PENGUKURAN DAN ANALISIS KARAKTERISTIK THERMOELECTRIC
GENERATOR DALAM PEMANFAATAN ENERGI PANAS YANG
TERBUANG
oleh
Soelistio Permadi Widjaja
NIM : 612007043
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh
Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro
Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana
Salatiga
Oktober 2012
i
INTISARI
Berbagai usaha dilakukan untuk mencari sumber energi listrik baru, salah satunya
dengan pembangkit listrik dengan kapasitas mikro yang memanfaatkan energi panas.
Pemanfaatan energi panas sebagai pembangkit energi listrik dengan kapasitas mikro
dapat dilakukan dengan menggunakan elemen thermoelectric generator.
Penelitian ini menggunakan thermoelectric generator tipe TEG127–40B dengan
alumunium sebagai penerima panas dan heat sink yang dialiri air secara manual sebagai
pendingin. Variasi penelitian antara lain sumber panas, susunan thermoelectric
generator, dan hambatan beban. Sumber panas yang dipilih yaitu sinar matahari, knalpot
sepeda motor, setrika listrik, dan panas buatan dari rangkaian transistor 2N3055 untuk
mengetahui karakteristik thermoelectric generator. Sedangkan susunan thermoelectric
generator meliputi seri dan paralel.
Hasil penelitian menunjukkan panas buangan setrika dapat menjadi sumber energi
listrik dengan kapasistas mikro yang cukup potensial. Empat thermoelectric generator
yang disusun seri menghasilkan tegangan 3,67 V ketika ditempelkan dengan setrika
dengan beda temperatur 94 0C dan menghasilkan daya keluaran sebesar 1,347 W
dengan beban 10 Ω.
ii
ABSTRACT
A variety of attempts had been done to find the new source of electrical energy.
One of them was by using a micro capacity power plant which utilized heat energy. The
utilization of heat energy as a micro capacity power plant could be done by using a
thermoelectric generator element.
This research used a thermoelectric generator type TEG127–40B with aluminum
as the heat receiver and as the cooler was a heat sink manually flowed by water. The
variations of this research were the heat source, the configuration of the thermoelectric
generator, and the load resistance. The heat sources chosen were the sun ray, a
motorcycle exhaust, an electric iron, and artificial heat of a transistor circuit 2N3055
with the aim of knowing the characteristics of a thermoelectric generator. The
configuration of the thermoelectric generators included series and parallel.
The output of this research indicated that waste heat of the electric iron could be a
source of electrical energy with micro capacity. Four thermoelectric generators arranged
in series could produce 3,67 Volt when being attached to electric iron with 94 0C
difference in temperature. It yielded also an output power of 1,347 Watt with a 10 Ω
load.
iii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya panjatkan kepada Tuhan Yesus Kristus atas berkat dan
penyertaan – Nya selama ini sehingga saya mampu menyelesaikan skripsi ini. Tak lupa
saya berterimakasih kepada Lukas B. Setyawan, M.Sc selaku pembimbing pertama dan
F. Dalu Setiaji, M.T selaku pembimbing kedua saya karena telah menyediakan waktu
untuk membimbing, mengarahkan, serta mengevaluasi skripsi saya hingga selesai.
Terselesaikannya skripsi ini tentu juga tidak lepas dari dukungan, doa, serta kasih
saying dari keluarga saya. Oleh dari itu, saya berterima kasih kepada Chandra Widjaja,
ATT – I (Papah) dan Lindawati Siswosaputro, Apt (Mamah) yang telah mendukung
biaya kuliah saya selama ini. Saya juga mengucapkan terima kasih kepada kakak
pertama saya S. Sari Widjaja, S.TP dan kakak kedua saya S. Wati Widjaja, Apt serta
kakak ipar saya Edi Hartono, S.E yang telah memberi saya semangat untuk
menyelesaikan skripsi ini.
Selain itu, saya berterima kasih pula pada Lidia Haryani, S.Pd atas bantuan,
semangat, serta kasih sayang yang dia berikan kepada saya selama ini sehingga saya
bisa menyelesaikan skripsi ini.
Apresiasi juga saya berikan kepada seluruh dosen (FTEK) Fakultas Teknik
Elektronika dan Komputer atas ilmu pengetahuan dan pengalaman yang beliau – beliau
bagi kepada saya sehingga dapat bermanfaat sebagai dasar untuk membuat skripsi ini.
