BAB III PRINSIP KERJA ALAT DAN RANGKAIAN PENDUKUNG 3.1 RANGKAIAN SOLAR HOME SISTEM Secara umum sistem pemabangkit daya listrik fotovoltaik dapat dibedakan atas 2 (dua) jenis[2]: a. Sistem langsung, yaitu sistem tanpa unit penyimpanan energi. b. Sistem tidak langsung, yaitu sistem yang dilengkapi dengan unit penyimpanan energi. Blok diagram dari sistem pembangkit daya listrik fotovoltaik untuk penelitian dan uji coba alat langsung dapat dilihat pada gambar 3.1. PANEL SURYA BLOKING DIODA BC R DC A C INVERTE R BEBA N BATTE RY Gambar 3.1 Blok diagram Solar home sistem 3.1.1 Panel Surya Panel surya yaitu sel fotovoltaik yang berfungsi sebagai komponen utama dari sistem ini, yang berfungsi untuk mengubah energi radiasi menjadi energi listrik arus searah
P (DC), panel surya yang digunakan adalah tipe Polycrystalline seperti dapat dilihat pada gambar 3.2. Gambar 3.2 Solar modul tipe polycrystalline Untuk menentukan kapasitas sel fotovoltaik, dan menentukan besarnya daya puncak (W-peak) biasanya menggunakan standard test condition (AM 1,5 ; radiasi 1000 W/m2 ; temperature 25 C). Ini disebabkan karena besarnya daya output sel fotovoltaik akan berubah-ubah tergantung pada kondisi radiasi matahari dan temperatur fotovoltaik. Untuk memperoleh daya yang besar, modul-modul tersebut dihubungkan dalam susunan seri dan pararel sesuai dengan tegangan dan arus yang diinginkan. Untuk menghitung jumlah panel yang paralel (Npp), maka perlu membagi ImMAX dengan arus sebuah panel di titik daya maksimum Ipmax, yang dibulatkan ke atas ke integer terdekat, dengan menggunakan persamaan sebagai berikut[5]: Npp = ImMAX/IPmax (3.1) Npp = jumlah panel parallel (buah). ImMAX = arus maksimum (Ampere). IPmax = arus sebuah panel di titik daya maksimum (Ampere). Jumlah total panel adalah hasil perkalian jumlah panel yang di seri (untuk menentukan tegangan) oleh jumlah panel yang diparalel (untuk menentukan arus), dengan menggunakan persamaan sebagai berikut: NTOTAL = Nps x Npp (3.2)
NTOTAL Nps = total jumlah panel (buah). = jumlah panel seri (buah). Besarnya daya listrik dc yang dikeluarkan suatu panel surya dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut (3.1) [3]: Pavgpanel = Voc X Isc (3.3) Pavgpanel = rata-rata daya output panel surya (Watt). Voc Isc = tegangan output solar sel (Volt). = arus solar sel (Ampere). 3.1.2 Blocking Dioda Blocking diode berfungsi untuk menahan arus daya balik battery yang mengalir melalui panel surya pada saat tidak ada radiasi matahari, atupun pada saat dimana tegangan pada panel surya lebih rendah dari tegangan baterai[4]. 3.1.3 Baterai Baterai berfungsi untuk menyimpan energi listrik yang dihasilkan oleh sel fotovoltaik. Untuk menghindari kerusakan baterai, hendaknya diusahakan agar tegangan battery tidak melebihi tegangan maksimumnya, dan tidak lebih kecil dari daya minimumnya. Baterai dengan jenis lead-acid dapat dilihat pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 Valve regulated lead-acid battery Baterai menentukan tegangan keseluruhan sistem, memerlukan kapasitas yang cukup untuk menyediakan daya kepada beban. Pada saat tidak terdapat radiasi surya yang cukup, untuk memperkirakan kapasitas baterai, terlebih dulu menghitung kapasitas daya sistem yang diperlukan (kapasitas yang diperlukan atau necessary capacity, CNEC). Kapasitas yang diperlukan ini bergantung pada daya yang ada selama "bulan terburuk" dan jumlah hari-hari otonomi yang diinginkan (N), dan dihitung dengan menggunakan persamaan: CNEC (Ah)= ETOTAL(Bulan Terburuk)(Wh) / VN(V) x N (3.4) CNEC = necessary capacity (Ah). VN N = tegangan nominal instalasi (Volt). = jumlah hari-hari otonomi yang diinginkan. ETOTAL(Bulan Terburuk) = energi total selama bulan terburuk (Wh). Kapasitas nominal baterai CNOM harus lebih besar daripada CNEC karena tidak bisa sepenuhnya mengeluarkan daya baterai. Untuk menghitung ukuran baterai, perlu menimbangkan kedalaman maksimum pengeluaran daya (DoD) yang dimungkinkan oleh baterai dengan menggunakan persamaan: CNOM (Ah) = CNEC (Ah)/ DoDMAX (3.5) CNOM = kapasitas nominal baterai (Ah). CNEC = necessary capacity (Ah).
