شارژ کنترلر خورشیدی

آشنایی با شارژ کنترلر خورشیدی

شارژ کنترلر خورشیدی در سیستم‌های مستقل از شبکه استفاده می‌شوند، تا باتری‌ها را در بالاترین حالت شارژ نگه دارند، بدون اینکه آنها را بیش از حد شارژ کنند تا از آسیب باتری جلوگیری شود. یک کنترل‌کننده شارژ خورشیدی خوب می‌تواند عمر باتری را افزایش دهد، در حالی که یک کنترل‌کننده شارژ با کیفیت پایین می‌تواند باعث خرابی باتری شود و باعث شود کل سیستم مستقل از شبکه خاموش شود. کنترل کننده های شارژ خورشیدی معمولاً تنظیم کننده شارژ خورشیدی نیز نامیده می شوند.

وظیفه شارژ کنترلر خورشیدی

شارژکنترلر خورشیدی، جریان شارژ و دشارژ باتری‌ها را کنترل می‌کند.  شارژ کنترلرها انرژی الکتریکی را از سمت پنل دریافت کرده و آنرا متناسب با ولتاژ باتری تثبیت کرده و سپس اقدام به شارژ باتری می‌نمایند. علاوه بر این آنها برخی از دیگر پارامترهای مورد نیاز از جمله جلوگیری از شارژ یا تخلیه بیش از حد باتری را نیز کنترل می‌کنند.

زمانی که نور خورشید زیاد می شود پنل خورشیدی هم ولتاژ بیشتری تولید می کند و ولتاژ بیش از حد پنل خورشیدی می تواند به باتری ها آسیب برساند. برای تامین یک ولتاژ مناسب جهت شارژ باتری ها از شارژ کنترلر استفاده می شود. بعلاوه زمانی که باتری به حالت فول شارژ یا شارژ کامل می رسد، کنترل شارژر پنل خورشیدی با قطع کردن شارژ باتری مانع از پر شدن بیهوده باتری می شود و بدین ترتیب نقش مهمی در حفظ طول عمر باتری خواهد داشت.

انواع شارژ کنترلر خورشیدی

از نظر مدولاسیون PWM و MPPT دو مدل شارژکنترلر خورشیدی هستند که در راندمان با یکدیگر تفاوت دارند.

شارژ کنترلر PWM 

شارژ کنترلر PWM یا Pulse Width Modulation (مدولاسیون پهنای باند) مانند هر شارژ کنترلر دیگر، نقش کنترل شارژ و دشارژ باتری‌ها را ایفا می‌کنند. این نوع دستگاه‌ها، ولتاژ ورودی باتری را به صورتی مورد تنظیم قرار می‌دهند که به باتری‌ها آسیبی وارد نشود. شارژ کنترلرهای PWM، میزان شارژ باتری‌ها را لحظه به لحظه کنترل می‌کنند و طبق آن، میزان جریان مورد نیاز را مورد تغییر قرار می‌دهند. در واقع، هر قدر که باتری به حالت شارژ کامل نزدیک‌تر می‌شود، میزان جریان یا شارژ باتری توسط شارژ کنترلر PWM کمتر می‌گردد.

شارژ کنترلر MPPT

شارژ کنترلرهای MPPT یا Maximum Power Point Tracking (ردیابی نقطه حداکثر توان) به دنبال توان حداکثر یا ماکزیمم هستند. این نوع شارژ کنترلرها، خروجی DC پنل‌های خورشیدی را دریافت می‌کنند و آن را به سیگنال AC با فرکانس بالا تبدیل می‌نمایند. شارژ کنترلر های MPPT پس از این تبدیل، سیگنال AC مورد نظر را به ترانسفرماتورها می‌دهند تا آن را به ولتاژ مناسب تبدیل نمایند. سپس این شارژ کنترلرها سیگنال AC را به DC مورد نیاز برای شارژ باتری تبدیل می‌نمایند تا توان حداکثری یا ماکریمم توان را مورد استفاده قرار داده باشند.

تفاوت شارژ کنترلر PWM و MPPT

شارژ کنترلر PWM برای نیروگاه خورشیدی کوچک (زیر یک کیلووات) استفاده میشود و راندمان 70 درصد دارد. یعنی در صورتی که پنل خورشیدی 100 وات به آن متصل کنید در قسمت خروجی 70 وات توان دریافت خواهید کرد.

شارژ کنترلر MPPT برای نیروگاه های بزرگ (بیش از یک کیلووات) استفاده میشود و راندمان 98 درصد دارد.یعنی در صورتی که پنل خورشیدی 100 وات به آن متصل کنید در قسمت خروجی 98 وات توان دریافت خواهید کرد.

