شارژ کنترلر خورشیدی

بخش اصلی تقریباً تمام سیستم های انرژی تجدیدپذیر مبتنی بر باتری، کنترل کننده های شارژ هستند که به عنوان تنظیم کننده جریان و یا ولتاژ برای محافظت از باتری ها در برابر شارژ بیش از حد عمل می‌کنند. هدف آنها این است که باتری های چرخه عمیق  (deep cycle) را به درستی تغذیه و برای مدت طولانی کارآمد نگه دارند.

شارژ کنترلرهای خورشیدی یک ضرورت برای شارژ ایمن باتری های خورشیدی محسوب می‌شوند. کنترل کننده شارژ را به عنوان یک تنظیم کننده سخت‌افزاری بین پانل های خورشیدی و باتری خورشیدی در نظر بگیرید که بدون کنترل‌کننده شارژ، پنل‌های خورشیدی می‌توانند پس از اتمام شارژ کامل باتری، همچنان انرژی الکتریکی را به باتری اعمال نمایند و در نتیجه به باتری آسیب وارد کنند و وضعیت بالقوه خطرناکی ایجاد کنند.

به همین دلیل کنترل‌کننده شارژ بسیار حیاتی است: اکثر پانل‌های خورشیدی 12 ولتاژ خروجی از 16 تا 20 ولت دارند، بنابراین شارژ بیش از حد باتری‌ها بدون هیچ گونه تنظیم کننده ای (regulator) بسیار محتمل است. اکثر باتری های خورشیدی 12 ولتی برای رسیدن به شارژ کامل به 14 الی 14.5 ولت نیاز دارند، بنابراین می توان متوجه شد که مشکل ولتاژ شارژ بیش از حد با چه سرعتی ممکن است رخ دهد.

عملکرد شارژ کنترلر خورشیدی

در حالی که لزوماً نیازی به درک پیچیدگی‌های فنی یک کنترل‌کننده شارژ نیست، آشنایی با اصول اولیه کارکرد آن مفید است.

عملکردهای اصلی یک کنترلر بسیار ساده است. کنترل کننده های شارژ جریان معکوس را مسدود کرده و از شارژ بیش از حد باتری جلوگیری می کنند. برخی از کنترلرها همچنین از تخلیه بیش از حد باتری جلوگیری می کنند، از اضافه بار الکتریکی محافظت می کنند و نیز وضعیت باتری و جریان برق را نمایش می‌دهند.

کنترل‌کننده‌های شارژ خورشیدی مدرن با شناسایی و نظارت بر سطح ولتاژ باتری و تنظیم دقیق جریان، جریان را از پانل‌ها به باتری منتقل می‌کنند. شارژ باتری بهتر است در سه مرحله انجام شود: به حداکثر رساندن جریان برای شارژ باتری تا حدود 80٪ در سریع ترین زمان ممکن (مرحله “شارژ انبوه”)، سپس کاهش جریان با نزدیک شدن باتری به شارژ کامل (مرحله “جذب”)، و در نهایت حفظ شارژ “شناور” یا “چکانه” برای پُر و آماده نگه داشتن باتری جهت استفاده.

انواع شارژ کنترلرهای خورشیدی

به طور کلی، سه نوع کنترل کننده شارژ اصلی عبارتند از: کنترل‌کننده‌های شارژ خورشیدی 1 یا 2 مرحله‌ای، کنترل‌کننده‌های شارژ خورشیدی 3 مرحله‌ای و/یا PWM و ردیابی نقطه حداکثر توان (MPPT). رایج‌ترین کنترل‌کننده‌های شارژ مورد استفاده بین 4 تا 60 آمپر جریان شارژ دارند، اما کنترل‌کننده‌های MPPT جدیدتری وجود دارند که می‌توانند به بیش از 80 آمپر هم برسند.

شارژ کنترلر ساده 1 یا 2 مرحله ای

این کنترل کننده های شارژ از ترانزیستورها یا رله های شنت برای کنترل ولتاژ در یک یا دو مرحله استفاده می کنند. این مدل قدیمی ترین نوع شارژر است و اجزای آن بسیار ساده و اغلب اوقات ناکارآمد است. با این حال، مقرون به صرفه بودن آن هنوز هم برخی از افراد را به خود جذب می کند.

