Bagaimana Memiliih Power Supply?


Modul termoelektrik atau peltier menggunakan listrik searah untuk mengaktifkannya. Namun, listrik yang ada di rumah adalah listrik AC. Oleh karena itu dibutuhkan penyearahan arus listrik dari AC menjadi DC. Perangkat yang dapat melakukan hal ini adalah DC power supply (Adaptor).

Dalam memilih DC power supply untuk modul termoelektrik perlu memperhatikan dua hal, yaitu tegangan dan arus. Biasanya DC power supply dilengkapi dengan informasi input dan output. Sebagai contoh sebuah power supply memiliki spesifikasi:

 Input: 100-240 V AC, 50-60 Hz
 Output: 12 V, 3.42 A

Informasi input diatas mejelaskan bahwa untuk mengaktifkan power supply ini harus disambungkan ke sumber listrik AC antara 100V sampai 240 V dengan frekuensi antara 50 Hz sampai  60 Hz. Listrik yang dberikan PLN ke rumah-rumah di Indonesia adalah 220V dengan frekuensi 50 Hz. Ini artinya listrik PLN dapat digunakan untuk mengaktifkan power supply ini.

Informasi output menjelaskan bahwa keluaran dari power supply ini adalah bertegangan 12 V dengan arus maximum yang diperbolehkan sebesar 3.42 A. Arus ini sangat penting untuk memberikan petunjuk kepada pengguna apakah power supply cukup untuk kebutuhan kita. Jika arus yang mengalir lebih dari 3.42 A maka kemungkinan yang terjadi adalah power supply akan terbakar, sikering (fuse) putus, atau secara otomatis tegangan akan berkurang sehingga arus tidak lebih dari 3.42 A. Untuk kemungkinan terakhir adalah jika power supply dilengkapi dengan sistem proteksi.

Apakah Power Supply diatas dapat digunakan untuk menyalakan modul termoeletrik TEC1-12706?


Untuk menjawab pertanyaan ini maka spesifikasi dari modul termoelektrik harus diketahui. TEC1-12706 memiliki sifat bahwa jika disambungkan ke tegangan 12 V maka arus yang mengalir sekitar 6 A. Jika power supply diatas digunakan maka dalam hal tegangan mampu untuk mengaktifkan modul termoelektrik. Namun, dalam hal arus tidak mampu karena arus yang mengalir lebih dari maximum yang diperbolehkan yaitu 6A > 3.42 A. Ini artinya sebaiknya tidak menggunakan power supply ini. Gunakanlah power supply yang mampu setidaknya mengalirkan 6 A.

Keyword: Thermoelectric, Power Supply, Peltier, 
-------------------------------------------------------------

Pompa Kalor (Heat Pump) dan Refrigerasi

Heat pump atau pompa kalor adalah suatu sistem yang dapat menyerap kalor dari suatu tempat kemudian membuangnya di tempat lain. Pompa kalor dapat digunakan sebagai pendingin jika memanfaatkan sisi penyerapan kalor , inilah yang disebut dengan sistem refrigerasi.  Sebaliknya pompa kalor juga dapat digunakan sebagai pemanas jika memanfaatkan sisi pembuangan kalornya. Contoh sederhana pompa kalor adalah air conditioner. Air conditioner menyerap kalor yang ada diruangan kemudian membuangnya ke luar ruangan.

Untuk memahami prinsip pompa kalor maka analogi pompa air dapat digunakan karena secara prinsip keduanya tidak berbeda.  Air secara alami akan mengalir dari tempat yang tinggi ke tempat yang rendah. Untuk mengalirkan air dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi dibutuhkan suatu alat (pompa)  dan usaha/kerja/energi dari luar (mekanik). Dengan menggunakan pompa maka air yang ada di tempat yang lebih dapat dihisap dan dikeluarkan di tempat yang lebih tinggi.

Pada kalor pun terjadi hal yang sama. Kalor secara alami mengalir/berpindah dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Tinggi atau rendahnya temperatur merupakan salah satu indikasi besarnya energi kalor yang dimiliki suatu zat. Semakin tinggi temperatur maka semakin tinggi energi kalornya. Untuk memindahkan kalor dari tempat yang temperaturnya lebih rendah maka dibutuhkan sistem pompa kalor. Seperti halnya pompa air, untuk menyerap kalor dan membuang kalor dibutuhkan kerja/usaha/energi dari luar. Biasanya proses pompa kalor digambarkan seperti dibawah ini.


