.
Gambar 3.2. Kompor biomassa prime yang digunakan
Gambar 3.3. Batang-batang logam
20
Gambar 3.4. Penampang awal.
Untuk mendinginkan sisi dingin dari modul termoelektrik generator
menggunakan komponen water cooling block. Pengunaan komponen ini bertujuan
untuk menyerap panas dan menjaga temperatur dari sisi dingin modul termoelektrik
generator sehingga pemanenan dapat berlansung secara optimal untuk memperoleh
perbedaan temperatur yang besar antara sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik
generator. Ukuran dari water cooling block adalah panjang 8.5 cm, lebar 7 cm, tinggi
1 cm.
Gambar 3.5. Water cooling block
21
Kemudian untuk memaksimalkan pendinginan pada sisi dingin modul
termoelektrik generator dipasang heat sink menempel pada komponen water cooling
block. Dimensi dari heat sink adalah panjang 8.5 cm, lebar 7 cm, dan tinggi 3.5 cm.
Gambar 3.6. Heat sink
Pada sisi panas dan sisi dingin modul termoelektrik generator ditambahkan
pasta termal yang bertujuan agar perambatan energi panas menjadi lebih cepat dan
lebih baik. dikarenakan antarmuka permukaan logam memiliki rongga yang
berpengaruh pada perambatan panas.
Gambar 3.7. Antarmuka permukaan yang tidak rata
22
Walaupun rongga itu berukuran mikroskopis, hal ini dapat mengakibatkan
udara terjebak diantaranya dan menyebabkan kerugian perambatan panas. Sebab
terjadi perpindahan panas secara konveksi melalui medium udara. Penggunaan pasta
termal dapat mengisi rongga mikroskopis pada antarmuka termoelektrik generator
terhadap penampang maupun komponen water cooling block. Sehingga dapat
meningkatkan konduktivitas termal. Tetapi pada pemakaian pasta termal yang
berlebihan juga dapat menghambat kontak antarmuka sehingga konduktivitas justru
semakin menurun.
Gambar 3.8. Antarmuka permukaan dengan menggunakan pasta termal
3.3. Termoelektrik Generator
Modul termoelektrik generator atau TEG digunakan sebagai pengkonveksi
energi panas dari perbedaan temperatur pada sisi dingin dan sisi panas permukaan
termoelektrik generator menjadi energi listrik. Proses ini memanfaatkan efek Seebeck
yang ditemukan tahun 1821 oleh Thomas Johann Seebeck. Nilai tegangan yang
dihasilkan tergantung dari perbedaan temperatur dari sisi panas dan sisi dingin
termoelektrik generator.
23
3.3.1. termoelektrik generator TEG1-PB-12611-6.0
Termoelektrik yang digunakan untuk alat ini adalah TEG1-PB-12611-6.0
dengan spesifikasi seperti pada Tabel 3.1.
Tabel 3.1. Spesifikasi TEG1-PB-12611-6.0[9]
Hot Side Temperature (oC) 350
Cold Side Temperature(oC) 30
Open Sircuit Voltage(V) 9,2
Matched Load Resistance (Ohm) 0,97
Matched Load Output Voltage(V) 4,6
Matched Load Output Curent (A) 4,7
Matched Load Output Power (W) 21,7
Heat Flow Across The Modul (W) 310
Heat Flow Density (W Cm-2) 9,88
AC Resistance (Ohms) Measured Under
27oC @1000Hz
0,42~0,52
Modul ini dapat bekerja pada suhu tinggi 350 0C secara terus menerus dan bisa
mencapai 400 0C tetapi untuk waktu yang singkat. Untuk sisi dingin termoelektrik
generator ini tidak bisa bekerja secara normal diatas suhu 200 0C. Modul termoelektrik
generator akan menghasilkan energi listrik DC selama ada perbedaan temperatur pada
kedua sisi modul. Semakin besar perbedaan suhu antar kedua sisi modul termoelektrik
generator, semakin besar juga daya yang dihasilkan dan menandakan semakin
efisiennya pemanenan energi.
