BAB III PERANCANGAN SISTEM Bab ini akan menjelaskan mengenai perancangan serta realisasi alat pengisi baterai menggunakan modul termoelektrik generator. Perancangan secara keseluruhan terbagi menjadi perancangan mekanik dan perancangan perangkat keras. 3.1. Gambaran Alat Alat yang akan dirancang adalah sebuah pengisi baterai ponsel 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. Termoelektrik generator mendapatkan sumber panas dari kompor gas, pada sisi dingin diberi heat sink untuk mendinginkan. Perbedaan temperatur yang tinggi bisa mendapatkan tegangan dan arus listrik yang tinggi juga. Tegangan keluaran dari termoelektrik generator yang kecil harus dinaikan dan distabilkan agar dapat digunakan untuk mengisi baterai ponsel. Penaik tegangan menggunakan dc-dc step up converter dengan masukan kecil bisa menaikan tegangan masukan yang kecil menjadi lebih besar dan stabil. Kipas digunakan untuk menaikan efisiensi dari keluaran termoelektrik generator, karena digunaan untuk mendinginkan heat sink. USB konektor difungsikan sebagai keluaran untuk dihubungkan pada ponsel. Gambar 3.1. Blok diagram alat 17
3.2. Perancangan Mekanik Mekanik pengisi baterai ponsel ini terdiri dari penampang awal untuk penerima panas yang akan dihubungkan pada sisi panas termoelektrik generator. Dengan dimensi panjang 10 cm, lebar 10 cm dan tebal 3 mm. Penampang panas awal ini terbuat dari aluminium. Gambar 3.2. Penampang awal Untuk pemisah antara sisi panas dan sisi dingin dipasang heat sink agar panas tidak langsung mengalir ke heat sink menggunakan bubble laminated foil. Bubble laminated foil merupakan bahan peredam panas. Ukuran peredam panas sama dengan ukuran penampang panas awal. Gambar 3.3. Peredam panas bubble laminated foil 18
Untuk mendinginkan sisi dingin pada termoelektrik generator menggunakan heat sink. Penggunaan heat sink bertujuan untuk menyerap panas dari sisi dingin termoelektrik generator. Ukuran dari heat sink panjang 9 cm, lebar 8 cm dan tinggi 5 cm. Gambar 3.4. Heat sink Penggunaan heat sink kurang cukup untuk menyerap panas dari sisi dingin termoelektrik generator. Jadi digunakan kipas tambahan supaya perbedaan temperatur yang didapat lebih tinggi, sehingga keluaran dari termoelektrik generator lebih maksimal. Kipas menggunakan motor DC karena bisa di suplai dengan tegangan yang kecil. Gambar 3.5. Kipas DC 19
Pada bagian panas dan dingin dari termoelektrik generator ditambahkan pasta termal yang bertujuan agar proses perambatan panas menjadi lebih cepat dan lebih baik. Perambatan panas pada sisi panas termoelektrik terhadap penampang, pada sisi dingin termoelektrik terhadap heat sink. Hubungan antarmuka antara metal satu dengan lainnya tentunya selalu ada rongga. Gambar 3.6. Antarmuka permukaan yang tidak rata Walaupun rongga itu berukuran mikroskopis, hal ini dapat mengakibatkan udara terjebak di antaranya dan mengakibatkan kerugian perambatan panas. Sebab terjadi perpindahan panas secara konveksi melalui medium udara. Dengan penggunaan pasta termal dapat mengisi rongga mikroskopis pada antarmuka termoelektrik generator terhadap penampang ataupun heat sink[7], sehingga dapat meningkatkan kondutivitas termal. Tetapi dalam pemakaian pasta termal yang berlebihan juga dapat menghambat kontak antarmuka sehingga konduktivitas justru akan menurun. 3.3. Termoelektrik Generator Modul termoelektrik generator atau TEG digunakan sebagai pengkonversi energi panas dari perbedaan temperatur di 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. 20