Dimana Ts adalah suhu lingkungan, Tc adalah temperatur pada sisi penyerapan kalor, Th adalah temperatur pada sisi pembuangan kalor, W adalah kerja dari luar, Qc adalah kalor yang terserap dan Qh adalah kalor yang dibuang.

Pada saat tidak ada W yang bekerja maka temperatur Ts, Tc, dan Th adalah sama (Ts=Th=Tc) dan tidak ada proses perpindahan kalor diantaranya. Begitu ada kerja W dijalankan maka Tmenjadi lebih rendah dibandingkan dengan Ts. Oleh karena itu energi kalor yang berada di sekitarnya terserap oleh sistem ini. Kalor yang terserap ini dibuang ke sisi Qh sehingga temperatur Th menjadi lebih besar dari Ts. Pada keadaan ini maka T< Ts < Th. Hubungan antara kalor yang diserap dan dibuang mengikuti persamaan:


Untuk menunjukkan sebarapa baik performa dari suatu pompa kalor, maka dikenal dengan istilah COP (Coefficient of Performance) atau dalam bahasa Indonesia disebut dengan koefisien kinerja. COP ini merupakan perbandingan antara output yang digunakan dengan input yang diberikan. Pada pompa kalor, input adalah kerja dan output dapat merupakan penyerapan kalor atau pembuangan kalor. Jika pompa kalor digunakan sebagai pendingin (Refrigerasi) maka output adalah penyerapan kalor. Sebaliknya, jika pompa kalor digunakan sebagai pemanas (heater) maka outputnya adalah pembuangan kalor. Oleh karena itu COP diekspresikan dengan:


Dua jenis sistem pompa kalor yang sudah di komersilkan secara luas adalah sistem refrigerasi kompresi uap (SRKU) dan thermoelectric. SRKU merupakan sistem yang paling banyak ditemui di dalam kehidupan sehari-hari, sepeti Air conditioner (AC) dan lemari es. Keunggulan dari SRKU adalah COPnya yang sangat tinggi. Hal inilah yang menyebabkan teknologi ini belum bisa digantikan oleh teknolgi lain. Walaupun demikian, SRKU membutuhkan banyak komponen dan kurang bisa diterapkan di tempat yang kecil.

Jenis pompa kalor thermoelectric sering dijumpai sebagai pendingin elektronik seperti prosesor. Keunggulan teknologi ini adalah ukurannya yang kecil , sangat mudah diterapkan dan cukup dicatu dengan listrik searah (DC). Namun COPnya masih sangat kecil dibandingkan dengan SRKU.

Sebenarnya ada beberapa jenis lain yang dapat digunakan sebagai sistem pompa kalor namun sulit untuk dijumpai dalam kehidupan sehari-hari, yaitu: sistem refrigerasi absorpsi, thermoacoustic, thermomagnetic, dan tabung vortex.

Keyword: Heat pump, pompa kalor, refrigerasi, pendingin, refrigerasi kompresi uap, thermoelectric.

Teknik Sederhana Pemasangan Modul Termoelektrik / Peltier


Teknik penggunaan modul termoelektrik setidaknya harus dilengkapi dengan beberapa komponen lain, yaitu: DC Power Supply, heat sink dan kipas (fan). Kemudian Thermal Interface Material juga diperlukan ketika meletakkan modul termoelektrik di heat sink. Secara umum perlengkapan minimal untuk pemasangan seperti pada gambar di bawah ini.



DC Power Supply
Listrik yang ada pada bangunan seperti rumah dan gedung adalah lstrik bolak-balik (AC). Sedangkan untuk mengaktifkan modul termoelektrik dibutuhkan listrik searah (DC). DC Power supply berfungsi untuk mengubah listrik AC ke DC dengan tegangan tertentu. Modul termoelektrik yang digunakan adalah TEC1 12706 yang memiliki spesifikasi tegangan sekitar 12V dan arus sekitar 4-6 A. Oleh karena itu DC power supply yang digunakan setidaknya memiliki spesifikasi yang sama atau lebih. Power supply yang digunakan dalam contoh ini adalah power supply 12 V, 10 A. 

Heat Sink dan kipas (fan)
Pada saat modul termoelektrik dialiri arus listrik maka terjadi penyerapan kalor di sisi dingin dan pembuangan kalor di sisi panas. Jika pembuangan kalor berlangsung dengan baik maka temperaturnya di sisi panas dapat terjaga dengan baik sehingga temperatur di sisi dingin menjadi lebih rendah. Heat sink dan kipas digunakan mengoptimalkan pembuangan kalor ini. Heat sink yang digunakan dalam praktek ini berukuran 96 x 96 k 26 mm dengan delapan buah sirip. Sedangkan kipas yang digunakan adalah 12V DC.

