Memahami Arus Ulang-alik (Alternating Current)
Arus ulang alik gelombang sinus di rumah kita dihasilkan oleh penjana tiga fasa. Dalam penjana elektrik ini, tiga gegelung kumpulan penjanaan elektrik berasingan terdapat dalam stator penjana, yang secara fizikal diimbangi oleh sudut 120° (satu pertiga daripada fasa 360° lengkap) antara satu sama lain. Ketiga-tiga fasa penjana ini menghasilkan tiga gelombang kuasa sinusoidal bebas yang mengimbangi 120° antara satu sama lain. Ia juga dipanggil sistem tiga fasa simetri.
Punca: Wikipedia
Dalam sistem tiga fasa membekalkan beban seimbang dan linear, jumlah arus segera bagi tiga konduktor adalah sifar. Dalam erti kata lain, arus dalam setiap konduktor adalah sama dalam magnitud dengan jumlah arus dalam dua yang lain, tetapi dengan tanda yang bertentangan. Oleh itu, apabila salah satu fasa berada pada pembelotan positif maksimum +1.0, dua yang lain akan menjadi laluan balik -0.5 setiap satu, menjadikan jumlah arus bagi tiga fasa pada bila-bila masa adalah sifar. Ini membolehkan kurang penggunaan kabel (berbanding dengan satu fasa di mana anda memerlukan dua kabel – fasa dan neutral).
Punca: EEP
Bentuk gelombang sinusoidal berkait rapat dengan gelung gegelung dalam medan magnet. Pada kedudukan menegak (0°), gegelung tidak memotong garisan daya magnet, dan oleh itu tiada voltan teraruh dalam gelung. Apabila gegelung bergerak mengikut arah jam, ia memotong garisan medan magnet dan mendorong aliran arus elektrik positif, dan meningkat sehingga mencapai nilai maksimum apabila gegelung mendatar kepada garisan daya magnet (90° ), putaran seterusnya mengikut arah jam akan mempunyai pesongan negatif, pada kedudukan menegak seterusnya (180°), voltan kembali kepada sifar. Putaran separuh kitaran seterusnya mengikut arah jam (180° – 360°)masih akan menghasilkan nilai maksimum seperti separuh pertama, tetapi kekutuban bertentangan disebabkan oleh kedudukan gelung gegelung dan kekutuban medan magnet adalah bertentangan tepat dengan yang pertama separuh (0° – 180°). Kitaran ini terus berulang, mencipta arus ulang alik sinusoidal yang kita ketahui.
Tanpa mengira sumber mekanikal untuk penjanaan kuasa elektrik, sama ada turbin hidro atau turbin angin, enjin pembakaran bahan api fosil atau turbin stim, konsep pembinaan penjana adalah hampir serupa. Pemutar, gelung gegelung dan medan magnet. Sistem yang mudah itu membolehkan penjana yang besar dan cekap dibina. Stesen janakuasa terbesar dunia ialah Empangan Three Gorges dengan tiga puluh dua penjana 700 Mega Watt utama yang berjumlah 22,400 Mega Watt pengeluaran.
Satu faedah utama daripada arus ulang alik sinusoidal ialah keupayaan untuk naik dan turun dengan mudah menggunakan transformer. Ini membolehkan pemindahan tenaga besar-besaran dengan Voltan tinggi tapi Arus Rendah melalui grid kuasa utiliti, mengurangkan kos dengan menggunakan talian wayar elektrik yang lebih kecil dan mengurangkan kehilangan tenaga daripada pelesapan haba. Walaupun selepas beberapa set pengubah, dan perjalanan jarak jauh, bentuk gelombang masih kekal secara berterusan dalam fasa dengan penjana.
