KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN

Transkripsi

1 KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN Oleh: DWI HANDAYANI OKTORINA F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

2 DWI HANDAYANI OKTORINA. F Kajian Karakteristik Modul Termoelektrik untuk Sistem Penyimpanan Dingin. Di bawah bimbingan: Armansyah H. Tambunan dan Leopold O. Nelwan RINGKASAN Teknologi termoelektrik merupakan salah satu teknologi refrigerator tanpa menggunakan kompresor dan refrigeran. Sistem refrigerasi ini bekerja dengan mengkonversikan energi lisrik untuk menghasilkan dingin (termoelektrik refrigerator). Termoelektrik refrigerator memanfaatkan efek Peltier yangmenyebutkan bahwa bila dua buah metal atau bahan semi konduktor yang berbeda dihubungkan dan dialiri arus, maka akan terjadi perbedaan suhu. Kemudian modul termoelektrik akan menyerap panas yang ada disekitarnya pada satu sisi dan melepasnya pada sisi yang lain. Menurut Tambunan (2000), jika arus dilewatkan melalui suatu termokopel maka akan terjadi lima efek termoelektrik yang terdiri dari efek Seebeck, efek Peltier, efek Joulean, efek Thomson, dan efek konduksi panas. Kelima efek tersebut akan timbul bersama-sama pada saat sistem termoelektrik berlangsung. Penelitian ini bertujuan untuk mengkaji karakteristik modul termoelektrik untuk sistem penyimpanan dingin dengan menggunakan modul tipe TEC Kajian karakteristik bahan meliputi kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik. Kesesuaian bahan ini terutama ditentukan oleh nilai figure of merit (Z). Besarnya nilai Z ini bergantung pada jenis bahan seperti yang biasa digunakan antara lain Bishmut Tellurium (B 2 Te 3 ), Plumbum Tellurium (PbTe), Silicon Germanium (SiGe), dan Sb 2 T 3. Semakin besar nilai Z, performansi dari modul akan semakin baik. Untuk meningkatkan nilai Z, bahan yang digunakan harus mempunyai nilai koefisien Seebeck (α pn ) yang besar, nilai tahanan jenis listrik (ρ) yang kecil, dan nilai konduktivitas panas (k) yang kecil pula. Besarnya nilai koefisien Seebeck (α pn ) rata-rata untuk 3 modul yang digunakan dalam pengujian adalah 3.59E-04 V/K, nilai tahanan jenis listriknya (ρ p + ρ n ) sebesar 5.45E-06 Ωm, dan nilai konduktivitas panasnya (k p + k n ) adalah W/mK, sedangkan nilai figure of merit (Z) rata-ratanya adalah sebesar 1.79E-03. Nilai Coefficient of Performance (COP) selain dipengaruhi oleh besarnya nilai kerja listrik (P masukan ) juga dipengaruhi oleh besarnya kapasitas pendinginan yang dapat dilakukan oleh modul, sedangkan nilai kapasitas pendinginan tersebut sangat dipengaruhi oleh besarnya arus (I) yang mengalir pada modul, suhu pada terminal dingin (Td), dan perbedaan suhu antara terminal dingin dan terminal panas ( T). Besarnya nilai arus rata-rata yang didapat adalah 8.66 A dengan tegangan rata rata sebesar V. Dengan demikian, daya yang dipakai oleh modul termoeletrik rata-rata dalam kerjanya adalah sebesar W. Besarnya nilai kapasitas pendinginan (Qo) rata-rata pada tiga kali pengujian adalah sebesar W, sedangkan besarnya nilai kerja listrik rata-rata adalah sebesar W, sehingga nilai COP rata-rata untuk 3 modul adalah sebesar 0.26.

3 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN SKRIPSI Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar SARJANA TEKNOLOGI PERTANIAN Pada Departemen Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor Oleh: DWI HANDAYANI OKTORINA F FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR

4 FAKULTAS TEKNOLOGI PERTANIAN INSTITUT PERTANIAN BOGOR KAJIAN KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK UNTUK SISTEM PENYIMPANAN DINGIN Oleh: Dwi Handayani Oktorina F Dilahirkan pada tanggal 12 Oktober 1984 Di Pekalongan, Jawa Tengah Tanggal lulus:... Bogor, Agustus 2006 Disetujui oleh: Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M.Si Dosen Pembimbing II Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan Dosen Pembimbing I Mengetahui: Dr. Ir. Wawan Hermawan, M.S Ketua Departemen Teknik Pertanian

5 RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan di Pekalongan, Jawa Tengah pada tanggal 12 Oktober Penulis merupakan putri kedua dari dua bersaudara dari pasangan Bapak Usman Hadi dan Ibu Siti Kudung Al Temu. Penulis mempunyai seorang kakak yang bernama Alfiadi Teguh Kurniawan. Pendidikan dasar diselesaikan pada tahun 1996 di SDN Panjang Wetan 05 Pekalongan, pendidikan lanjutan menengah pertama diselesaikan pada tahun 1999 di SLTP Negeri 2 Pekalongan. Kemudian penulis melanjutkan pendidikan lanjutan menengah atas yang diselesaikan pada tahun 2002 di SMU Negeri 1 Pekalongan. Penulis diterima sebagai mahasiswa di Institut Pertanian Bogor melalui jalur UMPTN (Ujian Masuk Perguruan Tinggi Negeri) pada Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian dan menyelesaikan pendidikan sarjananya pada tahun Selama menjadi mahasiswa, penulis aktif menjadi anggota Himateta (Himpunan Mahasiswa Teknik Pertanian) dan menjadi Pengurus Himateta periode Penulis melakukan kegiatan Praktek Lapang di PT. Frisian Flag Indonesia, Ciracas Jakarta dengan judul Mempelajari Proses Pasteurisasi dan Pendinginan Susu Segar (Fresh Milk) di PT. Frisian Flag Indonesia Ciracas Jakarta. Selanjutnya penulis melakukan penelitian di Institut Pertanian Bogor sebagai tugas akhir untuk memperoleh gelar sarjana dengan judul Kajian Karakteristik Modul Termoelektrik untuk Sistem Penyimpanan Dingin di bawah bimbingan Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan..

6 KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-nya yang tak berkesudahan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dan laporan skripsi ini dengan baik. Penyelesaian tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknologi Pertanian di Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian. Dalam menyelesaikan penelitian dan skripsi ini penulis telah banyak dibantu oleh beberapa pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Prof. Dr. Ir. Armansyah H. Tambunan selaku dosen pembimbing akademik atas segala bimbingan, nasehat, arahan dan motivasi selama masa studi, penelitian, dan penyelesaian tugas akhir. 2. Dr. Ir. Leopold O. Nelwan, M. Si sebagai dosen pembimbing II sekaligus dosen penguji atas bimbingan, masukan dan nasehatnya untuk kelengkapan skripsi. 3. Dr. Ir. I Made Dewa Subrata, M.Agr selaku dosen penguji atas masukan dan nasehatnya. 4. Hibah Penelitian Projek Due-Like. 5. Yang terkasih dan tersayang Papa, Mama dan mas Alfi atas segala doa, nasehat, motivasi serta dukungan moril dan material kepada penulis. 6. Teman-teman sepenelitian dan seperjuangan, Windi, Jakle, Vera dan Peri atas kebersamaan dan bantuannya selama penelitian. 7. Teman-teman di sub program studi Teknik Biosistem Pertanian dan teman-teman TEP angkatan 39, serta teman-teman sekandang PIM AE ZONE (Nano, Miaw dan Yuli) atas dukungan, bantuan dan semangatnya selama penulis melakukan studi dan penyusunan skripsinya. 8. Semua pihak yang tidak bisa disebutkan namanya satu persatu yang telah membantu terlaksananya penelitian hingga tersusunnya laporan ini. Dengan segala kerendahan hati, penulis menyadari bahwa laporan ini masih jauh dari kekurangan karena keterbatasan pengetahuan dan pengalaman

