شارژ کنترلر خورشیدی چیست؟ | انواع، تنظیمات و راهنمای انتخاب

شارژ کنترلر خورشیدی یکی از اجزای حیاتی در سیستم‌های خورشیدی است که وظیفه کنترل ولتاژ و جریان خروجی پنل‌ها را بر عهده دارد. این دستگاه از باتری‌ها در برابر شارژ بیش از حد یا تخلیه غیرمجاز محافظت می‌کند و به همین دلیل نقش مهمی در افزایش طول عمر و عملکرد بهینه سیستم‌های خورشیدی، به‌ویژه در نیروگاه‌ها و سامانه‌های خارج از شبکه، دارد. بدون استفاده از شارژ کنترلر، باتری‌ها به‌سرعت آسیب می‌بینند و هزینه‌های نگهداری سیستم بالا می‌رود.

زمانی که نور خورشید افزایش می‌یابد، پنل خورشیدی نیز ولتاژ بیشتری تولید می‌کند و این ولتاژ اضافی می‌تواند به باتری‌ها آسیب برساند. شارژ کنترلر وظیفه دارد ولتاژ تولیدی را به سطح مناسب کاهش دهد تا فرآیند شارژ به‌درستی انجام شود و باتری‌ها در امان بمانند. برای انتخاب بهترین شارژ کنترلر، آشنایی با ساختار کلی و انواع سیستم‌های خورشیدی فتوولتائیک اهمیت زیادی دارد.

نقش شارژ کنترلر خورشیدی در سیستم‌های خورشیدی

وظیفه اصلی شارژ کنترلر خورشیدی، مدیریت ولتاژ و جریان پنل‌ها برای شارژ ایمن و اصولی باتری‌ها است. این قطعه از آسیب ناشی از شارژ بیش از حد یا تخلیه غیرمجاز جلوگیری کرده و در افزایش عمر مفید باتری‌ها نقش کلیدی دارد. به همین دلیل، در تمام سیستم‌های خورشیدی به‌ویژه سامانه‌های خارج از شبکه (Off-Grid)، استفاده از شارژ کنترلر الزامی است.

مراحل شارژ باتری در شارژ کنترلر خورشیدی

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

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 ) .

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 ).

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 ).

رابطه بین جریان و ولتاژ در این سه مرحله از شارژ به صورت شکل زیر است :

انواع شارژ کنترلر خورشیدی

شارژ کنترلرها به 2 دسته تقسیم می شود:

• شارژ کنترلر خورشیدی PWM
• شارژ کنترلر خورشیدی MPPT

تفاوت اصلی بین این دو نوع شارژ کنترلر در بازدهی آنها است که در ادامه به صورت کامل به بررسی آنها پرداخته ایم.

شارژ کنترلر خورشیدی PWM

این شارژ کنترلرها نیز مانند همه ی شارژ کنترلرها وظیفه ی کنترل شارژ و دشارژ باتری ها را بر عهده دارند . آنها ولتاژ ورودی باتری ها را طوری تنظیم می کنند که به انها آسیبی وارد نشود . وقتی که انها را برای کنترل شارژ باتری ها بکار می گیرید این شارژ کنترلر لحظه به لحظه با چک کردن میزان شارژ باتری ، میزان شارژ (جریان ) مورد نیاز را تغییر می دهد یعنی هر چقدر که باطری به شارژ کامل نزدیک می شود میزان جریان شارژ هم کم می شود.

نحوه عملکرد شارژ کنترلر PWM

اساس کار به این صورت است که این شارژ کنترلر مانند یک کلید هوشمند عمل می کند ، یعنی با سنجیدن میزان جریان مورد نیاز برای شارژ باتری قطع و وصل می شود تا آن جریان را تامین کند . مانند شکل زیر :

پس تفاوت این شارژ کنترلر با انواع قدیمی در هوشمند بودن آن است . شارژ کنترلر های قدیمی مانند یک کلید بودند و فقط عمل قطع و وصل را انجام می دادند ولی PWM مانند یک کلید هوشمند عمل می کند یعنی با نمونه برداری از میزان شارژ باتری علاوه بر اینکه میزان عرض پالس را معلوم می کنند میزان سرعت قطع و وصل شدن پالس را هم مشخص می کنند .

شارژ کنترلر خورشیدی MPPT

همانطور که از اسم این شارژ کنترلرها پیداست این مدل از شارژ کنترلرها دنبال کننده توان ماکزیمم هستند . اساس کار این شارژ کنترلرها به این صورت است که آنها خروجی DC پنل خورشیدی را گرفته به سیگنال AC با فرکانس بالا تبدیل می کنند سپس این سیگنال AC را به ترانسفورماتور می دهند تا به ولتاژ و جریان دلخواه تبدیل کند سپس سیگنال AC را به DC مورد نیاز برای شارژ باتری تبدیل می کند تا بیشترین توان را استفاده کرده باشد.

