Aplikasi Heat Pipe pada Thermoelectric Generator (Application of Heat Pipe on Thermoelectric Generator) Rio Wirawan 1, M. Hadi Kusuma 1,2, Ranggi Sahmura 1, Wayan Nata Septiadi 1,3, Nandy Putra 1 1 Applied Heat Transfer Research Group, Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Universitas Indonesia, Kampus Baru UI Depok 2 Pusat Teknologi Keselamatan dan Reactor Nuklir, Badan Tenaga Nuklir Nasional 3 Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Udayana, Kampus Bukit, Jimbaran, Bali nandyputra@eng.ui.ac.id Abstract Indonesia s need of energy keeps on rising along with the development of industries and the rapid growth of population. Meanwhile the amount of energy available is almost insufficient to fulfill those needs. The search for alternative energy and more efficient use of available energy are among the options and strategic ways to overcome the problem; one of them is the application of heat pipe on thermoelectric generator (TEG). TEG is a module that converts thermal energy to electrical energy. It works with the principle of Seebeck and TEG effect. This principle would be applied in order to develop thermoelectric generator which utilize waste heat emitted by vehicles or other equipment. The purpose of this study is to figure out the amount of electrical energy that could be generated from the thermoelectric module simulation being designed. The experiment of this study used direct contact heat pipe with fan on the cold side of the thermoelectric module and Aluminum heater block on the hot side of the thermoelectric module. The Aluminum block was heated by electric heater with variable input voltage, which are 160 volt, 190 volt and 220 volt. The output voltage was obtained from eight thermoelectric modules connected in series. The result showed that the maximum output obtained from those 9 modules was 15.6 volt, with the maximum ΔT of 81.7 o C and generating power of 2.4 watt. The TEG could then be used to extract electrical energy from waste heat of vehicle or other appliance. The cooling process of thermoelectric has significant impact on the voltage output generated. The bigger the temperature difference between the cold and the hot side, the bigger the voltage output could be generated. Keywords: Energy, thermoelectric generator, direct contact heat pipe, cooling. 1. Pendahuluan Kebutuhan energi di Indonesia semakin meningkat seiring dengan semakin berkembangnya industri dan bertambahnya jumlah penduduk. Sementara jumlah energi yang ada hampir tidak mencukupi untuk pemenuhan kebutuhan tersebut. Konsumsi energi dunia di tahun 2010, telah meningkat 5,5% setelah penurunan kecil konsumsi energi pada tahun 2009, total konsumsi energi dunia di tahun 2010 sebanyak 12.852 juta ton minyak ekuivalen [1]. Dengan konsumsi tersebut, efisiensi penggunaan energi dijadikan isu yang signifikan dalam menjaga pasokan energi dunia. Penghematan energi, efisiensi penggunaan energi, dan daur ulang energi menjadi pilihan yang paling gampang dilakukan untuk mengurangi kebutuhan energi tersebut. Pada sektor transportasi misalnya, efisiensi termalnya masih cukup rendah. Hanya sekitar 34% yang dapat dimanfaatkan, selebihnya merupakan panas buang yang mengalir ke lingkungan. Dengan pemanfaatan panas buang yang besar ke lingkungan, energi panas buangnya dapat digunakan kembali ke berbagai kebutuhan instrumen listrik pada kendaraan bermotor, tanpa perlu membebani kerja motor bakar, tapi justru menambah tingkat efisiensi kerja dari motor bakar tersebut, serta mengurangi emisi gas buang ke lingkungan. Pemanfaatan 6% dari panas gas buang kendaraan akan dapat menghemat BBM hingga 10% [2]. Penggunaan energi alternatif dan peningkatan efisiensi sumber energi yang ada menjadi salah satu pilihan dan langkah jitu yang diperlukan untuk