شارژ کنترلر 3 مرحله ای و یا PWM

شارژ کنترلرهای PWM  ارزان و قابل اعتماد هستند. اشکال آنها این است که آنها باید فقط زمانی مورد استفاده قرار گیرند که ولتاژ اسمی پانل های خورشیدی با ولتاژ باتری مطابقت داشته باشد و گرنه، در سیستم های بزرگتر ناکارآمد می‌شوند

شارژ کنترل کننده حداکثر توان ردیابی (MPPT)

کنترل‌کننده‌های شارژ MPPT با کیفیت‌ترین و پیشرفته‌ترین گزینه موجود هستند، اما قیمت‌های بالایی دارند. کنترل‌کننده‌های MPPT سطح راندمان قابل توجه 94 الی 98٪ را ارائه می‌کنند و حدود 10 الی30٪ انرژی بیشتری را نسبت به انواع دیگر به باتری خورشیدی می‌رسانند. البته اگر سیستم خورشیدی کوچک باشد (برای مصرف یک اتاقک یا کوچکتر) و ولتاژ باتری آن بیشتر از 24 ولت نباشد، شارژکنترلر MPPT معمولا ارزش سرمایه گذاری اضافی را ندارد. با سیستم‌های بزرگ‌تر و پیشرفته‌تر و بانک‌های باتری 48 ولتی که در طول سال‌های اخیر بسیار رایج‌تر شده‌اند، کنترل‌کننده‌های شارژ MPPT تبدیل به استاندارد روز دنیا شده‌اند.

قابلیت‌های شارژ کنترلر خورشیدی

مسدود کردن جریان معکوس

پنل های خورشیدی با پمپاژ جریان به طریق باتری در یک جهت کار می کنند. در شب، پنل ها ممکن است جریان کمی را در جهت معکوس به سمت خود عبور دهند و باعث تخلیه جزئی باتری شوند. ضرر احتمالی جزئی است، اما پیشگیری از آن آسان است. برخی از انواع ژنراتورهای بادی و هیدروژنی نیز هنگام توقف، جریان معکوس می گیرند (بیشتر آنها به جز در شرایط خطا، جریان معکوس ندارند).

در اکثر کنترل‌کننده‌ها، جریان شارژ از یک نیمه‌رسانا (ترانزیستور) عبور می‌کند که مانند یک شیر برای کنترل جریان عمل می‌کند. به آن “نیمه هادی” می گویند زیرا جریان را فقط در یک جهت عبور می دهد و از جریان معکوس جلوگیری می کند. نصب دیود ساده نیز جریان معکوس را مسدود می‌کند. دیودی که برای این منظور استفاده می شود “دیود مسدود کننده” نامیده می شود.

در برخی از شارژرهای قدیمی، یک سیم پیچ الکترومغناطیسی یک کلید مکانیکی را باز و بسته می کند (به نام رله که می توان صدای کلیک روشن و خاموش شدن آن را در حین کارش شنید.) رله در شب خاموش می شود تا جریان معکوس را مسدود کند. این کنترلرها گاهی اوقات به عنوان کنترل کننده های شنت نامیده می شوند.

اگر از آرایه پنل خورشیدی فقط برای شارژ قطره ای باتری (آرایه بسیار کوچک نسبت به اندازه باتری) استفاده شود، ممکن است به کنترل کننده شارژ نیاز نباشد که البته به ندرت پیش می‌آید.

جلوگیری از اضافه جریان شارژ Overcharge

وقتی باتری به شارژ کامل برسد، دیگر نمی تواند انرژی دریافتی را ذخیره کند. اگر انرژی برق تولیدی پنل‌ها با نرخ کامل به سمت باتری ادامه به سرازیر شدن کند، ولتاژ باتری بیش از حد زیاد می شود. هیدروژن و اکسیژن آب داخل باتری از هم جدا شده و به سرعت تبدیل به حباب می شود. (گویی در حال جوشیدن است، اگرچه در واقع داغ نیست.) از دست دادن بیش از حد آب، و احتمال اشتعال گازها ممکن است باعث انفجار کوچکی شوند. باتری نیز به سرعت رو به تحلیل می‌رود و ممکن است بیش از حد داغ شود. ولتاژ بیش از حد همچنین می تواند مصرف کننده ها (چراغ ها، لوازم خانگی و غیره) را تحت فشار قرار دهد یا باعث خاموش شدن اینورتر شود.

