شارژکنترلرهای خورشیدی چگونه کار می کنند؟

شارژ کنترلر : کاربرد و انواع آن
شارژ کنترلر چیست؟

یکی از اجزای اصلی سیستم‌های سولار، پنل‌های سولار هستند که جریان خروجی آنها پیرو تغییرات شدت تابش دریافتی از خورشید و همچنین دما در طول روز متغیر بوده و از منحنی‌‌های خاصی پیروی می‌نماید. از طرف دیگر، باتری یا بانک باتری به عنوان منبع ذخیره انرژی برای استفاده در طول شب یا روزهای ابری و به طور کلی به عنوان جبران‌کننده کسری تراز تولید انرژی برای مواقعی که میزان تولید پنل‌های سولار از میزان مصرف کمتر است، کاربرد دارد. اما ظرفیت و ولتاژ باتری پیرو واکنش‌های شیمیایی داخلی بوده که ماهیتی غیرخطی دارند و بنابراین، شارژ (و همچنین دشارژ) یک باتری نیز خطی نبوده و از منحنی خاصی تحت عنوان «منحنی شارژ باتری» پیروی می‌نماید. پس نیاز به دستگاهی هست که از یک طرف بار خروجی پنل‌‌ها را جهت گرفتن حداکثر توان از آنها تنظیم نماید و از طرف دیگر، باتری (یا بانک باتری) را مطابق منحنی بهینه شارژ نماید. این دستگاه تطبیق‌دهنده بار پنل‌های سولار و شارژ باتری‌ها، « شارژ کنترلر » (Charge Controller) نام دارد.

منحنی جریان-ولتاژ (I-V) پنل سولار :

از نظر مداری، پنل سولار را با یک منبع جریان می‌توان مدل نمود که تا بخش زانوی منحنی جریان-ولتاژ، جریان خروجی آن به ازای افزایش ولتاژ خروجی با یک شیب ملایم کاهش می‌یابد. اما از زانوی منحنی به بعد، افت جریان بسیار شدید بوده و کاملاً از حالت خطی خارج می‌شود.
منحنی‌های سمت چپ شکل ۱ تغییرات جریان خروجی را بر حسب تغییر شدت تابش (Irradiance) در ساعات مختلف روز نشان می‌دهد. می‌توان ملاحظه نمود که به ازای ولتاژ مساوی، جریان خروجی با افزایش شدت تابش از صبح به سمت ظهر افزایش می‌یابد و برعکس از ظهر به سمت غروب با کاهش شدت تابش رو به کاهش خواهد گذاشت.
منحنی‌های سمت راست شکل ۱ نیز اثر دمای محیط را بر ولتاژ و جریان خروجی پنل سولار نشان می‌دهد. می‌توان ملاحظه نمود که در جریان مساوی به ازای افزایش دما، ولتاژ خروجی کاهش می‌یابد (که دلیل آن افزایش مقاومت داخلی پنل سولار است) و به ازای ولتاژ مساوی، افزایش دما موجب افزایش جزیی در جریان خروجی می‌گردد:

شکل ۱ : اثر تغییر شدت تابش (سمت چپ) و تغییر دمای محیط بر ولتاژ و جریان خروجی پنل سولار

چون توان الکتریکی حاصل‌ضرب ولتاژ در جریان به صورت P=V×I است، پس منحنی توان خروجی پنل سولار را به صورت شکل ۲ می‌توان رسم نمود:

شکل ۲ : منحنی‌های تغییرات توان خروجی پنل سولار بر حسب تغییر شدت تابش خورشید

مقایسه شکل‌های ۱ و ۲ نشان می‌دهد که حداکثر یا پیک توان خروجی پنل در زانوی منحنی I-V رخ می‌دهد.
شکل ۳ نشان می‌دهد که شارژ کنترلر واسط بین پنل سولار و باتری است و بعضاً دارای خروجی به سمت اینورتر و بارهای DC نیز هست:

شکل ۳ : قرارگیری شارژ کنترلر بین پنل سولار و باتری در سیستم سولار
منحنی جریان-ولتاژ شارژ باتری سرب-اسید :

منحنی جریان-ولتاژ شارژ به دلیل ماهیت غیرخطی واکنش‌های شیمیایی داخل باتری سرب-اسید غیرخطی بوده و از ۳ بخش جریان-ثابت (CC)، ولتاژ-ثابت (CV) و شارژ شناور (Charging Float) مطابق شکل زیر تشکیل شده است :

