Seiring dengan perkembangan teknologi yang semakin canggih.Sekarang telah dikembangkan teknologi pemanfaatan sumber energi alternatif untuk menghasilkan listrik, salah satunya yaitu Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS). PLTS merupakan sistem pembangkit yang tergolong mudah, murah, ramah lingkungan dan terbarukan. Pada sistem pembangkit ini, terjadi suatu proses penyimpanan energi listrik yang dihasilkan oleh modul solar cells atau Photovoltaic. Biasanya energi listrik ini disimpan pada baterai dalam bentuk energi elektrokimia. Pada proses penyimpanan energi tersebut, diperlukan suatu alat yang berfungsi mengatur proses tadi agar tidak terjadi pengisian berlebih pada baterai (over charge) yang dapat menyebabkan kerusakan pada baterai.
Prinsip Kerja Alat Pada Sistem PLTSPrinsip kerja alat secara keseluruhan pada sistem PLTS. Pada dasarnya, baterai dan modul photovoltaic bekerja sama dalam memberikan energi listrik kepada beban. Energi listrik dapat dihasilkan langsung dari modul photovoltaic pada siang hari, dan dari baterai pada malam hari. Bisa juga dari keduanya pada saat cuaca mendung. Semua itu tidak terlepas dari fungsi BCU sebagai alat pengatur.
Pada siang hari, matahari bersinar dengan mengeluarkan energi radiasi melalui gelombang cahaya. Dengan menggunakan modul photovoltaic energi ini dikonversikan menjadi energi listrik. Apabila tegangan pada modul lebih besar dari tegangan baterai, maka terjadi arus pengisian ke baterai. Tegangan baterai akan terus meningkat sejalan dengan makin lamanya waktu pengisian. Dan apabila tegangan baterai telah mencapai batas ambang tegangan kerja atas (titik mati tegangan atas).yang ditetapkan pada BCU yaitu 12 volt, maka BCU akan memutuskan hubungan antara modul dengan baterai yang ditandai dengan adanya arus hubungan singkat pada modul photovoltaic.
Pada malam hari, tidak ada energi yang dihasilkan oleh modul photovoltaic dan pada saat itu secara otomatis yang mensuplai energi ke beban adalah baterai. Jika penggunaan energi baterai terlalu banyak, maka tegangan baterai akan turun sejalan dengan berkurangnya energi baterai. Jika tegangan baterai turun melewati batas ambang bawah (titik mati tegangan bawah) yang ditatapkan oleh BCU yaitu 11,5 volt, maka secara otomatis beban akan mati yang ditandai dengan terputusnya hubungan antara baterai dengan beban (hubungan terbuka).
Battery Control Unit (BCU) yang berfungsi sebagai proteksi over charge, juga sebagai proteksi pengosongan baterai berlebih (over discharge), proteksi beban lebih, hubung singkat, tegangan kejut halilintar, arus balik dari baterai ke sumber (pembangkit), dan proteksi polaritas terbalik baterai dan sumber (pembangkit).
Gambar 1. diagram blok Solar Home System (SHS)
Pada gambar diagram blok diatas diperlihatkan bahwa pada rancangan alat Battery Control Unit (BCU) ini menggunakan sebuah sumber yaitu dari sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) dengan menggunakan modul photovoltaic (PV) sebesar 50 Wp. Sehingga pada alat BCU ini dibuat pada kapasitas 100-120 VA.
Blok Rangkaian1.Unit HVD Swiching
HVD merupakan titik tegangan atas baterai maksimum yang pada titik ini aliran arus pengisian dari modul photovoltaic ke baterai terputus. Mengacu pada standard UL, titik HVD untuk baterai jenis asam timbal direkomendasikan pada tegangan 14.2–14.7 volt, maka ditentukan pada rancangan spesifik untuk titik HVD pada tegangan 14.6 volt. Dan terhubung kembali pada tegangan 13,0 volt.
Bagi BCU tipe shunt (gambar 3) keadaan HVD terjadi ketika arus dari modul photovoltaic tidak mengalir ke baterai tapi ke mosfet T1. arus yang mengalir pada kondisi ini merupakan arus hubung singkat modul, sehingga dapat menimbulkan panas yang tinggi akibat rugi–rugi energi (I^2*R) pada mosfet T1. untuk itu, diperlukan pendingin yang baik agar tidak merusak komponen ini. Terjadinya HVD agar tidak over charge dikendalkan oleh mosfet T1. kerja dari komponen ini dipengaruhi oleh perbedaan tegangan baterai dengan tegangan referensi yang ada.