Arus ulang alik sinusoidal telah lama diseragamkan pada 50-60 Hertz (Bergantung pada negara, mereka yang menggunakan frekuensi 50 Hz cenderung menggunakan 220-240 V, dan mereka yang menggunakan 60 Hz cenderung menggunakan 100-127 V) telah membentuk pembangunan semua elektronik moden. Pencahayaan, motor, transformer, penjana dan talian penghantaran semuanya mempunyai ciri-ciri yang bergantung pada frekuensi kuasa. Kebanyakan motor aruhan jenis Commutator isi rumah (cth alatan kuasa, perkakas rumah dll) direka bentuk untuk berfungsi dengan 50-60 Hz. Frekuensi yang lebih rendah juga mempunyai kelebihan kehilangan impedans yang lebih rendah. Penyeragaman membenarkan perdagangan antarabangsa dalam peralatan elektrik.
Memahami Bentuk Gelombang Inverter
Fungsi penyongsang ialah menukar Arus Terus (DC) kepada Arus Ulangalik (AC). Perubahan (langkah naik atau turun, gelombang sinus tulen atau gelombang sinus diubah suai dll.) akan bergantung pada spesifikasi penyongsang. Satu contoh ialah penyongsang kuasa yang mengambil 12 Volt DC daripada bateri anda dan mengeluarkan 230 Volt AC yang serupa dengan grid kuasa utiliti.
Penyongsang boleh menghasilkan gelombang persegi (square wave), gelombang sinus diubah suai (modified sine wave), gelombang sinus berdenyut (pulsed sine wave), gelombang termodulat lebar denyut (pulse width modulated wave – PWM) atau gelombang sinus (sine wave)bergantung pada reka bentuk litar. Bentuk gelombang yang paling banyak digunakan pada masa kini ialah gelombang sinus diubah suai dan gelombang sinus tulen (pure sine wave). Ini meniru Arus Ulang-alik yang disediakan oleh grid utiliti kuasa, membolehkan penyelesaian sandaran penyepaduan mudah untuk membekalkan peralatan rumah biasa.
Penyongsang Gelombang Persegi (Square Wave Inverter)
Penyongsang gelombang persegi menghasilkan arus ulang alik yang berbentuk segi empat sama. Ia melibatkan dua langkah, seperti menukar suis positif dan suis negatif secara alternatif. Ia paling sesuai untuk aplikasi kepekaan rendah seperti pencahayaan dan pemanasan, tetapi tidak sesuai untuk peralatan elektronik dan rumah yang sensitif.
Gelombang persegi dua tahap mempunyai Herotan Harmoni Keseluruhan (Total Harmonic Distortion) ~45%.
Dalam era digital, gelombang persegi tidak digunakan untuk penjanaan kuasa.
Penyongsang Gelombang Sinus Diubahsuai (Modified Sine Wave Inverter)
Untuk menghasilkan gelombang sinus yang lebih hampir menyerupai gelombang sinus, gelombang sinus diubah suai adalah serupa dengan gelombang persegi, tetapi menambah selang sifar volt (tahap tutup) di antara puncak. Bentuk gelombang menghasilkan bentuk gelombang tiga peringkat dengan selang sifar volt yang sama; voltan positif puncak; sifar volt; memuncak volt negatif dan kemudian sifar volt.
Sesetengah sinus yang diubah suai menghasilkan empat langkah bentuk gelombang dengan menambah satu lagi voltan perantaraan antara voltan sifar dan puncak, mewujudkan persamaan yang lebih hampir dengan gelombang sinusoidal sebenar.
Penyongsang gelombang sinus yang diubah suai biasanya murah dan sesuai untuk peralatan yang kurang sensitif seperti mentol pijar dan pemanas.
Namun disebabkan fakta bahawa gelombang sinus yang diubah suai masih tidak setulen gelombang sinus daripada penjana AC, ia masih boleh menyebabkan masalah dengan elektronik sensitif dan peralatan rumah. Berdengung boleh didengari daripada peralatan audio dan motor elektrik AC untuk perkakas rumah didapati berjalan kurang cekap (disebabkan tork berdenyut – pulsating torques) dan berjalan lebih panas. Gelombang berombak juga mempengaruhi peranti digital, pengawal dengan cip silikon dan terutamanya peranti yang mempunyai kawalan masa. Jumlah herotan harmonik (total harmonic distortion) juga tinggi (6.5-23%).
