شاید این سوال برای تمام کسانی که در حوزه انرژی حورشیدی فعالیت می‌کنند پیش آمده و به دنبال آن کتاب‌ها و مقالات بسیاری را مطالعه نموده‌اند. البته راندمان بالای شارژر‌های MPPT در تجربیات و پروژه‌های افراد متخصص به وضوح دیده شده است. اما این به معنیست که همواره بایستی از MPPT در پروژه‌های آفگرید خود استفاده کنیم؟ در این مقاله سعی کرده‌ایم از جهات مختلف این دو شارژکنترلر را با یکدیگر مقایسه کنیم.

سیستم‌های فتوولتائیک از اجزای مختلفی تشکیل شده‌اند، از جمله پانل‌های خورشیدی برای جذب و تبدیل نور خورشید به برق، اینورتر خورشیدی برای تبدیل جریان DC به AC، شارژکنترلر (کنترل شارژ) برای شارژ باتری و سایر لوازم جانبی برقی برای تنظیم یک سیستم کارآمد خورشیدی.

شارژکنترلر یا رگولاتور شارژ، یک تنظیم کننده ولتاژ یا جریان برای محافظت از باتری در برابر آورشارژ است. ولتاژ یا جریان ورودی از پنل خورشیدی باید قبل از اتصال به باتری رگوله شود. شارژکنترلر برای تنظیم ولتاژ و جریان پنل خورشیدی استفاده می‌شود. البته صفحات خورشیدی با توان پایین (1 تا 5 وات) نیازی به کنترل کننده شارژ ندارند.

در سیستم‌های فتوولتاییک آفگرید و یا همان مستقل از شبکه برق، شارژ کنترلر‌ها وظیفه مدیریت جریان‌های ورودی از پنل‌ها و نیز کنترل کردن جریان‌های خروجی از باتری را دارند. انواع مختلفی از شارژکنترلر‌ها و مشخصات آنها در بخش‌های بعدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهند گرفت. شارژکنترلر‌ها در حال حاضر بر دو اساس الگوریتم شارژی : “مدولاسیون پالس عرضی (Pulse Width Modulation=PWM)” و “ردیابی نقطه حداکثری توان (Maximum Power Point Tracking=MPPT)” دسته بندی می‌شوند. طراح یک سیستم خورشیدی آفگرید باید بر اساس شرایط آب و هوایی منطقه و نیز با در نظر گرفتن مسائل اقتصادی سیستم، شارژکنترلر مناسب را انتخاب نماید. در تصویر زیر نمای کلی یک شارژکنترلر را مشاهده می‌کنید.

حداکثر توان خورشیدی را می‌توان با “منحنی I-V “ آن تعیین کرد. در جایی که برای ولتاژ صفر حداکثر جریان (Isc) و برای جریان صفر حداکثر ولتاژ (Voc) در یک سیستم فتوولتائیک اعمال می‌شود. از شارژ كنترلر برای بهینه سازی توان خروجی سیستم خورشیدی استفاده می‌شود، به گونه‌ای كه حداكثر انرژی تولید شده را تضمین كند. شکل زیر ارتباط بین ولتاژ و جریان یک سیستم خورشیدی را با منحنی I-V نشان می‌دهد.

شارژکنترلر های PWM و MPPT

PWM
کنترلر‌های قدیمی بطور مکانیکی، جریان انرژی به باتری را بوسیله رله‌های برقی کنترل می‌کردند. اما کنترلر‌های شارژ امروزی از PWM برای کاهش سرعت انتقال انرژی به باتری ( به منظور شارژ کامل باتری) استفاده می‌کنند. حالت شارژ PWM را می‌توان به عنوان یک سوئیچ الکترونیکی سری شده (MOSFET)، در مدار، بین پنل خورشیدی و باتری تجسم کرد. فرم موج PWM توسط ریز پردازنده برای کنترل روشن و خاموش بودن سوئیچ الکترونیکی ایجاد می‌شود، به طوری که می‌توان جریان شارژ متوسط از پنل به باتری را کنترل کرده و به ولتاژ شارژ متوسط باتری دست یابد. نمودار شماتیک کنترلر PWM در شکل زیر نشان داده شده است.

