## PEMBANGKIT LISTRIK PIKOTERMAL MATAHARI, KAJIAN AWAL

## Aulia*, Darwison, Faisyal Razak, Eka Putra Waldi
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
* Corresponding author, e-mail : aulia@ft.unand.ac.id
Abstrak — Pembangkit listrik pikotermal matahari (PLTPM) merupakan konsep awal yang masih dalam tahap kajian. Pengujian dan perhitungan tegangan dan arus listrik dilakukan terhadap termoelektrik tunggal, sel termoelektrik terhubung seri dan sel termoeletrik terhubung paralel akibat kenaikan suhu pada sel-sel tersebut. Hasil  memperlihatkan bahwa kenaikan suhu sebesar 71 o C   menghasilkan tegangan keluaran  1 volt dan arus 0.1 Amper. Sesuai dengan kaedah hubungan seri dan paralel, hubungan seri mampu melipat gandakan  tegangan  keluaran  dan  hubungan  paralel  melipatkan  gandakan  arus  keluaran  untuk  tambahan setiap satu keping sel termoelektrik.
Kata Kunci : pikotermal, sel termoelektrik, seri, paralel, kenaikan suhu
Abstract —  A  Picothermal  solar  power  plant  (PLTPM)  is  an  original  concept  that  is  still  under  study. Testing and calculation of voltage and electrical current is carried on a single thermoelectric, thermoelectric cells connected in series and parallel connected thermoelectric cells due to rise in temperature in the cells. The results showed that the increase in temperature of 71 °C produces 1 volt output voltage and current of 0.1 amperes. In accordance with the principle of series and parallel connection, series connection is able to multiply  the  output  voltage  and  the  parallel  connections  double  the  current  output  for  one  additional thermoelectric cell chip
Keywords : Picothermal, thermoelectric cell and series, parallel, temperature
Copyright © 2017 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Pembangkit skala pico (kapasitas 0.5-10 kW) sangat  dikenal  dipergunakan  pada  pembangkit listrik  tenaga  air  dengan  sebutan  pikohidro.  Ini disebabkan banyaknya tersedia sumber aliran air yang dapat dimanfaatkan dengan kapasitas pico yang  bertebaran  di  banyak  negara  seperti Indonesia [1, 2], India  dan Nigeria [3].
Berbeda  dengan  pikohidro,  ketersediaan energi  picotermal  masih  sangat  terbatas  dan belum  ada  pengembang  ataupun  penyedia  jasa yang menawarkan pembangunanya ke masyarakat.  Hal  ini  sangat  kontras  dengan ketersediaan  energi  termal  matahari  yang  ada sepanjang tahun dengan jumlah yang melimpah. Kelangkaan  pembangkit  listrik  termal  matahari salah  satunya  disebabkan  karena  kurangnya perhatian  perguruan  tinggi  dan  lembaga  riset untuk mengembangkan teknologi yang mendukungnya.
Untuk  memanfaatkan  energi  panas  matahari diperlukan suatu teknologi yang dapat memusatkan  panas  matahari  ke  satu  titik
sehingga  panas  yang  terkumpul  mampu memanaskan  kolektor.  Untuk  itu,  secara  umum ada empat jenis teknologi matahari yang dipakai yaitu  teknologi tower, teknologi piring parabola, teknologi  selimut  silindar  dan  teknologi  lensa cembung. Namun tujuan dari teknologi tersebut adalah  sama,  yaitu  agar  panas  matahari  dapat difokuskan  seefisien  mungkin  untuk  dijadikan energi  listrik.  Pada  penelitian  ini  dikaji pemanfaatan  energi  panas  matahari  dengan menggunakan teknologi selimut silinder dan sel termoelektrik.

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Fenomena termoelektrik pertama kali ditemukan  tahun  l82l  oleh  ilmuan  Jerman Thomas  Johan  Seebeck.  Ia  menghubungkan tembaga  dan  besi  dalam  sebuah  rangkaian. Diantara  kedua  logam  tersebut  lalu  diberikan jarum  kompas.  Ketika  sisi  logam  tersebut dipanaskan  jarum  kompas  ternyata  bergerak. Diketahui hal ini terjadi karena aliran listrik yang terjadi pada logam menimbulkan medan magnet.