شکل ۴ : منحنی شارژ یک سلول باتری سرب-اسید شامل ۳ بخش جریان-ثابت (CC)، ولتاژ-ثابت (CV) و شناور (Float)

بنابراین دومین وظیفه شارژ کنترلر، اندازه‌گیری دایمی ولتاژ و جریان شارژ باتری جهت تنظیم ولتاژ بهینه شارژ در بخش‌های اول و دوم منحنی شارژ باتری در شکل ۴ و قطع/وصل شارژ در بخش سوم این منحنی است.

شارژ کنترلر نوع MPPT :

از دید مداری، شارژ کنترلر های MPPT یک نوع مبدل یا ترانسفورمر DC به DC هستند که با تغییر ولتاژ در ورودی خود از سمت پنل سولار، نقطه کار بهینه را جهت دریافت ماکزیمم توان از پنل سولار می‌یابند و در خروجی خود به سمت باتری، از منحنی شارژ باتری که در بخش قبل توضیح داده شد، تبعیت می‌نمایند.
برای پیدا نمودن نقطه کار جریان-ولتاژ بهینه شارژ کنترلر که در آن توان دریافتی از پنل ماکزیمم مقدار ممکن باشد، از استراتژی‎های مختلفی استفاده می‌شود که دو نمونه از پرکاربردترین آنها به شرح زیر است :

۱) روش کنداکتانس افزایشی :

در روش «کنداکتانس افزایشی» یا «هدایت افزایشی» (Incremental Conductance) از این واقعیت استفاده می‌گردد که با توجه به شکل‌های ۱ و ۲، نقطه حداکثر توان (MPP) در زانوی منحنی I-V با نقطه پیک منحنی P-V مطابقت دارد. پس برای یافتن نقطه MPP باید نقطه‌ای را یافت که شیب منحنی توان بر حسب ولتاژ صفر بوده و در نتیجه با درنظر داشتن جریان به صورت تابعی از ولتاژ، رابطه زیر می‌بایست برقرار باشد:

رابطه ۱ : نحوه محاسبه نقطه ماکزیمم توان در روش هدایت (کنداکتانس) افزایشی

پس در این متد شارژ کنترلر طبق شکل ۱ شروع به تغییر ولتاژ در پله‌های بسیار کوچک افزایشی می‌نماید و همز‌مان، اندازه‌گیری مقادیر لحظه‌ای ولتاژ، جریان و تغییر جریان به ازای یک پله تغییر ولتاژ را نیز انجام می‌دهد. قبل از نقطه MPP یا ماکزیمم توان چون شیب منحنی بسیار ناچیز است، عملاً ΔI/ΔV=0 است، در حالی که نسبت I/V دارای مقدار است و رابطه ۱ برقرار نیست. اما با نزدیک شدن به ناحیه زانو و افزایش شیب منفی منحنی، ΔI شروع به افزایش با علامت منفی می‌نماید و دقیقاً در نقطه MPP است که رابطه ۱ برقرار شده و شارژ کنترلر تغییر ولتاژ را متوقف می‌نماید.
با تغییر شرایط تابشی مانند تغییر ارتفاع ظاهری خورشید در طول ساعات روز یا عبور ابر از جلوی خورشید، مقدار جریان خروجی پنل سولار یعنی I تغییر نموده و شارژ کنترلر دوباره محاسبات و حلقه کنترلی بسته (Closed-Loop Control) فوق را تا رسیدن به نقطه MPP جدید تکرار می‌نماید.

۲) روش P&O :

