Penerapan Termodinamika, Rancang Bangun Kontruksi TEG (Thermoelectric Generator)

Rancang Bangun Kontruksi TEG (Thermoelectric Generator) Pada Knalpot Sepeda Motor Sebagai Konversi Panas menjadi Listrik

Oleh : Mohammad Syukron Amrulloh

(syukronfatih027@gmail.com)

Abstrak

Pembangkit daya termoelktrik (TEG) penghasil energi listrik yang dihasilkan dari perbedaan temperatur terjadi anatara dua material semi konduktor yang berbeda, elemen termoelektrik ini akan mengalirkan arus sehingga menghasilkan perbedaan tegangan prinsip ini dikenal dengan nama efek seedbeck. Bahan semikonduktor Thermo-Electric yang paling sering digunakan saat ini adalah Bismuth Telluride (Bi2Te3). Thermo-Electric dibangun oleh dua buah semikonduktor yang berbeda, satu tipe N dan yang lainnya tipe P. TEG ini akan diterapkan pada knalpot sepeda motor guna memperoleh listrik dari konversi energi panas. .Prinsip kerjanya yaitu dengan memanfaatkan perbedaan antara temperatur permukaan knalpot sepeda motor dengan temperatur dilingkungan untuk diubah ubah menjadi energi listrik oleh termoelektrik. Kemudian besarnya energi listrik yang dihasilkan termoelektrik diukur oleh multimeter dengan variabel berupa tegangan dan kuat arus listrik serta dengan beberapa perlakuan yang telah ditentukan. Namun, berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan dalam penelitian, diperlukan upaya khusus untuk memaksimalkan perbedaan temperatur antara temperatur permukaan knalpot dengan temperatur lingkungn supaya dapat dihasilkan energi listrik yang lebih besar.

Kata kunci : Termoelektrik, knalpot, energi listrik, dan energi panas

PENDAHULUAN

Sebagian besar masyarakat Indonesia sepda motor sebagai sarana transportasi utamanya. Hal ini dikarenakan cara penggunaannya yang leboh praktis, bentuknya lebih ringkas serta harganya relatif lebih murah dibandingkan jenis kendaraan bermotor yang lain. Namun, bahan bakar sepeda motor yang masih menggunakan bahan bakar fosil dinilai masih memiliki efisiensi yang terlalu kecil. Dari sekianliter bahan bakar dimasukkan, hanya 40% diantaranya yang benar- benar dimanfaatkan untu mengerjakan mesin. Sisanya dibuang begitusaja dalam bentuk panas di knalpot dan radiator. Oleh karena itu, diperlukan suatu cara untuk bisa mendayagunakan energi panas yang keluar dari sepeda motor menjadi suatu yang lebih bermanfaat. Salah satu caranya yang dapat dilakukan adalah dengan mengkonversi energi panas yang terbuang menjadi energi listrik yang memiliki potensi kegunaan yang lebih besar. Untuk melakukan itu dibutuhkan alat yang bisa mengkonversi energi panas menjadi listrik. Alat tersebut berupa turbin yang digerkkan oleh uap yang berasal dari air yang menguap ketika mendapat panas dari knalpot. Namun, cara itu tergolong masih kurang efektif dan efisien. Cara kedua adalah dengan menggunakan material termoelektrik. Dengan memasangnya di dekat knalpot, maka secara otomatis panas yang keluar dari knalpot akan diubah menjadi energi listrik. Kemudian energi tersebut dapat dimanfatkan untuk mengisi ulang baterai ponsel atau keperluan lain. Oleh karena itu rancang bangun konstruksi TEG (Thermoelectric Generator) adalah solusi yang tepat dalam mengatasi permasalahan tersebut. Tujuan penelitian ini adalah merancang konstruksi generator thermoelectric untuk dipasangkan pada sepeda motor agar tercipta knalpot yang mampu mengkonversi panas menjadi listrik mandiri pada sepeda motor. Rancangan Konstruksi TEG Ini juga dibuat agar saat pemasangan dan pelepasan TEG tidak merusak Modul TEG tersebut.