Medan  magnet  ini  yang  menggerakkan  jarum kompas[4-8].
Teknologi  termoelektrik  bekerja  dengan mengkonversi  energi  panas  menjadi  energi listrik secara langsung (generator termoelektrik), atau sebaliknya dari listrik menghasilkan dingin (pendingin termoelektrik). Untuk menghasilkan listrik,  material  termoelektrik  cukup  diletakkan sedemikian rupa dalam rangkaian yang menghubungkan sumber panas dan dingin. Dari rangkaian  itu  akan  dihasilkan  sejumlah  listrik sesuai dengan jenis bahan yang dipakai[4-10].
Sel termoelektrik secara umum ada dua jenis yaitu efek seebeck dan efek feltier. Efek seebeck ditemukan oleh fisikawan Jerman Thomas Johan Seebeck sewaktu melakukan ekperimen dengan menggunakan dua material logam yang berbeda yaitu  tembaga  dan  besi.  Kedua  logam  itu dirangkai  menjadi  sebuah  sambungan  dimana salah  satu  sisi  logam  dipanaskan  dan  satu  sisi logam  yang  lainnya  tetap  dijaga  pada  suhu konstan  sehingga  arus  akan  mengalir  pada rangkaian  tersebut.  Arus  listrik  yang  mengalir akan  mengindikasikan  adanya  beda  potensial antara  ujung-ujung  kedua  sambungan.  Jarum kompas  yang  sebelumnya  telah  diletakkan diantara  dua  plat  tersebut  ternyata  mengalami penyimpangan atau bergerak hal ini disebabkan adanya  medan  magnet  yang  dihasilkan  dari proses  induksi  elektromagnetik  yaitu  medan magnet  yang  timbul  karena  adanya  arus  listrik pada logam [4-8, 11-13].
Pada tahun 1834 seorang fisikawan bernama Jean  Charle  Athanase  Peltier,  menyelidiki kembali  ekperimen  dari  efek seebeck .  Peltier menemukan  kebalikan  dari  fenomena seebeck yaitu  ketika  arus  listrik  mengalir  pada  suatu rangkaian  dari  material  logam  yang  berbeda terjadi penyerapan panas pada sambungan kedua logam  tersebut  dan  pelepasan  panas  pada sambungan  yang  lainya.  Pelepasan  panas  dan penyerapan panas bersesuaian dengan arah arus listrik  pada  logam.  Hal  ini  dikenal  dengan efek peltier [4-8] .
Gambar 1 memperlihatkan skematik struktur PLTE  yang  terdiri  susunan  elemen  tipe-n  dan tipe-p  [14].  Panas  mengalir  dari  satu  sisi  dan dibuang  ke  sisi  yang  lainya.  Aliran  panas  akan menyebabkan  terjadinya  aliran  panas  pada elemen menyebabkan adanya pergerakan elektron  pada  elemen  PLTE  akibat  ada  beda tegangan yang melewati sambuangan termoelektrik. Besarnya tegangan yang
dihasilkan sebanding dengan gradien temperatur. Bahan  semikonduktor  yang  digunakan  adalah bahan semikonduktor ekstrinsik.
Gambar 1. Diagram aliran arus akibat beda suhu pada elemen PLTE
Energi yang dikeluarkan oleh sinar matahari sebenarnya  hanya  diterima  oleh  permukaan bumi  sebesar  69  %  dari  total  energi  pancaran matahari. Suplai energi surya dari sinar matahari yang diterima oleh permukaan bumi sangat luas biasa, besarnya yaitu mencapai 3 X 1024 Joule pertahun.  Jumlah  energi  tersebut  setara  dengan 10000 kali konsumsi energi di seluruh dunia saat ini [15]. Dengan kata lain, dengan menutupi 0,1 % saja  permukaan  bumi  dengan  efiseiensi  10  % sudah mampu untuk menutupi kebutuhan energi di seluruh dunia saat ini.
Energi matahari diperoleh dari cahaya panas yang merupakan komponen dari panas matahari. Energi  ini  bisa  diubah  menjadi  energi  listrik. Secara  global,  matahari  menyediakan  10.000 kali  energi  bumi  yang  dapat  di  memanfaatkan siapapun secara gratis, dan merupakan salah satu sumber  energi  alternatif  yang  potensial  untuk dikelola  dan  dikembangkan  lebih  lanjut, terutama  bagi  negara-negara  tropis  seperti Indonesia [16, 17].
