Konversi AC ke DC untuk Lampu Jalan: Panduan Kejuruteraan

Apa sebenarnya yang terlibat dalam proses konversi ini?

Sirkuit lampu jalan yang menggunakan arus AC terdiri daripada tiga komponen utama: sumber tenaga dari grid, perangkat kawalan (pemandu atau ballast), dan lampu itu sendiri. Lampu jalan solar yang menggunakan arus DC menggantikan ketiga-ketiga komponen tersebut. Panel solar menghasilkan arus DC secara langsung; pengawal pengecasan mengatur aliran arus tersebut ke dalam bateri jenis LiFePO4 (lithium iron phosphate). Bateri ini lebih tahan terhadap penggunaan berulang kali dan mampu mengekalkan kapasitinya lebih lama berbanding bateri jenis lead-acid; lampu LED kemudian mengambil tenaga dari bateri tersebut. Dalam proses ini, tidak ada komponen yang memerlukan penyearah.

Penjelasan tentang penyearah dan penapis pada halaman asal tersebut menerangkan tentang sumber kuasa AC/DC yang beroperasi menggunakan grid elektrik. Peranti keras tersebut hanya mempunyai satu fungsi sahaja, iaitu untuk menyediakan kuasa DC kepada peralatan seperti kamera CCTV, skrin paparan maklumat, atau modul komunikasi, tanpa memerlukan bateri sebagai penghubung antara sumber kuasa AC dan peralatan tersebut. Jika itu adalah kegunaan anda, maka anda memerlukan sebuah penyearah, bukan sistem tenaga suria.

Empat masalah utama yang mendorong keperluan untuk melakukan penggantian (retrofit)

Kebanyakan pertanyaan berkaitan penggantian peralatan yang kami terima bermula daripada salah satu daripada empat masalah yang terdapat pada rangkaian AC yang sedia ada. Keterukannya tidak sama, dan adalah penting untuk mengurutkan masalah-masalah tersebut sebelum membelanjakan wang.

• Peralatan yang sudah lama dan pencahayaan yang redup. Lampu yang menggunakan teknologi natrium bertekanan tinggi atau LED generasi pertama sudah tidak memenuhi standard pencahayaan yang terkini. Penggunaan lampu LED jenis DC dapat memulihkan kualiti pencahayaan, tetapi langkah pertama yang perlu dilakukan adalah melakukan pengiraan keperluan pencahayaan berdasarkan kelas jalan raya yang ditentukan (seperti standard EN 13201 di Eropah atau garis panduan IES di Amerika Utara) sebelum memesan sebarang peralatan baru.
• Sistem kabel yang rumit dan tidak terdokumentasi dengan baik. Apabila kawasan-kawasan tersebut disambungkan dengan kabel yang berbeza oleh kontraktor yang berbeza pada tahun-tahun yang berbeza, proses pengenalpastian masalah sering kali memerlukan kos yang lebih tinggi daripada manfaat yang diperoleh dari penjimatan tenaga. Penggunaan unit solar yang berdiri sendiri dapat menghilangkan keperluan untuk sistem kabel yang kompleks; kegagalan satu unit solar tidak akan mempengaruhi keseluruhan sistem pencahayaan.
• Kepelbagaian model lampu dan ketidakserasian komponen penggeraknya. Kepelbagaian model lampu serta ketidakserasian komponen penggeraknya menyebabkan proses penggantian lampu yang sepatutnya hanya memakan masa 20 minit menjadi proses yang memerlukan proses pembelian komponen yang baru. Dengan menstandardkan penggunaan satu jenis lampu LED DC bersama komponen penggerak yang serasi, masalah ini dapat diatasi. Ini merupakan penyelesaian dari aspek pengurusan pembelian, bukan dari aspek teknologi.
• Kawalan menggunakan timer atau secara manual. Penggunaan sensor cahaya (photocell) dan sistem kawalan berdasarkan waktu merupakan ciri standard pada setiap lampu LED DC yang kami buat. Namun, ini hanyalah masalah yang paling kecil di antara empat masalah yang disebutkan, dan tidak seharusnya menjadi alasan utama untuk membuat perubahan dalam strategi perniagaan.