شارژر با جلوگیری از شارژ بیش از حد باتری از طریق کاهش جریان انرژی تولیدی پنل به باتری زمانی که باتری به ولتاژ خاصی می رسد و نیز با به حداکثر رساندن شارژ ممکن هنگامی که ولتاژ به دلیل کمتر شدن شدت خورشید یا افزایش مصرف برق کاهش می یابد، به “تنظیم ولتاژ” می پردازد.

این مهمترین عملکرد همه کنترل کننده های شارژ است. کنترل کننده به ولتاژ نگاه می کند و در پاسخ شارژ باتری را تنظیم می کند. برخی از کنترلرها با روشن یا خاموش کردن کامل جریان، جریان انرژی به باتری را تنظیم می کنند. این “کنترل روشن/خاموش” نامیده می شود. برخی دیگر به تدریج جریان را کاهش می دهند. این “مدولاسیون عرض پالس” (PWM) نامیده می شود. هر دو روش زمانی که به درستی برای نوع دقیق باتری تنظیم شوند، به خوبی جواب می دهد.

کنترل کننده های شارژ خورشیدی PWM ولتاژ را ثابت تر نگه می دارند. اگر یک کنترلر PWM دارای تنظیم دو مرحله ای باشد، ابتدا ولتاژ را تا حداکثر مطمئن ثابت نگه می دارد تا باتری به شارژ کامل برسد. سپس، ولتاژ را پایین‌تر می‌آورد تا شارژ «پایانی» یا «چکه‌ای» را لحاظ کند. تنظیم دو مرحله ای برای سیستمی که ممکن است روزها یا هفته ها انرژی اضافی (یا استفاده کم از انرژی) را تجربه کند، مهم است. این امر شارژ کامل را حفظ می کند اما از دست دادن آب باتری و فشار به آن را به حداقل می رساند.

به ولتاژهایی که در آن کنترلر نرخ شارژ را تغییر می دهد، نقطه تنظیم می گویند. هنگام تعیین نقاط تنظیم ایده آل، بین شارژ سریع قبل از غروب خورشید و شارژ خفیف بیش از حد باتری، تراضی وجود دارد.

تعیین نقاط تنظیم به الگو استفاده پیش‌بینی‌شده، نوع باتری و تا حدودی به تجربه و فلسفه طراح یا اپراتور سیستم بستگی دارد. برخی از کنترلرها دارای نقاط تنظیم قابل دستکاری هستند، در حالی که برخی دیگر این ویژگی را ندارند.

تنظیم نقاط کنترل شارژ به نسبت دما

نقاط تنظیم ولتاژ ایده آل برای کنترل شارژ نسبت به دمای باتری متفاوت است. برخی از کنترلرها دارای ویژگی به نام “تعادل دما” هستند. هنگامی که کنترلر دمای پایین باتری را حس می کند، نقاط تنظیم را افزایش می دهد. در صورت عدم وجود این قابلیت و وقتی باتری سرد است، شارژ بیش از حد زود کاهش می یابد. اگر باتری ها در معرض نوسانات دمایی بیشتر از حدود 15 درجه سانتیگراد قرار دارند، چنین اقدامات جبرانی ضروری است.

برخی از شارژ کنترلرها دارای سنسور دما هستند. چنین کنترل کننده ای باید در مکانی نصب شود که دمای آن نزدیک به دمای باتری ها باشد. کنترلرهای بهتر دارای یک حسگر دما راه دور، سر یک رشته سیم کوچک هستند. سر پروب باید مستقیماً به باتری متصل تا دمای آن را به کنترل کننده گزارش شود.

جایگزین قابلیت جبران دمایی خودکار ، تنظیم دستی نقاط تنظیم (در صورت امکان) با توجه به فصول سال است. البته ممکن است انجام این کار فقط دو بار در سال، در بهار و پاییز کافی باشد.