Panas  matahari  memberikan  suhu  yang sesuai  untuk  kelangsungan  hidup  organisme  di Bumi.  Bumi  juga  menerima  energi  matahari dalam  jumlah  yang  sesuai  untuk  membuat  air tetap berbentuk cair untuk penyokong kehidupan. Selain itu panas matahari memungkinkan adanya angin,  siklus  hujan,  cuaca,  dan  iklim.  Cahaya matahari  dimaanfaatkan    secara  langsung  oleh tumbuhan  berklorofil  untuk  melangsungkan
fotosintesis,  sehingga  tumbuhan  dapat  tumbuh serta  menghasilkan  oksigen  sebagai  sumber pangan bagi hewan dan manusia.
Pembangkit  listrik  tenaga  matahari adalah modal  baru  pembangkit  listrik  dengan  sumber energi  terbarukan.  Salah  satu  jenis  pembangkit listrik ini terdiri dari kaca-kaca besar atau panel yang  akan  menerima  cahaya  matahari  dan memantulkanya  untuk  difokuskan  ke  satu titik. Panas  yang  terfokus  kemudian  digunakan untuk menghasilkan uap panas bertekanan yang akan dipakai untuk menjalankan turbin sehingga energi listrik dapat dihasilkan.

## 3. METODOLOGI
Gambar 2 memperlihatkan skematik reflektor dan kolektor pembangkit listrik tenaga picotermal  matahari  (PLTPM)  yang  akan dikembangkan  yang  terdiri  dari  reflektor  dan konsentrator  atau  kolektor  panas.  Reflektor merupakan  bagian  yang  penting  dalam  proses pengumpulan  energi  radiasi  matahari  yang berfungsi  memantulkan  radiasi  panas  matahari ke kolektor. Reflektor terbuat dari lembaran seng yang  melengkung  berbentuk  kulit  silinder dengan ukuran jari-jari tertentu. Bahan reflektor bisa terbuat dari dari cermin lengkung atau dari kayu  atau  aluiminium  yang  dilapisi  dengan lapisan tipis aluminium (alummunium foil) agar hasil pantulan cahaya  matahari lebih maksimal. Pada  penelitian  ini  dimensi  reflektor  adalah sebesar  120  X  40  cm  mengikuti  panjang  dari penerima  panas  matahari  dengan  total  40  cm meter.
Gambar 2. Rancangan reflektor termal matahari sepertiga kulit tabung
Kolektor  adalah  metal  yang  berbentuk silinder  atau  setengah  silinder  yang  juga perfungsi sebagai penyangga konsutruksi PLTPM.  Panas  yang  diterima  dipergunakan untuk  memanaskan  salah  satu  permukaan  dari elemen  termoelektrik  yang  ditempelkan  ke kolektor  yang  berfungsi  sebagai  generator PLTPM.  Pada  sisi  bersuhu  rendah  dipasang balok  aliran  air  agar  tetap  pada  kondisi temperatur yang stabil lebih kurang 30 o C.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
Pada  pembahasan  berikut  diperlihatkan beberapa  hasil  pengujian  awal  yang  telah dilakukan.  Pengujian  dilakukan  untuk  melihat pengaruh  perubahan  suhu  terhadap  satu  buah dan beberapa buah keping sel termoelektrik yang dipasang seri dan paralel.
Gambar  3  memperlihatkan  perubahan  besar arus  dan  tegangan  akibat  perubahan  suhu  dari sebuah  sel  termoelektrik.  Arus  dan  tegangan naik secara linear seiring dengan meningkatnya kenaik suhu mulai dari 0 o C sampai 71 o C.  Arus listrik  naik  sebesar  0.1  mA  dan  tegangan  naik sebesar 1 volt
Gambar  3.  Pengaruh  perubahan  suhu  terhadap besar aru dan tegangan terhadap satu keping sel termoelektrik
Gambar  4  memperlihatkan  sel  ternoelektrik yang terhubung seri. Tegangan maksimum terus meningkat seiring dengan bertambahnya jumlah sel  termoelektrik  dari  2-3  keping.  Peningkatan tegangan mencapai 2 kali lipat dengan kenaikan suhu  70 0 C.  Arus  juga  mengalami  sedikit kenaikan pada rangkaian terhubung seri.