در روش «آشفتن و اندازه‌گیری» (Perturb & Observe) به ازای تغییر پله‌ای جزیی ولتاژ ΔV، تغییر توان خروجی ΔP اندازه‌گیری می‌شود و تغییر ولتاژ تا موقعی که علامت تغییر ولتاژ عکس علامت تغییر توان شود، ادامه می‌یابد.
زیرا هنگام صعود از منحنی شکل ۲ از چپ به راست، تغییرات ولتاژ مثبت و تغییر توان پس از عبور از نقطه MPP منفی خواهد بود و علامت این دو متغیر درست بعد از نقطه MPP عکس یکدیگر خواهد شد. مشابه این وضعیت را هنگام صعود روی منحنی شکل از راست به چپ با علامات عکس حالت اول خواهیم داشت.
از نظر ریاضی، هر دو روش فوق جزء خانواده روش‌های حل معادلات به روش «صعود از تپه» (Hill Climbing) محسوب می‌شوند که دلیل چنین نامگذاری، تشابه یافتن نقطه اوج تپه با پیمودن قدم‌های کوتاه با این روش است.
در روش نخست، حجم محاسبات لازم توسط میکروکنترلر داخلی شارژ کنترلر بیشتر از روش دوم است. اما نسبت به روش دوم، دستیابی به نقطه ماکزیمم توان MPP با سرعت بالاتری انجام می‌پذیرد.
نقطه ضعف هر دو روش فوق، نوسان توان به دلیل نیاز به سعی و خطا حین تغییر ولتاژ برای پیدا نمودن نقطه ماکزیمم توان و همچنین نیاز به میکروکنترلر با سرعت پردازش بالا جهت انجام سریع محاسبات فوق است.

شارژ کنترلر نوع PWM :

از دید مداری، شارژ کنترلر های PWM نوعی سوییچ محسوب می‌گردند که با سوییچینگ سریع، مقدار متوسط ولتاژ ورودی از پنل سولار را مطابق منحنی شارژ باتری تنظیم می‌نمایند.
اگر زمان غیر صفر بودن یک موج تناوبی (پریودیک) ولتاژ را با ton و دوره تناوب موج را با T نشان دهیم، Duty Cycle بر حسب درصد به صورت زیر تعریف می‌گردد:

رابطه ۲ : تعریف Duty Cycle

اگر ولتاژ خروجی پنل سولار ( ورودی شارژ کنترلر PWM ) را با V و مقدار متوسط آن را با Va نشان دهیم:

رابطه ۳ : مقدار متوسط ولتاژ خروجی شارژ کنترلر PWM به سمت باتری

یعنی متوسط ولتاژ شارژ باتری نسبت مستقیم با Duty Cycle موج خروجی شارژ کنترلر دارد.

مثال :

اگر ولتاژ خروجی پنل سولار در شرایط استاندارد STC (شدت تابش IR=1000W/m۲ ، دما ۲۵ درجه سانتیگراد و AM=1.5) برابر ۱۸ ولت باشد، برای شارژ باتری سرب-اسید با منحنی شارژ شکل ۴ می‌توان با تنظیم D=70% معادل ۱۲/۶ ولت شارژ باتری را در مرحله نخست جریان-ثابت آغاز نمود و با افزایش تدریجی به D=80% معادل ۱۴/۴ ولت وارد مرحله دوم ولتاژ ثابت شد و پس از پایان این مرحله با کاهش به D=75% مرحله نهایی شارژ شناور را برای جبران دشارژ طبیعی باتری برای زمانی نامحدود ادامه داد.

مقایسه شارژ کنترلر نوع MPPT با PWM :

شارژ کنترلر های MPPT و PWM را می‌توان از جنبه‌های زیر مورد مقایسه قرار داد:
۱) بازده :
بسته به شرایط مختلف شدت تابش، بار و دمای محیط، راندمان شارژ کنترلر MPPT بین %۱۰ تا %۴۰ بیشتر از شارژ کنترلر PWM هم‌اندازه خود از لحاظ جریان خروجی است.
۲) قیمت :
بسته به وجود یا عدم وجود امکانات جانبی (مانند صفحه نمایش برای سهولت انجام تنظیمات یا امکان ارتباط از طریق شبکه جهت مانیتورینگ و تغییر پارامترها از را دور و غیره) قیمت شارژ کنترلر MPPT بین ۱.۵ تا ۳ برابر شارژ کنترلر PWM هم‌اندازه خود از لحاظ جریان خروجی است.
۳) محدودیت‌های طراحی :
ولتاژ ورودی شارژ کنترلر PWM باید بسیار نزدیک و کمی بیش از ولتاژ خروجی آرایه (ماتریس) پنل‌های سولار در نظر گرفته شود. اما ولتاژ ورودی شارژ کنترلر MPPT دارای بازه گسترده‌تری است و بر پایه شرایط طراحی، تنوع بیشتری در آرایش پنل‌ها را ممکن می‌سازد.