Kepada staf dan laboran FTEK saya mengucapkan terima kasih atas pertolongan yang
diberikan selama saya menjadi mahasiswa. Tak terkecuali seluruh teman serta sahabat
saya di FTEK baik seangkatan maupun tidak seangkatan, yang tidak dapat saya
sebutkan namanya satu – persatu. Terima kasih atas kerja sama dan kebaikan kalian
selama ini.
iv
Sebagai kalimat penutup, saya sebagai penulis mengharapkan skripsi ini dapat
memberi manfaat yang krusial bagi pihak yang membacanya. Karena kekurangan dan
keterbatasan yang saya miliki menjadikan skripsi ini jauh dari sempurna. Maka dari itu
kritik dan saran yang membangun akan saya terima dengan berbesar hati.
Salatiga, Oktober 2012
Penulis
Soelistio Permadi Widjaja
v
DAFTAR ISI
HALAMAN
INTISARI i
ABSTRACT ii
KATA PENGANTAR iii
DAFTAR ISI v
DAFTAR GAMBAR vii
DAFTAR TABEL x
DAFTAR LAMBANG xi
DAFTAR SINGKATAN xii
BAB I PENDAHULUAN 1
1. 1. Latar Belakang 1
1. 2. Spesifikasi 2
1. 3. Sistematika Penulisan 3
BAB II DASAR THERMOELECTRIC GENERATOR 5
2. 1. Konsep Thermoelectric 5
2. 1. 1. Thermoelectric Generator 5
2. 1. 2. Thermoelectric Cooling 6
2. 2. Efisiensi dari Bahan Thermoelectric : Figure – of – Merit (ZT) 7
2. 3. Efisiensi, ZT, dan Perbedaan Temperatur 9
2. 4. Efek Thermoelectric 10
2. 4. 1. Efek Seebeck 11
2. 4. 2. Efek Peltier 12
2. 4. 3. Efek Thomson 13
BAB III PERANCANGAN DAN METODE PENELITIAN 14
3. 1. Perancangan Modul Percobaan 14
3. 1. 1. Bagian Pemanas 14
3. 1. 2. Bagian Thermoelectric 15
3. 1. 3. Bagian Pendingin 16
3. 1. 4. Komponen Tambahan 17
3. 1. 5. Perancangan Keseluruhan 17
3. 2. Macam Pengukuran 18
3. 2. 1. Pengukuran Tegangan 19
vi
3. 2. 2. Pengukuran Temperatur 19
3. 3. Variasi Percobaan 21
3. 3. 1. Variasi Sumber Panas 21
3. 3. 2. Variasi Hambatan Beban 23
3. 3. 3. Variasi Jumlah dan Susunan Thermoelectric Generator 23
BAB IV HASIL PENELITIAN DAN ANALISIS 25
4. 1. Pengujian Menggunakan Sumber Panas Buatan 25
4. 2. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Sinar Matahari 28
4. 2. 1. Analisis Perbedaan Temperatur 28
4. 2. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran 32
4. 2. 3. Analisis Daya Keluaran 34
4. 3. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Knalpot Sepeda Motor 36
4. 3. 1. Analisis Perbedaan Temperatur 36
4. 3. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran 39
4. 3. 3. Analisis Daya Keluaran 41
4. 4. Pengujian Memanfaatkan Sumber Panas Setrika Listrik 43
4. 4. 1. Analisis Perbedaan Temperatur 43
4. 4. 2. Analisis Tegangan Keluaran dan Arus Keluaran 47
4. 4. 3. Analisis Daya Keluaran 49
BAB V PENUTUP 52
5. 1. Kesimpulan 52
5. 2. Saran Pengembangan 53
DAFTAR PUSTAKA 54
LAMPIRAN HUBUNGAN TEGANGAN DAN ARUS PADA HAMBATAN BEBAN
YANG BERBEDA 55
vii
DAFTAR GAMBAR
HALAMAN
Gambar 2.1. Elemen thermoelectric 5
Gambar 2.2. Thermoelectric power generator 6
Gambar 2.3. Thermoelectric cooling 7
Gambar 2.4. ZT dari variasi bahan thermoelectric 9
Gambar 2.5. Efisiensi sebagai fungsi dari perbedaan temperatur 10
Gambar 2.6. Diagram untai seebeck. A dan B adalah dua logam yang berbeda 11
Gambar 3.1. Untai pemanas menggunakan 2N3055 14
Gambar 3.2. Antarmuka dengan permukaan tidak rata 16
Gambar 3.3. Arah aliran air di dalam heat sink 17
Gambar 3.4. Perancangan percobaan pertama 18
Gambar 3.5. Perancangan percobaan kedua 18
Gambar 3.6. Pengukuran tegangan TEG127–40B 19
Gambar 3.7. Pengukuran temperatur sisi panas dan sisi dingin TEG127–40B 20
Gambar 3.8. Percobaan dengan sumber panas sinar matahari 22
Gambar 3.9. Percobaan dengan sumber panas knalpot sepeda motor 22
Gambar 3.10. Percobaan dengan sumber panas setrika listrik 23
Gambar 3.11. Susunan TEG127–40B secara seri 24
Gambar 3.12. Susunan TEG127–40B secara paralel 24
Gambar 4.1. Grafik tegangan keluaran terhadap beban TEG127–40B 26
Gambar 4.2. Grafik arus keluaran TEG127–40B 26
Gambar 4.3. Grafik daya keluaran TEG127–40B 27
Gambar 4.4. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω,
1 Ω, dan 3.3 Ω 29