7 penulis. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritikan sebagai bahan perbaikan laporan ini. Penulis berharap laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis pribadi maupun semua pihak yang memerlukannya. Bogor, Agustus 2006 Penulis

8 DAFTAR ISI Halaman KATA PENGANTAR... iv DAFTAR ISI... vi DAFTAR TABEL... viii DAFTAR GAMBAR... ix DAFTAR LAMPIRAN... xi DAFTAR SIMBOL... xii I. PENDAHULUAN... 1 A. LATAR BELAKANG... 1 B. TUJUAN... 3 II. TINJAUAN PUSTAKA... 4 A. EFEK TERMOELEKTRIK... 4 B. KINERJA REFRIGERATOR TERMOELEKTRIK C. PENERAPAN TERMOELEKTRIK D. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA III. METODE PENELITIAN A. WAKTU DAN TEMPAT B. BAHAN DAN ALAT Modul Termoelektrik Recorder Termokopel Baterai (accu) Multimeter Sirip Pendingin (heat sink) C. PROSEDUR PERCOBAAN D. PENGAMATAN DAN PENGUKURAN Pengukuran Suhu Pengukuran Arus Pengukuran Tegangan... 26

9 E. PERHITUNGAN Nilai Daya Listrik Nilai Resistivitas atau Tahanan Jenis Listrik (ρ p + ρ n ) Nilai Figure of Merit (Z) Nilai Konduktansi Panas Diantara Dua Sambungan (U) Nilai Koefisien Seebeck Pada Bahan (α pn ) Nilai Kapasitas Pendinginan (Qo) Nilai Panas Yang Timbul Pada Terminal Dingin (Qc) Nilai Efek Peltier (Φ pn ) Nilai Konduktivitas Panas Pada Bahan (k p + k n ) Nilai Kerja Listrik Yang Dilakukan Modul (P masukan ) Nilai Koefisien Penampilan (COP) IV. HASIL DAN PEMBAHASAN A. KARAKTERISTIK MODUL TERMOELEKTRIK B. COEFFICIENT OF PERFORMANCE (COP) C. FIGURE OF MERIT (Z) D. TEGANGAN LISTRIK V. KESIMPULAN DAN SARAN A. KESIMPULAN B. SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN... 50

10 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 1. Koefisien Seebeck pada suhu 100 o C (Culp, 1979)... 5 Tabel 2. Data hasil pengujian 3 modul TEC dirangkai paralel Tabel 3. Data hasil pengujian pada 3 kali ulangan... 42

11 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 1. Rangkaian efek Seebeck... 5 Gambar 2. Rangkaian efek Peltier... 7 Gambar 3. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-p (Culp, 1979)... 9 Gambar 4. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-n (Culp, 1979)... 9 Gambar 5. Diagram skematis fenomena termoelektrik untuk refrigerator (Culp dan Godfrey, 1979) Gambar 6. Modul termoelektrik tipe TEC Gambar 7. Hybrid recorder Gambar 8. Baterai (accu) N Gambar 9. Digital Multimeter Gambar 10. Sirip pendingin (heat sink) Gambar 11. Rangkaian modul termoelektrik Gambar 12. Titik-titik pengukuran pada modul termoelektrik Gambar 13. Rangkaian pengukuran Gambar 14. Diagram skematik rangkaian pengujian Gambar 15. Diagram alir perhitungan Gambar 16. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 14 Juli 2006 selama 90 menit dengan Tl = o C Gambar 17. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 15 Juli 2006 selama 45 menit dengan Tl = 31.6 o C Gambar 18. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 16 Juli 2006 selama 80 menit dengan Tl = o C Gambar 19. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 7 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler Gambar 20. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 8 Agustus 2006 dengan menggunakan kontroler... 38

12 Gambar 21. Grafik hubungan suhu dengan waktu pada pengujian tanggal 9 Agustus 2006 tanpa menggunakan kontroler Gambar 22. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 14 Juli Gambar 23. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 15 Juli Gambar 24. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan nilai figure of merit pada percobaan tanggal 16 Juli

13 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1. Data percobaan dengan 3 modul termoelektrik yang dirangkai secara paralel Lampiran 2. Data hasil perhitungan pengukuran dengan 3 modul termoelektrik yang dirangkai secara paralel Lampiran 3. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus untuk 3 modul dirangkai secara paralel Lampiran 4. Grafik hubungan arus dengan suhu terminal dingin untuk percobaan dengan 3 modul dirangkai paralel Lampiran 5. Data percobaan dengan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan baterai untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel.. 57 Lampiran 6. Hasil perhitungan data percobaan dengan suplai daya dari Photo Voltaic (PV) dan baterai untuk 3 modul termoelektrik dirangkai paralel Lampiran 7. Data percobaan masing-masing modul termoelektrik Lampiran 8. Grafik hubungan waktu dengan suhu masing-masing modul termoelektrik Lampiran 9. Grafik hubungan waktu dengan tegangan dan arus masingmasing modul Lampiran 10. Grafik hubungan suhu terminal dingin dengan arus masingmasing modul Lampiran 11. Contoh perhitungan... 71

14 DAFTAR SIMBOL T p = suhu sisi permukaan panas ( o C) T d = suhu sisi permukaan dingin ( o C) Qo = jumlah pindah panas ke permukaan dingin (Joule) Φ pn = koefisien Peltier kaki semi konduktor tipe-p dan tipe-n (volt) T (d atau p) = suhu sisi permukaan panas atau dingin ( o C) α pn = koefisien Seebeck rerata kaki semi konduktor tipe-p dan tipe-n (volt/ o C) Q = jumlah pindah panas ke sambungan (Joule) U g = konduktansi material refrigerator (watt/ o C) U = konduktivitas panas material kaki semi konduktor (watt/m o C) U p = konduktans kaki semi konduktor tipe-p (watt/ o C) k p = konduktivitas panas material kaki semi konduktor tipe-p (watt/m o C) U n = konduktans kaki semi konduktor tipe-n (watt/ o C) k n = konduktivitas panas material kaki semi konduktor tipe-n (watt/m o C) ΔT = beda suhu ( o C) I = arus listrik (Ampere) m = jumlah pasangan kaki semi konduktor tipe-p dan tipe-n atau pellets R = resistans material refrigerator ( o C/watt) R p = resistans material kaki semi konduktor tipe-p ( o C/watt) R n = resistans material kaki semi konduktor tipe-n ( o C/watt) ρ p = resistivitas panas material semi konduktor tipe-p (m o C/watt) ρ n = resistivitas panas material semi konduktor tipe-n (m o C/watt) L p = panjang kaki semi konduktor tipe-p (m) L n = panjang kaki semi konduktor tipe-n (m) A p = luas penampang melintang kaki semi konduktor tipe-p (m 2 ) A n = luas penampang melintang kaki semi konduktor tipe-n (m 2 )