24
Gambar 3.9. Termoelektrik generator TEG1-PB-12611-6.0[9]
Gambar 3.10. Grafik keluaran tegangan dengan beban terhadap TH (T panas) dan
variasi TC (T dingin)
25
Gambar 3.11. Grafik keluaran arus dengan beban terhadap TH (T panas) dan variasi
TC (T dingin)
Gambar 3.12. Grafik keluaran daya dengan beban terhadap TH (T panas) dan variasi
TC (T dingin)
26
Termoelektrik generator ini maksimal dapat menghasilkan daya listrik sebesar
21.7 watt untuk perbedaan suhu 320 0C. Untuk daya panas yang diubah yang menjadi
listrik maksimal sebesar 309.84 watt atau bisa dihitung.
𝑄 = A × q …… (3.1)
𝑄 = 5,6 × 5,6 × 9,88
𝑄 = 309,84 watt
Dimana:
𝑄 : Heat flow (W)
A : luas penampang (cm2)
q : kerapatan panas (Wcm-2)
Jadi efisiensi dari termoelektrik generator daya panas yang diubah menjadi
listrik maksimal sebesar.
η = 𝑃
𝑄 ...........(3.2)
η = 21,7 𝑤𝑎𝑡𝑡
309,84 𝑤𝑎𝑡𝑡
η = 7,003 %
dimana:
η : efisiensi kerja
𝑃 : Matched Load Output Power (W)
𝑄 : Heat flow (W)
Jadi efisiensi maksimum dari termoelektrik generator jenis ini, daya keluaran
maksimal TEG sebesar 21,7 watt, dan efisiensi maksimum sebesar 7,003 %.
3.4. Perancangan Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan elektronika alat
pemanen energi listrik dari panas kompor biomassa dengan termoelektrik generator.
Bagian elektronikan dari modul membahas tentang dc-dc step up converter sebagai
penaik dan penstabil tegangan.
27
3.4.1. Dc-dc Step Up Converter
Keluaran termoelektrik yang kecil dan kurang stabil akan dikonversi menjadi
tegangan yang lebih besar dan stabil. Untuk membuat kondisi ini diperlukan dc-dc step
up converter, yang merupakan penaik tegangan. Dengan rangkaian ini tegangan
masukan dari termoelektrik generator bisa lebih besar. Dc-dc step up converter pada
sistem ini menggunakan IC MAX 756[10].
Gambar 3.13. Skema modul dc-dc step up converter[10]
Gambar 3.14. Realisiasi untai dc-dc step up converter
IC MAX 756 dapat mengkonversi tegangan masukan minimal 0,7 volt menjadi 3,3
volt atau 5 volt. Untuk mendapatkan tegangan 5 volt pada pin 2 dihubungkan dengan
ground. Pin 3 sebagai referensi dihubungkan dengan ground dengan menambahkan
kapasitor untuk stabilitas dan filter keluaran agar lebih stabil. Pada pin 8 merupakan
arus masukan yang berfungsi untuk menyimpan arus untuk menyuplai dan menaikkan
28
tegangan IC ini. Induktor yang digunakan pada alat ini mempunyai rating arus
maksimal 1,2 A yang diketahui dari datasheet induktor maka frekuensi dari gelombang
kotak harus disesuaikan sehingga didapat arus yang mengalir pada induktor tidak
melebihi rating arus maksimal. Induktor sebesar 22 µH menunjukkan hasil yang cukup
baik ketika digunakan dalam rankaian penguat untuk IC ini karena memiliki resistansi
yang rendah juga. LED sebagai indikator jika tegangan masukan dari termoelektrik
generator sudah cukup untuk memberikan catu tegangan pada IC dan bisa
mendapatkan tegangan keluaran 5 volt untuk digunakan oleh beban.
Recommended