Hasil penelitian ini diharapkan bermanfaat dalam pengembangan aplikasi TEG sebagai sumber energi alternatif penghasil energi listrik khususnya pada sepeda motor. Hasil penelitian yang berupa konstruksi TEG INI ini selanjutnya dapat digunakan untuk mencari alternatif penghematan konsumsi bahan bakar minyak pada sepeda motor dengan memanfaatkan panas gas buangan sepeda motor pada knalpot sehingga tercipta knalpot sepeda motor penghasil listrik

Konstruksi

Thermo-Electric dibangun oleh dua buah semikonduktor yang berbeda, satu tipe N dan yang lainnya tipe P. (mereka harus berbeda karena mereka harus memiliki kerapatan elektron yang berbeda dalam rangka untuk bekerja). Kedua semikonduktor diposisikan paralel secara termal dan ujungnya digabungkan dengan lempeng pendingin biasanya lempeng tembaga atau aluminium.

Ujung penghantar dari dua bahan yang berbeda dihubungkan ke sumber tegangan, dengan demikian arus listrik akan mengalir melalui dua buah semikonduktor yang terhubung secara seri. (lihat gambar diatas). Aliran arus DC yang melewati dua semikonduktor tersebut menciptakan perbedaan suhu. Sebagai akibat perbedaan suhu ini, Peltier pendingin menyebabkan panas yang diserap dari sekitar pelat pendingin akan pindah ke pelat lain (heat sink).

Dalam prakteknya banyak pasangan Thermo-Electric (pasangan) seperti dijelaskan diatas, yang terhubung paralel dan diapit dua buah pelat keramik dalam sebuah Thermo-Electric tunggal. Sedngkan besarnya perbedaan suhu panas dan dingin adalah sebanding dengan arus dan jumlah pasangan semikonduktor di unit.

Thermoelectric generator (TEG) bekerja menggunakan prinsip efek seedbeck, yaitu mengubah secara langsung panas menjadi energi listrik dengan cara menghubungkan langsung salah satu sisi modul ke sumber panas namun menjaga sisi modul yang lain pada suhu yang lebih rendah. Selanjutnya jika dua terminal keluaran diberi beban listrik, maka arus listrik akan mengalir pada beban tersebut. Termoelectric terdiri dari termoelemen yang tersusun dar material semikonduktor tipe p dan tipe n. Material semikonduktor yang umum digunakan adalah berbasis Bismuth Telluride Bi₂Te₃. Termoelemen ini masing masing dihubungkan seri secara listrik dengan strip konduktor. Pada sisi atas dan bawah termoelemen terdapat plat keramik sebagai isolator listrik namun bersifat sebagai penghantar panas yang baik.

Panas akan mengalir secara paralel dari sumber panas melalui plat keramik salah satu sisi yang menempel pada sumber panas menuju termoelemen dan kemudian akan melewati plat keramik sisi satunya untuk didinginkan oleh media pendingin yaitu udara dan air menggunakan alat penukar panas berupa sirip sirip. Skema proses ini dapat diamati pada gambar 1. Pada dasarnya TEG terdiri dari tiga komponen dasar (Vasques dkk.,2002), yaitu :

1. Struktur penopang, yaitu tempat dimana modul TEG diletakkan. Sebagian Penelitian meletaknnya didalam aliran gas buangan dan beberapa dengan hanya memanfaatkan panas dingin saluran gas buang untuk menghindari adanya back pressure aliran gas buang

2. Modul thermoelectric, yang tergantung pada jangkauan suhu, material TEG yang digunakan dapat berupa berbahan Silicon germanium, lead telluride, atau bismuth telluride

3. Sistem disipasi panas, yang megatur transmisi panas melalui modul thermoelectric

Skema komponen-komponen dasar dari TEG dapat dilihat pada gambar 2.

