شارژ کنترلر خورشیدی چیست؟

شارژ کنترلر خورشیدی  بطور کلی دستگاهی جهت تنظیم ولتاژ و یا جریان  خروجی از پنل های خورشیدی، برای محافظت از باتری های خورشیدی در مقابل شارژ بیش از اندازه است. نقش شارژ کنترلر خورشیدی در سیستم های خورشیدی جدا از شبکه بسیار حائز اهمیت می باشد. در صورتی که تنظیم بر نحوه شارژ باتری وجود نداشته باشد باتری ها بر اثر شارژ بیش از حد آسیب خواهند دید.

تا 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. پس شارژ کنترلر برای تامین یک ولتاژ مناسب جهت شارژ باتری ها استفاده می شود. پس زمانی که ولتاژ تولیدی پنل خورشیدی بیش از حد بود شارژ کنترلر، ولتاژ را به حد مناسب جهت شارژ باتری کاهش می دهد تا باتری ها آسیب نبینند.

کنترل شارژر چیست؟

یکی از مهم ترین اجزای سیستم های فتوولتاییک مخصوصا سیستم های جدا از شبکه، کنترل شارژر خورشیدی یا کنترل شارژر سولار می باشد. 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.

همچنین نقش زیادی در حفظ عمر باتری خواهد داشت زیرا شارژ شدن در هنگام فول شارژ آسیب های جدی به باتری می زند. در باتری های قدیمی بسته (sealed) پس شارژ شدن بیش از اندازه و لطمه با باطری دیگر امکان تعمیر وجود نداشت زیرا آب درون این باتری های غیر قابل تعویض بود (سیستم تعویض آب باتری بسته بود).

در سیستم های وابسته به شبکه، کنترل کنند شارژ در هنگامی که باتری به حداکثر ظرفیت خود می رسد مازاد برق تولید شده را به کنتر (Counter) و سپس شبکه توزیع برق هدایت می کند تا از هدر رفتن انرژی جلوگیری کند و با فروختن مازاد برق به اداره برق سودآوری کند.

در تصویر زیر نمای کلی یک شارژکنترلر را مشاهده می کنید.

وظایف شارژ کنترلر چیست؟

شارژ کنترلر (به انگلیسی: charge controller) یا تنظیم کننده شارژ، کنترل شارژ و یا تنظیم کننده باتری، جریان شارژ و دشارژ باتری‌ها را کنترل می‌کند.  شارژ کنترلر، باتری را در مقابل شارژ اضافی یا افزایش ولتاژ که عمر آن را کم کرده و ممکن است باعث خطراتی نیز شود، محافظت می‌کند.

همچنین از تخلیه کامل باتری جلوگیری کرده و سرعت دشارژ باتری را متناسب با نوع باتری و به منظور حفاظت از آن، محدود می‌کند. (دشارژ کردن سریع باتری موجب کاهش عمر آن می‌شود) شارژ کنترلر هم به صورت مستقل و هم به صورت مجتمع شده داخل شارژر باتری وجود دارد.  

در ویدئوی زیر اهمیت نیاز به کنترل شارژ خورشیدی تضیح داده شده است.

منظور از شارژ کنترل مستقل چیست؟

شارژ کنترلرهای مستقل به صورت یک دستگاه مجزا به همراه تجهیزات برق خورشیدی و برق بادی عرضه می‌شود.  

یک شارژ کنترلر سری یا تنظیم کننده سری، از جاری شدن جریان به باتری پس از شارژ کامل آنها جلوگیری می‌کند. یک شارژ کنترلر شنت یا شارژ کنترلر موازی، ولتاژ اضافی را پس از پر شدن باتری‌ها به یک بار موازی مانند یک هیتر برقی وصل می‌کند.  

شارژ کنترلرهای ساده، شارژ کردن باتری را پس از یک مقدار ولتاژ تعیین شده متوقف می‌کنند و پس از افت ولتاژ باتری از آن مقدار دوباره آن را شارژ می‌کنند. روش‌های مدولاسیون پهنای پالس و ردیابی نقطه حداکثر توان، از روش‌های پیچیده الکترونیکی هستند که نحوه شارژ باتری را متناسب با سطح ولتاژ باتری تنظیم می‌کنند تا از حداکثر ظرفیت باتری استفاده شود.

یک شارژ کنترلر مجهز به MPPT، مهندسان را از تطبیق ولتاژ پنل‌های خورشیدی با ولتاژ باتری بی‌نیاز می‌کند. به عنوان مثال یک پنل خورشیدی با ولتاژ ۱۵۰ ولت که به یک شارژ کنترلر مجهز به mppt وصل می‌شود، می‌تواند در شارژ کردن یک باتری ۲۴ یا ۴۸ ولتی بکار رود.

با سری کردن پنل‌ها، ولتاژ افزایش یافته و جریان ثابت می‌ماند در نتیجه سیم نازکتر استفاده می‌شود بنابراین مقدار صرفه جویی در هزینه سیم، بیشتر از هزینه شارژ کنترلر خواهد بود.

