PENGUKURAN KEAMATAN SINARAN SURIA

KAWALAN INSTRUMEN TENAGA (STSF 6083)SISTEM HIBRID PV DIESEL GENENERATOR

PERKAMPUNGAN TERPENCIL(Assignment no. 1)Pensyarah:

Prof. Dr. Baharudin Yatim

Oleh:HARISMAN

P23748

M.Sc. (Teknologi Tenaga)FAKULTI SAINS DAN TEKNOLOGIUNIVERSITI KEBANGSAAN MALAYSIA

BANGI

2002PENDAHULUANSistem hibrid PV diesel sesuai digunakan untuk perkampungan terisolasi. PV modul mengubah energi sinaran suria menjadi energi elektrik, bila energi dari PV tak cukup boleh dibantu diesel generator. Saat diesel generator dihidupkan, ia haruslah mencukupi semua keperluan energi dan kelebihan energi dari diesel generator boleh disimpan di bateri melalui bateri cas.Pada sistem yang dicadangkan dalam perkampungan tersebut, PV membantu 40% daripada total energi yang diperlukan dalam sehari. Daripada tugasan yang diberikan pada perkampungan tersebut terdapat data keperluan energi elektrik sebagai berikut:

Terdapat 20 keluarga yang tinggal terpisah satu sama lain, yang mana setiap rumah terdapat 2 x 20W lampu neon.

Terdapat aula/bilik bersama terdiri 4 x 20W lampu neon, 1 x 100W radio recorder, 1 x 300W enjin pembuat kerajinan tangan (handicraf) dan 1 x 150W peti sejuk.

Pusat kesehatan terdapat 2 x 20W lampu neon, 1 x 150W freezer, 1 x 500W autoclave, 1 x 100W sistem komunikasi kecemasan dan 1 x 150W komputer.

Untuk keamanan kampung dipasang lampu jalan 4 X 100W.

Perkampungan terletak di equator dengan iklim rerata 10 hari cerah 2 hari mendung/hujan. Dalam masa kecerahan, keamatan sinaran suria yang diterima dalam kawasan itu ditunjukkan pada Graph 2 (terlampir).

DATA KAWASAN DAN HITUNGAN1. Keperluan Energi Kawasan PerkampunganKeperluan energi perkampungan berasaskan pemakaian load selama seharian penuh. Waktu penggunaan dapat dilihat pada Jadual 1. dengan asumsi sebagai berikut :

Dalam rumah lampu dihidupkan malam dari pukul 19.00-07.00

Lampu aula dihidupkan pukul 19.00-23.00 (selama aula dipakai malam sahaja), radio digunakan pukul 08.00-17.00 sebagai hiburan dan mendengar berita saat masyarakat bekerja dan malam pukul 20.00-23.00, Enjin pembuat kerajinan tangan (handicraf) dipakai semasa jam kerja pukul 08.00-12.00, pukul 12.00-13.00 adalah jam rehat dan 13.00-17.00 diguna semula. Sedangkan petisejuk haruslah hidup 24 jam Pusat kesehatan terdapat lampu penerangan yang hidup pukul 19.00-07.00 (dari 7 petang sampai pagi) sebab masyarakat boleh sahaja datang minta pertolongan sekiranya ada kecemasan. Freezer sebagai stor ubat haruslah hidup 24 jam, autoclave dipakai selama jam sibuk pesakit, biasanya dari pukul 08.00-22.00, radio komunikasi untuk berita kecemasan harus hidup 24 jam agar orang kampung boleh panggil lewat radio bila-bila masa. Komputer biasanya digunakan pukul 08.00-12.00, pukul 12.00-13.00 rehat dan digunakan semula pukul 13.00-17.00 dan jam pakai malam biasanya pukul 19.00-23.00. Lampu keamanan kampung dihidupkan masa gelap sahaja iaitu pukul 19.00-07.00.

2. Energi Sinaran Suria yang DiperlukanEnergi elektrik yang disediakan sekurang-kurangnya mencapai 40% daripada total keperluan energi elektrik dalam kawasan perkampungan tersebut selama sehari. Energi elektrik sebanyak 40% itu berasal daripada energi sinaran suria di kawasan itu dengan proses perubahan energi seperti rajah berikut:

Rajah 1. Proses perubahan energi suria menjadi elektrik pada loadDaripada rajah diatas effisiensi inverter iaitu:

.................................................................................................(1)

effisiensi PV iaitu:

.................................................................................................(2)

bila persamaan 1 dimasukkan dalam persamaan 2 boleh ditulis:

...........................................................................................(3)

maka energi WS yang diperlukan :

Daripada di atas diasumsikan bahawa untuk mencukupi 40% keperluan energi elektrik perlu energi sinaran suria 133333.3 Wh.3. Keamatan Rerata Sinaran Suria KawasanKeamatan sinaran suria terakumulasi pada kawasan projek seperti Graph 2 (terlampir) boleh dihitung sebagai berikut:

Berdasar pada Graph 70mm = 1 kWh/m2, oleh itu resolusi per mm adalah 1/70 kWh/m2 atau sama dengan 14.286 Wh/m2 /mm, akumulasi setiap jam seperti Jadual berikut.