تنظیم نقاط کنترل شارژ به نسبت نوع باتری

نقطه تنظیم ایده آل برای کنترل شارژ به طراحی باتری نیز بستگی دارد. تا اواسط دهه 2010، اکثریت قریب به اتفاق سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر از باتری‌های سرب اسیدی با چرخه عمیق از نوع مهر و موم sealed استفاده می‌کردند ور مقابل، باتری های آب مقطری flooded با مایع پر می شوند. اینها باتری های چرخه عمیق استاندارد و اقتصادی هستند.

باتری های مهر و موم شده از پدهای اشباع شده بین صفحات استفاده می کنند. به آنها همچنین “تحت تنظیم سوپاپ” یا “صفحات شیشه ای جذب شده AGM ” یا به شکل عامیانه “بدون نیاز به تعمیر و نگهداری” می گویند. آنها باید با ولتاژ کمی کمتر از باتری های آب مقطری شارژ شوند و گرنه خشک شده و خراب می شوند. برخی از شارژکنترلرها تنظیماتی برای انتخاب نوع باتری دارند. هرگز از کنترل کننده ای استفاده نکنید که برای نوع باتری شما در نظر گرفته نشده است.

قطع ولتاژ پایین (LVD)

باتری‌های چرخه عمیق اسید سرب که در سیستم‌های انرژی تجدیدپذیر استفاده می‌شوند طوری طراحی شده‌اند که فقط حدود 50 تا 80 درصد تخلیه شوند. اگر 100% تخلیه شوند بلافاصله آسیب می بینند. هر بار که این اتفاق بیفتد، هم ظرفیت و هم عمر باتری به مقدار کمی کاهش می یابد. اگر باتری روزها یا هفته ها در حالت تخلیه بیش از حد قرار گیرد، می تواند به سرعت خراب شود.

یک راه جلوگیری از تخلیه بیش از حد این است که بارها (وسایل برقی، چراغ ها و غیره) را قطع کنید و سپس آنها را فقط زمانی وصل کنید که ولتاژ با اتکا به افزایش قابل توجه شارژ بهبود یابد. یک باتری هنگامی که به تخلیه بیش از حد نزدیک می شود، از 12 ولت به زیر 11 ولت می رسد (باتری 24 ولت به زیر 22 ولت می رسد).

در نقطه تنظیم قطع به دلیل ولتاژ پایین، شارژر مدار مصرف کننده را قطع می کند. تنها زمانی جریان دوباره وصل می‌شود که ولتاژ باتری به‌دلیل انباشت مقداری شارژ به طور قابل‌توجهی بهبود یابد. نقطه تنظیم اتصال مجدد پس از LVD معمولی 13 ولت است (26 ولت در یک سیستم 24 ولت).

همه اینورترهای مدرن دارای LVD داخلی هستند، حتی آنهایی که در ابعاد جیبی و ارزان قیمتند. اینورتر برای محافظت از خود و مصرف کننده ها و همچنین باتری خاموش می شود. به طور معمول، یک اینورتر مستقیماً به باتری ها متصل می شود، نه به کنترل کننده شارژ، زیرا شدت جریان مصرفی آن می تواند بسیار زیاد باشد، و نیازی به LVD خارجی ندارد.

اگر بارهای DC دارید، باید LVD داشته باشید. برخی از کنترلرهای شارژ دارای یک کنترلر داخلی هستند. همچنین می توانید یک دستگاه LVD جداگانه تهیه کنید. یخچال های DC دارای LVD داخلی هستند.

اگر یک کنترلر شارژ با LVD داخلی خریداری می کنید، مطمئن شوید که ظرفیت کافی برای تحمل بارهای DC شما را دارد. برای مثال، فرض کنید برای کنترل جریان شارژ کمتر از 10 آمپر به یک کنترلر شارژ نیاز دارید، اما یک پمپ فشار آب DC دارید که 20 آمپر می کشد (برای دوره های زمانی کوتاه) به اضافه ی 6 آمپر بار روشنایی DC. در این جا یک کنترلر شارژ با LVD 30 آمپر مناسب خواهد بود و نباید شارژ کنترلر 10 آمپری که فقط ظرفیت بار 10 یا 15 آمپری دارد بخرید!