بعضی از شارژ کنترلرها، دمای باتری‌ها را برای جلوگیری از گرم شدن آنها اندازه می‌گیرند همچنین اطلاعات اندازه‌گیری شده را از طریق مودم به نقاط دور دست ارسال می‌کنند.

نام های دیگر شارژ کنترلر خورشیدی چیست؟

شارژ کنترلر خورشیدی را به نام های مدار شارژ پنل، کنترلر خورشیدی، درایور پنل خورشیدی، مدار سولار، مدار شارژ پنل خورشیدی، ماژول کنترلر شارژ خورشیدی، گفته می شود. به شارژ کنترلر خورشیدی، SOLAR CHARGE CONTROLLER به انگلیسی نیز گفته می شود.  

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

راهنمای نصب شارژ کنترلر خورشیدی

• آشنایی با مشخصات ظاهری شارژ کنترلر ها
  

1. هیت سینک : کاهش دهنده دمای دستگاه
2. قاب پلاستیکی : محافظت از اجزای داخلی دستگاه
3. LCD : نمایشگر پارامترهای مختلف دستگاه
4. دکمه های انتخاب گر
5. خروجی های USB
6. خروجی سنسور
7. محل اتصال بار
8. محل اتصال باتری
9. اتصال پنل
   

• محل نصب شارژ کنترلر

• نحوه سیم کشی شارژ کنترلر
  

 اتصال باتری ها
در قدم اول با استفاده از سیم‌های مناسب باتری را به ترمینال شارژ کنترل متصل نمایید. باید توجه داشته باشید که ولتاژ پنل‌های شما با ولتاژ باتری‌ها یکی باشد. در صورتی که ولتاژ سیستم شما ۱۲ ولت می‌باشد، ولتاژ باتری‌ها می‌بایست بین ۱۰ تا ۱۵ ولت بوده و در صورتی که ولتاژ سیستم شما ۲۴ ولت می‌باشد ولتاژ باتری‌ها می‌بایست بین ۲۰ تا ۳۰ ولت باشد.

همچنین می‌بایست پلاریته مثبت باتری را به ترمینال مثبت شارژ کنترل و پلاریته منفی را به ترمینال منفی شارژ کنترل متصل نمایید.

اتصال پنل
قبل از اتصال پنل‌ها به شارژ کنترل توجه داشته باشید که ولتاژ و جریان پنل‌ها متناسب با شارژ کنترل انتخابی باشد و پس از آن با توجه به پلاریته‌های مثبت و منفی اقدام به اتصال پنل‌ها با شارژ کنترل نمایید.

اتصال LOAD
با توجه به پلاریته‌های مثبت و منفی اقدام به اتصال سیم‌های مصرف کننده نمایید.

شارژ کنترلرها به دو دسته  (PWM (Pulse Width Modulation و (MPPT (Maximum Power Point Tracking تقسیم می شوند، در ادامه به توضیح این دو نوع شارژ کنترلر و نحوه عملکرد آن ها می پردازیم.

شارژ کنترلرهای (PWM (Pulse Width Modulation:

این شارژ کنترلرها نیز مانند همه ی شارژ کنترلرها وظیفه ی کنترل شارژ و دشارژ باطری ها را بر عهده دارند. آنها ولتاژ ورودی باطری ها را طوری تنظیم می کنند که به آنها اسیبی وارد نشود. وقتی که آنها را برای کنترل شارژ باطری ها بکار می گیرید این شارژ کنترلر لحظه به لحظه با چک کردن میزان شارژ باطری، 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 باطری قطع و وصل می شود تا ان جریان را تامین کند. مانند شکل زیر :

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

شارژ کنترلرهای (MPPT (Maximum Power Point Tracking:

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 انها 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 DCC 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 نویز در فضا ایجاد 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 انها یک عیب بزرگ دارند و ان هم این است که اگر مثلاً یک تکه ابر بر روی پنل می افتاد و دوباره سریع کنار می رفت انها قابلیت پیدا کردن نقطه ماکزیمم را از دست می دادند.

مقایسه بین شارژ کنترلر MPPT و 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.

جبران سازی دما با کنترل شارژ باتری

یکی از مزایای بعضی از شارژکنترلر های خورشیدی بازار داشتن قابلیت جبران سازی دما می باشد. این قابلیت میزان ولتاژ شارژ باتری را با توجه به دمای محیط نصب باتری تغییر می دهد.

شارژ کنترلر توسط سنسور خارجی که به باتری ها وصل می شود میزان دما را می سنجند و بر اساس آن میزان تغییرات ولتاژ را اعمال می کنند. البته در بعضی از شارژ کنترلر ها این سنسور، داخل شارژ کنترلر می باشد که باید شرایط دمایی مکان نصب شارژ کنترلر و باتری با هم برابر باشد.

نحوه کار جبران ساز دما در شارژ کنترلر خورشیدی به این صورت است که در زمانی که دمای هوا پایین می باشد میزان ولتاژ مورد نیاز برای شارژ باتری را افزایش می دهد تا باتری ها شارژ کامل را دریافت کنند. اگر دمای هوا گرم باشد ولتاژ شارژ را کم می کند تا باتری ها بیش از حد شارژ نشوند.