15 I. PENDAHULUAN A. LATAR BELAKANG Pendinginan produk hasil pertanian adalah salah satu mata rantai penanganan pasca panen hasil pertanian yang penting untuk mempertahankan mutu produk, sebagai alternatif metode untuk memperpanjang masa simpan produk. Asas dasar penyimpanan dalam suhu dingin adalah menghambat respirasi oleh suhu rendah. Pendinginan dapat didefinisikan sebagai proses pengkondisian udara di sekitar produk yang disimpan sehingga mencapai suhu tertentu yang dapat menghambat proses pembusukan karena kegiatan enzimatik dalam bahan. Alat atau mesin yang biasa digunakan untuk pendinginan selain tipe kompresi uap, antara lain: mesin pendingin tipe absorpsi, adsorpsi, jet uap, dan pendinginan vakum. Salah satu jenis mesin pendingin yang umum digunakan pada jaman sekarang adalah mesin pendingin kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap), kemudian ke fase cair kembali secara berulang. Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Keragaan suatu siklus pendinginan umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Namun penggunaan refrigeran terutama yang mengandung klor (Cl) seperti freon atau CFC (Chlorofluorocarbon), ternyata tidak ramah lingkungan karena senyawa chlorin termasuk bahan perusak ozon (Ozon Depleting Substances = ODS), yaitu bahan yang dapat menyebabkan lapisan ozon di atmosfir bumi semakin menipis (UNEP, 1992). Zat-zat tadi selain dapat merusak lapisan ozon di atmosfer bumi, juga berdampak terhadap pemanasan global. Selain itu, di masa mendatang pada tahun 2020 diperkirakan kebutuhan energi akan bertambah sekitar 40% dari kebutuhan saat ini, sehingga diperlukan teknologi yang mampu menghasilkan energi alternatif.

16 Teknologi termoelektrik merupakan salah satu teknologi refrigerator (mesin pendingin) tanpa pemakaian refrigeran. Sistem refrigerasi ini bekerja dengan mengkonversi energi panas menjadi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya, dari listrik menghasilkan dingin (pendinginan termoelektrik). Prinsip termoelektrik yang dipergunakan adalah efek Peltier yang menyatakan bahwa bila dua buah metal atau bahan semi konduktor yang berbeda dihubungkan dan diberi arus, maka akan terdapat perbedaan suhu. Jika material termoelektrik dialiri arus listrik, panas yang ada disekitarnya akan diserap dan dilepaskan pada bagian yang lain. Dengan demikian, untuk mendinginkan udara tidak diperlukan kompresor pendingin seperti halnya mesin-mesin pendingin konvensional. Pendingin termoelektrik (TEC, Thermoelectric Cooling) dalam bentuk modul dengan satu stage telah terpabrikasi secara luas dalam bentuk lempeng termoelektrik berukuran 40 x 40 mm 2 atau 30 x 30 mm 2. Modul dengan satu stage mampu menghasilkan beda suhu maksimal sebesar 73 K, dua stage dengan beda suhu maksimal 103 K, tiga stage dengan beda suhu maksimal 123 K, dan empat stage dengan beda suhu maksimal 132 K (Gromov, 2002). Menurut Buist (1997) dan Gromov (2002), masing-masing modul dipengaruhi oleh beda suhu maksimum, panas maksimum yang dihasilkan, arus maksimum, dan tegangan maksimum. Material bahan modul yang banyak dipergunakan untuk pembuatan efek Peltier ini pada umumnya adalah semi konduktor Bismuth Tellurium (B 2 Te 3 ), Plumbum Tellurium (PbTe), Silicon Germanium (SiGe), dan Sb 2 T 3. Dalam penelitian ini akan dikaji masalah karakteristik bahan modul pada alat pendingin termoelektrik, yaitu termoelektrik tipe TEC dengan alasan bahwa modul mudah didapat dan harga relatif murah. Kajian karakteristik bahan meliputi kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul termoelektrik. Kesesuaian bahan-bahan ini terutama ditentukan oleh nilai figure of merit (Z). Besarnya nilai Z ini sangat bergantung pada sifat-sifat bahan yang digunakan. Semakin besar nilai Z, performansi termoelektrik akan semakin baik. Untuk mendapatkan nilai Z

17 maksimum, parameter bahan termoelektrik harus memenuhi syarat sebagai berikut: koefisien Seebeck (S) harus besar, tahanan jenis listrik (ρ) harus kecil, dan konduktivitas panas (k) harus kecil. B. TUJUAN PUSTAKA Penelitian ini bertujuan mengetahui karakteristik modul termoelektrik untuk sistem penyimpanan dingin.

18 II. TINJAUAN PUSTAKA A. EFEK TERMOELEKTRIK Fenomena termoelektrik didasarkan kepada efek Seebeck yang ditemukan oleh Thomas J. Seebeck pada tahun 1822, efek Peltier ditemukan oleh J. C. A. Peltier pada tahun 1844, dan efek Thomson yang ditemukan oleh William Thomson atau Lord Kelvin pada tahun 1854 (Culp, 1979). Joumot (1960) menyatakan, bahwa yang dimaksudkan dengan efek termoelektrik adalah segala fenomena yang melibatkan suatu pertukaran panas dan gaya gerak listrik (GGL). Bila pertukaran yang terjadi hanya dapat berlangsung satu arah saja, seperti dari GGL menjadi panas, tetapi tidak dapat terjadi dari panas menjadi listrik, maka proses tersebut disebut proses tak mampu balik bila pertukarannya juga dapat terjadi dalam arah kebalikannya. Menurut Tambunan (2000), jika arus dilewatkan melalui suatu termokopel maka akan terjadi lima efek termoelektrik yang terdiri dari efek Seebeck, efek Peltier, efek Joulean, efek Thomson, dan efek konduksi panas. Kelima efek tersebut akan timbul bersama-sama pada saat sistem termoelektrik berlangsung. Efek Seebeck menjelaskan, bahwa GGL akan timbul dalam rangkaian dari dua buah material yang berbeda (A dan B) dirangkaikan seperti pada Gambar 1, dan masing-masing ujungnya diletakkan pada suhu yang berbeda, maka akan terjadi arus listrik pada rangkaian tersebut. Arus listrik tersebut akan tetap mengalir selama dua ujung tersebut berada pada suhu yang berbeda. Jika material A bersifat lebih positif (+) terhadap logam B, maka arus akan mengalir dari A ke B melalui T 1. Fenomena ini banyak diterapkan pada mekanisme pengukuran suhu dengan termokopel. Gaya Gerak Listrik (GGL) yang menghasilkan arus tersebut dikenal dengan GGL termal Seebeck. Hubungan antara besar suhu dengan GGL tersebut adalah: E = α (T p T d )... (1) dengan: E = tegangan termoelektrik terinduksi (Volt)

19 α = koefisien Seebeck atau daya termoelektrik (V/K) T p = suhu terminal panas (K) T d = suhu terminal dingin (K) A (+) T 0 T 1 aliran arus B (-) Gambar 1. Rangkaian efek Seebeck. Koefisien Seebeck adalah sifat material dan memberikan kecepatan perubahan antara tegangan termoelektrik (E) dan (T) yang ditunjukkan dengan persamaan: de α =..... (2) dt Nilai koefisien Seebeck sangat berpengaruh terhadap karakteristik modul termoelektrik. Nilai koefisien Seebeck ini akan digunakan dalam perhitungan nilai figure of merit (Z). Nilai koefisien Seebeck berbeda untuk beberapa janis bahan seperti yang dicantumkan dalam tabel 1 berikut ini: Tabel 1. Koefisien Seebeck pada suhu 100 o C (Culp, 1979) Material α(μv/k) Aluminium - 0,2 Besi + 13,6 Konstantan - 47,0 Tembaga + 3,5 Platinum - 5,2 Germanium + 375,0 Silikon - 455,0 Koefisien Seebeck untuk logam-logam dan paduannya sangat rendah nilainya jika dibandingkan dengan material-material semi konduktor (Tabel 1). Kombinasi besi-konstantan mempunyai koefisien Seebeck sebesar (+ 13,6) (- 47,0) μv/k.