Thermal Interface Material (Thermal Pasta)
Thermal pasta digunakan untuk mengurangi hambatan panas pada interface antara heat sink dan modul termoelektrik. Secara teori walaupun heat sink dan modul termoelektrik terlihat rata dan halus, namun hanya sebagian yang kontak langsung pada saat modul termoelektrik diletakkan di heatsink. Thermal pasta berfungsi untuk memperbesar kontak area ini.

Langkah-langkah pemasangan

1.    Oleskan thermal pasta di sisi panas modul termoelektrik. Sisi panas ditunjukkan oleh sisi yang tidak tertulis apa-apa. Sebenarnya sisi panas dan dingin dari sebuah modul termoelektrik bisa di ubag jika arusnya dibalik. Namun, dalam hal ini, standar kabel merah untuk kutub positif dan hitam untuk negatif digunakan untuk pemasangan kabel.




2.      Letakkan modul termoelektrik yang sudah diolesi thermal pasta pada heat sink



3.      Letakkan kipas (fan) dibawah heat sink kemudian sambungkan kabel termoelektrik dan kipas ke power supply secara paralel. Hal ini digunukan untuk mendapatkan tegangan 12 V baik untuk modul termoelektrik maupun kipas.




4.      Letakkan sistem yang sudah dibuat dari langkah 1 sampai dengan langkah 3 sedemikian sehingga terdapat celah dibawah kipas. Hal ini bertujuan agar ada udara (angin) yang mengailir dari bawah menuju heat sink yang kemudian membuang kalornya. Kemudian sambungkan ke sumber listrik AC (PLN).


6.       Dengan cara seperti ini maka modul termoelektrik dan fan telah bekerja. Tunggu beberapa detik, maka dapat dirasakan bahwa modul termoelektrik sudah sangat dingin. Jika dinyalakan lebih lama maka akan terbentuk embun (kondensat) atau bahkan terbentuk es. Terlihat pada gambar dibawah, peltier hampir selurhnya tertutup es. Untuk pemasangan seperti ada kemungkinan hanya terasa dingin namun tidak sampai membentuk es. Hal ini dikarenakan kualitas Termoelektrik tidak semuanya seragam. Berdasarkan pengalaman penulis, sering kali ditemukan modul termoelektrik baru yang sangat bagus (sampai membentuk es), kurang bagus, hingga rusak.


Prosedur penggunaan modul termoelektrik relatif mudah. Selanjutnya adalah bagaimana menggunakan modul termoelektrik untuk kebutuhan tertentu. Ada ide??

Keyword: Peltier, Thermoelectric, Termoelektrik, Teknik Pemasangan

Referensi:

"Method for thermoelectric cooler utilization using manufacturer’s technical information"

Penjelasan Data Teknis Modul Termoelektrik dan contoh penggunaannya


Modul termoelektrik yang diproduksi oleh produsen biasanya dilengkapi dengan data teknis mengenai modul tersebut. Data teknis ini dibuat untuk memudahkan konsumen dalam memilih, menghitung, dan menggunakan modul termelektrik sesuai dengan kebutuhannya. Data teknis ini dapat berupa informasi tentang besarnya parameter-parameter tertentu atau dapat pula berupa grafik yang menjelaskan sifat dari modul tersebut. 

A.                  Parameter data teknis

Data teknis yang biasanya disertakan pada modul termoelktrik antara lain adalah Tmax Imax, Qmax, Vmax, dan dimensinya (panjang, lebar, tebal).  Berikut adalah penjelasan dari parameter tersebut:

  • Tmax adalah perbedaan temperatur terbesar antara sisi panas dan sisi dingin dari sebuah modul termoelektrik. Kondisi ini hanya dapat tercapai jika sisi dingin dari modul termoelektrik terisolasi sempurna. 
  • Imax adalah arus listrik yang menyebabkan terjadinya perbedaan temperatur terbesar (Tmax).
  • Qmax ­adalah batas penyerapan kalor yang dapat dilakukan oleh modul termoelektrik.
  • Vmax adalah tegangan yang dihasilkan jika arus Imax mengalir pada modul termoelektrik


Dengan adanya informasi parameter modul termoelektrik di atas, maka koefisien Seebeck, hambatan panas, dan hambatan listrik dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

Koefisen Seebeck (V/K) :

Hambatan Termal (K/W):

Hambatan Listrik (Ohm):


Jika koefisien Seebeck, hambatan panas, dan hambatan listrik sudah diketahui, maka figure of merit dari modul termoelektrik dapat dihitung.