DoDMAX = pengeluaran daya maksimun (Watt) Untuk memperhitungkan jumlah baterai dalam seri, maka tegangan nominal instalasi dibagi dengan tegangan nominal satu baterai sebagai berikut: Nbs = VN / VNBat (3.6) Nbs VN = jumlah baterai dalam seri. = tegangan nominal instalasi. VNBat = tegangan nominal satu baterai. Besarnya laju pengisian baterai dapat ditentukan dengan menentukan terlebih dahulu jumlah baterai yang diisi. Jumlah baterai yang diisi sebanyak N buah, dengan memperhatikan kapasitas yang dimiliki baterai. Penentuan jumlah baterai dipengaruhi oleh daya pada beban yang akan disuplai. Untuk menentukan laju pengisian baterai (waktu yang dibutuhkan untuk mengisi N baterai kosong, sampai terisi penuh) dapat dihitung sebagai berikut[3]: Tpb (3.7) Tpb Vbat Ibat = waktu laju pengisian baterai (jam). = kapasitas tegangan baterai (volt). = kapasitas arus baterai (Ah). Pavgpanel = Rata-rata daya output panel surya (watt). Sedangkan untuk mensuplai beban dapat menggunakan persamaan berikut[3]: Tload = (3.8) Tload = waktu laju saat mensuplai beban (jam). Pbaterai = energi pada baterai (Wh). Pload = daya pada beban (Watt).
3.1.4 Battery Control Regulator Ada beberapa tipe regulator panel surya. Salah satu tipe yang sederhana adalah tipe on-off paralel. Tipe tersebut memiliki beberapa kelebihan diantaranya: a. Sederhana. b. Losses daya yang sangat kecil. c. Murah. d. Handal. Tetapi dari kelebihan itu semua ada satu hal yang harus diterima yaitu tegangan pada baterai yang kadang-kadang naik- turun sehingga baterai sudah kontak di antara arus pengisian penuh dan kosong, dan pemutusan yang terjadi pada baterai menyebabkan pulsa tegangan keluaran dari regulator akan meningkat. Berdasarkan pada penggunaannya, harus dipilih tipe regulator yang sesuai. Pada kebanyakan instalasi surya, kelebihan regulasi tegangan lebih halus, namun lebih mahal, dimensi dan rugi dayanya lebih besar. Baterai charge regulator yang telah siap dipakai dapat dilihat pada gambar 3.4 Gambar 3.4 Battery charge regulator (BCR)
3.1.4.1 Rangkaian charge and discharge control Rangkaian baterai charge regulator (BCR) dapat dilihat pada gambar 3.5[7]. Gambar 3.5 charge regulator Rangkaian battery (BCR) Ketika panel surya belum kerja, rangkaian regulator kondisinya off dan belum ada arus listrik yang mengalir dari baterai. Ketika matahari mulai naik dan panel surya mulai memproduksi tegangan sekitar 10 V, lampu led menyala dan 2 transistor kecil bekerja. Ini memberikan indikasi bahwa regulator bekerja. Selama tegangan baterai masih di bawah 14 V, amplifier (hanya membutuhkan daya kecil) akan menjaga MOSFET tetap off, kemudian arus listrik dari panel akan mengalir melalui dioda schottky dan selanjutnya masuk ke baterai. Komponen baterai charge regulator (BCR) yang telah dirangkai dapat dilihat pada gambar 3.6.