بنابراین شارژ کنترلرهای MPPT دارای حداقل 20 درصد راندمان شارژ بیشتر نسبت به نمونه های PWM هستند اما این دلیلی بر استفاده نکردن از PWM ها نیست زیرا باید فاکتورهایی مانند شرایط محل نصب پنل ها ، اندازه سیستم ، توان تولید و قیمت در نظر گرفته شود. قیمت PWM ها خیلی کمتر از MPPT هاست.

ظرفیت شارژ اولین مورد تمایز بین MPPT و PWM است. با وجود اینکه فناوری MPPT را می توان برای شارژ با ظرفیت بالا مورد استفاده قرار داد؛ اما PWM سنتی تر است و به همین دلیل برای شارژ با ظرفیت کمتر از نقطه نظر ولتاژ خروجی مناسب است. با این وجود معیارهای مختلف اضافی مانند شرایط محیط، اجزای سیستم، اندازه بار آرایه و بودجه کاربر نیز بر انتخاب بین این دو فناوری تأثیر می‌گذارند.

دما به عنوان یک عامل

فناوری MPPT را می توان هم در محیط های آفتابی و هم در محیط های سرد مورد استفاده قرار داد. وقتی دمای کار ماژول خورشیدی کاهش می یابد، ولتاژ نقطه حداکثر توان پنل های خورشیدی در شرایط استاندارد آزمایشی حدود 17 ولت است (STC = 25 درجه سانتیگراد)، در حالیکه ولتاژ باتری در این حالت 13.5 ولت است. دستگاه کنترل کننده MPPT می تواند ولتاژ اضافی ماژول را گرفته و از آن برای شارژ باتری استفاده کند. در نتیجه یک دستگاه کنترل کننده MPPT می تواند 25 تا 30 درصد بیشتر از یک کنترل کننده PWM در دماهای سرد، باتری را شارژ کند.

از طرف دیگر، یک دستگاه کنترل‌ کننده PWM نمی‌ تواند ولتاژ اضافی را جذب کند؛ زیرا فناوری مدولاسیون پهنای باند با ولتاژی مشابه باتری شارژ می‌شود. در نتیجه در آب و هوای گرم از این نوع پنل های خورشیدی استفاده می شود.

از سوی دیگر چون VMP این سیستم ها شدیداً کاهش می یابد؛ لذا نقطه اوج توان با ولتاژی نزدیک به ولتاژ باتری 12 ولت کار می کند. در این صورت دیگر کنترل کننده MPPT مورد نیاز نیست؛ زیرا هیچ ولتاژ اضافی برای تحویل به باتری وجود ندارد و همین امر مزیت فناوری MPPT را نسبت به PWM نفی می کند.

اندازه سیستم

اندازه سیستم انرژی خورشیدی عامل بسیار مهمی است که باید در هنگام انتخاب دستگاه کنترل شارژ در نظر گرفته شود. دستگاه های کنترل شارژ MPPT برای کاربردهای حرفه ای مناسب هستند. تنظیم کننده های شارژ PWM می توانند عملکرد کافی را در دستگاه های ساده ای که به قابلیت های اضافی نیاز ندارند، ارائه دهند. تفاوت راندمان بین PWM و MPPT نمی تواند تفاوت قیمت را در پروژه های کوچک توجیه کند. با این حال تأثیر قابل توجهی بر راندمان سیستم پروژه های بزرگ دارد.

از طرف دیگر MPW برای سیستم های کم مصرف مناسب نیست، و PWM برای این کار مناسب تر است؛ زیرا:

• PWM برای برداشت تحت یک راندمان ثابت کار می کند؛ بنابراین سرعت آن به اندازه آرایه بستگی ندارد.
• PWM در مقایسه با فناوری MPPT قیمت پایین تری دارد؛ به همین دلیل برای کاربران با بودجه محدود مناسب است.
• MPPT در هنگام استفاده در وسایل کم مصرف، راندمان پایینی دارد. حد پایین توصیه شده برای استفاده از فناوری MPPT به جای PWM از نظر توان حدود 180 وات و از نظر ولتاژ 8 ولت است.

تفاوت در اصول کارکرد آنها

MPPT

تفاوت اصلی بین MPPT و PWM این است که PWM مدار را به سادگی متصل می کند و خروجی پنل خورشیدی را به ولتاژ باتری کاهش می دهد.

MPPT از دو مدار مجزا تشکیل می شود که به هر چیزیکه وارد آن می شود اجازه می دهد تا قبل از رسیدن به خروجی، در سطحی متفاوت از رایانه عبور کند. این سیستم از نظر فناوری پیشرفته ‌تر است؛ به همین دلیل باعث می شود تا باتری ‌ها با راندمان بالاتری شارژ شوند.