هنگام شارژ با یک کنترلر شارژ PWM، ولتاژ پنل خورشیدی تا نزدیک شدن به ولتاژ باتری (کمی بالا‌تر) پایین می‌آید. با خاموش و روشن کردن MOSFET، شارژکنترلر PWM اتصال پنل‌های خورشیدی را به باتری را قطع و وصل می‌کند. در بیشتر موارد، فرکانس شارژ کنترلر PWM بین 25 هرتز تا 100 هرتز (معمولا 50 هرتز) خواهد بود.

در مورد جریان شارژ در یک شارژ کنترلر PWM، باید گفت که این جریان شارژ کمی پایین‌تر از Isc است (ISC را می‌توانیم از منحنی V-I پنل پیدا کنیم)، در همین زمان، ولتاژ کار پنل برابر با ولتاژ باتری است، بنابراین قدرت شارژ آن کمی پایین‌تر از حاصلضرب Isc در ولتاژ باتری (Isc * Vbat) خواهد بود. نکته: اگر ما نمی‌دانیم که کدام شارژکنترلر PWM، مناسب سیستم خورشیدی مورد نظر ما است، فقط باید اطمینان حاصل کنیم که Isc پنل(ها) از جریان نامی شارژ کنترلر بالا‌تر نیست. البته باید اطمینان حاصل کنیم که Voc پنل نیز از بالا‌ترین ولتاژ کنترلر بالا‌تر نباشد.

MPPT (ردیابی حداکثر نقطه نقطه قدرت)

کنترلر‌های MPPT نسبت به کنترلر‌های PWM بازده بیشتری دارند و در حال حاضر نسخه نهایی از بهبود فناوری‌های کنترلر‌ها هستند. آنها برای اطمینان از حداکثر شارژ، ولتاژ خروجی از پنل‌های خورشیدی را با ولتاژ باتری یکسان می‌کنند. MPPT یک ارتباط غیرمستقیم بین پنل‌ها و باتری است که از یک مبدل ولتاژ DC/DC به منظور استفاده از جریان‌های اضافی بالا‌تر و نیز متناسب نمودن ولتاژ به منظور دسترسی به سطح انرژی بالا‌تر، بهره می‌جوید. شاید قیمت این نوع کنترلر‌ها یک نکته منفی برای آنها در نظر گرفته شود اما راندمان موجود در محدوده 94٪ -98٪ می‌تواند اهمیت چنین کنترل کننده‌هایی را توضیح دهد، و حتی برای سیستم‌های بزرگ‌تر ممکن است منجر به صرفه جویی در هزینه‌ها شود. با استفاده از این کنترلر‌ها 10٪ تا 30٪ انرژی بیشتری برای باتری تامین می‌گردد.
به عنوان مثال، یک پنل خورشیدی با توان 160 وات تا زمانی که باتری آن به ولتاژ مطلوب نرسد، قدرت کامل را نخواهد داشت. با وجود PWM معمولی، باتری مقدار محدودی از انرژی را دریافت می‌کند زیرا ولتاژ ورودی از پنل خورشیدی به ولتاژ باتری‌ها محدود می‌شود و هیچگونه تنظیماتی روی جریان وجود ندارد. این در حالی است که برای یک کنترلر شارژ MPPT، جریان به گونه‌ای تنظیم می‌شود که برای مقدار مشخصی از ولتاژ، افزایش سرعت جریان وجود دارد، بنابراین حداکثر توان از پنل‌های خورشیدی برای سیستم ذخیره سازی در دسترس خواهد بود. این مکانیزم مانع از اتلاف قدرت 30٪ از کنترلر‌های شارژ معمولی می‌شود.

بیایید در مورد اصل کار در مورد کنترل کننده شارژ MPPT بحث کنیم. جایی که MCU به عنوان یک مغز متفکر! کل مدار‌ها از جمله مدار نمونه بردار، مدار DRIVER، مدار ارتباطات و غیره را کنترل می‌کند. MCU توسط باتری 3.6 ولت تغذیه می‌شود در حالی که ولتاژ تغذیه برای مدارات 12 ولت و ولتاژ 5 ولت برای برقراری ارتباطات، است. مدار نمونه برداری، ولتاژ، دمای پنل، باتری و لود را جمع می‌کند و سیگنال را به MCU می‌فرستد تا داده‌ها را پردازش کرده و فرایند شارژ را شروع کند. عملکرد چند شارژ نیز از طریق مدار درایور ارائه می‌شود که MOSFET را برای خاموش یا روشن کردن اداره می‌کند. تصویر زیر شماتیک یک شارژکنترلر MPPT را نشان می‌دهد.