Gambar 4.5. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω,
dan 15 Ω 29
Gambar 4.6. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap
beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω 30
Gambar 4.7. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap
beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω 30
Gambar 4.8. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban
0.39 Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω 31
viii
Gambar 4.9. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban
15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω 31
Gambar 4.10. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B 32
Gambar 4.11. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel 33
Gambar 4.12. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri 33
Gambar 4.13. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B 34
Gambar 4.14. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel 35
Gambar 4.15. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri 35
Gambar 4.16. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω,
1 Ω, Dan 3.3 Ω 36
Gambar 4.17. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω,
dan 15 Ω 37
Gambar 4.18. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap
beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω 37
Gambar 4.19. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap
beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω 38
Gambar 4.20. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban
0.39 Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω 38
Gambar 4.21. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban
15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω 39
Gambar 4.22. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B 40
Gambar 4.23. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel 40
Gambar 4.24. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri 41
Gambar 4.25. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B 42
Gambar 4.26. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel 42
Gambar 4.27. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri 43
Gambar 4.28. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 0.39 Ω, 0.5 Ω,
1 Ω, dan 3.3 Ω 44
Gambar 4.29. Grafik beda temperatur satu TEG127–40B terhadap beban 4.7 Ω, 10 Ω,
dan 15 Ω 44
Gambar 4.30. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap
beban 0.39 Ω, 0.5 Ω, 0.68 Ω, dan 1 Ω 45
ix
Gambar 4.31. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun paralel terhadap
beban 3.3 Ω, 4.7 Ω, dan 10 Ω 45
Gambar 4.32. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban
0.39 Ω, 1 Ω, 3.3 Ω, dan 10 Ω 46
Gambar 4.33. Grafik beda temperatur empat TEG127–40B disusun seri terhadap beban
15 Ω, 22 Ω, dan 33 Ω 46
Gambar 4.34. Grafik hambatan dalam satu TEG127–40B 47
Gambar 4.35. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun paralel 48
Gambar 4.36. Grafik hambatan dalam empat TEG127–40B disusun seri 48
Gambar 4.37. Grafik daya keluaran satu TEG127–40B 49
Gambar 4.38. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun paralel 50
Gambar 4.39. Grafik daya keluaran empat TEG127–40B disusun seri 50
x
DAFTAR TABEL
HALAMAN
Tabel 3.1. Spesifikasi TEG 127–40B 15
Tabel 3.2. Spesifikasi FLUKE 26 III true RMS multimeter 19
Tabel 3.3. Spesifikasi dual channel thermometer TM 914C 20
Tabel 4.1. Data karakteristik TEG127–40A 28
Tabel 5.1. Rangkuman hasil pemanfaatan panas terbuang 53
xi
DAFTAR LAMBANG
Z Figure – of – Merit
α Koefisien Seebeck bahan
σ Konduktivitas listrik bahan
λ Konduktivitas panas bahan
Th Temperatur sisi panas thermoelectric generator
Tc Temperattur sisi dingin thermoelectric generator
η Efisiensi
Q Panas Peltier tiap satuan waktu
∏ Koefisien Peltier bahan
J Kerapatan arus
ρ Resistivitas bahan
μ Koefisien Thomson
q Panas Thomson tiap satuan volume
xii
DAFTAR SINGKATAN
DC Direct Current
EMF Electromotive Force
TEC Thermoelectric Cooling
TEG Thermoelectric Generator