mengatasi hal tersebut di atas. Thermoelectric generator (TEG) merupakan modul yang dapat mengubah energi panas menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya memanfaatkan efek Seebeck. Prinsip ini akan diaplikasikan pada pengembangan aplikasi TEG dengan memanfaatkan energi panas buang yang biasanya dihasilkan dari kendaraan bermotor atau gas buang peralatan lainnya. Penggunaan modul TEG telah berkembang pesat sejak 10 tahun terakhir ini dalam konservasi energi panas buang. Seperti yang telah dilakukan oleh Darling et.al yang membahas tentang konservasi panas buang dari kompor kayu bakar sebagai sarana sumber listrik pada daerah rural [3]. Studi perbandingan pemanfaatan TEG pada sistem gas buang suatu kendaraan bermotor dengan sistem gas buang dari stationary compressed natural gas engine generator set (CNG) yang dilakukan oleh Karri et.al, Fakultas Teknik UGM 174
hasil yang didapatkan menunjukkan bahwa efek penggunaan TEG pada sistem gas buang dapat menghemat penggunaan bahan bakar sebanyak 1,25% pada kendaraan bermotor [4]. Penggunaan modul TEG untuk mengkonservasi energi panas buang banyak dimanfaatkan karena aplikasinya yang mudah, biaya pengoperasian serta biaya perawatan yang murah, dan usia pakai modul TEG yang panjang, serta ramah lingkungan karena tidak mengemisikan gas buang apapun dalam penggunaannya [5, 6]. Xiaolong et.al melakukan eksperimen mengenai kinerja dari modul TEG dalam mengkonservasi energi panas buang yang ditentukan oleh besarnya temperatur panas buang, rangkaian seri dari TEG, memperbesar luas area dari heat sink, serta meningkatkan kapasitas perpindahan kalor pada sisi dingin dari modul TEG yang digunakan [7]. Nandy et.al menggunakan modul TEG sebanyak 12 buah dengan metode konveksi alamiah yang dilakukan untuk mendinginkan sisi dingin dari TEG dengan menggunakan sirip [8]. Tujuan dari penelitian ini adalah mengetahui besaran energi listrik yang dihasilkan dari simulasi modul TEG yang dirancang. Penelitian ini menggunakan pipa kalor dengan heat sink fan pada sisi dingin dari modul TEG. 2. Skema Pengujian Pada Gambar 1 dapat dilihat skema pengujian aplikasi pipa kalor pada TEG Komponen yang akan digunakan untuk pengujian alat pembangkit TEG adalah sebagai berikut: Balok berbahan Aluminium dengan dimensi 180 x 48 x 48 mm dengan sisi dalam diberi lubang untuk ditempatkan heater (pemanas) logam berbentuk silinder. Balok yang terisi pemanas ini disimulasikan sebagai sumber panas pembangkit TEG. Pada balok ditempatkan modul TEG sebanyak 8 buah, dengan setiap sisi ditempatkan 2 buah modul TEG. Modul TEG ini akan menyerap sumber panas. Pemanas dengan daya maksimum 700 watt digunakan untuk memanaskan logam yang berdimensi panjang 165mm x diameter 30 mm. Pemanas dihubungkan ke regulator voltage (pengatur tegangan) sebagai simulasi temperatur pipa gas buang kendaraan. Pada balok juga ditempatkan pipa kalor dengan heat sink dan kipas (kipas) yang berfungsi sebagai pendingin sisi dingin modul TEG, masing masing 2 unit pipa kalor ditempatkan pada sisi atas dan sisi bawah balok Aluminium, dan sisi samping balok Aluminium masing masing dipasang 1 unit pipa kalor. Pelat Aluminium ditempatkan pada sisi samping balok aluminium yang ditempatkan pada sisi samping balok Aluminium, yang digunakan sebagai perantara antara pipa kalor dengan modul TEG. Dengan menggunakan pelat Aluminium, 2 unit modul TEG dapat mendinginkan sisi dingin dengan menggunakan 1 unit pipa kalor. Bracket digunakan untuk menyatukan pelat Aluminium dengan pipa kalor dan kemudian d i pas an g baut ke sisi balok Aluminium. Junction terminal yang berfungsi untuk menyambungkan kabel modul TEG menjadi suatu rangkaian seri power supply yang akan dihubungkan untuk menggerakkan kipas pada pipa kalor. Kipas digunakan untuk mendinginkan heat