Penyongsang Gelombang Sinus( Sine Wave Inverter)
Biasanya dijenamakan sebagai penyongsang gelombang sinus tulen (pure sine wave inverter), penyongsang gred pengguna ini boleh menghasilkan arus ulang-alik yang sangat hampir dengan gelombang sinus grid kuasa yang dijana oleh penjana AC. Ketulenan masih bergantung kepada pengilang, dan selalunya merupakan yang paling mahal berbanding dengan penyongsang gelombang sinus yang diubah suai.
Dengan menambahkan lebih banyak langkah ke dalam modulasi bentuk gelombang, bentuk gelombang akan kelihatan lancar. Walaupun di bawah pembesaran gelombang, mungkin terdapat sedikit ketidak rata boleh diperhatikan. Untuk melicinkan lagi bentuk gelombang, kapasitor, induktor, penapis resonan dan transformer boleh digunakan. Komponen tambahan ini meningkatkan kos penyongsang.
Ini serupa dengan penukaran digital kepada analog musik audio. Dengan lebih banyak pensampelan, output bunyi analog yang terhasil akan menjadi lebih semula jadi atau hampir dengan sumber asal.
Penyongsang gelombang sinus tulen sesuai untuk elektronik dan peralatan sensitif.
Kegunaan lain penyongsang
Penyongsang kuasa biasa menukar arus DC kepada arus AC dengan frekuensi standard pada 50-60 Hz. Walau bagaimanapun, terdapat beberapa penyongsang boleh mengubah output atau output frekuensi pada frekuensi yang lebih tinggi, seperti penyongsang yang digunakan dalam pemampat penyaman udara dan motor dalam peralatan rumah. Menjalankan gelombang sinus yang lancar pada frekuensi yang lebih tinggi boleh menghasilkan kawalan motor yang lebih cekap (terutamanya tanpa berus dan motor aruhan) berbanding kitaran hidup-mati (on-off cycle) secara tradisional.
Penyongsang Kuasa dalam sistem PV Suria
Melainkan anda menggunakan satu voltan arus Terus nominal tunggal untuk semua peralatan anda daripada panel PV suria, bateri, pengawal cas dan beban anda…… anda memerlukan beberapa bentuk penyongsang untuk menguruskan perbezaan voltan dan keperluan arus antara peralatan .
Kebanyakan peralatan elektrik rumah menggunakan arus ulang alik biasa dari grid utiliti kuasa. Perkakas ini mudah didapati dari kedai tempatan, berbanding dengan peralatan yang berfungsi dengan arus terus.
Berdasarkan lampiran pada grid, terdapat penyongsang luar grid (off grid inverter), penyongsang pengikat grid (grid tie inverter) dan penyongsang hibrid (hybrid inverter). Beberapa penyongsang telah dijelaskan dalam bahagian awal di Bab 6: Kenali Sistem PV Solar Anda.
Penyongsang Luar Grid (Off Grid Inverter)
Penyongsang luar grid ialah penyongsang kuasa ringkas yang mengambil arus terus daripada bateri secara terus dan mengeluarkan arus ulang-alik ke beban anda. Mereka biasanya datang dalam kedua-dua jenis , iaitu gelombang sinus diubah suai dan pelbagai gelombang sinus tulen.
Julat kuasa boleh serendah penyongsang 100 Watt sehingga penyongsang 3000-5000 Watt. Penyongsang watt tinggi biasanya akan berfungsi dengan sistem bateri dengan nominal voltan yang lebih tinggi (cth. 24-48 volt atau lebih). Sistem bateri nominal voltan yang lebih rendah akan menghasilkan tarikan arus yang lebih tinggi yang menghilangkan sebahagian tenaga sebagai haba.