هنگامی که MOSFET کار می‌کند، ولتاژ پنل باید یک موج مربع با فرکانس عامل 40 کیلوهرتز برای شارژ باتری باشد. MOSFET میانگین ولتاژ پنل را با چرخه وظیفه خود تعیین می‌کند. خازن‌های نشان داده شده در نمودار برای ذخیره انرژی و تثبیت ولتاژ بکار می‌روند. كیفیت و اندازه خازن‌ها موج شكل را تعیین می‌كنند، بنابراین هرچه موج كوچك‌تر شود، به دنبال آن عملكرد و كارایی بهتر فرایند شارژ نیز بدست می‌آید. هنگامی که MOSFET روی خازن و پنل نیز با آن روی شارژ باتری کار می‌کند، از ویژگی‌های این نوع کنترلر است که در زمان خاموش بودن MOSFET، پنل در حال شارژ خازن‌ها باشد. البته این باعث نوسانات کوچکی در ولتاژ پنل می‌شود که در شکل زیر نشان داده شده است.

مشخصات منحنی I-V در شارژکنترلر‌ها
در این بخش، مشخصات سیستم‌های فتوولتائیک از طریق منحنی I-V کنترلر‌های خورشیدی مورد بحث قرار می‌گیرد. عملکرد کنترلر توسط مدل equivalent circuit توضیح داده شده است. فرایند شارژ و ولتاژ بهینه برای کنترل‌ها از طریق آنالیز منحنی I-V حاصل می‌شود. ولتاژ و جریان پنل خورشیدی را می‌توان از طریق منحنی I-V تشخیص داد. شرایط مختلف عملکرد با راندمان کمتر و استفاده از شارژکنترلر با آنالیز I-V بطور واضح در دسترس است.

یک منحنی I-V از یک سلول خورشیدی بصورت ساده در تصویر بالا نشان داده شده است. همانطور که مشخص است، برای مقاومت کم، سلول‌های خورشیدی بین نقاط M و N کار می‌کنند در حالی که برای مقاومت بیشتر سیستم بین نقاط P و S منحنی ذکر شده عمل می‌کند. مساحت زیر منحنی توان تبدیل شده در سیستم خورشیدی (P = V × I) را محاسبه می‌کند. این مساحت در زمان رسیدن منحنی در نقطه A که در آن سیستم به انتقال بهینه انرژی می‌رسد، نشانگر بیشترین توان است، بنابراین باید توجه داشت که برای سایر نقاط سیستم از دست رفتن نیرو وجود دارد. نقطه A به حداکثر نقطه قدرت (MPP) نیز گفته می‌شود.

فیل فاکتور (FF) که در زیر معرفی می‌شود، اندازه گیری کارایی در سیستم‌های خورشیدی است، برای یک سلول خورشیدی کارآمد این فاکتور باید بیش از 0.7 باشد. توجه داشته باشید که افزایش دما منجر به کاهش FF می‌شود.

FF=Imax * Vmax/Isc * Voc

برای جلوگیری از این اتلاف توان، کنترلر‌ها در سیستم‌های خورشیدی به کار گرفته می‌شوند. به عنوان مثال، کنترلر‌های MPPT نقطه بهینه را پیدا کرده و براساس رگوله کردن جریان یا ولتاژ، آن را ردیابی می‌کنند. اگر ولتاژ سلول خورشیدی خیلی کم باشد، سیستم به طور قابل توجه‌ای، توان از دست می‌دهد (به تصویر بعدی دقت کنید). از دست رفتن مشابه انرژی به دلیل جریان کم نیز اتفاق می‌افتد. کنترل ولتاژ و جریان بر عهده شارژکنترلر است.

اکنون زمان آن رسیده است که درباره کنترلر‌های MPPT و PWM و رفتار آنها در مورد منحنی I-V یک سلول خورشیدی بحث کنیم. خط آبی نشان داده شده در شکل زیر، انتقال نیرو در یک سلول خورشیدی را نشان می‌دهد. قابل ذکر است که نقطه بهینه در خط قرمز که متعلق به ولتاژ و جریان بهینه است، منجر به انتقال حداکثر توان می‌شود. بنابراین یک شارژکنترلر کارآمد باید این نقطه و حداکثر توان مرتبط را ردیابی کند. برای یک کنترلر شارژ MPPT با ولتاژ ثابت باتری، الگوریتم کنترل کننده، جریان سلول خورشیدی را تا زمانی که قدرت به حداکثر مقدار برسد، افزایش می‌دهد.