Contoh kasus:
Sebuah modul termelektri memiliki data teknis sebagai berikut:



Hitunglah besarnya koefisien seebeck, hambatan panas, dan hambatan listrik dari modul tersebut jika dioperasikan pada Th=50 oC?

Jawab:

Koefisien Seebeck:


 Hambatan Termal:


Hambatan Listrik:


Jika parameter di atas sudah diketahui, maka kalor yang diserap dan dibuang dapat dihitung dengan cara seperti yang dilakukan dijelaskan di:  dasar perhitungan termoelektrik dan dcontohkan di:

B.               Grafik Data Teknis


Selain dalam bentuk informasi parameter-parameter penting sebuah modul termoelektrik, data teknis dapat pula berupa grafik-grafik mengenai kinerja dari modul termolektrik tersebut.  dibawah ini merupakan salah satu contoh dari grafik.




Pada gambar terdapat dua buah gambar yang menunjukkan performa sebuah modul termoelektrik, yaitu untuk sisi panas bertemperatur 27 oC dan 50 oC. Masing-masing dari grafik diatas terdiri dari tiga macam variable yaitu perbedaan temperatur antara kedua sisi modul (T) ditunjukkan oleh sumbu horizontal, Laju penyerapan kalor (Qc) ditunjukkan oleh sumbu vertikal, dan arus listrik (I) ditunjukkan oleh garis miring berwarna pink, biru, merah dan hitam. Hubungan antara ketiga variable ini digambarkan dengan sebuah grafik.Untuk menentukan besarnya salah satu variable, maka setidaknya dibutuhkan dua variable yang harus diketahui. Untuk lebih jelasnya perhatikan contoh berikut.

Contoh Kasus:
Sebuah termoelektrik memiliki data teknis seperti pada gambar di atas. Jika temperatur sisi yang panas dijaga agar  50 oC dan sisi dingin harus mendinginkan sebuah objek agar temperaturnya maksimal 5 oC. Jika arus yang diberikan ke modul termoelektri adalah 3 A. Berapa laju aliran kalor yang dapat diserap oleh modul termoelektrik?  


Jawaban:

Untuk menjawab pertanyaan ini maka perlu mencari titik potong antra kedua variable yang diketahui, kemudian mencari ljalju aliran kalor yang diserap.
Perbedaan tempertur anta kedua sisi : T=50 oC -5 oC =45 oC.
Arus listrik: I=3A

Dengan melihat grafik gambar sebelah kanan maka dapat dengan mudah diketahui bahwa laju penyerapan kalornya adalah 17.5 Watt

Pada dasarnya masih banyak jenis grafik yang menjelaskna kinerja dari sebuah modul termoelektrik, namun prinsip membacanya adalah sama. Beberapa contoh grafik lainnya adalah sebagai berikut:





Keyword: Thermoelectric, Peltier, Perhitungan, Data sheet, Grafik

Referensi:

"Method for thermoelectric cooler utilization using manufacturer’s technical information"

Contoh Perhitungan Pendingin Termoelektrik/Peltier/Elemen Panas-Dingin

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Setelah membahas Dasar Perhitungan Termoelektrik, berikut adalah contoh kasus perhitungan sederhana pendingin termoelektrik.:

Kasus:

Sebuah modul termoelektrik memiliki koefisien Seebeck sebesar 0.065 V/K, hambatan listrik 1.65 ohm, dan hambatan panas 1.1 K/W. Temperatur pada sisi dingin dan panas masing-masing adalah 35 oC dan 5 oC sehingga memiliki perbedaan temperatur sebesar 30oC. Modul dialiri arus sebesar 5 A, maka:
a. berapakah penyerapan kalo yang terjadi pada sisi dingin?
b. berapa pula pembuangan kalor yang terjadi di sisi panas?
c. Berapa tegangan yang terjadi?
d. Energi Listrik yang dikonsumsi

Penyelesaian/Jawaban:

a.       Untuk sisi dingin:



b.      Untuk sisi panas



c.       Tegangan



d.      Konsumsi Energi listrik
------------------------------------------------------------------------------------------
Keyword: Thermoelektrik, Termoelektrik, Elemen perltier, Elemen panas dingin





Mengenal Sistem Pendingin Termoelektrik (Thermoelectric)

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna


Termoelektrik (thermoelectric) adalah suatu fenomena konversi dari perbedaan temperatur menjadi energi listrik atau sebaliknya. Fenomena ini telah dikembangkan menjadi menjadi suatu modul sehingga dapat digunakan sebagai pembangkit listrik atau perangkat pendingin/pemanas.