sink. Sepuluh buah titik termokopel tipe K dipasang pada alat, yaitu pada sisi panas modul TEG dan sisi dinginnya, temperatur pada pemanas, dan temperatur lingkungan. Seluruh termokopel disambungkan ke data akusisi. Variasi pengujian dilakukan untuk mengetahui besaran tegangan yang dihasilkan dari rangkaian modul TEG dalam berbagai kondisi kerja yang dimodelkan. Variasi pengujian yang dilakukan adalah: variasi tegangan yang diberikan dari pengatur tegangan, variasi tegangan dilakukan dengan tujuan untuk melihat pengaruh perbedaan tegangan yang diberikan pada pengatur tegangan pada pemanas serta pengaruhnya terhadap keluaran tegangan yang dihasilkan rangkaian modul TEG. Variasi tegangan yang diujikan adalah 160 volt, 190 volt dan 220 volt. Perbandingan yang dilihat adalah keluaran tegangan apabila menggunakan heat sink pada sisi dingin dengan keluaran tegangan apabila menggunakan pipa kalor pada sisi dingin modul TEG. Fakultas Teknik UGM 175
Gambar 1. Skema pengujian aplikasi pipa kalor pada TEG 3. Hasil dan Pembahasan Pengujian alat dilakukan sampai data yang didapatkan stabil dan tidak mengalami kenaikan atau penurunan temperatur dan tegangan. Parameter utama dalam pengambilan data adalah temperatur, karena temperatur pada pemanas akan mencapai titik puncak tertentu yang bergantung dari tegangan yang diberikan melalui pengatur tegangan. Apabila titik temperatur puncak pada pemanas tercapai, temperatur sisi panas yang diterima oleh masing masing modul TEG juga akan mengalami stagnansi, maka pembuangan kalor pada sisi dingin juga tidak lagi mengalami peningkatan/menjadi konstan, sehingga dicapai temperatur keseluruhan yang konstan. Pada Gambar 2 dapat dilihat perubahan temperatur terhadap waktu dengan menggunakan pipa kalor. pada data ini, temperatur sisi panas dan temperatur sisi dingin yang diperoleh merupakan hasil rata-rata dari temperatur dari tiap titik yang diukur dengan menggunakan termokopel, yaitu rata-rata dari temperatur sisi atas, sisi bawah serta sisi kiri dan sisi kanan. Data ini menunjukkan bahwa temperatur maksimum yang bisa dicapai oleh pemanas sebesar kurang lebih 200 C. Dengan temperatur sebesar itu, maka panas yang dapat diserap oleh sisi panas pada rangkaian modul TEG pada titik pengukuran didapat mendekati temperatur yang sama, dengan temperatur sisi panas maksimal sekitar 180-190 C dan temperatur maksimal yang diperoleh pada titik pengukuran sisi dingin didapatkan sebesar 90-100 C dengan perbedaan temperatur yang diperoleh maksimal berkisar antara 80-90 C. Kondisi ini didapatkan dengan pemberian tegangan sebesar 220 volt dari pengatur tegangan kepada pemanas. Sebagai perbandingan juga ditampilkan perubahan temperatur terhadap waktu pada Gambar 3 dengan menggunakan heat sink pada sisi dingin dari modul TEG. Sebagai catatan, pada pengujian perbandingan dengan menggunakan heatsink ini, tegangan yang diberikan pengatur tegangan tidak dapat diberikan sebesar tegangan pada pipa kalor, karena pembuangan kalor yang jauh lebih lambat dibandingkan dengan pipa kalor, maka perbedaan temperatur pada modul TEG jauh lebih kecil dibandingkan dengan penggunaan pipa kalor pada sisi dingin modul TEG. Dari Gambar 3 terlihat perbedaan temperatur maksi mal antara sisi panas dan sisi dingin dari modul TE G hanya pada kisaran 30ºC. Temperatur maksimal yang dapat dicapai hanya sebesar 140 0 C. Panas yang diberikan masih dapat terus meningkat, namun karena perbedaan temperatur yang kecil Fakultas Teknik UGM 176