Adalah penting untuk menentukan anggaran penggunaan kuasa daripada beban yang anda inginkan sebelum menyambung kepada penyongsang. Penggunaan kuasa lebih daripada kuasa yang ditetapkan oleh penyonsang akan berisiko menjadi terlalu panas dan menyebabkan kebakaran. Juga kendalikan penyongsang dengan berhati-hati kerana keluaran voltan daripada penyongsang jauh lebih tinggi daripada bateri.
Penyongsang Berikat Grid (Grid-Tied Inverter)
Penyongsang diikat grid ialah penyongsang yang mengambil arus terus daripada panel PV suria (sama ada dalam konfigurasi rentetan atau selari), dan mengeluarkan arus ulang-alik yang disegerakkan ke talian kuasa rumah anda. Penyongsang jenis ini sangat popular memandangkan kesederhanaan dan kos pendahuluan yang kurang.
Memandangkan voltan lebih tinggi sedikit dibekalkan ke talian kuasa rumah, perkakas rumah yang aktif akan menggunakan kuasa daripada penyongsang berikat grid terlebih dahulu sebelum mengunnakan kuasa yang selainnya daripada grid. Ini akan mengurangkan jumlah cabutan kuasa daripada grid dan seterusnya mengurangkan bil elektrik bulanan anda. Sekiranya berlaku lebihan kuasa daripada penyongsang pengikat grid, kuasa lebihan akan ditolak semula (atau dijual) ke grid utiliti. Ia dipanggil pemeteran bersih.
Walau bagaimanapun, kerana tiada bateri ditambahkan ke dalam sistem anda bermakna tiada sandaran tenaga tersedia. Dengan mandat ciri anti-pulau (anti-islanding) oleh undang-undang untuk mengelakkan kemalangan elektrik kepada pekerja pembaikan wayar semasa bekalan elektrik terputus, keseluruhan sistem dimatikan apabila grid kuasa utama terputus.
Semua penyongsang terikat grid dilengkapi dengan Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (Maximum Power Point Trackin – MPPT) untuk memastikan penukaran pada kecekapan tertinggi.
Penyongsang terikat grid boleh datang dengan penarafan kuasa yang berbeza. Bergantung pada output kuasa panel PV solar anda, anda boleh memilih penyongsang Grid-Tied dengan penarafan kuasa lebih tinggi daripada output panel PV solar anda untuk mengelakkan penyongsang terlebih beban.
Penyongsang ini boleh menjadi sangat panas semasa operasi, oleh itu pastikan pengudaraan yang mencukupi tersedia di sekeliling penyongsang.
Penyongsang Hibrid (Hybrid Inverters)
Bagaimana jika anda mempunyai penyongsang terikat grid yang menjana kuasa tambahan kepada grid sementara masih mempunyai sandaran elektrik sendiri melalui sistem bateri yang membolehkan anda menghidupkan peralatan kritikal anda sekiranya berlaku masa terputus daripada grid kuasa utama? Memperkenalkan Penyongsang Hibrid atau biasa dikenali sebagai inverter on-grid dengan storan bateri. Perkahwinan antara sistem luar grid dan on-grid.
Penyongsang hibrid ialah peralatan yang lebih maju dan pintar yang berfungsi sebagai rumah pengawal untuk keempat-empat sektor daripada panel PV solar penghasil kuasa, sistem storan Bateri, peralatan Rumah Bersambung (Beban) dan grid kuasa. Ia biasanya datang dalam kuasa tinggi seperti penyongsang 1KW – 20Kw dengan pengawal mikro untuk mengawal penghantaran kuasa antara sektor.