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 1 11 21 31 41 51 61 71 A V T ega nga n (v o lt ) A rus ( A ) Perubahan suhu ( o C)
(a)

## (b)
Gambar  4.  Pengaruh  perubahan  suhu  terhadap besar arus dan tegangan terhadap sel termoelektrik  yang  terhubung  seri,
(a). dua keping, (b). tiga keping
Gambar 5 memperlihatkan pengaruh perubahan suhu terhadap sel termoelektrik yang terhubung  paralalel.  Tegangan  relative  stabil pada  nilai  1  Volt  sedangkan  nilai  arus mengalami  kenaikan  dua  kali  lipat,  dari  1  mA menjadi 2 mA untuk kenaikan suhu 71 o C.
(a)
(b)
Gambar  5.  Pengaruh  perubahan  suhu  terhadap besar arus dan tegangan terhadap sel termoelektrik yang terhubung paralel,  (a).  dua  keping,  (b).  tiga keping

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  ditujukan  kepada  Fakutas  Teknik Universitas  Andalas  yang  telah  membantu sebagian  pendanaan  penelitian  ini  dengan kontrak No. 02/UN.16.09.D/PL/2016.

## 5. KESIMPULAN
Penelitian awal pembangkit picotermal telah dilaksanakan konsep yang dikaji memperlihatkan bahwa PLTPM dapat dikembangkan di masa datang sebagai pembangkit  listrik  alternatif.  Hasil  pengujian terhadap  sel  termoelektrik  yang  dilengkapi dengan  hasil  perhitungan  memperlihatkan bahwa rangkaian seri dan paralel sel termoelektrik  mempengaruhi    nilai  arus  dan tegangan  keluaran.  Kenaikan  suhu  71 o C  baru menghasilkan tegangan 1 volt dan arus 0.1 A.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] R. I. Tribowo and A. Haryanto, "Analysis of water source availability estimation for picohydro  electric  generator  (Case  study in  Gunung  Tua  village,  sub  district  of Cijambe,  district  of  Subang,  Province  of West  Java,  Indonesia),"  in 2014  2nd International Conference on Technology, Informatics, Management, Engineering &
Environment , 2014, pp. 363-368.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 1 11 21 31 41 51 61 71 A V Perubahan suhu ( o C) T ega nga n (v o lt ) A rus ( mA) 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 0 0,05 0,1 0,15 1 11 21 31 41 51 61 71 A V Perubahan suhu ( o C) T ega nga n (v o lt ) A rus ( mA) 0 0,5 1 1,5 0 0,05 0,1 0,15 1 11 21 31 41 51 61 71 A V Perubahan suhu ( o C) T ega nga n (v o lt ) A rus ( mA)
0 0,5 1 1,5 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 1 11 21 31 41 51 61 71 A V Perubahan suhu ( o C) T ega nga n (v o lt ) A rus ( mA)
[2] K.  S.  Gautama,  D.  A.  Triatmojo,  F. Pambudi,  D.  Yusdinar,  K.  Asrimaya,  R.
Azhar ,  et  al. ,  "PALAPA  -  Distributed power generation for the development of underdeveloped villages in Indonesia," in Proceedings  of  the  2011  International Conference on Electrical Engineering and Informatics , 2011, pp. 1-4.
[3] K.  O.  Lawal,  "Hydro-based,  renewable hybrid  energi  sytem  for  rural/remote electrification  in  Nigeria,"  in 2015
Clemson  University  Power  Systems Conference (PSC) , 2015, pp. 1-6.
[4] J.  Henderson,  "Analysis  of  a  Heat Exchanger-Thermoelectric Generator
System," 1979.
[5] T.  M.  Tritt  and  M.  A.  Subramanian, "Thermoelectric  Materials,  Phenomena, and  Applications:  A  Bird's  Eye  View,"
MRS Bulletin, vol. 31, pp. 188-198, 2011.
[6] S.  Sunaryo  and  U.  B.  Sudibyo, "Penggunaan  Pendingin  Thermoelectric pada  Bts  Indoor  untuk  Mengurangi Konsumsi  Energi  Listrik," Prosiding Semnastek, 2015.