Modul thermoelectric yang digunakan pada awalnya adalah TEC (Thermoelectric Cooler) karena sudah banyak diaplikasikan dikehidupan masyarakat, misalnya aplikasi TEC untuk dispenser dan mesin refrigerator. Namun dalam pengembangannya, karena potensi pembangkitan alternatif energi yang semakin berkembang pesat, beberapa produsen kemudian juga memproduksi TEG sekaligus melakukan penelitian aplikasi aplikasinya. Pengujian dengan menggunakan mesin jenis lain dilakukan oleh Hsu, dkk (2009), dengan menempatkan delapan modul komersial. Termoelectric material Bi2Te3 di tengah tengah pipa gas buang Chrysler Neon 2000 cc. Konstruksi TEG menggunakan alumunium heat sink 13 fin sebagai heat exchanger sisi panas di laluan gas buang, sedangkan di sisi dinginnya menggunakan copper heat sink 4 fin. Hasil pengukuran daya keluaran sistem ini adalah 44.3 W pada beda temperatur 88,3 K (Rata-rata sisi temperatur rendahnya 343,7 K). Daya keluaran ini didapatkan pada putaran uji mesin tertinggi yaitu di 3500 rpm.

Aplikasi TEG di mobil ukuran kecil dengan memanfaatkan panas gas buang Toyota Starlet 1300 cc diteliti oleh Hatziktaniotis, dkk (2008). TEG yang dipakai adalah modul TEG Melcor HT9-3-25 bermaterial Bi2 Te3. Alumunium semi slindris digunakan sebagai pemanas dan dipasangkan langsung di pipa gas buang (Gambar 3). Udara lingkungan sebagai pendingin dengan menggunakan aluminuim heat sink 156 sirip berukuran 60 mm x 68 mm

Pada kondisi suhu sisi panas berkisar 225⁰C dan temperatur sisi rendah tidak lebihdari 80⁰C, dan variasi kecepatan kendaraan 70 sampai 130 Km /jam didapat tegangan tanpa beban 0,5 V sampai 1,6 V dan daya listrik maksimal yang dibangkitkan kurang lebih 1 W. Dengan mengasumsikan seluruh bagian dari pipa gas buang ini dipasngi TEG maka daya listrik total TEG yang dapat dibangkitkan sebesar 30 W atau 7,1 % daya nominal alternatornya

2. Metode Penelitian

1) Pemilihan alat dan bahan

1. Modul Generator Thermoelectric tipe HZ 14 yang bermaterial Bi₂Te₃

2. Komponen sistem perpindahan kalor : Cold sink berupa fin dan heat sink berupa alumunium

semi silinder

3. Pengukur tegangan dan arus : Multimeter digital Sanwa CD800a

4. Pengukur Suhu : Termometer digital Krisbow KW06-278

5. Pengukur putaran mesin : Tachometer digital solar cell tachometer DET-610

6. Sepeda Motor : Tipe Sport 150 CC

2) Perancangan Konstruksi TEG

Konstruksi TEG dirancang agar saat pemasangan pada knalpot dapat menempel dengan baik pada dinding knalpot. Konstruksi yang presisi dapat memaksimalkan proses perpindahan panas dari dinding knalpot menuju modul TEG. Bahan yang dipilih untuk konstruksi ini adalah Alumunium karena pertimbangan sebagai bahan penghantar panas yang baik dan ringan. Konstruksi TEG yang dirancang terdiri dari beberapa komponen, yaitu :

1. Heat sink, yang berfungsi sebagai media pemgambil panas dari dinding knalpot

2. Plat Pengunci, yang berfungsi untuk mengikat konstruksi TEG Pada knalpot

3. Modul TEG, Sebagai media konversi panas menjadi listrik secara langsung

4. Dudukan TEG, yang berfungsi sebagai membantu pnempatan modul TEG pada Heat sink yaitu

agar mudah saat memasang dan melepas modul TEG.

5. Cold Sink, yang berfungsi sebagai menjaga sisi dingin modul TEG bersuhu rendah dibandingkan sisi panasnya. Cold sink ini terbuat dari Alumunium berupa fin

Skema rancangan Konstruksi TEG ini seperti Gambar 4, yang terdiri 13 Komponen

Konstruksi TEG saat semua komponen digabungkan akan terlihat pada gambar 5. Komponen yang terpenting adalah heat sink, karena berperan sebagai media perpindahan panas dari sumber panas, dalam hal ini adalah knalpot, untuk disalurkan ke permukaan sisi panas dari TEG.