Di mana konversi tersebut sesuai – dan di mana ia tidak sesuai

Pertama sekali, apabila menerima permintaan untuk kerja pembaikan (retrofit), kami memerlukan maklumat mengenai pos penangkap tenaga suria (pole survey), gambar-gambar yang menunjukkan tahap peneduhan, serta kadar tarif utiliti. Berdasarkan maklumat tersebut, kami akan mengira keperluan pencahayaan dan jangka masa penggunaan sistem tenaga suria (autonomy calculation). Berikut adalah jadual keputusan yang kami gunakan:

Sebuah tapak yang sudah mempunyai sistem bekalan kuasa (AC), tiang pembesar suara, dan kadar tarif yang rendah masih boleh dinaik taraf—dengan menggunakan lampu yang lebih baik pada sistem bekalan kuasa sedia ada, bukan menggunakan tenaga solar. Namun, dengan membuat cadangan tersebut, kami kehilangan peluang untuk mendapatkan projek di tapak tersebut, tetapi ia dapat menjimatkan pelanggan daripada perlu mengganti bateri selama satu dekad.

Parameter sistem pencahayaan DC yang biasa

Nilai-nilai di bawah ini merupakan lingkungan tipikal untuk produk kami, bukan harga sebenar. Saiz akhir sistem ditentukan berdasarkan pengiraan keperluan pencahayaan dan jangka masa operasi tanpa sumber tenaga solar:

Peraturan penurunan voltan yang diabaikan oleh halaman asal Tuduhan asal menyatakan bahawa penghantaran arus searah (DC) mempunyai kehilangan tenaga yang lebih rendah berbanding penghantaran arus ulang-alik (AC). Pada tahap tiang penyangga, ini benar—rangkaian arus searah tidak melibatkan penggunaan transformator atau kehilangan tenaga yang disebabkan oleh faktor reaktif—tetapi terdapat syarat yang tidak dinyatakan dalam tuduhan tersebut: pada voltan 12 V, arus yang mengalir sangat tinggi, dan kehilangan tenaga akibat geseran pada kabel meningkat seiring dengan kuasa dua nilai arus tersebut. Sebuah beban seberat 60 W pada voltan 12 V akan mengalirkan arus sebanyak 5 A. Jika arus tersebut dihantar melalui kabel yang berukuran kecil sejauh 30 meter, kecerahan lampu akan berkurangan dengan ketara.

Sebagai contoh pengiraan: Dengan menggunakan nilai resistiviti tembaga yang standard, arus sebanyak 5 A yang mengalir melalui kabel berukuran 4 mm² sejauh 30 meter akan menyebabkan penurunan voltan sekitar 1.3 V, iaitu kira-kira 11% daripada voltan asal (12 V). Penurunan voltan ini cukup untuk menyebabkan komponen elektronik yang digunakan dalam lampu beroperasi pada tahap yang tidak optimum (hampir pada batas maksimumnya). Inilah prinsip yang perlu kita pertimbangkan dalam setiap pernyataan atau analisis teknikal.

1. Pastikan jarak antara setiap bahagian sistem adalah kurang daripada 15 meter, atau ubah sistem kepada penggunaan voltan 24 V.
2. Hitung terlebih dahulu penurunan voltan berdasarkan jadual kabel yang sebenar sebelum membuat pesanan kabel, bukan selepasnya.
3. Gunakan teknologi MPPT (Maximum Power Point Tracking) apabila jarak antara panel suria dan bateri adalah panjang; teknologi ini membolehkan panel suria beroperasi pada voltan yang lebih tinggi dan mengubah voltan tersebut ke tahap yang sesuai di dekat bateri, seterusnya mengurangkan arus yang mengalir dalam kabel. Kalkulator saiz pengawal kami (/app-a7-controller-sizing) akan melakukan pengiraan ini berdasarkan panel suria, jenis bateri, dan jarak antara panel dengan bateri.