20 Koefisien Seebeck untuk semi konduktor n p juga tinggi dan material tersebut umum digunakan dalam generator termoelektrik. Tegangan termoelektrik terinduksi yang ditimbulkan dalam suatu rangkaian yang terdiri dari dua material dapat dihitung dengan persamaan: T p E = ( a αb ) Td T p α dt = α dt... (3) Td ab dengan: α ab = koefisien Seebeck kombinasi, ditentukan positif jika arus listrik (aliran muatan positif) mengalir dari material A ke B pada simpangan dingin di mana panas kombinasi ulang dilepaskan T p = batas suhu tinggi T d = batas suhu rendah Semi konduktor tipe-n, adalah jenis semi konduktor dengan atom-atom tambahan ditambahkan ke lattice (kristal latis) yang mempunyai kelebihan 1 elektron dari yang dibutuhkan untuk memenuhi kebutuhan ikatan valensi. Jadi material mempunyai elektron negatif ekstra di dalam lattice, meskipun material tidak mempunyai keuntungan muatan karena adanya elektron tersebut. Semi konduktor tipe-p, adalah jenis semi konduktor dengan atomatom tambahan yang kekurangan 1 elektron untuk ditambahkan ke lattice memenuhi kebutuhan ikatan valensi. Hal itu menimbulkan hole (lubang) positif terhadap lattice meskipun material tetap bermuatan netral. Dalam konverter termoelektrik yang terbuat dari semi konduktor, keduanya (kelebihan elektron dan lubang) berpindah ke bagian yang dingin dimana keduanya ditumpuk dan digabungkan. Koefisien Seebeck kombinasi untuk lattice ini, adalah α ab = α pn = α -np, sehingga tegangan termoelektrik terkonduksi: Tp E = ( p αn ) Td Tp α dt = α dt... (4) Td pn dengan: α pn = koefisien Seebeck kombinasi Suatu proses yang didasarkan pada fenomena termoelektrik, selain efek Seebeck sebagaimana telah dikemukakan, efek Peltier memegang

21 peranan penting. Jika arus dialirkan pada rangkaian dua konduktor yang berbeda, maka akan terjadi beda suhu pada kedua ujungnya (Gambar 2). Beda suhu tersebut terjadi karena sejumlah panas dilepas pada salah satu ujungnya dan sejumlah panas lagi diserap pada ujung lainnya. Hal tersebut berkebalikan dari efek Seebeck dan fenomena antara keduanya dapat dibalik, yaitu jika aliran arus berlawanan, maka material yang tadinya dipanaskan akan didinginkan dan yang tadinya didinginkan akan dipanaskan. Saat arus mengalir dari logam A (+) ke logam B (-) maka akan terjadi pelepasan panas pada T 1 ΔT, selanjutnya jika arus mengalir dari logam B (-) ke logam A (+) akan terjadi penyerapan panas pada T 1 + ΔT. A (+) T 1 ΔT T 1 + ΔT aliran arus B (-) Gambar 2. Rangkaian efek Peltier. Koefisisen Peltier untuk suatu rangkaian yang terdiri dari material A dan material B ditandai dengan Φ ab dan didefinisikan sebagai: Q Φ ab =...(5) I ab dengan: - Q = jumlah perpindahan panas dari simpangan (watt) I ab = arus searah yang mengalir di dalam generator (ampere) Sebagaimana koefisien Seebeck, koefisien Peltier merupakan fungsi kuat arus terhadap suhu. Hubungannya dengan koefisien Seebeck seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: Φ ab = T (d atau p) α ab = T (d atau p) (α a α b ) = -Φ ab...(6) dengan:

22 T (d atau p) = suhu mutlak bagian dingin (T d ) atau suhu mutlak bagian panas (T p ). Koefisien Peltier Φ ab bernilai positif jika panas dibangkitkan, ketika arus searah mengalir dari material A ke B dalam simpangan. Efek Thomson menyatakan, bahwa terdapat penyerapan atau pelapasan secara bolak-balik dalam konduktor homogen yang terkena perbedaan panas dan listrik secara simultan. Koefisien Thomson (τ) seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: τ = Q Δ T...(7) I dengan: Q = jumlah perpindahan panas yang diserap konduktor ketika arus listrik mengalir ke arah suhu yang lebih tinggi (watt) Hubungan antara koefisien Thomson dan Seebeck seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: dα τ = T...(8) dt Koefisien bernilai positif jika material dari tipe-p dan bernilai negatif jika material dari tipe-n. Hubungan suhu terhadap parameter efisiensi dari tipe-p dan n seperti ditunjukkan pada Gambar 3 dan 4. Efek Joulean, yaitu efek pembentukan panas akibat dari arus yang mengalir karena terbentuknya GGL pada efek Seebeck. Panas Joulean yang terbentuk sebesar: Q j = I 2 R...(9) dimana: Q j = panas Joulean (watt) I = arus (A) R = total tahanan pada rangkaian (ohm) Efek konduksi yaitu jika salah satu ujung jembatan termokopel tersebut dipertahankan pada suhu yang lebih tinggi dari ujung lainnya, maka akan terjadi aliran panas ke ujung yang lebih dingin. Efek ini bersifat tak mampu balik, dan besarnya adalah: Q k = U (T p T d )...(10) dimana:

23 U = koefisien panas keseluruhan (W/m 2 K) Gambar 3. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-p (Culp, 1979). Gambar 4. Hubungan suhu dan parameter efisiensi berbagai material tipe-n (Culp, 1979). Gabungan semi konduktor tipe-p dan tipe-n membentuk satu modul termoelektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 5.