Jadual 2. Akumulasi keamatan sinaran suria waktu hari cerah

WaktuUkuran (mm)Keamatan tiap jam (Wh/m2)

07.00-08.00

08.00-09.00

09.00-10.00

10.00-11.00

11.00-12.00

12.00-13.00

13.00-14.00

14.00-15.00

15.00-16.00

16.00-17.00

17.00-18.00

18.00-18.15

8

26

42.5

56

64.5

68

66

58.5

46

33

17

2114.3371.4

607.2

800.0

921.4

971.4

942.9

835.7

657.2

471.4

242.9

28.6

Keamatan sinaran suria satu hari (Wh/m2)6964.4

Keadaan iklim rerata kawasan itu 10 hari cerah dan 2 hari mendung/hujan dimana sinaran suria sangat sedikit sekali (dianggap tidak ada sinaran suria). Oleh itu keamatan sinaran suria rerata dapat dihitung dengan cara:

RANCANGAN SISTEM HIBRID PV DIESEL

Rajah 2. Sistem hibrid PV diesel generator

Daripada data kawasan dan hitungan dapat dicadangkan spesifikasi bahagian-bahagian penting iaitu:

PV Modul

Inverter

Bateri

Diesel Genenator

Cas Bateri

Pengawal sistem

Pengawal Cas Bateri Automatik Start/Padam Diesel (Bila diperlukan)

1. PV ModulDaripada data kawasan dan hitungan dapat dikatakan bahawa energi sinaran suria yang diperlukan (WS) iaitu 133333.3 Wh dengan keamatan sinaran suria rerata kawasan (IS) iaitu 5803.67 Wh/m2. Daripada itu boleh ditentukan luas muka modul PV iaitu:

A = 22.97 m2

Daripada data PV BP280 (lampiran) yang dipilih effisiensi 12.4% adalah per total luas (m2), oleh itu banyaknya modul yang diperlukan dalam sistem ini iaitu:

buahIni bermakna bahawa 23 buah modul BP 280 telah boleh menutupi 40% daripada energi total kawasan dalam satu hari dengan sinaran suria rerata 5803.67Wh/m2.

Voltan satu modul BP 280 saat tenaga maksimum adalah 17.1 V, kerana input inverter yang akan dicadangkan 120V, oleh itu modul disusun seri sampai bernilai voltan 120V. Banyak modul dalam hubungan seri iaitu 120V / 17.1V = 7 buah. Banyaknya susunan seri dalam hubungan paralel iaitu 23 / 7 = 4 (dibulatkan ke atas). Susunan seri dan parelel seperti Rajah berikut :

Rajah 3. BP280 dengan hubungan 7 seri x 4 ParalelDaripada spesifikasi BP280 tenaga maksimum iaitu 80W dan Voltan litar terbuka 21.4V dan Arus litar pintas 4.98A. Oleh itu susunan BP280 diatas daya maksumumnya 28 x 80W = 2240Wpeak = 2.24 kWpeak. Voltan litar terbuka 7 x 21.4V = 149.8V dan Arus litar pintas 4 x 4.98A = 19.98A2. InverterBerasaskan waktu pakai seperti diperlihatkan pada Jadual 1 dan Graph 1, load maksimum 2470W pada pukul 20.00-22.00. Bila semua load digunakan, tenaga elektrik diperlukan 2770W, oleh itu tenaga inverter yang sesuai dipakai iaitu dengan daya output 3 kW.

3. BateriSebaiknya bateri (dalam keadaan terisi penuh) boleh menyediakan energi elektrik selama sehari penuh dengan keperluan energi kawasan sebanyak 37200 Wh sehari. Kerana voltan masukan inverter 120V, oleh itu kapasiti bateri iaitu 37200Wh/120V = 310 Ah. Biasanya kapasiti bateri yang ada dijual 350 Ah.