Gambar 3. diagram skematik unit HVD swiching mode on-off
Pada gambar 3 terlihat bahwa tegangan baterai V+ dibandingkan dengan tegangan referensi dari dioda zener (DZ) yaitu sebesar 8,2 volt. IC1b merupakan komparator biasa dengan hysteresis dengan membandingkan tegangan yang ada pada kaki masukan inverting dan non inverting. Jika tegangan baterai yang diwakili oleh tegangan pada pin 5 lebih besar dari tegangan referensi yang diwakili tegangan pada pin 6, maka keluaran pada pin 7 terdapat tegangan yang ditandai dengan menyalanya lampu LED hijau. Tegangan pada pin 7 berarti pula terdapat tegangan antara kaki gate dan source, yang mengaktifkan mosfet T2. dan sebaliknya, jika tegangan baterai lebih kecil dari tegangan referensi maka keluaran dari IC1b adalah 0 volt,sehingga lampu LED hijau mati, mosfet tidak bekerja, dan terjadi pengisian baterai oleh modul PV.
Potensiometer atau single tune (VR1) digunakan untuk mengatur besarnya tegangan referensi pada kaki masukan inverting, yang berarti pula untuk menseting tegangan HVD pada 14.6 volt. Resistor pariabel lainnya yaitu VR0 digunakan untuk mengatur besarnya histeresis, yang berarti untuk mengeset tegangan reconnect pada 13.0 volt.
2. Unit LVD Swiching
LVD merupakan titik tegangan mati bawah dari baterai. Pada tegangan ini arus yang mengalir dari baterai ke beban harus diputuskan, karena untuk menjaga baterai tetap aman dari kerusakan. Menurut standard UL dan rekomendasi dari THE WORLD BANK Assosiation, titik LVD untuk baterai jenis asam timbal berkisar 1.8–1.9 volt per sel baterai, atau 10.8 – 11.6 volt baterai dan reconnect pada >11.6. pada rancangan spesifikasi alat ditentukan titik LVD di 11,5 volt.
Ketika tegangan baterai normal dan diberikan bahan maka keadaan mosfet T1 aktif (short circuit) beban menyala. Tetapi ketika baterai telah mencapai titik tegangan mati bawah (LVD) maka mosfet T1 tidak bekerja, sehingga sirkuit terbuka dan mati. Kerja dari komponen T1 ini dipengaruhi oleh perbedaan tegangan baterai dari tegangan referensi.
Pada gambar 3.4 ditunjukan skematik rangkaian untuk unit pembatas pengosongan baterai berlebih (over discharge). Rangkaiannya berbeda dengan rangkaian LVD, meskipun prinsipnya sama yaitu komparator dengan hysteresis. Pada rangkaian tersebut kaki inverting (pin 2) IC1a merupakan tegangan masukan dari baterai, dan tegangan referensi atau set point pada kaki non inverting (pin 3). Control on-off ini bekerja sebagai inverse acting, artinya keluaran dari IC1a berlawanan dengan masukan pada kaki inverting yang mewakili tegangan baterai. Berbeda dengan control pada HVD yang bekerja sebagai direct acting, unit LVD switching berfungsi ditandai dengan menyalanya lampu LED merah dan terputusnya arus beban.
3. Unit Fuse Elektronik
Gambar 5 menunjukan rangkaian pembatas arus pada sistem negatif switching. Resistor paralel ditambahkan untuk mengukur besarnya arus beban. Tegangan pada resistor tersebut dibandingkan dengan tegangan referensi dari dioda zener (DZ) pada op-amp IC1d .normalnya, keluaran dari pin 14 sama dengan keluaran pin 8 yaitu 0 volt. Kapasitor polar C3 discharge melalui TR1 / R19, karena T1 sedang bekerja. Jika arus beban melebihi batas, keluaran pin 14 menjadi 12 volt, sedangkan pin 8 masih tetap 0 volt dan tegangan pin 10 kira–kira menjadi 4 volt.keluaran IC1c dari pin 14 meningkat menjadi 12 volt. sekarang T1 tidak bekerja akibat TR2 on. Tidak ada arus beban yang mengalir di R-shunt, sehingga keluaran dari pin 14 kembali menjadi 0 volt. pin 10 akan memiliki tegangan 0.98 v. keluaran pin 8 perlahan mengisi kapasitor C3, dan memerlukan waktu kira–kira 10 detik untuk mendapatkan tegangan 0.98 volt. inilah tiik ketika keluaran dari pin 8 menjadi 0 v kembali. T1 menjadi aktif, C3 mengalami discharge, dan sistem kembali ke keadaan semula. Jika masih terdapat arus pada R-shunt yang melebihi batas (over current), siklus akan berulang kembali.
Gambar 5. diagram rangkaian pembatas arus dengan fuse elektronik
Bagaimanapun, interval waktu yang terjadi akan ditentukan oleh waktu pengosongan kapasitor C3, yaitu kira–kira 1 detik. Kapasitor C4 dan R16 harus ditambahkan untuk menahan gelombang on-off switching. Sebaliknya pembatas arus akan direspon setiap waktu oleh beban ketika dihidupkan. Ketika controller ini dihubungkan pertama kali, pin 12 merespon masukan lebih lambat dibandingkan pada pin 13 karena adanya C4. untuk itu, pembatas arus dalam keadaan off setelah pemasangan pertama kali. Sistem kembali dalam keadaan seimbang.