Gambar 3.6 Komponen battery charge regulator (BCR) Ketika baterai mencapai teganga n trigger nominalnya 14 V, U1 (pada gambar 3.5) menyalakan MOSFET. Mosfet menahan arus dari panel (kondisi ini sangat aman), baterai tidak lagi mendapatkan arus pengisian, lampu led dan transistor off, dan daya regulator pada C2 perlahan discharge. Setelah 3 detik, C2 telah mengalami cukup pengosongan hingga kondisi U1 histeresis, dan meng-offkan MOSFET kembali. Kemudian rangkaian mulai kembali mengisi baterai, hingga mencapai tegangan trigger. Kondisi seperti ini, regulator bekerja bergantian, yaitu off selama 3 detik, dan on sampai tegangan trigger yang dibutuhkan tercapai yaitu sebesar 14 V. Panjang pulsa arus akan bervariatif tergantung pada perbandingan antara arus yang dikeluarkan baterai dengan beban-benan yang dihubungkan ke rangkaian pembangkit tenaga surya. Waktu ON minimal tergantung pada waktu dari C2 untuk mengisi baterai melalui Q3 yang batas arusnya kira-kira 40mA. Lama waktu seperti ini cukup singkat, jadi reguator ini dapat bekerja pada pulsa yang sangat singkat. Untuk alasan keamanan, sebuah pengatur baru harus mampu beroperasi dengan arus ImaxReg sedikitnya 20% lebih besar daripada intensitas maksimum yang disediakan oleh array panel-panel, dan ditulis dalam persamaan berikut: ImaxReg = 1,2 Npp IPMax IPMax = arus panel maksimum (Ampere). 3.1.5 Inverter Inverter adalah sebuah rangkaian elektronika yang digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Prinsip kerja dari sebuah inverter adalah dengan menggabungkan sebuah rangkaian multivibrator yang dihubungkan dengan sebuah transformator penaik tegangan (Step Up). Inverter dapat digunakan untuk mensuplai beban dengan tegangan AC dengan daya yang disesuaikan dengan daya tegangan DC yang tersedia. Contoh penggunaan inverter dapat digunakan untuk rangkaian UPS (Uninterrupted Power Supply) untuk suplai tegangan listrik bila terjadi pemutusan
listrik dari PLN dengan tiba-tiba. Inverter berkapasitas 300 Watt yang siap dipakai untuk pembuatan alat dapat dilihat pada gambar 3.7[6]. Gambar 3.7 Inverter 300 W Inverter digunakan untuk mengubah tegangan input DC menjadi tegangan AC. Keluaran inverter dapat berupa tegangan yang dapat diatur dan tegangan yang tetap. Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan baterai, sell bahan bakar, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Tegangan output yang biasa dihasilkan adalah 120 V 60 Hz, 220 V 50 Hz, 115 V 400 Hz. Rangkaian inverter 300 Watt dapat dilihat pada gambar 3.8[6]. Gambar 3.8 Rangkaian inverter 300 Watt 3.1.6 Beban Biasanya beban-beban dalam solar home system berbagai macam alat elektronik dan juga lampu, untuk membebani suatu solar home system harus memperhitungkan
daya, kapasitas alat pendukung seperti daya panel surya dan kapasitas baterai penyimpan energi. Bila sistem dalam solar home system menggunakan catu daya listrik arus searah dari fotovoltaik, individual untuk penerangan rumah yang menggunakan lampu fluorusen, harus dilengkapi dengan armature dan ballast elektronik-dc, dimana ballast elektronik yang digunakan merupakan unit inverter arus searah (DC) ke arus bolak-balik (AC) untuk mencatu daya lampu fluoresen. Sama halnya dengan reflector dan inverter pada lampu TL. Makin besar kapasitas baterai dan daya panel surya maka solar home system dapat dibebani dengan berbagai macam barang elektronik yang diinginkan. Beban lampu floresen 15 Watt untuk percobaan dapat dilihat pada gambar 3.9. Gambar 3.9 Lampu floresen (sebagai beban) 3.2 ALUR KOMBINASI SOLAR HOME SYSTEM DENGAN LISTRIK PLN. Untuk mengkombinasikan solar home system dengan suplai daya dari PLN (Perusahaan Listrik Negara), penulis memanfaatkan MCB (miniature circuit breaker) Pemutus tegangan (PMT) yang berupa MCB dapat dilihat pada gambar 3.10. Apabila kita menggunakan suplai dari PLN di gunakan maka harus menghidupkan (ON) MCB 1, dan daya dari PLN akan mengalir dan menyalakan beban tetapi MCB 2 harus dalam keadaan mati (OFF). Selanjutnya bila diinginkan untuk menggunakan suplai dari solar home system (SHS), maka harus menghidupkan (ON) MCB2 dan mematikan (OFF) MCB 1.