فرض کنید ما 200 وات برق داریم که به سمت ورودی تنظیم کننده یا کنترل کننده MPPT می رود. اگر باتری برای شارژ به 15 ولت نیاز داشته باشد؛ سیستم MPPT ابتدا 200 وات را بر خروجی 15 ولت مورد نیاز تقسیم می‌کند و سپس همان مقدار برق را (منهای مقدار کمی درجه ناکارآمدی) تولید می‌ کند. در این حالت خروجی آن 15 ولت و تقریباً 18 آمپر است؛ به همین دلیل می توان گفت از کل انرژی پنل خورشیدی استفاده شده است که به معنی افزایش چشمگیر راندمان آن است.

یکی دیگر از مزایای MPPT مربوط به ردیابی نقطه حداکثر توان است. با عبور ابر از بالای پنل خورشیدی، خروجی آن به طور قابل توجهی کاهش می یابد؛ اما تنظیم کننده MPPT خروجی پنل را ردیابی می کند، نقطه حداکثر توان را اسکن کرده و آن را به عنوان خروجی تحویل می دهد. این کاری است که یک تنظیم کننده PWM نمی تواند انجام دهد.

خواه پنل خورشیدی گرم شود یا کارایی خود را از دست بدهد و خواه ابرها از بالای پنل عبور کنند یا کمی سایه بر روی پنل تشکیل شود؛ MPPT همیشه می تواند حداکثر توان را تولید کند.

PWM

فناوری PWM (مدولاسیون پهنای باند) روشی است برای تولید سیگنال های خروجی فرکانس پایین از پالس های فرکانس بالا. خروجی فرکانس پایین در واقع میانگین ولتاژ در طول زمان سوئیچینگ است که در آن ولتاژ خروجی پایه اینورتر به سرعت بین ولتاژهای بالاتر و پایین تر ریل DC تغییر می کند.

از طرف دیگر، رویکردهای آنالوگ، مدولاسیون سیگما- دلتا و سنتز دیجیتال مستقیم نیز گزینه هایی برای تولید سیگنال های مدولاسیون پهنای باند هستند.

مقایسه دو سیگنال کنترل یعنی سیگنال حامل و سیگنال مدولاسیون، یکی از ساده ترین راه ها برای تولید سیگنال PWM است. PWM مبتنی بر حامل، اصطلاحی است برای توصیف این شکل از PWM. سیگنال حامل در واقع یک شکل موج مثلثی با فرکانس بالا (فرکانس سوئیچینگ) است. به عبارت دیگر می توان از هر شکلی برای سیگنال مدولاسیون استفاده کرد.

با استفاده از این روش، شکل موج خروجی می تواند یک نمایش PWM از هر شکل موج دلخواه باشد. رایج ترین شکل موج در ماشین ها، به صورت سینوسی و ذوزنقه ای است.

چرا فناوری MPPT از PMW بهتر است؟

فناوری MPPT دارای مزایای بی شماری است و به همین دلیل برای بسیاری یک انتخاب عالی است. برخی از مزایای آن عبارتند از:

• از آنجاییکه یک تکنولوژی مدرن تر است؛ بنابراین راندمان آن نسبت به تنظیم کننده های PWM به مراتب بالاتر می باشد.
• از خروجی پنل خورشیدی به طور کامل استفاده می کند. چون این دستگاه ها غیرفعال هستند؛ بنابراین با کاهش ولتاژ، جریان را به حداکثر می رسانند.
• در مقایسه با سایر فناوری ها، در شرایط نور کم، روزهای ابری و غیره، همچنان راندمان خود را حفظ می کنند.
• این دستگاه با در نظر گرفتن ولتاژ خورشیدی در مقیاس بالا ساخته شده است. در نتیجه می توان از یک پنل خورشیدی با ولتاژ بسیار بالا برای دستیابی به مقدار کمتری از افت ولتاژ استفاده کرد.

قیمت شارژ کنترلر

کنترل‌ ‌کننده های MPPT گران‌ تر هستند؛ اما در تعداد پنل‌ ها انعطاف پذیری بیشتری دارند. در اینجا ولتاژ ماژول PV برای مطابقت با بانک باتری کاهش می یابد و باعث افزایش آمپر جریان می شود. در نهایت افزایش آمپر باعث سریعتر شدن شارژ باتری می گردد.

این دستگاه های کنترل شارژ خورشیدی به طور خودکار با استفاده از معادله P = V x I تنظیم می شوند. در نتیجه برخلاف سیستم های PWM، توان بیشتری (بدون افت راندمان) برای شارژ باتری دریافت خواهید کرد.