4. Unit Indikator
Indicator yang digunakan pada rangkaian terdiri dari 3 buah lampu LED dan masing–masing warna memiliki arti yang berbeda, yaitu :
1. LED warna hijau, sebagai indikator baterai sudah penuh. Jika lampu ini menyala, maka menunjukan unit HVD switching bekerja. Sehingga tidak ada lagi arus yang mengalir ke baterai.
2. LED warna merah, sebagai indikator baterai kosong (pada tegangan rendah). Jika lampu ini menyala, maka menunjukan unit LVD switching berfungsi. Sehingga arus ke beban terputus.
3. LED warna kuning, sebagai indikator pembatas arus dan proteksi beban berlebih. Jika lampu ini menyala, unit pembatas arus bekerja. Berfungsinya pembatas arus dengan fuse elektronik, ditandai dengan mati–nyala pada beban (waktu mati sekitar 10 detik) dan menyebabkan terjadinya proses pengisian pada baterai (charging).
5. Unit Proteksi
5.1 Proteksi Arus Balik
Pada malam hari, tegangan listrik di modul photovoltaic adalah nol, tapi baterai terisi penuh hasil pengisian pada siang hari. Untuk menghindari terjadinya arus balik dari baterai ke modul photovoltaic akibat beda tegangan, maka dipasang dioda penghambat atau blocking dioda pada BCU. Dioda schottky B1645 (D1) dipasang untuk melakukan fungsi tersebut. Biasanya pada modul photovoltaic yang standard juga sudah terpasang dioda penghambat tersebut.
5.2 Proteksi Polaritas Terbalik
Berdasarkan standard dari UL, sebuah BCU atau BCR harus memiliki proteksi terhadap pemasangan polaritas yang terbalik. Pemasangan polaritas kabel yang terbalik dapat terjadi pada modul, baterai, dan beban. Jika terjadi kesalahan polaritas pada modul, maka akan menimbulkan arus hubung singkat yang melewati mosfet T2. sebab didalam komponen tersebut terdapat juga internal freewalk diode yang bisa mengalirkan arus dari kaki sumber ke cerat. Akibat dari arus hubung singkat ini diperlukan pendingin yang bagus untuk mosfet T2, karena terdapat rugi energi berupa panas yang tinggi akibat drop tegangan dan arus yang besar. Sehingga pendingin yang baik bisa mengatasi masalah ini.
Polaritas terbalik dari baterai, juga akan mengakibatkan arus short circuit pada baterai. Arus ini mengalir dari polaritas positif ke terminal negatif baterai melalui 2 dioda yaitu schottky dan dioda internal pada mosfet T2. keadaan ini bisa diatasi dengan adanya fuse.
5.3 Proteksi Hubung Singkat Dan Beban Lebih
Hubung singkat pada beban dapat menimbulkan arus yang besar. Hal ini terjadi mungkin dikarenakan rusaknya beban atau sambungan kabel + dan – karena terkelupas,dsb. Begitu juga pada saat beban lebih, arus yang disuplai ke beban melewati batas maks dari sesifikasi alat. Untuk mengatasi adanya arus yang besar ini rangkaian dilengkapi fuse elektronik dan fuse biasa (kawat termal).
Cara kerja fuse elektronik sudah dijelaskan pada sub bab unit fuse elektronik bab II.fuse kawat dipasang sebagai pendukung (back up) dari fuse elektronik. Ketika fuse elektronik tidak berfungsi masih terdapat fuse kawat untuk melindungi alat. Tujuan dari fuse elektronik adalah untuk menghindari seringnya mengganti fuse kawat setiap kali terjadi arus beban yang melebihi arus maks dan adanya arus hubung singkat.
5.4 Proteksi Tegangan Kejut dari Halilintar
Sesuai dengan standard dunia bahwa perlindungan tegangan kejut dari halilintar pada BCU sangat diperlukan, sebab dibeberapa daerah sering terjadi halilintar. Halilintar yang mengenai modul photovoltaic pada sistem PLTS dapat merusak komponen lain yang terhubung dengan modul. Tegangan induksi pada kabel dari modul photovoltaic yang sangat tinggi dapat menyebabkan kerusakan. Komponen yang dapat meredam tegangan kejut dari halilintar salah satunya adalah metal-oxide varistor (MOV).
Sesuai dengan hasil pengujian yang dilakukan AT&T dan IEC, jika digunakan visitor dengan tegangan stand off 30 volt maka maksimum tegangan puncak yang terjadi tidak 30 volt tapi lebih yaitu sekitar 60 volt. ini berarti jika modul photovoltaic terkena halilintar, tegangan keluaran menjadi 60 volt. sehingga tegangan ini juga ditanggung oleh mosfet dan pada dioda schottky terjadi beda tegangan sebesar 48 volt (gambar 6). ini merupakan kelemahan dari sistem regulator shunt.
Gambar 6. jatuh tegangan akibat tegangan kejut halilintar
Tidak ada komentar:
Posting Komentar