24 Gambar 5. Diagram skematis fenomena termoelektrik untuk refrigerator (Culp dan Godfrey, 1979). Keseimbangan energi pada kedua sambungan panas dan dingin terdiri dari 4 (empat) bentuk energi (Culp, 1979), yaitu: 1. ± Q, sejumlah pindah panas dari sambungan ke sekelilingnya atau sebaliknya. 2. ± U ΔT, sejumlah pindah panas dari sambungan panas ke sambungan dingin melalui refrigerator. 3. ± α pn I = ± T (p atau d) I α pn, sejumlsh pindah panas karena efek Peltier. 4. I 2 R, hamburan daya di peralatan karena pemanasan Joulean (setengah 2 panas yang timbul berasal dari resistans di dalam masing-masing sambungan). Di bagian sambungan panas, jumlah perpindahan panas Peltier adalah m Φ pn I atau m α pn T p I (dalam watt), dimana: Tp α p αn α pn = dt...(11) T T Td p d

25 Daya masuk ke sambungan panas sama dengan I 2 2 R ditambah Q a, sedangkan daya meninggalkan sambungan panas sama dengan U ΔT ditambah m α pn T p I, sehingga: I 2 R Q a + = m α pn Tp I + U ( Tp Td )...(12) 2 atau I Q a = ( ) 2 R m α pn Td I + U Tp Td...(13) 2 Panas dipindahkan dari sambungan ke sekelilingnya pada bagian sambungan dingin sama dengan Q o dan semua bentuk daya lain akhirnya dipindahkan ke sambungan dingin, sehingga diperoleh persamaan: I - Q o = ( ) 2 R m α pn Td I + U T p Td +...(14) 2 B. KINERJA REFRIGERATOR TERMOELEKTRIK Gambaran keuntungan setiap sistem refrigerator ditunjukkan dalam koefisien kinerja (unjuk kerja atau COP, Coefficient Of Performance) pendinginan yang didefinisikan sebagai: Q COP = P o masukan...(15) COP harus setinggi mungkin, dapat lebih besar atau lebih kecil dari satu. Keseimbangan energi pada sambungan dingin menunjukkan, bahwa bentuk daya masukan (P masukan ), adalah: 1. Jumlah panas dipindahkan ke sambungan (Q o ) 2. Jumlah perpindahan panas konduksi dari sambungan panas (U ΔT) R 3. Pemanasan Joulean dalam sambungan I 2 2 Nilai-nilai parameter yang dimaksud adalah: U = m (U p + U n )...(16) R = m (R p + R n )...(17)

26 Nilai U p, U n, R p, dan R n seperti ditunjukkan pada persamaan-persamaan berikut: U p = k p L A p p...(18) U n = R p = k n L p A A n p n ρ L p...(19)...(20) R n = ρ L n A n n...(21) Jumlah energi dibuang dari sambungan dingin adalah sama dengan jumlah aliran panas Peltier m α pn T p I, sehingga memberikan persamaan berikut: I Q o = ( ) 2 R m α pn Td I U T p Td...(22) 2 Daya dimasukkan ke refrigerator termoelektrik adalah perkalian arus dan tegangan masukan (I * v masukan ). Nilai tegangan masukan (v masukan ) adalah jumlah turun tegangan Peltier setiap sambungan ( m α ) dan turun tegangan karena resistans internal (I * R): pn v masukan = m Φ + I R = m α pn ΔT + I R...(23) pn dan P masukan = m pn 2 α ΔT I + I R...(24) Memasukkan persamaan (22) dan (24) ke persamaan (15), diperoleh nilai: COP = 2 I R m α pn Td I U 2 2 m α ΔT I + I R pn ΔT...(25) Mengganti nilai N R I = dan m α pn Z m 2 α 2 pn =, maka persamaan (25) menjadi: U R 2 N ΔT N T d COP = 2 Z 2 ΔT N + N...(26)

27 dengan Z = figure of merit Figure of merit adalah fungsi sifat-sifat material refrigerator (α pn, U, dan R) dan dimensi kaki-kaki refrigerator (luas penampang dan panjang). Untuk memperbaiki efisiensi termis refrigerator, nilai Z harus sebesar mungkin. Apabila penetapan material untuk refrigerator termoelektrik telah ditentukan, maka hasil perkalian U dan R atau U * R yang bernilai minimum akan memberikan nilai Z maksimum (Z maks ) seperti ditunjukkan pada persamaan berikut: k A k A p p n n ρ p L p L n n 2 U * R = ρ + + m L p L n Ap A n dengan: x = A A p n L L = n n m 2 k p k n ρ p ρ p k p ρ n x k n ρ n x...(27) Nilai x optimum yang memberikan nilai minimum U * R atau Z maks dapat dihitung dengan menolkan diferensiasi U * R g terhadap x (nol) atau d ( U R) dx = 0, sehingga nilai x optimum adalah: x opt = A A p n L L n n = ρ p ρ k n k n p...(28) dan hal itu memberikan: Z maks = 2 pn ( ρ k + ρ k ) 2 p p α n n...(29) Persamaan (29) tidak bergantung pada bentuk geometri sistem selama luas dan panjang elemen generator proporsional menurut resistansi listrik dan konduktivitas material seperti ditunjukkan pada persamaan (28). Untuk memperoleh nilai COP setinggi mungkin, nilai Z harus mempunyai nilai maksimum. Nilai N optimal untuk memperoleh COP

28 maksimum, dapat dihitung dengan mendiferensialkan persamaan (26) dcop terhadap N yang sama dengan nol atau = 0. Nilai N optimal adalah: dn N opt = R I m α opt pn = ΔT...(30) 1+ Z T 1 maks rerata Arus masukan optimum untuk COP maksimum adalah: I opt = m α pn R N opt...(31) Diasumsikan nilai dari T p dan T d bernilai tetap untuk suatu refrigerator termoelektrik yang diberikan, jumlah pemompaan panas dari T d ke T p adalah seperti ditunjukkan pada persamaan (22). Nilai maksimum jumlah perpindahan panas ke sambungan (Q dingin (maks) ) yang dapat dihitung sebagai fungsi arus maksimum. Untuk arus terlalu tinggi bentuk pemanasan Joulean akan lebih menonjol, tetapi jika arus terlalu rendah jumlah pemompaan Peltier terlalu rendah. Nilai arus yang memberikan pemompaan maksimum didekati dengan: I maks (Q) = m α pn R T d...(32) Jika arus tersebut dijaga tetap untuk suatu refrigerator termoelektrik dan jumlah panas yang dipompa diturunkan, suhu pada bagian dingin akan mencapai nilai minimum ketika Q dingin mendekati nol. Suhu dingin tersebut didekati dengan: T d = T d + Z 1+ Z maks maks T 2 T 2 d d...(33) Suatu suhu rerata lebih rendah dapat dicapai pada refrigerator termoelektrik, jika arus diturunkan ketika aliran panas dari sambungan dingin diturunkan. Mengacu ke persamaan (32) dan (33), suhu terendah yang dapat dicapai adalah: T d (min) = 1+ Z T 1 Z maks maks p...(34)

29 C. PENERAPAN TERMOELEKTRIK Pada tahun 1977 Pesawat ruang angkasa Voyager I dan II telah memanfaatkan teknologi termoelektrik dengan plutonium-238 sebagai sumber panasnya (Radioisotop Thermoelectric Generators-RTGs). Sistem ini mampu membangkitkan listrik sebesar 400 W, serta secara kontinyu dan tanpa perawatan apapun. Voyager dapat mengirimkan data walau sudah terbang selama 30 tahun. Contoh menarik lainnya adalah yang dilakukan oleh Seiko Co. Ltd. Seiko memasarkan jam termoelektrik sejak tahun 1998 dengan nama Seiko Thermic. Jam ini memanfaatkan perbedaan suhu tubuh dengan suhu sekitarnya. Bahan yang digunakan adalah Bismuth-Tellurium yang mampu menghasilkan listrik sebesar 0.2 mv/ o C. Aplikasi termoelektrik yang lebih luas lagi adalah pendingin wine di hotel Jepang yang mempergunakan teknologi ini. Pendingin termoelektrik dapat diletakkan dengan leluasa di bawah tempat tidur karena tidak menimbulkan suara dan getaran. Mitsubishi saat ini juga sudah memproduksi kulkas termoelektrik yang mampu menghemat energi 20% dibandingkan dengan kulkas biasa. Dalam dunia komputer, termoelektrik dipergunakan untuk mendinginkan CPU komputer. Panas yang dihasilkan dari sumber panas dalam komputer digunakan untuk membangkitkan listrik, kemudian listrik itu dipergunakan untuk memutar kipas yang diarahkan ke sumber panas. Perangkat ini mampu menurunkan panas sekitar 32 o C. Banyak aplikasi lain penggunaan energi termoelektrik yang sedang dikembangkan saat ini, seperti pemanfaatan perbedaan panas di dasar laut dan darat, atau pemanfaatan panas bumi. Pemanfaatan teknologi termoelektrik dalam pendinginan bahan pangan masih jarang digunakan. Untuk itu masih banyak diperlukan pengembangan teknologi pendinginan termoelektrik untuk bahan pangan, khususnya bahan pangan pertanian.