Apabila anda benar-benar memerlukan inverter (DC → AC)

Beberapa projek pembaikan memerlukan bekalan kuasa jenis AC di tempat yang ditentukan (seperti kamera, skrin, atau sensor yang menggunakan penyesuai AC). Dalam kes ini, tambahkan inverter di antara bateri dan beban, dan inverter tersebut akan menyesuaikan frekuensi serta voltan keluaran kuasa mengikut keperluan. Berikut adalah tiga peraturan penting dalam proses pembinaan sistem tersebut:

• Gelombang sinus murni untuk kegunaan elektronik. Inverter jenis “modified-square” boleh menyebabkan masalah pada beberapa komponen elektronik dan sistem bekalan kuasa jenis “switch-mode”.
• Saiz inverter perlu disesuaikan dengan beban berterusan, bukan beban puncak. Menggunakan inverter yang direka untuk menangani beban puncak yang sebenarnya tidak pernah terjadi adalah pembaziran wang, kerana inverter tersebut akan terus beroperasi dalam keadaan tidak berfungsi (idle).
• Perhatikan penggunaan tenaga semasa keadaan tidak berbeban. Sebuah inverter berkuasa 200 W yang masih menggunakan 5–10 W tenaga walaupun tidak ada beban boleh menghabiskan bateri dalam masa semalaman. Pada sistem autonomi yang mempunyai ruang terhad, penggunaan tenaga semasa keadaan tidak berbeban boleh menentukan berapa lama sistem tersebut boleh beroperasi (3 malam atau 4 malam).

Kelebihan sebenar sistem AC adalah keupayaannya untuk menghantar tenaga jarak jauh pada voltan yang tinggi, namun kelebihan ini tidak relevan jika sistem hanya menggunakan satu tiang penyaluran kuasa. Di tempat di mana sistem grid yang stabil sudah ada, menghubungkan peralatan AC secara langsung lebih baik daripada menambahkan kerugian akibat penggunaan inverter, terutama kerugian yang terjadi semasa proses penghantaran tenaga melalui bateri.

Aspek ekonomi yang jujur…

Terdapat tiga faktor utama yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan sistem AC:

• Tiada bil elektrik bulanan untuk penggunaan lampu. Ini benar untuk unit DC yang berdiri sendiri. Bateri yang digunakan sebagai simpanan cadangan perlu diganti setiap 5 hingga 8 tahun, bergantung pada keadaan cuaca dan tahap penggunaan bateri. Anggarkan kos penggantian bateri sebagai perbelanjaan operasi, bukan sesuatu yang mengejutkan.
• Penjimatan kos berbanding dengan penggunaan sistem AC bergantung pada kadar tarif elektrik dan kos pembinaan saluran kabel. Jika bekalan elektrik dari grid sampai ke tiang tanpa perlu membina saluran kabel, tempoh pulangan modal untuk sistem solar lebih lama daripada satu dekad. Namun, jika perlu membina saluran kabel sepanjang 300 meter di atas jalan yang telah dilapisi, sistem solar lebih menguntungkan. Jangan membuat sebarang perbandingan tanpa mengetahui butiran kadar tarif dan laluan kabel terlebih dahulu.
• Tuntutan mengenai jangka hayat peralatan perlu ditinjau dengan teliti. Sistem LED DC bertahan lebih lama daripada sistem lampu AC yang menggunakan bateri natrium, terutamanya kerana sumber cahaya LED memudar dengan perlahan; namun komponen utama yang membatasi jangka hayat peralatan adalah penguat isyarat (driver) dan bateri—kedua-duanya boleh diganti, berbeza dengan peralatan yang tidak boleh diganti.

Apa yang tidak dibincangkan dalam halaman ini:

Halaman ini membincangkan reka bentuk sistem pencahayaan jalan raya dan taman untuk tujuan penggantian (retrofit). Ia tidak meliputi inverter tenaga suria yang bersambung ke grid, lampu jalan hibrid dengan bekalan kuasa sandaran jenis AC, stesen penyearah voltan -48V untuk kegunaan telekomunikasi, atau sistem UPS (Uninterruptible Power Supply) yang digunakan dalam industri. Untuk menentukan saiz peralatan yang diperlukan untuk penggantian tersebut, mulakan dengan kalkulator penentuan saiz kawalan; untuk melihat senarai peralatan keras yang tersedia, lihat barisan lampu jalan suria all-in-one. Jika masalah sebenar di tapak anda adalah keadaan yang gelap akibat bayangan, bukan masalah bekalan kuasa jenis AC, kaedah pemasangan panel suria yang berasingan (/solutions-shaded-areas-solution) biasanya merupakan penyelesaian yang lebih murah. Maklumat lanjut mengenai perbezaan antara teknologi MPPT dan PWM dalam penggunaan kawalan lampu boleh didapati di MPPT vs PWM: How to Choose.