دستگاه کنترل کننده MPPT به آرایه پنل اجازه می دهد تا ولتاژ آن نسبت به بانک باتری بیشتر باشد. این امر در مناطقی با تابش کم بسیار مهم است؛ به ویژه در زمستان که ساعات روز بسیار محدود و کوتاه است.

آنها در مقایسه با سیستم های PWM تا 30 درصد راندمان شارژ را افزایش می دهند. در ضمن به دلیل انعطاف پذیری بیشتر، گسترش سیستم آسان تر خواهد شد. این مزیت برای موسسات تجاری بسیار مهم است. حتی ضمانت سیستم های MPPT نسبت به PWM طولانی تر است.

در باتری های با خروجی بالا، باید به جای PWM از MMPT استفاده شود. این سیستم کارایی و توان عملیاتی دستگاه را بهبود می بخشد و استفاده از آن را آسانتر می کند. با این حال PWM باید برای دستگاه های کم مصرف مورد استفاده قرار بگیرد؛ زیرا در غیر این صورت چندان کارآمد نیست.

مزایا و معایب MPPT و PWM

مزایای MPPT

• از آنجایی که فناوری آنها مدرن تر است؛ لذا به طور قابل ملاحظه‌ای کارآمدتر از تنظیم کننده های PWM هستند.
• این سیستم ها معمولاً از خروجی پنل خورشیدی به طور کامل استفاده می کنند. چون آنها دستگاه های غیرفعال هستند؛ پس با کاهش ولتاژ جریان را به حداکثر می رسانند.
• در مقایسه با سایر فناوری ها در شرایط نور کم، روزهای ابری و غیره، همچنان راندمان خود را حفظ می کنند.
• این دستگاه با در نظر گرفتن ولتاژ خورشیدی در مقیاس بالا ساخته شده است. در نتیجه می توان از یک پنل خورشیدی با ولتاژ بسیار بالا برای دستیابی به مقدار کمتری از افت ولتاژ استفاده کرد.

معایب MPPT

• فناوری MPPT در مقایسه با PWM بسیار گران است. معمولاً قیمت آنها دو تا سه برابر دستگاه های PWM می باشد.
• اندازه آن در مقایسه با فناوری PWM بسیار بزرگتر است. در نتیجه نگهداری، حمل و نقل و جابجایی بسیار دشوار خواهد بود.
• طول عمر آنها به طور قابل توجهی کمتر از دستگاه های PWM است؛ زیرا نسبت به آنها قطعات الکتریکی بیشتری دارند.
• MPPT برای شبکه های خورشیدی کم مصرف مناسب نیست. در واقع تنها زمانی باید از آن استفاده کرد که ولتاژ شبکه پنل خورشیدی بیشتر از 8 ولت باشد. در غیر این صورت، در مقایسه با سیستم های PWM کارایی بسیار کمتری دارند. اما در دستگاه های با ولتاژ بالا عکس این موضوع صادق است و این دستگاه ها بسیار کارآمدتر هستند.

مزایای PWM

• PWM در مقایسه با MPPT بسیار مقرون به صرفه است. زیرا این سیستم ها معمولاً دو تا سه برابر ارزانتر از سیستم های MPPT هستند.
• مصرف برق بسیار پایین تری نسبت به MPPT دارد.
• در دستگاه های کم مصرف، راندمان آن تقریباً ۹۰ درصد است.
• در هنگام وامدوله سازی، سیگنال و نویز را به راحتی می توان جدا کرد.
• حمل و نقل این دستگاه در توان های بالا راحت است.
• خروجی با فرکانس بالا را می تواند تحویل بدهد.
• به راحتی گرم نمی شود.
• نویز مرتبط با آن بسیار کم است.
• در مقایسه با MPPT کمتر نیاز به فیلتر کردن دارد.
• دامنه و فرکانس را می توان مستقل از یکدیگر کنترل کرد.

معایب PWM

• مدار بسیار پیچیده ای دارد. وقتی مدار با خروجی آن مقایسه می شود؛ همه چیز خیلی مبهم می شود.
• افزایش ناگهانی و مرتب ولتاژ در اینجا یک مشکل اصلی است.
• وجود یک وسیله نیمه هادی برای کارکرد سیستم ضروری است.
• این دستگاه ها یک رابط فرکانس رادیویی ایجاد می کنند که چندان با محیط زیست سازگار نیست.
• به سرعت نویز الکترومغناطیسی ایجاد می کنند.
• در صورت استفاده از آنها برای اهداف ارتباطی، پهنای باند باید زیاد باشد.
• توان خروجی لحظه ای در طول کارکرد آن بسیار متغیر است.