diantara sisi dingin dan sisi panas pada modul TEG, maka beberapa modul TEG mengalami kerusakan karena temperatur kerja yang terlalu tinggi sementara panas yang dibuang dari sisi dingin sangat rendah. Hal ini membuat performa modul TEG menurun drastis dan menyebabkan kerusakan pada beberapa modul TEG. yang tinggi pada modul tegangan. Gambar 4. Perubahan tegangan terhadap sel i sih temperatur pada saat pemanas diberi tegangan 160 volt. Gambar 2. Data temperatur terhadap waktu dengan menggunakan pipa kalor Pada Gambar 5 terlihat tegangan yang dihasilkan pada saat pemanas diberikan tegangan 1 90 volt. Dengan kondisi pengujian seperti ini, didapat tegangan pada rentang 12-13 volt, dengan selisih temperatur hampir mendekati 60 C. Gambar 3. Perubahan temperatur terhadap waktu dengan menggunakan heat sink Pada Gambar 4 terlihat perubahan tegangan terhadap selisih temperatur pada variasi pengujian yang pertama yaitu pemberian tegangan dari pengatur tegangan sebesar 160 volt. Dari gambar terlihat dengan meningkatnya perubahan temperatur menyebabkan kenaikan tegangan yang dihasilkan. Perubahan temperature sebesar 35 C menyebabkan kenaikan tegangan sebesar 8 volt dari rangkaian modul TEG yang disusun cara seri. Grafik yang didapat bersifat linier seperti grafik-grafik sebelumnya. Adanya lekukan yang terjadi pada grafik dapat disebabkan karena tingkat sensitivitas Gambar 5. Perubahan tegangan terhadap selisih temperatur pada saat pemanas diberi tegangan 190 volt. Pada Gambar 6 merupakan data tegangan yang dihasilkan dengan variasi pengujian input tegangan dari pengatur tegangan sebesar 220 volt. Dengan perbedaan temperatur maksimum antara sisi dingin dan sisi panas yang berada pada kisaran 80 C didapat tegangan yang berada pada kisaran 14-16 volt. Terjadinya penurunan tegangan yang signifikan secara tiba-tiba lebih disebabkan karena sensitivitas modul tegangan. Karena pada saat penurunan data tegangan terjadi, lampu yang ada sebagai beban tetap dapat menyala, dan saat diukur dengan menggunakan Fakultas Teknik UGM 177
multimeter, tegangan yang dihasilkan tetap berada pada kisaran 14-16 volt. Pada pembebanan ini, saat kondisi ΔT mencapai di atas 80 C sisi panas mencapai tingkat temperatur sangat tinggi yang dibarengi oleh permukaan sisi dingin yang menjadi makin panas. Walaupun ΔT yang dihasilkan besar, namun mengakibatkan tegangan yang dihasilkan menurun secara ekstrem. 50 menit, tegangan yang dihasilkan stabil berkisar 15 volt. Gambar 8. Daya yang dihasilkan terhadap tegangan pada pipa kalor dan heat sink. Gambar 6. Perubahan tegangan terhadap selisih temperatur keseluruhan pada saat pemanas diberikan tegangan 220 volt Gambar 7. P erubahan tegangan terhadap selisih temperatur keseluruhan Pada Gambar 7 terlihat data perbandingan tegangan yang dihasilkan secara keseluruhan dari TEG dengan menggunakan heat sink dan dengan menggunakan pipa kalor pada sisi dinginnya. Dapat dilihat tegangan yang dihasilkan pada heat sink sebesar 3,5 volt dengan perbedaan temperatur maksimum yang didapatkan sebesar 35 C. Sementara dengan menggunakan pipa kalor pada sisi dinginnya, didapatkan perbedaan temperatur maksimum sebesar 85 C dengan tegangan yang didapat mendekati 16 volt. Dengan temperatur yang stabil, maka tegangan yang didapatkan pada pipa kalor akan menjadi stabil, seperti ditunjukkan pada saat variasi pengujian dengan pengatur tegangan 220 volt. Selama hampir 40 sampai Dengan menggunakan perhitungan rumus daya dan dengan menggunakan tegangan sebagai input serta resistor 100 ohm sebagai input, maka dapat diketahui daya yang dihasilkan berdasarkan tegangan yang dihasilkan. Dari perhitungan, didapatkan daya mendekati 2,5 watt dengan tegangan mendekati angka 15 volt. Daya ini didapat dengan menggunakan pipa kalor sebagai pendingin pada sisi dingin dari modul TEG. Sementara dengan menggunakan heat sink pada sisi dingin dari modul T E G, didapatkan daya yang sangat kecil, dibawah 0,5 watt seperti terlihat dari Gambar 8. Rendahnya daya yang dihasilkan, disebabkan oleh adanya hambatan listrik (electric resistance) dari karakteristik TEG. Pada sebuah sebuah TEG, selain dapat