4. Cas Bateri

Cas bateri barulah berfungsi bila diesel generator dihidupkan. Arus pengecasan tidak akan masuk kedalam PV modul kerana sistem yang dicadangkan ini dipasangkan diod pemblok seperti terlihat pada rajah 2, sehingga tidak terjadi sebarang kerosakan pada PV modul.

Cas bateri berfungsi mengecas bateri dengan kapasiti masa arus 350 Ah. Bila masa pengisian penuh dicadangkan selama 6 jam, arus pengisian bateri hendaklah 350 Ah / 6h = 58.3 A. Oleh itu daya cas bateri iaitu 58.3 A x 120 V = 7 kW. Bila efisiensi cas bateri kira-kira 85%, oleh itu daya input cas beteri yang diperlukan iaitu 7 kW / 85% = 8.23 kW5. Diesel GenenatorDaya diesel generator haruslah melebihi daya load maksimum sistem (2770W) kerana kelebihan daya boleh digunakan untuk pengisian bateri. Daya/power diesel generator yang dicadangkan dihitung dengan cara:(Daya load max) + (daya input cas bateri) = 2770 W + 7 kW = 11 kW

Sebaiknya diesel generator yang digunakan lebih besar daripada 11 kW. Oleh kerana generator jenis single phase yang ada iaitu 1kW, 2kW, 3kW, 5kW sedangkan yang lebih besar dari itu sama ada 7kW, 10kW dan 15kW atau lebih besar daripadanya iaitu jenis three phase.Oleh itu, dicadangkan generator 15kW jenis three phase yang mana 1 line khas untuk load kawasan kampung (5 kW) dan 2 line lagi khas untuk pengecasan (2 x 5 kW). Walau bagaimanapun cas bateri dengan 2 line input 220V 5kW boleh dibuat sendiri dengan cara menggunakan 2 transformator dan 2 rectifier, atau boleh juga dipakai 2 buah cas bateri paralel dengan kapasiti masing-masing 3.5kW dengan syarat voltan dc output sama dan dipasang pengawal tiap-tiap output satu buah diod dengan kapasiti 60A seperti rajah berikut:

Rajah 4. Sistem pembahagian daya diesel generator 15kVA tiga phase dengan 2 cas bateri dan pemasangan block diod6. Pengawal SistemPengawalan sistem bekerja menggunakan daya daripada bateri. Pengawal sistem dicadangkan supaya sistem boleh bekerja bagi menghindari sebarang kerosakan. Sistem kerja pengawalan iaitu:

Bila bateri penuh pengawal sistem akan mematikan sistem cas bateri Bila diesel dihidupkan, pengawal sistem akan mengubah alih suis dari generator ke load dan mematikan hubungan inverter ke load. Keadaan ini akan berlaku bila voltan generator telah stabil 220V.

7. Pengawal Cas Bateri

Pengawal cas bateri berfungsi bila bateri lemah ia akan mematikan hubungan ke inverter secara automatik bagi mengawal kerosakan daripada bateri.8. Automatik Start/Padam Diesel (bila diperlukan)Pemadaman automatik bekerja bila bateri telah penuh dan start automatik bekerja bila bateri mulai lemah. Maklumat elektrik yang diterima bahagian ini berpunca dari bateri dan masa bekerjanya ditentukan oleh bahagian pengawalan sistem.

Bahagian ini boleh sahaja tak digunakan kerana lazimnya diesel yang menyokong sistem ini sangat mahal. Walau bagaimanapun sistem manual start/padam tak terlalu menyebokkan, karena pengawal cas akan memadamkan sistem bilamana kandungan energi bateri mulai habis dan oleh itu elektrik kawasan akan padam dan orang kampung akan datang untuk men-start diesel generator.SPESIFIKASI SYSTEM1. Spesifikasi PV ModulDaripada uraian di atas, oleh itu spesifikasi PV modul yang akan digunakan iaitu sebagai berikut:

Banyak PV modul BP28028

Total Peak Power2.24 kWp

Banyak hubungan seri7

Banyak hubungan paralel4

Voltan terminal120 V

Voltan Litar terbuka150 V

Arus Litar Pintas20 A

Total luasan modul28 m2 2. Spesifikasi InverterSpesifikasi inverter yang akan digunakan berasas pada keterangan diatas iaitu sebagai berikut:

TypePulse width modulator/Transistor

OutputSingle phase 220V 50Hz

Input120Vdc (100-150Vdc)

EffisiensiFull load 90% Half load 85%

PengawalanOvervoltan masukan, hubungan pintas keluaran,

Overload keluaran.