30 D. TINJAUAN ATAS PENELITIAN SEBELUMNYA Zuhal (1989), melakukan penelitian karakteristik alat pendingin sistem termoelektrik dengan catu daya sel surya. Bahan modul yang digunakan adalah Bismuth-Tellurium (Bi 2 Te 3 ) dengan jumlah 4 buah untuk satu kotak pendingin dengan ukuran 20 cm x 15 cm x 15 cm, dengan ketebalan alumunium 0.8 mm. Dari jenis bahan modul, dapat diketahui nilai koefisien Seebeck Bismuth-Tellurium sebesar x 10-3 V/K. Hasil yang didapatkan adalah suhu modul terminal dingin (T d ) sebesar 17.0 o C, suhu modul terminal panas (T p ) sebesar 27.6 o C, arus yang mengalir (I) sebesar 0.84 A, dan suhu lingkungan (T l ) sebesar 25.5 o C, sehingga diperoleh nilai figure of merit (Z) sebesar Suhu tersebut dapat tercapai setelah 3.5 jam pengujian. Modul termoelektrik yang digunakan pada penelitian Zuhal (1989) terdiri dari 71 pasang kaki tipe-p dan tipe-n. Dari data yang didapatkan, nilai kapasitas pendinginan setiap pasang kaki termoelektrik sebesar W, sedangkan setiap modul terdiri dari 71 pasang kaki, sehingga nilai kapasitas pendinginan (Q o ) dalam satu buah modul TE, yaitu sebesar 1.92 W. Dengan demikian 4 modul yang digunakan dalam kotak pendingin tersebut belum dapat mencukupi kebutuhan. Untuk dapat memenuhi kebutuhan yang sesuai dengan kapasitas pendinginannya, maka diperlukan 24 modul untuk satu kotak pendingin. Dapat diketahui juga nilai W sebesar 6.68 W untuk satu buah modul TE. Hal ini menunjukkan bahwa dalam 1 buah modul termoelektrik dapat memberikan kerja listrik sebesar 6.68 W. Dari nilai Q o dan W, didapatkan nilai COP sebesar 0.29 dengan ΔT sebesar 10.6 K. Sedangkan penelitian yang dilakukan oleh Trenggonowati (2005), melakukan pengkajian karakteristik bahan modul termoelektrik untuk sistem pendinginan dengan menggunakan bahan modul termoelektrik tipe TEC yang mempunyai 127 pasang kaki. Dari jenis bahan modul, dapat diketahui nilai koefisien Seebeck rata-rata untuk satu pasangan kaki modul sebesar 0.86 x 10-3 V/K. Hasil yang didapatkan adalah suhu modul terminal dingin (T d ) sebesar 6.9 o C, suhu modul terminal panas (T p ) sebesar 32.8 o C, arus yang mengalir (I) sebesar 2.34 A, dan nilai tegangan rata-rata sebesar 8.37 V, sehingga diperoleh nilai kerja rata-rata adalah sebesar W.

31 Besarnya Qo untuk satu modul termoelektrik adalah sebesar W, sedangkan besarnya nilai kerja listrik rata-rata untuk satu modul termoelektrik adalah sebesar W, sehingga nilai COP adalah 1.88 dan figure of merit (Z) sebesar

32 III. METODE PENELITIAN A. WAKTU DAN TEMPAT Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Mei Agustus 2006 dan bertempat di Laboratorium Pindah Panas dan Massa, Laboratorium Surya, Bagian Energi dan Elektrifikasi Pertanian, Departemen Teknik Pertanian, Fakultas Teknologi Pertanian, IPB. B. BAHAN DAN ALAT 1. Modul termoelektrik Modul termoelektrik adalah komponen elektrik semi konduktor yang berfungsi untuk menyerap panas yang ada dalam kotak pendingin dan membuangnya ke lingkungan. Modul termoelektrik yang digunakan dalam penelitian ini adalah tipe TEC Dalam penggunaannya, modul termoelektrik membutuhkan media untuk membuang panas yang dihasilkan pada terminal panasnya. Media yang digunakan sebagai pembuang panas pada penelitian ini adalah sirip pendingin (heat sink) dan air. Semakin bagus sistem pembuangan panasnya, maka semakin rendah suhu yang dapat dicapai pada terminal dinginnya. Modul termoelektrik ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut: Ukuran = (40 x 40 x 3.8) mm A = 1.69 x 10-6 m 2 L = m I max = 6.4 Ampere V max = 14.9 Volt Q max = 53 Watt ( T = 0) T max = 68 o C R = 1.98 ohm m = 128 pasang Modul termoelektrik tipe TEC yang digunakan dalam penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 6.

33 Gambar 6. Modul termoelektrik tipe TEC Recorder Alat pencatat suhu yang digunakan adalah hybrid recorder dengan merk Yokogawa model Suffix 7/GP-IB No: 40 SB D 149 yang dapat menampilkan data hasil pengukuran secara digital. Hybrid recorder ini dapat dilihat pada Gambar 7. Gambar 7. Hybrid recorder. 3. Termokopel Termokopel yang digunakan adalah termokopel tipe T (C C) pada beberapa titik pengukuran suhu yang dirangkai dengan Hybrid recorder. 4. Baterai (accu) Termoelektrik dapat bekerja apabila dialiri arus searah (direct current). Arus ini dapat diperoleh dari baterai. Baterai yang digunakan adalah baterai dengan kapasitas 70 Ah merk INCOE dengan model 65D31R (N70). Baterai ini dapat dilihat pada Gambar 8.

34 Gambar 8. Baterai (accu) N Multimeter Pengukuran nilai arus dan tegangan menggunakan digital multimeter. Digital multimeter yang digunakan untuk mengukur arus dirangkai secara seri antara baterai dan modul termoelektrik dengan merk Constant model 50, dan untuk mengukur tegangan digunakan digital multimeter dengan merk Uni-Trend model UT30F. Multimeter yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 9. Gambar 9. Digital Multimeter. 6. Sirip pendingin (heat sink) Sirip pendingin ini digunakan sebagai pembuangan panas pada terminal panas modul termoelektrik seperti ditunjukkan pada Gambar 10 dengan ukuran 30 cm x 12 cm x 3 cm yang terbagi dalam 12 sirip.

