کنترل کننده شارژ خورشیدی، جزء حیاتی سیستم انرژی خورشیدی است که وظیفه تنظیم ولتاژ و جریان ورودی از پنل‌های خورشیدی به باتری‌ها را بر عهده دارد. وظایف اصلی آن، محافظت از باتری‌ها در برابر شارژ بیش از حد و دشارژ بیش از حد و در نتیجه افزایش طول عمر و عملکرد کارآمد آن‌هاست.
کنترل کننده‌های شارژ خورشیدی چگونه کار می‌کنند؟
با وجود اینکه مدار کنترل کننده بسته به سیستم فتوولتائیک پیچیدگی متفاوتی دارد، اصل اساسی یکسان است. نمودار زیر، اصل کار ساده‌ترین کنترل کننده شارژ و دشارژ خورشیدی را نشان می‌دهد.
اگرچه مدار کنترل کنترل کننده شارژ خورشیدی پیچیدگی آن بسته به سیستم فتوولتائیک متفاوت است، اما اصل اساسی یکسان است. نمودار زیر، اصل کار ساده‌ترین کنترل‌کننده شارژ و دشارژ خورشیدی را نشان می‌دهد.
این سیستم از یک ماژول فتوولتائیک، باتری، مدار کنترل و بار تشکیل شده است. کلید ۱ و کلید ۲ به ترتیب کلید شارژ و کلید دشارژ هستند. با بستن کلید ۱، باتری توسط ماژول فتوولتائیک شارژ می‌شود و کلید ۱ به‌طور خودکار و بر اساس حالت حفاظتی از پیش تعیین‌شده، شارژ مجدد باتری را از سر می‌گیرد. با بستن کلید ۲، باتری به بار برق می‌دهد. هنگامی که باتری مجدداً شارژ شده و به نقطه از سرگیری شارژ از پیش تعیین‌شده برسد، کلید ۲ می‌تواند به‌طور خودکار دوباره برق‌رسانی را از سر بگیرد.
انواع کنترل کننده شارژ خورشیدی
بر اساس اصل تنظیم شارژ باتری، شارژرهای رایج به سه نوع تقسیم می‌شوند.
کنترل کننده شارژ سری
- در شکل، مدار کنترل سری نشان داده شده است که در آن یک عنصر سوئیچینگ بین پنل خورشیدی و باتری به صورت سری قرار گرفته است. مدار تشخیص کنترل، ولتاژ ترمینال باتری را مانیتور می‌کند و هنگامی که ولتاژ شارژ از مقدار قطع کامل تنظیم‌شده باتری (HVD) بیشتر شود، عنصر سوئیچینگ مدار شارژ باتری را قطع کرده و پس از آن شارژ باتری از سر گرفته می‌شود.
- کنترل کننده‌های شارژ سری می‌توانند از رله‌ها به‌عنوان قطع‌کننده‌های سریع استفاده کنند؛ در حال حاضر بیشتر از ترانزیستورهای اثر میدانی قدرت (MOSFET)، IGBTها، رله‌های حالت جامد و غیره استفاده می‌شود. کنترل کننده‌های شارژ سری با طراحی مناسب، همچنین دارای عناصر سوئیچینگ هستند که می‌توانند جایگزین دیودهای ضد برگشت شوند تا از «نشت معکوس» در شب جلوگیری کنند.
- کنترل کننده‌های شارژ سری به دلیل اتصال سری عناصر سوئیچینگ در مدار شارژ، افت ولتاژ زیادی در مدار دارند که راندمان شارژ را کاهش می‌دهد. هنگام قطع عناصر سوئیچینگ، ولتاژ ورودی به سطح ولتاژ مدار باز واحد مولد توان می‌رسد. بنابراین، کنترل کننده شارژ سری باید با MOSFET هایی با مقاومت داخلی حالت عبور پایین و IGBTهایی با افت ولتاژ اشباع پایین طراحی شود.
کنترل کننده شارژ موازی
مدار شارژر موازی در شکل نشان داده شده است. عناصر سوئیچینگ شارژر موازی در دو سر ماژول فتوولتائیک به صورت موازی به هم متصل هستند، بنابراین مشکل اتلاف توان در عناصر سوئیچینگ شارژر سری حل می‌شود.
مدار تشخیص کنترلر، ولتاژ ترمینال باتری را مانیتور می‌کند و هنگامی که ولتاژ شارژ از مقدار از پیش تعیین‌شده قطع کامل (HVD) باتری بیشتر شود، عنصر سوئیچینگ روشن شده و باتری را بای پس می‌کند. وقتی ولتاژ ترمینال باتری به مقدار ولتاژ شارژ مجدد باتری برسد، عنصر سوئیچینگ قطع شده و همزمان مدار شارژ باتری روشن می‌شود. مدار ورودی کنترلر شارژ موازی معمولاً به یک دیود وصل است که اجازه می‌دهد جریان در هنگام شارژ به باتری برود و از جریان یافتن باتری به آرایه فتوولتائیک در شب یا روزهای ابری جلوگیری می‌کند. خط کنترلر شارژ نوع موازی ساده و ارزان است، اما اگر باتری کاملاً شارژ شده و ماژول‌های فتوولتائیک هنوز در حال تولید برق باشند، جریان اتصال کوتاه زیادی از ماژول فتوولتائیک عبور می‌کند که منجر به «لکه‌های نور»، شتاب در پیری و کاهش عمر مفید می‌شود و طبق استانداردهای ملی توصیه نمی‌شود.