Dengan penyongsang hibrid yang baru, anda boleh menetapkan kelompok peralatan kritikal (yang harus dihidupkan sepanjang masa seperti peti sejuk, komputer, sistem rangkaian, pencahayaan kritikal dll) yang diasingkan daripada beban kerja bukan kritikal lain seperti TV, Mesin basuh , Penghawa dingin, Lampu Luar dan lain-lain. Pengasingan beban kerja kritikal dan tidak kritikal akan membolehkan penalaan halus penyelesaian sandaran anda dan memanjangkan hayat bateri. Ia tidak melindungi anda daripada pemadaman grid kuasa yang berlanjutan lama melainkan terdapat sumber kuasa sekunder yang lain seperti penjana elektrik sandaran.
Kelemahan sistem ini ialah kos. Penyelesaian hibrid adalah mahal.
Penyongsang Mikro (Micro Inverters)
Penyongsang Mikro meletakkan sistem penukaran kuasa pada setiap panel.
Penyongsang mikro ialah penyongsang kecil yang dipasang pada bahagian belakang panel PV suria, atau penyongsang di tapak yang berfungsi sebagai penyongsang pengikat grid di peringkat panel yang bebas antara satu sama lain. Penyongsang mikro disambungkan ke kabel biasa yang disambungkan ke grid kuasa.
Faedah utama penyongsang mikro ialah, pengoptimuman tahap panel. Memandangkan setiap penyongsang mikro dilekatkan pada setiap panel PV solar, oleh itu ia boleh melakukan pada kapasiti maksimum mereka tanpa mengira keadaan panel seterusnya. Adalah penting untuk ambil perhatian bahawa teduhan separa satu panel akan mengurangkan kecekapan keseluruhan rentetan yang sama dalam penyongsang rentetan.
Kesan teduhan separa dijelaskan di Bab 10: Ketahui kesan teduhan separa.
Penyongsang mikro dilengkapi dengan Penjejakan Titik Kuasa Maksimum (MPPT) untuk meningkatkan kecekapan penjanaan kuasa solar.
Namun, satu masalah, memandangkan penempatan penyongsang mikro kebanyakannya berada di belakang panel solar, penyelenggaraan penyongsang mikro yang rosak boleh menjadi rumit terutamanya di bahagian atas bumbung dan kawasan yang sukar diakses, di mana panel PV solar perlu ditanggalkan terlebih dahulu untuk mendedahkan Penyongsang Mikro.
Pengoptimum (Optimizers)
jika penyongsang Mikro hendak menukar Arus Terus daripada keluaran panel PV suria kepada Arus Ulang Alik yang membekalkan grid kuasa utama, maka Pengoptimum ialah penukar DC ke DC yang mempunyai fungsi MPPT untuk mengoptimumkan setiap panel PV solar.
Peranti kecil ini disambungkan kepada panel PV suria untuk mengoptimumkan setiap panel secara bebas dengan Penjejakan Titik Kuasa Maksimum, mengeluarkan Arus Terus malar ke dalam kabel biasa yang akhirnya akan berakhir dengan penyongsang biasa. Faedah utama pengoptimum adalah untuk mencapai pengoptimuman tahap panel dan mengurangkan kesan teduhan separa pada tatasusunan PV solar.
Ia mempunyai jangka hayat yang lebih baik daripada penyongsang mikro kerana hakikat bahawa pembinaan Pengoptimum adalah lebih mudah daripada penyongsang Mikro. Lebih banyak komponen, lebih banyak titik kegagalan. Dengan penambahan komponen penyongsang dalam setiap unit penyongsang mikro, kos peralatan meningkat.
Penukaran utama Arus Terus voltan rendah kepada Arus Ulang-alik voltan yang lebih tinggi dikendalikan oleh Penyongsang Pusat di lokasi yang lebih sejuk yang berasingan. Penyongsang boleh mengeluarkan jumlah haba yang ketara semasa penukaran kuasa aktif, yang boleh menjadi 3-6% daripada kuasa yang hilang sebagai haba. Penyongsang mikro di belakang panel PV solar di bawah matahari musim panas yang terik perlu lebih menderita. Yup, isu utama ialah panas.