35 Gambar 10. Sirip pendingin (heat sink). C. PROSEDUR PERCOBAAN 1. Menyiapkan recorder, modul termoelektrik, sirip pendingin, termokopel C C, dan wadah berisi air. 2. Tiga modul yang digunakan untuk pengukuran dirangkai secara paralel. Terminal panas modul termoelektrik ditempatkan pada sirip pembuangan panas yang direndam dalam wadah sampai batas permukaan dari sirip pembuangan panas, sedangkan terminal dinginnya langsung ke ruangan yang akan didinginkan. Rangkaian modul tersebut dapat dilihat pada Gambar 11. Gambar 11. Rangkaian modul termoelektrik. 3. Memasang termokopel pada hybrid recorder, dan ujung yang lainnya dipasang pada titik terminal dingin dan terminal panas modul termoelektrik, air pada wadah, dan lingkungan seperti yang terlihat pada Gambar 12.

36 Td1 Td2 Td3 Tl Tp1 Tp2 Tp3 Ta Wadah berisi air A Keterangan: Td (1, 2, 3) = Titik pengukuran suhu terminal dingin pada modul 1, modul 2, dan modul 3 Tp (1, 2, 3) = Titik pengukuran suhu terminal panas pada modul 1, modul 2, dan modul 3 Tl = Titik pengukuran suhu lingkungan Ta = Titik pengukuran suhu air dalam wadah Gambar 12. Titik-titik pengukuran pada modul termoelektrik. 4. Memasang termokopel pada hybrid recorder, dan ujung yang lainnya dipasang pada titik terminal dingin dan terminal panas modul termoelektrik, air pada wadah, dan lingkungan seperti yang terlihat pada Gambar Modul termoelektrik, sirip pendingin, dan multimeter dirangkai jadi satu dan dihubungkan dengan baterai seperti pada Gambar 13. Gambar 13. Rangkaian pengukuran.

37 Secara sistematik, diagram alir dari rangkaian pengujian yang dilakukan dapat dilihat pada Gambar A - Baterai + - Termoelektrik + - V + Gambar 14. Diagram skematik rangkaian pengujian. Penelitian mengenai karakteristik bahan modul tipe TEC ini dilakukan dengan studi pustaka baik dari buku, jurnal, skripsi, internet, dan lain-lain. Metode tersebut dilakukan karena ketidaktersediaan alat atau mesin untuk mengatahui karakteristik bahan modul tersebut. Data yang diperlukan adalah sifat listrik, konduktivitas panas, koefisien Seebeck, dan hambatan jenis (ρ, ohm. m). Dalam pembuatan modul termoelektrik, banyaknya pasangan p-n dan ukurannya didasarkan pada persamaan berikut: L R = ρ...(35) A dimana: R = Hambatan listrik (Ohm) ρ = Hambatan jenis (Ohm. m) L = Panjang bahan (m) A = Luas penampang (m 2 ) Ukuran dari pasangan p-n didasarkan pada ukuran luas penampang dan panjang bahan yang digunakan. Hambatan listrik (R) yang diharapkan adalah kecil, agar panas akibat arus yang mengalir karena GGL juga kecil. Hambatan

38 listrik (R) yang kecil dapat diperoleh dengan cara memperkecil nilai L dan memperbesar nilai A. Dan untuk banyaknya pasangan didasarkan pada berapa hambatan listrik yang sesuai untuk satu modul termoelektrik. Kajian karakteristik modul termoelektrik meliputi beberapa hal, diantaranya suhu yang dihasilkan pada terminal panas dan terminal dingin, nilai figure of merit. Nilai figure of merit ini sangat berpengaruh dalam penentuan karakteristik lainnya. Semakin tinggi nilai figure of merit, maka COPnya makin tinggi. Persamaan untuk mengetahui nilai figure of merit adalah: Z = ( α α ) ( k ρ + k ρ ) 2 p p p dimana: Z = figure of merit (1/ o C) α p-n = koefisien Seebeck (μv) k p-n = konduktivitas panas (W/m o C) ρ p-n = hambatan jenis (Ohm. m) n n 2 n...(36) D. PENGAMATAN DAN PENGUKURAN Pengujian dilakukan dengan 3 kali percobaan pada kondisi rataan suhu lingkungan yang berbeda. Pengamatan dan pengukuran dilakukan terhadap: 1. Pengukuran suhu Pengukuran suhu dilakukan pada berbagai titik dengan menggunakan termokopel yang dihubungkan langsung ke recorder digital. Pengukuran dilakukan selama 45 menit, 80 menit, dan 90 menit sampai suhu konstan. Perbedaan waktu pengukuran ini juga dipengaruhi oleh kapasitas baterai pada saat pengukuran. Pengukuran dihentikan saat baterai pada tegangan minimum yaitu 6 volt agar tidak merusak baterai. Titik-titik pengukuran suhu adalah sebagai berikut: a. Suhu modul pada terminal dingin Suhu terminal dingin adalah suhu pada bagian dingin modul termoelektrik. Suhu terminal dingin ini bergantung pada besaran arus (I), yaitu arus yang digunakan oleh modul termoelektrik dan pada suhu

39 terminal panas. Dalam pemakaiannya, terminal dingin ini ditempelkan langsung pada sirip pendingin (evaporator) ke ruang pendingin dan alumunium kotak pendinginnya dilubangi seukuran modul. Dalam pengujiannya, terminal dingin berada dalam ruangan terbuka dan sangat dipengaruhi oleh besaran arus searah yang mengalir pada modul termoelektrik. Penentuan nilai suhu pada terminal dingin ini digunakan untuk menghitung kapasitas pendinginan dari modul termoelektrik, seperti tercantum pada persamaan (22). b. Suhu modul pada terminal panas Suhu terminal panas ini diperlukan untuk menghitung besarnya panas yang dilepaskan modul termoelektrik ke lingkungan. c. Suhu air pada wadah Air dalam wadah digunakan sebagai media pembuangan panas selain udara. Suhu air ini diperlukan untuk mengetahui kondisi air karena sangat mempengaruhi suhu dingin pada terminal dingin modul. Suhu air akan meningkat karena pengaruh dari panas yang dibuang dari terminal panas modul melalui sirip dan panas akan merambat ke terminal dingin, oleh karena itu air selalu diaduk agar penyebaran panasnya merata sehingga tidak berpengaruh banyak terhadap suhu pada terminal dinginnya. d. Suhu lingkungan Suhu lingkungan ini adalah suhu tempat pengujian modul termoelektrik. Data suhu lingkungan ini diperlukan untuk melihat seberapa jauh penurunan suhu pendinginan modul termoelektrik terhadap suhu lingkungan. 2. Pengukuran Arus Pengukuran arus dilakukan setiap 5 menit selama waktu pengujian. Pengukuran arus ini menggunakan multimeter digital merk Constant model 50 yang dirangkai secara seri dengan modul dan baterai. Data arus ini digunakan untuk menghitung besarnya kapasitas pendinginan, panas yang timbul pada terminal panas dan nilai kerja baterai.