Hasil rancangan konstruksi ini kemudian dapat dilihat distribusi suhunya dengan menggunakan aplikasi software perpindahan panas. Pengecekan distribusi suhu ini diperlukan untuk mengetahui kondisi panas pada permukaan sisi panas TEG. Data hasil pengukuran langsung suhu apad adinding knalpot sepada motor bagian exhaust pipe didapatkan suhu maksimalnya berkisar 300⁰C. Saat disimulasikan pada software perpindahan panas. Kondisi suhu sampai di permukaan TEG masih pada kisaran 200-250 ⁰C, yang merupakan suhu kerja dari TEG sisi panas dari dinding knalpot menuju permukaan TEG. Cold sink yang berupa fin alumunium digunakan untuk menjaga permukaan TEG sisi satunya pada kondisi suhu lebih rendah. Hasil simulasi software menunjukkan dengan adanya fin alumunium ini mampu menjaga suhu permukaan dingin TEG pada kisaran 50⁰C, merupakan suhu TEG sisi dingin yang disarankan oleh produsen TEG tipe HZ-14. Hasil pengecekan distribusi suhu ini dapat dilihat pada gambar 6.

3. Hasil Percobaan

1) Pembuatan Konstruksi TEG

Proses pembuatan rangka ini dibuat menggunakan mesin CNC. Berikut adalah Komponen dari kontruksi TEG terlihat pada Gambar 7.

Dua permukaan Heat sink mempunyai kountor geometri yang berbeda, satu sisi dibuat setengah silinder (4) disesuaikan dengan bentuk exhaust pipe knalpot sepeda motor, sedangkan sisi permukaan yang lain dibuat rata (3) sebagai tempat pemasangan TEG. Dudukan TEG (2) digunakan untuk menjepit TEG pada Heat Sink dengan maksud agar posisi TEG selalu ditempatnya. Kondisi ini juga bertujuan agar lebih mudah dalam proses pemasangan dan pelepasan prototype. Kedua sisi permukaan TEG (6) harus dilapisi plat keramik (5) agar perpindahan panas dapat berlangsung lebih baik. Disamping itu., juga untuk menjaga kondisi material semikonduktor dari TEG tetap baik karena terlindungi. Sisi permukaan TEG yang tidak menempel dengan heat sink dihubungkan langsung dengan Cold sink (1) yang berupa sirip-sirip dari bahan alumunium dan sebelum ditempelakan pada permukaan sirip sirip alumunium ini, permukaan TEG harus dilapisi dengan plat keramik

Semua komponen- komponen tersebut kemudian digabungkan sehingga membentuk konstruksi TEG lengkap dan baru kemudian dipasang pada knalpot sepeda motor. Pada Gambar 8 terlihat konstruksi TEG gabungan dari komponen-komponen utama

Pengujian konstruksi TEG pada sepeda motor

Proses setelah konstruksi TEG selesai dikerjakan adalah pemasangan pada knalpot sepeda motor. Posisi yang dipilih untuk pemasangan konstruksi ini adalah bagian exhaust pipe, yaitu bagian knalpot yang berdekatan dengan exhaust manifold . pada saat pemasangan konstruksi TEG ditambahkan isolasi untuk memastikan panas dari dinding knalpot hanya dipindahkan ke sisi panas TEG, namun isolasi ini tidak sampai menutupi bagian fin alumunium untuk memastikan sisi dingin TEG berhubungan dengan media pendingin agar mempunyai suhu yang jauh berbeda dari sisi panasnya. Hal ini disebabkan mekanisme efek seedbeck sebagai dasar pembangkitan listrik mandiri

Pengujian

Pengujian konstruksi TEG dilakukan pada keadaan sepeda motor tidak dijalankan, oleh karena itu untuk mencegah overheat pada mesin sepeda motor digunakan blower yang diletakkan didepan sepeda motor tersebut

Pengukuran

Pengukuran tegangan dilakukan 10 detik sesaat setelah motor dijalankan sampai kondisi tegangan yang dihasilkan stabil pada angka tertentu. Kecepatan mesin dipilih dari kondisi putaran idle (1800 rpm) kemudian meningkat sampai kondisi putaran yang umum digunakan saat motor melaju di jalanan (sekitar 4500 rpm).