نکته :در هنگام نصب برای جلوگیری از صدمات احتمالی به سیستم اولین اتصال باید شارژ کنترلر به باتری ها باشد و سپس شارژ کنترلر به پنل خورشیدی و در هنگام قطع آخرین اتصالی که قطع می کنیم باید شارژ کنترلر و باتری باشد.

مراحل کار کنترل شارژ باتری

بیشتر شارژ کنترلرهای بازار این سه مرحله را برای شارژ باتری ها انجام می دهند :

1- مرحله BULK ( شارژ حداکثری)

در این مرحله ولتاژ تا حد ولتاژ BULK (معمولاً بین ۱۴٫۲ تا ۱۴٫۶ ولت ) زیاد می شود و بیشترین جریان برای شارژ باتری ها کشیده می شود اما جریان در این مرحله ثابت است و تا ولتاژ باطری ها به ۸۰ الی ۹۰ درصد ولتاژ شارژ کامل برسد ادامه دارد. زمان این مرحله تقریبا نیمی از زمان شارژ باتری می باشد و بیشترین شارژ باتری در این مرحله اتفاق می افتد ( در این مرحله ولتاژ متغییر و جریان ثابت است )

2- مرحله ABSORPTION  (شارژ کامل)

در این مرحله ولتاژ شارژ در حد همان ولتاژ BULK باقی می ماند برای یک زمان معین ( معمولاً یک یا دو ساعت ) تا هنگامی که جریان به کمترین حد خود برسد یعنی باتری به اشباع برسد. انتقال از مرحله BULK به مرحله ABSORPTION  به ارامی صورت می گیرد بدلیل اینکه ولتاژ دو مرحله تقریباً با یکدیگر برابر است ( در این مرحله جریان متغییر و ولتاژ ثابت است )

3- مرحله FLOAT ( شناوری)

زمانی که مرحله ABSORPTION  تمام شد ( معمولاً جریان شارژ به ۳ درصد جریان نامی برسد ) ولتاژ تا حد ولتاژ مرحله FLOAT ( معمولاً ۱۳٫۲ تا ۱۳٫۶ ولت) کاهش پیدا می کند. و باتری ها یک جریان خود نگه دار یا جریانی که از تخلیه باتری جلوگیری می کند از سیستم دریافت می کنند ( در این مرحله هم ولتاژ ثابت است و هم جریان )

روش های کنترل کننده شارژ

• کنترلر سری
• کنترلر موازی
• کنترلر MPPT

شارژ کنترلر سری (قطع پنل)

نحوه کار شارژ کنترل سری اینگونه است که در زمان شارژ شدن باتری مطابق شکل کلید S1 بسته شده و باتری شروع به شارژ شدن می شود. اساس کار کنترل شارژر سری بر اساس افت ولتاژ می باشد.

زمانی که شارژ باتری تکمیل شود، ولتاژ باتری افت پیدا می کند و در نتیجه کلید باز می شود. در این مدل از کنترل کننده های شارژ سری به علت باز و بست شدن زیادی کلید مدار آسیب های جدی به صفحات خورشیدی وارد می کند.

شارژ کنترلر موازی (اتصال کوتاه)

کنترل شارژر موازی با وارد کردن یک بار موازی یا اتصال کوتاه در دو سر پنل خورشیدی باعث جلوگیری از ورود جریان به سیستم می شود. روش اتصال کوتاه توسط کنترل کننده های شارژ موازی مشکلی برای پنل برخلاف شارژ کنترل سری بوجود نمی آورد.

استفاده از شارژ کنترلر های موازی تنها ممکن است باعث ایجاد حرارت بشود که آسیب قابل ملاحضه ای به پنل وارد نمی کند. استفاده از این روش بسیار ایده آل و سریع می باشد.

شارژ کنترلر MPPT (تنظیم دقیق ولتاژ مورد نیاز با سیستم)

نقطه کار پنل خورشیدی را ولتاژ باتری مشخص می کند. پنل های خورشیدی اغلب در نقطه بهینه خود قرار نداشته و در نتیجه سبب افت راندمان و کاهش تولید می شود. شار‌ژ کنترل های سری و موازی دارای این عیب بوده و در صورت استفاده از آنها سیستم معمولا در نقطه بهینه خود و صفحه خورشیدی با کاهش ۴۰ تا ۱۰ بازده مواجه خواهد شد.

می توان برای جلوگیری از کاهش راندمان پنل خورشیدی کنترل شارژر MPPT (Maximum Power Point Tracking) استفاده نمود