3.3.1. Termoelektrik Generator TEP 1-12656-0.8 Termoelektrik generator yang digunakan untuk sistem pengisi baterai ponsel ini adalah TEP 1-12656-0.8 dengan spesifikasi seperti pada Tabel 3.1[8]. Tabel 3.1. Spesifikasi TEP 1-12656-0.8 Temperatur sisi panas ( C) 300 Temperatue sisi dingin ( C) 30 Tegangan tanpa beban (V) 9.9 Beban dalam (ohms) 1.67 Keluaran tegangan dengan beban (V) 5 Keluaran arus dengan beban (A) 2.9 Keluaran daya dengan beban (W) 14.5 Aliran panas yang melewati modul (W) 248 Kerapatan aliran panas (W cm -2 ) 7.9 Beban AC (ohms) di ukur dibawah 27 C 0.7 ~ 1.0 pada 1000 Hz Termoelektrik generator tipe ini menggunakan bahan BiTe Bismuth Tellurium dan modul ini dapat bekerja pada suhu setinggi 330 C secara terus menerus dan bisa mencapai 400 C tetapi untuk waktu yang singkat. Untuk sisi dingin pada termoelektrik generator ini tidak bisa bekerja secara normal diatas suhu 200 C. Modul termoelektrik generator akan menghasilkan energi listrik DC selama ada perbedaan temperatur pada modul. Semakin banyak daya akan dihasilkan ketika perbedaan temperatur pada modul menjadi lebih besar dan efisiensi konversi energi panas menjadi energi listrik akan meningkat juga. 21
Gambar 3.7. Termoelektrik generator TEP-1-12656-0.8 Gambar 3.8. Grafik keluaran tegangan dengan beban terhadap Th (T panas) dan variasi Tc (T dingin) 22
Gambar 3.9. Grafik keluaran arus dengan beban terhadap Th (T panas) dan variasi Tc (T dingin) Gambar 3.10. Grafik keluaran daya dengan beban terhadap Th (T panas) dan variasi Tc (T dingin) 23
Termoelektrik generator ini maksimal dapat menciptakan daya listrik sebesar 14,5 watt untuk perbedaan suhu 270 C. Untuk daya panas yang diubah menjadi listrik maksimal sebesar 248 watt atau bisa dihitung. Heat flow = A x Kerapatan panas........ (3.1) Heat flow = 5,6 x 5,6 x 7,9 Heat flow = 248 Watt Jadi efisiensi dari termoelektrik generator daya panas yang diubah menjadi listrik maksimal sebesar[9]. η = P Q........ (3.2) η = 14,5 248 η = 5,8 % Jadi efisiensi maksimum dari termoelektrik jenis ini, daya keluaran maksimum TEG sebesar 14,5 watt, dan efisiensi maksimum sebesar 5,8%. 3.4. Perancangan Perangkat Keras Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan elektronika modul pengisi baterai ponsel dengan termoelektrik generator. Bagian elektronika modul ini terdiri dari bagian-bagian berikut : 1. Dc-dc step up converter sebagai penaik dan menyetabilkan tegangan. 2. USB konektor sebagai keluaran terakhir 3.4.1. Dc-dc Step Up Converter Keluaran termoelektrik generator yang kecil dan kurang stabil akan di konversi 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 menggunakan IC MAX 756. 24
Gambar 3.11. Skema modul dc-dc step up converter Gambar 3.12. Realisasi 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 di hubungkan dengan ground. Pada pin 3 sebagai tegangan referensi di hubungan dengan ground dengan menambahkan kapasitor untuk stabilitas dan filter keluaran agar lebih stabil. Pada pin 8 merupakan arus masukan yang berfungsi untuk menyimpan arus utuk menyuplai dan menaikan tegangan IC ini. Induktor sebesar 22 uh dapat bekerja dengan baik untuk IC ini karena mempunyai resistansi yang rendah juga. Led sebagai indikator jika tegangan masukan dari termoelektrik generator sudah cukup untuk memberikan 25
catu tegangan pada IC dan bisa mendapatkan keluaran 5 volt. Keluaran 5 volt dipilih karena ponsel membutuhkan tegangan sebesar 5 volt untuk mengisi baterai ponsel. 3.4.2. USB Konektor Setelah tegangan hasil dari termoelektrik generator dinaikan dan distabilkan oleh dc-dc step up converter kemudian dihubungkan pada USB konektor. Keluaran akhir pada alat ini merupakan konektor USB female, yang difungsikan untuk menghubungkan modul dengan ponsel. Gambar 3.13. Skema konektor USB female Gambar 3.14. Realisasi untai konektor USB 26
Agar bisa difungsikan untuk mengisi baterai ponsel, pada bagian data 1 dan data 2, pada gambar 3.10 pada pin 2 dan 3 harus di beri tegangan agar dapat di baca oleh ponsel. Dengan memberi tegangan 2 volt pada data 1 dan data 2, ponsel bisa digunakan mengisi baterai. Karena tegangan keluaran dari dc-dc step up converter sebesar 5 volt, jadi untuk mendapatkan 2 volt digunakan rangkaian pembagi tegangan. Pada R4 diberikan resistor 10 KΩ, jadi perhitungannya : Vout = R4 x Vin........ (3.3) R2 + R4 10 K 2 = R2 + 10 K x 5 2R2 + 20K = 50K 2R2 + 20K = 50K 2R2 = 30K R2 = 15K Jadi untuk resistor R2 dan R1 diberi beban sebesar 15 KΩ supaya data 1 dan data 2 mendapat tegangan sebesar 2 volt. 27