محافظت در مقابل اضافه بار

مدار زمانی که بیش از حد خود مصرف کننده داشته باشد و جریان آن بیشتر از توان نامی اش باشد، باعث گرم شدن بیش از اندازه و حتی خطر آتش سوزی می‌شود. اضافه بار می تواند به دلیل نقص (اتصال کوتاه) در سیم کشی یا وجود یک دستگاه معیوب (مانند پمپ آب یخ زده) ایجاد شود. برخی از کنترل‌کننده‌های شارژ دارای محافظ اضافه بار داخلی هستند که معمولاً با دکمه تنظیم مجدد اعمال می‌شود.

حفاظت اضافه بار داخلی می تواند مفید باشد، اما بیشتر سیستم ها به حفاظت اضافی به شکل فیوز یا کلید قطع کننده مدار نیاز دارند. اگر اندازه کابل استفاده شده در مدار، ظرفیت آمپردهی کمتری از محدوده کنترل اضافه بار شارژر است، باید آن مدار را با یک فیوز یا قطع کننده با عدد مناسب محافظت کنید. در همه حال، الزامات سازنده و قوانین مربوط به برق را برای هرگونه فیوز خارجی و قطع کننده مدار رعایت کنید.

نمایشگر مقادیر

کنترل‌کننده‌های شارژ شامل انواع نمایشگرهای مختلف هستند، از یک چراغ کوچک قرمز گرفته تا نمایشگر دیجیتال ولتاژ و جریان. دانستن این پارامتر ها مهم و مفیدند. سیستم نمایشگر می تواند جریان برق به داخل و خارج از سیستم، وضعیت تقریبی شارژ باتری و زمانی که به حدود مختلف رسیده است را نشان دهد.

اگر می‌خواهید نظارت کامل و دقیق داشته باشید، حدود 200 دلار برای یک دستگاه دیجیتال جداگانه که شامل یک آمپر ساعت است هزینه کنید. مانند یک حسابدار الکترونیکی برای پیگیری انرژی موجود در باتری شما عمل می کند. اگر یک مانیتور سیستم جداگانه دارید، وجود نمایشگرهای دیجیتال در خود کنترل کننده شارژ اهمیتی ندارد. حتی ارزانترین سیستم باید دارای یک ولت متر به عنوان حداقل شاخص عملکرد و وضعیت سیستم باشد.

تابلو برق

اگر سیستمی برای تامین برق یک خانه نصب می کنید، برای مدیریت جریان به اتصالات ایمنی نیاز دارید. نصب سخت افزار الکتریکی می تواند حجیم، گران و پر زحمت باشد. برای اقتصادی و جمع و جور کردن کارها، یک تابلو برق آماده تهیه کنید که شامل کنترل کننده شارژ با LVD، اینورتر و دستگاههای نظارت دیجیتال است. این کار باعث می شود که یک برقکار به راحتی اجزای اصلی سیستم را ببندد و الزامات ایمنی قانون ملی برق را برآورده کند.

کنترل کننده شارژ برای باد و آب

کنترل کننده شارژ برای یک سیستم شارژ باد-الکتریک یا هیدروالکتریک مانند یک کنترل کننده PV از باتری ها در برابر شارژ بیش از حد محافظت می‌کند. با این حال، برای جلوگیری از افزایش سرعت توربین، باید همیشه بار روی ژنراتور نگه داشته شود، به جای اینکه ژنراتور از باتری جدا شود (مانند اکثر کنترل‌کننده‌های PV)، در نتیجه کنترلر انرژی اضافی را به بار خاصی هدایت می‌کند که بیشتر انرژی تولیدی را جذب می‌کند. این مصرف کننده معمولاً یک عنصر گرمایشی است که انرژی اضافی را “می‌سوزاند”.

آیا شارژ کنترلر خورشیدی همیشه مورد نیاز است؟

در اکثر سیستم های انرژی تجدیدپذیر مبتنی بر باتری، بله. با این حال، اگر از یک پنل خورشیدی کوچک جهت شارژ قطره چکانی (مانند پانل‌های دارای 1 الی 5 وات) استفاده می‌کنید، ممکن است نیازی به کنترل‌کننده شارژ نباشد. اگر پانل شما برای هر 50 آمپر ساعت بیش از 2 وات برق تولید نمی کند، شارژر ضرورتی ندارد.