40 3. Pengukuran Tegangan Pengukuran tegangan juga dilakukan setiap 5 menit selama waktu pengujian. Pengukuran tegangan ini dilakukan secara paralel terhadap modul dan baterai dengan menggunakan multimeter digital merk Uni-Trend model UT30F. Data pengukuran tegangan digunakan untuk menghitung besarnya daya listrik yang dipergunakan oleh modul termoelektrik. E. PERHITUNGAN MULAI Qmax, Tmax, R, m, L, A, T, Td, Tp, V, I P, (ρ p + ρn), Z, U α pn, Qo, Qc, Φ, (k p + k n ) COP SELASAI Gambar 15. Diagram alir perhitungan. 1. Nilai Daya Listrik Nilai daya listrik dipengaruhi oleh nilai tegangan dan arus yang mengalir pada modul termoelektrik. Besarnya daya listrik yang dipergunakan oleh modul ini dapat dihitung menurut persamaan berikut:

41 P = V x I...(37) Dimana P = Daya listrik (W) V = Tegangan terukur (V) I = Arus terukur (A) 2. Nilai Resistivitas atau Tahanan Jenis Listrik (ρ p + ρ n ) Resistivitas atau tahanan jenis listrik dipengaruhi oleh nilai resistivitas bahan kaki modul, panjang dan luas penampang kaki modul. Semakin panjang kaki modul semakin besar nilai reisistivitasnya, namun sebaliknya semakin besar luas penampang kaki modul maka semakin kecil nilai resistivitasnya. Kaki-kaki atau elemen-elemen dari modul termoelektrik dihubungkan seri untuk aliran listrik dan dihubungkan paralel untuk aliran panas (Culp, 1979). Nilai resistivitas atau tahanan jenis listrik (R) yang terhubung seri dapat dilihat pada persamaan (17), (20) dan (21) sehingga didapat persamaan berikut: ρ R = p L ρ L m + n...(38) A A ( + ρ ) R A ρ p n =...(39) m L Dimana R = Tahanan listrik teoritis (Ω) m = Jumlah pasang kaki semi konduktor L = Panjang kaki semi konduktor (m) A = Luas penampang melintang kaki semi konduktor (m 2 ) 3. Nilai Figure of Merit (Z) Nilai Z sangat penting dalam pendinginan termoelektrik. Semakin besar harga Z, performansi dari modul termoelektrik akan semakin baik dan T akan semakin besar. Satuan figure of merit adalah per derajat suhu dan besarnya nilai Z ini sangat bergantung dari sifat-sifat bahan yang digunakan. Nilai Z ini dapat dihitung dari rumus T max pada saat Qo sama dengan nol, yaitu: 2 ( T T ) 0.5 Z Td...(40) p d = max

42 Z ΔT =...(41) max Td Dimana Td = Suhu terminal dingin ( o C) 4. Nilai Konduktansi Panas Diantara Dua Sambungan (U) Tingkat perpindahan panas bergantung pada perbedaan suhu ( T) dan konduktivitas jenis. Menurut hukum Wiedemann-Franz, nilai konduktivitas panas semakin meningkat dengan bertambahnya kecepatan rata-rata partikel dalam perpindahan energi. Nilai konduktivitas panas dapat dihitung dari rumus pada persamaan berikut: Qo max = U (0.5 x Z x Td 2 - T)...(42) Qo max U = 2 ( 0.5 Z T ΔT ) d...(43) Dimana Qo max = Kapasitas pendinginan maksimum (W) Z = Figure of merit (/K) Td = Suhu terminal dingin ( o C) 5. Nilai Koefisien Seebeck Pada Bahan (α pn ) Nilai koefisien Seebeck sangat berpengaruh terhadap karakteristik bahan modul yang digunakan. Nilai koefisien Seebeck pada bahan modul termoelektrik dapat dihitung dari persamaan berikut: m Z = 2 ( α ) pn U R Z U ( pn ) = (44) R α...(45) m Dimana m = Jumlah pasang kaki semi konduktor 6. Nilai Kapasitas Pendinginan (Qo) Nilai kapasitas pendinginan merupakan sejumlah panas yang diserap dari ruang pendingin oleh terminal dingin. Panas yang diserap ini kemudian dibuang ke lingkungan melalui terminal panas dan dibantu oleh

43 sirip pembuangan panas dan air. Besarnya nilai kapasitas pendinginan dapat terlihat sebagai berikut: Qo = (m x α pn x Td x I) (U x T) (0.5 x I 2 x R)...(46) 7. Nilai Panas Yang Timbul Pada Terminal Dingin (Qc) Panas yang timbul pada terminal dingin (Qc) merupakan panas yang terjadi akibat adanya efek Konduksi dan efek Joulean. Besarnya panas yang timbul tersebut dapat dicari dengan menggunakan rumus sebagai berikut: Qc = (U x T) + (0.5 x I 2 x R)...(47) 8. Nilai Efek Peltier (Φ pn ) Nilai efek Peltier menjadi dasar dari pendinginan termoelektrik. Bahwa arus yang mengalir pada dua sambungan semikonduktor yang berbeda akan terjadi perpindahan panas dari sambungan satu ke sambungan yang lain. Nilai tersebut dapat dihitung dari persamaan berikut: Φ pn = α pn x Td x I...(48) 9. Nilai Konduktivitas Panas Pada Bahan (k p + k n ) Aliran panas pada modul termoelektrik terhubung secara paralel (Culp, 1979). Nilai konduktivitas panas pada bahan modul termoelektrik dapat dihitung dari rumus pada persamaan (16), (18) dan (19) sehingga diperoleh: A k p A k U = m + L L ( k k ) p n...(49) U L + n =...(50) m A 10. Nilai Kerja Listrik Yang Dilakukan Modul (P masukan ) Kerja listrik yang dilakukan pada termoelektrik dapat didefinisikan sebagai perbedaan antara panas yang dilepaskan pada terminal dingin dan

44 terminal panas. Perhitungan nilai kerja listrik (P masukan ) dapat terlihat pada persamaan (24). 11. Nilai COP Nilai COP menunjukkan performansi atau prestasi dari bahan modul termoelektrik yang digunakan. Semakin tinggi nilai COP, maka semakin bagus bahan yang digunakan sebagai modul. Nilai COP merupakan perbandingan antara kapasitas pendinginan (Qo) dengan nilai kerja listrik (P masukan ). Nilai karakteristik dari bahan modul termoelektrik dipengaruhi oleh persamaan-persamaan di atas. Kesesuaian bahan-bahan yang digunakan dalam pembuatan modul juga sangat berpengaruh terhadap nilai karakteristiknya. Kesesuaian bahan-bahan tersebut ditentukan oleh nilai figure of merit (Z) yang bergantung pada sifat-sifat bahan tersebut. Semakin besar nilai Z, performansi modul akan semakin baik. Untuk mendapatkan nilai Z maksimum, parameter bahan termoelektrik harus memenuhi syarat sebagai berikut: koefisien Seebeck (α) harus besar, resistivitas atau tahanan jenis listrik (ρ) harus kecil, dan konduktivitas panas (k) harus kecil. Pada penelitian kali ini tidak diketahui jenis bahan modul termoelektrik, sehingga dalam pengkajian karakteristiknya hanya didasarkan pada besarnya nilai figure of merit (Z) dan nilai COP. Culp (1979), menyatakan bahwa untuk memperoleh nilai COP setinggi mungkin, nilai Z harus mempunyai nilai maksimum seperti ditunjukkan pada persamaan berikut ini: ( α ) ( k ρ + k ρ ) p p pn 2 Z max =...(51) n n Karakteristik bahan yang didasarkan pada besarnya nilai figure of merit (Z) dipengaruhi oleh nilai koefisien Seebeck (α pn ), koefisien konduktansi panas keseluruhan (U), jumlah pasangan kaki p-n pada modul dan tahanan listrik (R), seperti terlihat pada persamaan (44). Semakin kecil nilai koefisien konduktansi panas keseluruhan (U) dan nilai tahanan