Pengoptimum mempunyai kecekapan yang lebih besar 98-99% daripada penyongsang Mikro 93-96%. Walau bagaimanapun, jika kecekapan Pengoptimum adalah faktor dalam penyongsang pusatnya, ia akan menurun sedikit disebabkan oleh kecekapan penyongsang pusat itu sendiri. Oleh itu kecekapan sistem penyongsang Mikro dan pengoptimum dengan penyongsang pusat adalah hampir sama.
Walau bagaimanapun, pengoptimum bukan tanpa keburukan. Output pengoptimum masih tertakluk kepada keadaan kabel, jarak dan rintangan sebelum mencapai penyongsang pusat.
Memilih Inverter
Apabila memilih penyongsang yang sesuai, sama ada penyongsang off grid atau grid tie, anda mesti sentiasa memastikan ia serasi dengan beban yang anda gunakan. Beri perhatian kepada voltan, amperage dan kriteria kuasa pada helaian hamparan pembuatan peranti. Ada yang mempunyai nilai voltan dan watt optimum manakala sesetengahnya akan menyatakan tahap maksimum yang boleh diterimanya. Penyongsang yang terlalu diguna kuasanya akan berisiko menjadi terlalu panas, kebakaran dan kegagalan peranti awal.
Komponen kritikal seperti litar bersepadu, kapasitor dan mosfet akan gagal lebih awal apabila menghadapi voltan atau arus yang lebih tinggi daripada yang disyorkan.
Dalam sistem off grid, apabila penyongsang disambungkan kepada bateri, pastikan bateri boleh menghasilkan voltan dan arus yang mencukupi yang ditetapkan pada penyongsang. Sesetengah bateri mempunyai nilai amperage berterusan dan amperage puncak yang berbeza. Mennyahcas bateri secara berterusan pada arus puncaknya akan memberi kesan pada jangka hayatnya, terutama akan berlaku sulfaction dalam bateri asid plumbum jenis dibanjir.
Ingat apabila bateri telah nyahcaskan, voltan akan menjadi lebih rendah dan ia perlu mengalirkan lebih banyak arus untuk mengimbangi pengunaan kuasa.
Pengiraan beban adalah sangat penting untuk penyongsang luar grid. Jangan pasang peranti suria yang akan menghasilkan lebih banyak kuasa daripada apa yang boleh ditukar oleh penyongsang. Jika anda mempunyai peranti suria 1000W, anda perlu menyambung kepada penyongsang yang mampu mengunakan kuasa lebih daripada 1000W, lebih baik penyongsang 1200Watt dan ke atas, jika anda mengambil kira kecekapan penukaran 85-95%. Pada cabutan kuasa tinggi, penyongsang akan berjalan lebih panas dan seterusnya kehilangan tenaga yang ketara melalui haba.
Dalam penyongsang pengikat grid, nilai keluaran panel PV suria dipertimbangkan. Pertimbangan penting kepada Voc (Voltan semasa litar terbuka) dan Isc (Arus semasa litar pintas). Ini akan menjadi nilai yang diambil sebagai maksimum yang boleh ditolak ke arah penyongsang anda. Di kawasan yang lebih sejuk seperti kawasan rawan musim sejuk, pertimbangan tambahan untuk memastikan Voc yang diperbetulkan dikaitkan dengan suhu untuk mengelakkan risiko lebihan voltan kerana panel PV suria akan menghasilkan voltan yang lebih tinggi pada suhu yang lebih sejuk di bawah keadaan ujian standard 25 darjah Celsius.
Jika anda menyambungkan panel PV suria secara bersiri, Voc akan menambah. Jika anda menyambungkan panel PV suria secara selari, Isc akan bertambah. Pastikan penyongsang pengikat grid yang disambungkan boleh mengendalikannya.
Bab Seterusnya >> Bab 17: Ketahui bagaimana untuk memantau output kuasa solar PV anda