[7] A.  Mukminin,  P.  N.  Rahman,  P.  A. Wibowo,  and  A.  Solikhin,  "“Threger”
Thermoelectric  Charger  Sebagai  Alat Konversi  Energi  Panas  Buang  Motor Bakar  Menjadi  Sumber  Energi  Listrik," 2014.
[8] A.  Gitrio,  R.  Yuli,  and  A.  R.  Khairul,
"Karakteristik Pembangkitan Thermoelectric Menggunakan Enam Buah  Modul  Peltier  Secara  Seri  dan Paralel," Universitas Bengkulu, 2015. [9] L. I. Anatychuk and R. V. Kuz, "Materials for Vehicular Thermoelectric Generators," Journal of Electronic
Materials, vol.  41,  pp.  1778-1784,  Jun 2012
[10]  L. I. Anatychuk, "Original thermoelectric development of physical concepts, materials  and  related  technologies  and applications,"  in Thermoelectrics,  2001. Proceedings  ICT  2001.  XX  International Conference on , 2001, pp. 35-41.
[11]  V. I. Kubov, Y. Y. Dymytrov, and R. M. Kubova,
"LTspice-model of thermoelectric  Peltier-Seebeck  element," in 2016 IEEE 36th International Conference on Electronics and
Nanotechnology  (ELNANO) ,  2016,  pp. 47-51.
[12]  S. Ouitrakul, "Preliminary experiment for electricity generation using Peltier modules," in Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications  and  Information Technology  (ECTI-CON),  2014  11th
International Conference on , 2014, pp. 1- 5.
[13]  W.  C.  White,  "Some  experiments  with peltier  effect," Electrical  Engineering, vol. 70, pp. 589-591, 1951.
[14]  L.  I.  Anatychuk,  V.  V.  Razinkov,  Y.  Y. Rozver,  and  V.  Y.  Mikhailovsky, "Thermoelectric  generator  modules  and blocks," in Thermoelectrics, 1997. Proceedings  ICT  '97.  XVI  International Conference on , 1997, pp. 592-594.
[15]  D.  Susilo,  "Peningkatan  Daya  Keluaran Sel Surya Dengan Penjejak Matahari dan Pemantulan  Cahaya  Matahari  Sebagai Sumber  Daya  Pendukung  Perusahaan Listrik  Negara  (Pln)  Sub  Judul:  Penjejak Matahari  Berbasis  Sensor," EEPIS  Final Project, 2010.
[16]  M. A. Drs. Kandi, Drs. Yamin Winduono, M.Pd, "Energi dan Perubahannya," 2009.
[17]  R.  Rachmat,  RaymondSutanto,  "Energi," 2016.

## Biodata Penulis
Aulia ,  lahir  di  desa  Batuhampar,  Payakumbuh, Sumatera Barat pada  tahun 1968. Menamatkan jenjang  pendidikan  S1  di  UNSRI,  Indralaya, Sumatera  Selatan  tahun  1996,  jenjang  pendidik S2 dan S3 di UTM, Johor, Malaysia pada tahun 2009 dan 2016. Sekarang bekerja sebagai dosen di Jurusan  Teknik Elektro Universitas  Andalas. Ketertarikan  terhadap  penelitian  adalah  di bidang  teknik  tegangan  tinggi  dan  energi  baru dan terbarukan.
Darwison ,  lahir  tahun  1964  di  Payakumbuh Sumatera  Barat.  dan  menamatkan  jenjang pendidikan  S1  tahun  1992  dari  ITS,  Surabaya dan jenjang pendidikan S2 di UGM, Jogyakarta tahun  2001.  Bekerja  sebagai  dosen  tetap  di Jurusan Teknik Elektro Universitas Andalas dan sekarang sedang menyelesaikan jenjang pendidikan  S3  di  Universtias  yang  sama. Ketertarikan  penelitian  adalah  di  bidang tegangan tinggi, mekatronika, signal dan sensor.
Faisyal  Razak ,  lahir  di  Payakumbuh  dan sekarang sedang menyelesaikan jenjang pendidikan  S1  di  Jurusan  Teknik  Elektro Univesitas  Andalas  di  bawah  bimbingan
Ir. Darwison, MT dan Aulia, Ph.D. Ketertarikan riset  adalah  bidang  sensor  dan  energi  baru  dan terbarukan.