مثلاً ولتاژ شارژ برای یک شارژ کنترلر با ولتاژ نامی 24 ولت برابر 28. 2 ولت در دمای  باشد. فرض کنیم دمای محیط نصب زیاد شده و برابر 40 درجه سانتی گراد شود حال ولتاژ شارژ برابر 27. 3 ولت می شود و اگر دمای محیط برابر  شود ولتاژ شارژ برابر 29. 7 ولت می شود.

نکته :

اکثر شارژکنترلرهای خورشیدی بازار قابلیت پشتیبانی از چند نوع باتری را دارند پس باید نوع باتری را برای آنها مشخص کرد. زیرا باتری ها بسته به نوع (AGM,GEL,Flooded,…) ولتاژ و جریان شارژ متفاوتی دارند. نحوه تعیین نوع باتری در کاتالوگ شارژ کنترلر ها نوشته شده است.

شرط استفاده نکردن از شارژکنترلر

اگر حداکثر جریان یکی از آرایه ها در سیستم کمتر از 3% ظرفیت بانک باتری باشد می توان از شارژکنترلر خورشیدی برای آن آرایه استفاده نکرد. برای مثال در سیستمی که حداکثر جریان تولیدی پنل آن برابر 3 آمپر است و ظرفیت باتری استفاده شده در این سیستم برابر 100 آمپر ساعت می باشد نیاز به استفاده کردن از شارژ کنترلر نیست.

انتخاب نوع شارژ کنترلر با توجه به تعداد پنل ها و توان بارها

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.

محاسبه شارژکنترلر مورد نیاز برای سیستم خورشیدی

در هنگام انتخاب شارژکنترلر خورشیدی ابتدا باید ولتاژ و جریان کاری سیستم را مشخص کنیم تا متناسب با آن شارژ کنترلر مورد نظر را انتخاب کنیم. ولتاژ و جریان پنل ها نباید بیشتر از محدودیت ولتاژ و جریان مشخص شده برای شارژ کنترلر ها باشد.

در هنگام انتخاب شارژ کنترلر، جریان شارژ کنترلر باید 25% بیشتر از جریان اتصال کوتاه آرایه باشد. همچنین ماکزیمم ولتاژ ورودی شارژ کنترلر باید بیشتر از ماکزیمم ولتاژ سیستم باشد.

برای انتخاب شارژکنترلر خورشیدی باید دو عامل ولتاژ و جریان شارژ کنترلر را تعیین کنیم. ولتاژ شارژ کنترلر برابر با ولتاژ خروجی آرایه تعیین می شود.

در سیستم های 12 و 24 ولت به دلیل اینکه اکثر شارژ کنترلر توانایی کار با هر دو ولتاژ را دارند شارژ کنترلر استفاده شده از نظر ولتاژی یکی است. پس از انتخاب ولتاژ باید جریان شارژ کنترلر را انتخاب کنیم. را برای محاسبه میزان جریان شارژ کنترلر مورد نیاز در سیستم خورشیدی می توانیم از فرمول زیر استفاده کنیم :

Ich=Isc*Np*1. 25

در معادله بالا جریان اتصال کوتاه پنل ها را با Isc و تعداد آرایه ها یا پنل های موازی را با Np نشان داده ایم.

مثال :

چه شارژ کنترلری برای سیستمی با مشخصات زیر انتخاب کنیم؟

2 پنل موازی – جریان اتصال کوتاه هر پنل 3. 85 آمپر – ولتاژ 12 ولت

Ich=3. 85*2*1. 25=9. 62

یک شارژ کنترلر 24 ولت 10 آمپر برای این سیستم نیاز است.

خلاصه مطلب

طریقه نصب شارژ کنترلر خورشیدی بستگی به نوع شارژ کنترلر دارد و جهت نصب باید دارای پورت USB که دارای خروجی 5 ولت DC مورد نصب قرار گیرد. هدف از نصب شارژ کنترلر خورشیدی باعث افزایش طول عمر باتری و شارژ حداکثری باتری ها می شود همچنین شارژ کنترلر خورشیدی از کیفیت بسیار بالایی برخوردار بوده و مناسب برای استفاده در پایه های روشنایی و چراغ خیابانی می باشد.

نصب شارژ کنترلر خورشیدی باید در مکان هایی که از برق شهر دور افتادند مانند: جزیره ها، دشت ها و سد مرزها باشد. شارژ کنترلر خورشیدی به 2 نوع محصول تقسیم می شود: شارژ کنترلر خورشیدی PWM و MPPT. نصب شارژ کنترلر خورشیدی متناسب برای پایه روشنایی و دکل مخابراتی و تابلو تبلیغاتی است.

شارژ کنترلر MPPT قیمت بالاتری نسبت به  PWM دارد و همچنین از بازدهی و کیفیت بالاتری برخوردار هستند در صورتی که بخواهید از بازدهی بیشتری استفاده نمایید شارژ کنترلر MPPT بسیار بازدهی بیشتری نسبت به شارژ کنترلر PWM دارد. این محصول برای پنل خورشیدی در اندازه های کوچک و متوسط طراحی شده است.