Kapasiti daya3 kVA (pada cos ( = 0.9)

3. Spesifikasi Bateri

Voltan terminal120 V

Kapasiti arus350 Ah Kapasiti energi42 kWh

Banyak elemen60

Sistem sambunganSeri

Sais satu elemen21 x 22 x 41.5 cm

Jisim satu elemen30 Kg

4. Spesifikasi Cas Bateri

TypeTransformator + rectifier sistem

Voltan output120 V

Voltan input220 V

Arus ouput29 A

Kapasiti daya3.5 kW

Effisiensi85 %

Banyak cas bateri2

Sistem sambunganInput terpisah, output paralel melalui diod

5. Spesifikasi Diesel Generator

DieselYanmar 24 PK

Voltan output dinamo220 V (three phase)

Kapasiti dinamo15 kVA

6. Spesifikasi Pengawal Sistem dan Pengawal Cas Bateri

TypeDirangkai sendiri (tidak dijelaskan disini)

PeralatanRelay, transistor, resistor dan diod

KANDUNGAN

ABSTRAK....................................................................................................iKANDUNGAN.............................................................................................ii

PENDAHULUAN.........................................................................................1DATA KAWASAN DAN HITUNGAN......................................................21. Keperluan Energi Kawasan Perkampungan.......................................22. Energi Sinaran Suria yang Diperlukan................................................53. Keamatan Rerata Sinaran Suria Kawasan...........................................6RANCANGAN SISTEM HIBRID PV DIESEL..........................................81. PV Modul............................................................................................92. Inverter................................................................................................103. Bateri...................................................................................................104. Cas Bateri............................................................................................115. Diesel Genenator.................................................................................116. Pengawal Sistem..................................................................................127. Pengawal Cas Bateri...........................................................................128. Automatik Start/Padam Diesel (bila diperlukan)................................13SPESIFIKASI SYSTEM HIBRID PV DIESEL...........................................141. Spesifikasi PV Modul..........................................................................142. Spesifikasi Inverter..............................................................................143. Spesifikasi Bateri.................................................................................154. Spesifikasi Cas Bateri..........................................................................155. Spesifikasi Diesel Generator................................................................156. Spesifikasi Pengawal Sistem dan Pengawal Cas Bateri......................15RUJUKAN....................................................................................................16

LAMPIRAN..................................................................................................17ABSTRAKTelah dicadangkan sistem hibrid PV diesel generator kawasan perkampungan terpencil dengan keamatan sinaran suria rerata 5.80367 kWh/m2, keperluan energi elektrik 37.2 kWh sehari dengan daya load Pmak= 3 kW. Energi elektrik berasal daripada modul PV BP280 dengan daya maksimum 2.24 kWpeak dan diesel generator dengan daya 15 kVA. Sistem PV boleh menghasilkan 40% keperluan total elektrik perkampungan. RUJUKANB.L. Theraja & A.K. Theraja, 1997. A textbook of Electrical Technology. 22nd edition. New Delhi: S. Chand & Company Ltd.Coombs, Clyde F. 1995. Electronic Instrument Handbook. Second edition. United States: McGraw-Hill, Inc.

France Lasnier and Tony Gan Ang. 1990. Photovoltaic Engineering Handbook: IOP Publishing Ltd.Iqbal, M. 1983. An Introduction to Solar Radiation. Canada: Academic Canada Press

Meinel, B. Aden. 1979. Applied Solar Energy an Introduction. London: Addision-Wesley Publishing Company.

Peter Buban, et all, 1999. Electricity and Electronic Technology. 7th edition. New York: McGraw-HillRoger Taylor, 1997. Hybrid Village Power System in Amazona, Brazil. atas talian: http://www.rsvp.nrel.gov

Northern, Northern Provides Power For Brazilian Community, atas talian: http:// www.northernpower.comInverter

Load (40%)

(PV = 12.4%

(Inv = 90%

WL = 14880 Wh

WS = IS A

WPV

WL

Load

Diode Block

Inverter

Pengawal Cas

Bateri

Cas Bateri

Pengawal Sistem

Diesel

PV

Auto on/off

V = 120v

Generator

three phase

15kVA

Cas bateri

3.5 kW

Cas bateri

3.5 kW

Pengawal

Sistem

Bateri

350Ah

Load

5kW

5 kW

5 kW

5 kW

PAGE 18

_1093886102.unknown

_1093889343.unknown

_1093957826.unknown

_1093958657.unknown

_1093958729.unknown

_1093958768.unknown

_1093958191.unknown

_1093889363.unknown

_1093886622.unknown

_1093889331.unknown

_1093886264.unknown

_1093885935.unknown

_1093886079.unknown

_1093885839.unknown