Modul termoelektrik dapat berupa sebuah keping berbentuk persegi dengan ketebalan tertentu, seperti pada gambar.  Jika terdapat perbedaan temperatur antara sisi yang satu dengan yang lainnya, maka akan timbul tegangan listrik searah yang keluar dari modul tersebut.  Sebaliknya, jika tegangan  listrik searah  diberikan ke modul termoelektrik, maka akan terjadi perbedaan temperatur antara kedua sisi modul tersebut. Sisi yang dingin dapat digunakan sebagai pendingin dan sisi yang panas dapat digunakan sebagai pemanas. 

Dibandingkan dengan teknologi pendingin konvensional (berbasis refrigeran), termoelektrik memiliki banyak kelebihan seperti: pemanas atau pendingin dapat diatur dengan mengubah arah arus listrik, sangat ringkas,  tidak ada getaran, handal, tidak ada perawatan khusus, dan tidak membutuhkan refrigeran. Namun, kekurangan dari pendingin termoelektrik adalah koefisien kinerjanya relatif sangat rendah.

Teknologi pendingin termoelektrik telah diterapkan di berbagai aplikasi seperti pendingin minuman dan pendingin elektronik. Selain itu juga termoelektrik diterapkan sebagai alat pengontrol temperatur pada sistem tertentu.


Sejarah Thermoelectric

Fenomena termolektrik awalnya ditemukan oleh fisikawan dari Jerman bernama Thomas Johann Seebeck pada tahun 1821. Seebeck mengamati bahwa jika ada dua bahan berbeda yang disambungkan di ujung-ujungnya, kemudian salah satu ujungnya dipanaskan, maka akan ada arus listrik yang mengalir. Fenomena ini disebut dengan efek Seebeck. Pada tahun 1834, peristiwa sebaliknya ditemukan oleh Jean Charles Athanase Peltier. Ketika arus listrik mengalir pada sambungan  dua konduktor yang berbeda akan terjadi peristiwa penyerapaan kalor (pendinginan) atau pembuangan kalor (pemanasan). Peristiwa ini dinamakan efek Peltier.  
 


Selain efek Seebeck dan efek Peltier, sebenarnya ada satu fenomena lagi, yaitu efek Thomson. Fenomena merupakan peristiwa penyerapan atau pembuangan kalor ketika arus listrik mengalir pada material dengan gradient temperatur. Efek Thomson ini sering kali diabaikan karena sangat kecil dibandingkan dengan efek Seebeck dan efek Peltier.

Pada saat perang dunia dan setelahnya, fenomena termoelektrikk dipelajari untuk dapat digunakan dalam suatu teknologi, terutama pada pembangkit listrik dan sistem pendingin. Pada tahun 1950an, efisiensi generator dapat mencapai 5 % dan sebagai sistem pendingin dapat mencapai temperatur dibawah 0 oC. Hal ini yang menyebabkan industri mulai melirik teknologi ini. Pada saat ini banyak yang berfikir bahwa termoelektrik dapat menggantikan teknologi konvensional.

Pada tahun 1949, Abram Fedorovich Loffe mengembangkan teori termelektrik berdasarkan konsep figure of merit.  Penelitian Loffe menggunakan semikonduktor dengan doping tertentu sebagai elemen termoelektrik menghasilkan figure of merit yang cukup tinggi. Material tersebut sekarang dikenal dengan Telluride, Bismuth, dan Timbal.

Modul termoelektrik biasanya terdiri dari banyak sambungan (junction) dari bahan yang berbeda. Oleh karena itu efek pendinginan/pemanasannya sudah dapat digunakan untuk beberapa keperluan. Begitu pula sebagai pemangkit listrik, daya istrik yang dihasilkan sudah dapat dideteksi dan mampu menghidupkan sistem elektronik konsumsi daya kecil.

Keyword: Thermoelectric, Termoelektrik, Elemen Peltier, Elemen panas dingin, konsep dasar