شارژ کنترلرهای MPPT در فرکانس بالای رادیویی کار می کنند ( معمولاً بین ۲۰ تا ۸۰ هرتز) . مزایای کار در فرکانس بالا زیاد شدن راندمان ترانسفورماتور و کم شدن تجهیزات است . اما این مزیت ها یک مشکل هم ایجاد می کند ، بدلیل تولید این فرکانس باعث ایجاد نویز در فضا می شود پس یک نویز گیر نیز باید طراحی کرد .

تقریباً همه ی شارژ کنترلرهای MPPT دیجیتالی هستند ولی نمونه های غیر دیجیتالی هم موجود است که بازده انها بالاتر از نمونه دیجیتالی است ولی آنها یک عیب بزرگ دارند و آن هم این است که اگر مثلاً یک تکه ابر بر روی پنل می افتاد و دوباره سریع کنار می رفت آنها قابلیت پیدا کردن نقطه ماکزیمم را از دست می دادند .

تفاوت شارژ کنترلر PWM و MPPT

بیشتر شارژ کنترلرهای بازار از نوع PWM هستند . اما شارژ کنترلرهای MPPT بهتر هستند . آنها ولتاژ پنل و باتری خورشیدی را طوری تنظیم می کنند که بیشترین شارژ (جریان ) را دریافت کنند . برای مثال اگر از شارژ کنترلر PWM استفاده کنیم برای یک سیستم که یک پنل ۱۰۰ وات داشته باشد ما نمی توانیم ماکزیمم توان را از آن دریافت و به باتری ها بدهیم . زیرا می دانیم که توان برابر است با حاصل ضرب جریان در ولتاژ P=V*I ، برای داشتن ۱۰۰ وات توان خروجی از پنل طبق مشخصات پنل ولتاژ باید در حدود ۱۶٫۷ و جریان در حدود ۶ امپر باشد .

ولتاژ باتری که می خواهد شارژ بشود در حدود ۱۲٫۵ ولت است و اگر ما از شارژ کنترلرهای معمولی استفاده کنیم چون جریان ( ۶ امپر ) و ولتاژ کاهش پیدا می کند (حدود ۱۳٫۵ولت ) ، توان دریافتی برابر ۸۱ وات می شود . پس شما در حدود ۲۰% از توان تولیدی را از دست داده اید .

اما شارژ کنترلرهای MPPT میزان افت ولتاژ را با زیاد کردن جریان جبران می کنند بدین صورت که بجای تحویل دادن جریان ۶ امپر ، جریان ۷٫۴ امپر را تحویل می دهند تا توان خروجی افت پیدا نکند ( ۱۰۰=۷٫۴ * ۱۳٫۵ ) .

انتخاب بهترین شارژ کنترلر خورشیدی

همانطور که در بالا اشاره شد راندمان شارژ کنترلرهای MPPT از PWM بیشتر است 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 گرفت .

در کل برای سیستم های کوچک (حدوداً زیر ۲۰۰ وات ) استفاده از شارژ کنترلرهای PWM بهتر است زیرا :

• شارژ کنترلرهای PWM تقریباً بازده ثابتی دارند و به اندازه سیستم وابسته نیستند .
• قیمت PWM ها خیلی کمتر از MPPT هاست .
• کارایی MPPT در سیستم های کوچک خیلی کمتر از سیستم های بزرگ است .

تاثیر شرایط دمایی بر عملکرد شارژ کنترلر

شارژ کنترلرهای MPPT در مکان هایی که دارای هوا سرد هستند راندمان بیشتری دارند . زیرا هر چقدر دما کمتر باشد افت ولتاژ هم کمتر است و اگر افت کم باشد ، شارژ کنترلر MPPT می تواند اضافه ولتاژ را تبدیل به جریان کند . پس راندمان در دمای کم زیادتر می شود .

به طور مثال ولتاژ تولیدی یک پنل در دمای سرد ۱۷ ولت است و ولتاژ باتری ها ۱۲ ولت ، شارژ کنترلر MPPT این قابلیت را دارد که اضافه ولتاژ را تبدیل به جریان کند ولی شارژ کنترلر PWM اضافه ولتاژ را تلف می کند . حال اگر پنل را در دمای بالاتری نصب کنیم که ولتاژ تولیدی آن حدود ۱۵ ولت باشد می بینیم که با توجه به کم شدن ولتاژ جریان تولیدی شارژ کنترلر MPPT نیز کم می شود ولی شارژ کنترلر PWM حدوداً بازده ثابتی دارد یعنی در شارژ کنترلرهای PWM با کم و زیاد شدن ولتاژ (در حدود مشخص ) فقط توان تلف شده در آنها کم و زیاد می شود.

در کل شارژ کنترلر MPPT در هوای سرد در حدود ۲۰ الی ۲۵ درصد بیشتر از شارژ کنترلر PWM بازده دارد .