membangkitkan suatu daya, juga mempunyai hambatan dalam sistem internal yang menyebabkan daya yang dikeluarkan menjadi lebih rendah. Nilai hambatan dari suatu TEG adalah berbeda-beda. Hal lain yang mempengaruhi pembangkitan daya adalah gaya termal, yakni suatu karakteristik dari TEG, yang menjelaskan besarnya temperatur yang diterima oleh modul TEG karena adanya perbedaan potensial antara dua lapisan semikonduktor. Hal ini menyebabkan adanya aliran elektron. Semakin besar gaya termal maka semakin besar aliran elektron yang dipindahkan. Namun untuk mendapatkan gaya termal yang maksimal, diperlukan perpindahan kalor dan pelepasan kalor pada kedua sisi secara optimal. Jika perpindahan kalor tidak merata, maka perpindahan elektron akan menjadi tersendat. Hal ini disebabkan karena adanya perpindahan elektron yang lebih lambat karena perbedaan temperatur yang tidak merata pada sisi lain. Dari perbedaan temperatur sisi dingin dan sisi panas dan besarnya tegangan yang didapat, maka dapat dihitung koefisien Seebeck sebagai berikut: pada pipa kalor Fakultas Teknik UGM 178
pada heat sink Dimana S adalah koefisien Seebeck yang dicari, adalah tegangan yang didapatkan, serta adalah perbedaan temperatur antara sisi panas dan sisi dingin. Kemudian dengan mengetahui koefisien Seebeck, kita dapat menghitung figure of merit (Z) Dimana: pada pipa kalor pada heat sink 5. Nuwayhid, R., D. Rowe, and G. Min, Low cost stovetop thermoelectric generator for regions with unreliable electricity supply. Renewable energy, 2003. 28(2): p. 205-222. 6. Rowe, D.M., CRC handbook of thermoelectrics. 1995: CRC press. 7. Gou, X., H. Xiao, and S. Yang, Modeling, experimental study and optimization on lowtemperature waste heat thermoelectric generator system. Applied energy, 2010. 87(10): p. 3131-3136. 8. Putra, N., et al., Potensi Pembangkit Daya Termoelektrik Untuk Kendaraan Hibrid. MAKARA Journal of Technology Series, 2010. 13(2). Dengan Z adalah figure of merit, adalah konduktivitas listrik dan adalah konduktivitas termal. Semakin besar nilai Z pada pengujian, maka nilai efisiensi termodinamika dari modul TEG yang dijalankan akan semakin baik. Namun yang menjadi masalah selama ini dalam pengembangan pemanfaatan pembangkit TEG adalah efisiensi termalnya yang rendah, hanya berkisar 4% [1]. 4. Kesimpulan Termoelektrik dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan energi listrik dari energi sisa panas buang. Hasil yang didapatkan menunjukkan tegangan maksimal sebesar 15,6 volt dengan susunan rangkaian seri 8 buah modul TEG, daya yang dihasilkan sebesar 2,4 watt. Keakuratan instalasi alat pengujian akan sangat berpengaruh pada tegangan keluaran yang dihasilkan. Proses pendinginan pada TEG akan sangat menentukan besarnya tegangan yang dihasilkan, karena semakin besar ΔT yang dihasilkan, semakin besar tegangan keluaran yang didapatkan. Kualitas daya tahan dari modul TEG yang digunakan akan sangat menentukan hasil tegangan yang dikeluarkan. Daftar pustaka 1. Vázquez, J., et al. State of the art of thermoelectric generators based on heat recovered from the exhaust gases of automobiles. in Proc. 7th European Workshop on Thermoelectrics. 2002. 2. Rinalde, G., et al., Development of thermoelectric generators for electrification of isolated rural homes. International Journal of Hydrogen Energy, 2010. 35(11): p. 5818-5822. 3. Darling, C.R. and R.H. Rinaldi, On the thermoelectric properties of bismuth alloys, with special reference to the effect of fusion. With a note on thermo-electric re-inversion. Proceedings of the Physical Society of London, 1923. 36(1): p. 281. 4. Karri, M., E. Thacher, and B. Helenbrook, Exhaust energy conversion by thermoelectric generator: two case studies. Energy Conversion and Management, 2011. 52(3): p. 1596-1611. Fakultas Teknik UGM 179