Adapun hasil pengukuran tegangan listrik konstruksi TEG ini dapat dilihat pada gambar 10. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa tegangan akan semakin meningkat berbanding dengan waktu lamanya sepeda motor dihidupkan.

Pada Kondisi awal dari detik ke 0 sampai detik ke 600 kenaikan tegangan tampak curam. Yaitu dari 0 Mv sampai nilai sekitar 530 Mv. Namun mulai detik berikutnya kenaikan tegangan melandai, sampai kira-kira pada detik ke 800, sebesar 624 Mv. Tegangan akan mulai menunjukkan kestabilan pada nilai 664 mV sampai 665 mV mulai detik ke 900 atau sekitar 15 menit setelah sepeda motor dijalankan

Nilai tegangan yang hanya bekisar 664-665 mV belum cukup digunakan sebagai sumber energi listrik bagi komponen- komponen kelistrikan pada sepeda motor. Tegangan yang rendah ini disebabkan pengujian hanya dilakukan pada kondisi sepeda motor berhenti, sehingga pendinginan sirip sirip alumunium tidak maksimal karena hanya didapat dari satu arah hembusan blower. Kondisi pendinginan ini menyebabkan permukaan sisi dingin TEG masih bersuhu tinggi. Akibatnya beda suhu antara sisi panas dan sisi dingin TEG tidak lebar. Pengaruh sempitnya beda suhu ini mengakibatkan tegangan yang dibangkitkanjuga masih rendah

4. Kesimpulan

Konstruksi TEG hasil perancangan memudahkan pemasangan dan pelepasan TEG sehingga meminimalkan terjadinya kerusakan pada TEG

Pengujian Konsrtruksi TEG menggunakan HZ-14 menunjukkan hasil tegangan dibangkitkan langsung naik sesaat setelah sepeda motor dihidupkan. Namun tegangan yang dibangkitkan akan mengalami kondisi dtabil berkisar 664-665 mV setelah 15 menit sepeda mototr dihidupkan

Pendinginan sirip-sirip alumunium belum optimal sehingga mempengaruhi perbedaan suhu antara sisi panas dan sisi dingin TEG, akibatnya tegangan listrik yang dibangkitkan masih rendah

6. Daftar Pustaka

Bass, J. C., Kushch, S.A.,Elsner, N.B., Leavit, A., 2001, Thermoelectric Generator (TEG) for Heavy Diesel truck, Proc 20 th Int. Conf. ThermoelectricB, Mathiprakisam, AIP Conf. Proc.,New York, p.295-298

Bass, J. C., Elsner, N.B., Leavit, A., 1995, Performance of the 1 Kw Thermoelectric Generator for Diesel Engines, Proc 13 th Int. Conf. Thermoelectric, Beijing, China

Eder, A., Linde M., 2011, Efficient and dynamic- the BMW Group Roadmap for the application of thermoelectric Generator Proc. BMW Efficient Dynamics/Thermal Management, San diego, USA

Ismail, B.I., Ahmed, W.H., 2009, Thermoelectric power Generation Using wate-heat Energy as an alternative Green Technology, recent Patent on Electricals Engginering, Vol.2, p.27-39

Muhaimin. 1993. Bahan-Bahan Listrik untuk Politeknik. Jakarta: Pradnya Paramita.

Sugiyanto, Fathurrahman, Andri, 2013, Pengujian Pengembangan knalpot hemat Energi berbasis GeneratorThermoelectric pada sepeda motorTIpe Matik 110 C, Proceeding Seminar Nasional Teknologi terapan vol 1 B, No 1, Sekolah vokasi, UGM,Yogyakarta