انتخاب بر اساس توان سیستم و تعداد پنل‌ها

اگر در یک سیستم تعداد پنل ها بیش از توانی که بارها نیاز دارند باشد ، باتری ها تقریباً همیشه در حالت شارژ کامل قرار دارند پس بهتر است از شارژ کنترلر PWM استفاده کرد بدون نیاز به زیاد کردن هزینه ها برای خرید شارژ کنترلر MPPT ولی در کل در سیستم های کوچک استفاده از شارژ کنترلر PWM اقتصادی تر است .

اثر لبه ی ابر (Edge of Cloud Effect (ECE:

زمانی که سایه ابرها در حال افتادن بر روی پنل است یا زمانی که این سایه ابر در حال خارج شدن از روی پنل خورشیدی است اگر دقت کنیم درست در مرز بین سایه و نور خورشید میزان نور شدیدتر است که این بخاطر پدیده شکست نور می باشد . در نتیجه میزان ولتاژ تولید شده در پنل برای زمان محدودی زیادتر از حد نرمال می شود پس ما باید این اضافه ولتاژ را در طراحی شارژ کنترلر در نظر بگیریم . معولاً میزان آمپر شارژ کنترلر را بین ۲۰ تا ۳۰ درصد زیادتر از میزان مورد نیاز در نظر می گیرند تا اثر این پدیده را جبران کنند .

به طور مثال برای چهار پنل ۷۵ الی ۸۰ واتی نیاز به یک شارژ کنترلر ۳۰ امپری داریم زیرا هر پنل در حدود ۶ امپر تولید می کند که در مجموع ۲۴ امپر می شود . و با احتساب ۲۵ درصد اثر لبه ی ابر (ECE) حدود ۳۰ امپر تولید می کند .

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 اخرین اتصالی که قطع می کنیم باید شارژ کنترلر و باتری باشد .

تنظیمات شارژ کنترلر خورشیدی

اکثر شارژ کنترلر های خورشیدی یکسری تنظیمات را در اختیار کاربر قرار می دهند که توسط آن ما می توانیم مود شارژ را با توجه به نوع باتری تنظیم و یا رنج ولتاژ شارژ باتری و… را تعیین کنیم. معمولا با نگه داشتن دکمه منو شارژ کنترلر برای چند ثانیه وارد تنظیمات آن می شویم و به کمک دیتاشیت شارژکنترلر می توانیم تنظیمات دلخواه را اعمال کنیم.

راهنمای نصب شارژ کنترلر خورشیدی

برای نصب شارژ کنترلر خورشیدی رعایت ترتیب اتصال و قطع اتصالات بسیار مهم است تا به باتری‌ها و دستگاه آسیب وارد نشود:

1. ابتدا شارژ کنترلر را به باتری‌ها وصل کنید.
2. سپس پنل خورشیدی را به شارژ کنترلر متصل کنید.
3. در صورت نیاز، خروجی بار (Load) را وصل نمایید.

هنگام قطع اتصال نیز باید برعکس عمل کنید؛ یعنی ابتدا پنل خورشیدی را جدا کنید و در آخر شارژ کنترلر را از باتری‌ها جدا کنید. این ترتیب از ایجاد نوسان ناگهانی ولتاژ و آسیب به مدار جلوگیری می‌کند.

عیب‌ یابی شارژ کنترلر خورشیدی

مشکلات رایج در شارژ کنترلر خورشیدی معمولاً به‌راحتی قابل رفع هستند:

• شارژ نشدن باتری‌ها: اتصالات را بررسی کنید و مطمئن شوید ولتاژ پنل کافی است.
• خاموش شدن ناگهانی شارژ کنترلر: ممکن است به دلیل بار اضافی یا داغ شدن بیش از حد باشد. کاهش بار یا بهبود تهویه دستگاه کمک می‌کند.
• اختلاف ولتاژ نمایش‌داده‌شده: گاهی به دلیل تنظیمات اشتباه یا کالیبراسیون نیاز به بازبینی دیتاشیت دستگاه دارید.

در صورت بروز مشکلات پیچیده‌تر، بهتر است به دفترچه راهنمای مدل دستگاه یا کارشناسان فنی مراجعه کنید.

جمع‌ بندی

شارژ کنترلر خورشیدی قطعه‌ای کلیدی برای حفاظت از باتری‌ها و افزایش عمر سیستم‌های خورشیدی است. انتخاب درست بین مدل‌های PWM و MPPT به شرایط، توان سیستم و بودجه شما بستگی دارد. همچنین رعایت نکات نصب و عیب‌یابی ساده، باعث می‌شود سیستم همیشه با بیشترین بازده کار کند.

برای انتخاب و خرید مطمئن شارژ کنترلر خورشیدی و دریافت مشاوره تخصصی، با کارشناسان همیار سولار در تماس باشید.