در زمان سطح ثابت ولتاژ، MPPT سطح جریان را تا رسیدن به سطح جریان و ولتاژ پنل افزایش می‌دهد.این توان در تصویر 100 وات است. با استفاده از این کنترلر با هر سطح ولتاژ و به کمک مبدل DC / DC، حداکثر انتقال نیرو حاصل می‌شود.
در مورد کنترلر‌های PWM، ولتاژ پنل و باتری نیز مورد قبل هستند و از بین رفتن ولتاژ جزئی به دلیل کابل‌های اتصال و لوازم جانبی را می‌توان مشاهده کرد. در چنین کنترلر‌هایی، ولتاژ و جریان سیستم خورشیدی توسط یک خط عمودی در منحنی I-V تعیین می‌شود. مثلا برای باتری 13 ولت، میزان انتقال نیرو بر اساس منحنی I-V کنترلر شارژ PWM، حدود 81 وات خواهد بود. از بین رفتن توان در مقایسه با حداکثر توان در این کنترل 19٪ خواهد بود، چرا که PWM مبدل DC / DC ندارد و در نتیجه نمی‌تواند جریان را برای رسیدن به نقطه حداکثری توان افزایش دهد.

شارژ چند مرحله‌ای
بیشتر کنترلر‌های شارژ MPPT و PWM دارای قابلیت “شارژچند مرحله‌ای” هستند. در اینجا ما در مورد هر یک از آنها بحث می‌کنیم. کل فرآیند در شکل بعدی نشان داده شده است.

مرحله شارژ BULK: مرحله‌ای است که در آن کنترلر حداکثر انرژی را از صفحه خورشیدی برداشت می‌کند. در این مرحله، کنترلر MPPT در Vmpp کار می‌کند، در حالی که برای کنترل کننده PWM، ولتاژ پنل با ولتاژ باتری برابر است.

شارژ مداوم یا Constant: هنگامی که ولتاژ باتری به نقطه ولتاژ رگوله شده ثابت برسد، کنترلر در حالت شارژ ثابت شروع به کار می‌کند، این فرآیند در شارژ MPPT طولانی نیست و در این بین جریان شارژ به تدریج کاهش می‌یابد. برای کنترلر PWM، این دوره کاری بطور 100٪ نخواهد بود و ولتاژ پنل با این دوره کاری و فرکانس شارژ در نوسان خواهد بود.
شارژ مداوم 2 مرحله دارد، equalize و boost می‌کند. این دو مرحله به طور مداوم در یک فرایند شارژ انجام نمی‌شود تا از تولید گاز یا گرم شدن بیش از حد باتری جلوگیری شود.

شارژ Float: پس از مرحله ولتاژ ثابت، کنترلر جریان شارژ را به نقطه تنظیم Float Voltage کاهش می‌دهد. در این مرحله واكنش‌های شیمیایی دیگری نخواهند داشت و تمام جریان شارژ در این زمان به گرما و گاز تبدیل می‌شوند. سپس کنترلر ولتاژ را برای مرحله Float کاهش می‌دهد، در این مرحله شارژ با جریان و ولتاژ کمی انجام می‌گیرد. این کار باعث کاهش دمای باتری شده و از شارژ باتری جلوگیری می‌کند. هدف از مرحله Float جبران مصرف برق ناشی از خود مصرفی و بار‌های کوچک در کل سیستم و در عین حال ظرفیت ذخیره کامل باتری است.
در مرحله شارژ Float، لود‌ها می‌توانند تقریباً تمام انرژی را از پنل خورشیدی بدست آورند. اگر بارمصرفی بیش از توان تولیدی باشد، کنترلر دیگر قادر به حفظ ولتاژ باتری در مرحله شارژ Float نیست. اگر مقدار ولتاژ باتری از حد مجاز محدوده شارژ Float پایین‌تر آید، سیستم مرحله شارژ Float را رها کرده و به مرحله شارژ Bulk باز می‌گردد.

اثر دما
تابش خورشید بر روی پنل خورشیدی باعث افزایش دما در سیستم فتوولتاییک می‌شود. همانطور که در بخش‌های قبلی بحث شد، ویژگی‌های I-V سلول‌های خورشیدی عمدتاً به شرایط محیطی مانند دما بستگی دارد. راندمان سیستم‌های خورشیدی تابعی از دما است به گونه‌ای که با افزایش دمای صفحه خورشیدی باعث کاهش کارایی می‌شود. منحنی I-V برای دما‌های مختلف نشان می‌دهد که ولتاژ مدار باز پانل خورشیدی توسط دمای سیستم تغییر می‌کند. در واقع ولتاژ مدار باز به سمت سطوح پایین‌تر تغییر می‌کند. حداکثر توان سیستم PV نیز تحت تأثیر دما است که در آن سطح فعلی با شرایط مختلف دما یکسان است.