کنترل کننده شارژ نوع PWM
برای جلوگیری مؤثر از شارژ بیش از حد باتری، در سال‌های اخیر از کنترل‌کننده شارژ پهنای پالس (PWM) استفاده می‌شود که با تغییر مد پالسی، جریان ورودی پنل خورشیدی را کنترل می‌کند. هنگامی که باتری نزدیک به شارژ کامل است و ولتاژ آن به تدریج افزایش می‌یابد، فرکانس پالس یا ضریب وظیفه تغییر می‌کند؛ در نتیجه زمان روشن بودن کاهش یافته و جریان شارژ به تدریج به صفر نزدیک می‌شود.
هنگامی که ولتاژ باتری به کمترین حد خود می‌رسد، جریان شارژ دوباره به تدریج افزایش می‌یابد. این فرآیند شارژ، حالت شارژ کامل‌تری را ایجاد کرده و عمر چرخه کلی باتری در سیستم فتوولتائیک را افزایش می‌دهد. محافظت از حالت شارژ با مدولاسیون پهنای پالس نیز عمر چرخه کلی باتری در سیستم فتوولتائیک را افزایش می‌دهد.
وظایف کنترل‌کننده خورشیدی چیست؟
وظیفه اصلی کنترل کننده شارژ خورشیدی، کنترل ولتاژ باتری و روشن کردن مدار است. علاوه بر این، وقتی ولتاژ باتری به سطح معینی می‌رسد، شارژ باتری را متوقف می‌کند. کنترل کننده‌های قدیمی‌تر، به صورت مکانیکی وظیفه باز یا بسته کردن مدار و قطع یا وصل انتقال انرژی از منبع به باتری را انجام می‌دادند. جزئیات عملکرد کنترل کننده خورشیدی در پایین آمده است.
- محافظت در برابر اضافه جریان و اتصال کوتاه اگر جریان بار از 10 آمپر بیشتر شود یا بار اتصال کوتاه شود، فیوز ذوب می‌شود و پس از تعویض قابل استفاده مجدد است.
- حفاظت در برابر اضافه ولتاژ اگر ولتاژ بیش از حد بالا باشد، برای حفاظت از دستگاه در برابر آسیب، خروجی به طور خودکار خاموش می‌شود.حفاظت از صاعقه در صورت اصابت صاعقه، واریستور می‌تواند از اصابت صاعقه جلوگیری کرده و از تخریب کنترل کننده محافظت کند.محافظت در برابر اتصال معکوس باتری از مدار باز باتری اگر باتری مدار باز باشد، و پنل خورشیدی به طور نرمال در حال شارژ باشد، کنترلر ولتاژ دو سر بار را محدود می‌کند تا از آسیب دیدن بار جلوگیری شود؛ و اگر پنل خورشیدی در شب یا در مواقعی که شارژ نمی‌شود، کنترلر خود انرژی‌دار نیست و هیچ عملی انجام نمی‌دهد.
- محافظت در برابر اضافه ولتاژ هنگامی که ولتاژ شارژ از ولتاژ حفاظت بالاتر باشد، باتری به‌طور خودکار از شارژ جدا می‌شود؛ زمانی که ولتاژ به ولتاژ نگهداری برسد، باتری وارد حالت شناور می‌شود و پس از خاموش شدن شارژ شناور و رسیدن به ولتاژ بازیابی پایین، وارد حالت شارژ مساوی می‌شود.
- محافظت در برابر تخلیه بیش از حد اگر ولتاژ باتری از ولتاژ حفاظتی پایین‌تر بیاید، کنترل‌کننده به‌طور خودکار خروجی را قطع می‌کند تا از آسیب به باتری جلوگیری کند؛ پس از شارژ مجدد باتری، به‌طور خودکار برق‌رسانی را بازیابی می‌کند.عملکرد خودآزماییدر صورت بروز مشکل در کنترل‌کننده به دلیل عوامل طبیعی یا خطای انسانی، امکان خودآزمایی وجود دارد تا کاربر از سلامت آن مطمئن شود و از اتلاف وقت جلوگیری شود. بازه زمانی بازیابی : بازه زمانی بازیابی که توسط کنترل‌کننده در اثر حفاظت در برابر شارژ یا دشارژ بیش از حد ایجاد می‌شود تا از نوسان بار به دلیل مقاومت خط یا ویژگی‌های خودبازیابی باتری جلوگیری کند.
- جبران دما دمای باتری را کنترل کنید و مقادیر شارژ و دشارژ را طوری تنظیم کنید که باتری در حالت ایده‌آل کار کند.
- کنترل نو ربیشتر در چراغ‌های خودکار استفاده می‌شود؛ وقتی محیط به‌قدر کافی روشن است، کنترل‌کننده خورشیدی به‌طور خودکار خروجی بار را قطع می‌کند و وقتی تاریک می‌شود، به‌طور خودکار بار را روشن می‌کند تا عملکرد کنترل خودکار برقرار شود.