مقدار جریان ثابت اتصال کوتاه (Isc) با ولتاژ مدار باز (Voc) پایین‌تر سطح توان پایین‌تری را فراهم می‌کند. این پدیده نقش اساسی در طراحی سیستم‌های خورشیدی و تجهیزات خنک کننده برای در نظر گرفتن شرایط محیطی دارد. هر دو کنترلر MPPT و PWM از کاهش کارآیی سلول‌ها در دمای بالا رنج می‌برند، اما راه حل این مشکل ارائه سلول‌های خورشیدی سری بیشتر در ساختار آرایه‌ای است که سطح ولتاژ مدار باز را افزایش داده و از دست دادن توان به دلیل دمای بالا جبران می‌کند. این راه حل برای دمای پایین مناسب نیست. لازم به ذکر است که این روش در مورد کنترلر‌های شارژ PWM کاربرد ندارد.

برای مقایسه عملکرد کنترلر‌های PWM و MPPT در دما‌های مختلف، یک آزمایش تجربی توسط یک مجموعه از هر دو کنترلر انجام شده است.

تصویر بالا، اثر دما را نشان می‌دهد. همانطور که مشخص است کنترلر MPPT با استفاده از MCU خود، شرایط آب و هوایی را مشخص می‌کند و با توجه به شرایط موجود ولتاژ و جریان مورد نیاز را فراهم می‌آورد. کنترل کننده‌های شارژ PWM به عنوان سوئیچ‌ها برای اتصال یا قطع پنل به باتری عمل می‌کنند، بنابراین آنها نمی‌توانند دما را برای جبران تلفات الکتریسیته ردیابی یا حس کنند.

مزایا و معایب
در این بخش عملکرد کنترل کننده‌های شارژ PWM و MPPT با یکدیگر مقایسه می‌گردد. مزایا و معایب هر دو کنترلر در اینجا مورد بحث قرار می‌گیرد. مقایسه عملکرد آنها به مشتری در انتخاب کنترلر مناسب کمک خواهد کرد. برد الکترونیکی (PCB) هر دو شارژر نیز در تصویر زیر نشان داده شده است که نشان می‌دهد MPPT از کنترلر شارژ PWM پیچیده‌تر است و توضیح می‌دهد که چرا کنترلر‌های شارژ MPPT گران هستند.

ویژگی‌های کنترلر‌های MPPT

سرعت ردیابی سریع
بازده انتقال کامل لود تا 97.4٪
محافظت در برابر درجه حرارت پایین
حفاظت جامع الکترونیکی
طراحی ضد آب و ضد آب
حفاظت بیش از حد دما
تنظیم پارامتر‌ها از طریق نرم افزار موبایلی یا PC
قطعات با کیفیت بالا و ضعف پایین ST یا IR برای اطمینان از عمر سرویس
حالت‌های کار چند بار

ویژگی‌های شارژکنترلر‌های PWM

پشتیبانی از 3 گزینه شارژ برای انواع باتری: سیلد اسید، ژل و Flooded
شارژ PWM هوشمند 3 مرحله‌ای: Bulk ،Boost/equalize ،Float
ترمینال‌ها دارای مجوز UL و VDE هستند، محصول ایمن‌تر و مطمئن‌تر است
عملکرد آمار انرژی
عملکرد جبران دمای باتری
حفاظت گسترده الکترونیکی
حالت‌های کنترل چند بار
طراحی USB دوتایی، شارژ منبع تغذیه تجهیزات الکترونیکی
کنترلر می‌تواند بطور مداوم در بار کامل در محدوده دمای محیط از منفی25 تا مثبت 55 درجه کار کند

شارژکنترلر‌های PWM

مزایا

هیچ سوئیچ یا اتصال مکانیکی ندارند
تنظیم و طراحی کم هزینه
عملکرد خوب برای مکان‌هایی با دما‌های متوسط رو به بالا از 45 تا 75 درجه سانتی گراد
انتخاب مناسب برای سیستم‌های کوچک، جایی که راندمان سیستم در اولویت نیست

معایب