تفاوت شارژکنترلر PWM و MPPT

PWM یا MPPT ؟

شاید این سوال برای تمام کسانی که در حوزه انرژی حورشیدی فعالیت می کنند پیش آمده و به دنبال آن کتاب ها و مقالات بسیاری را مطالعه نموده اند . البته راندمان بالای شارژر های MPPT در تجربیات و پروژه های افراد متخصص به وضوح دیده شده است . اما این به معنیست که همواره بایستی از MPPT در پروژه های آفگرید خود استفاده کنیم ؟ در این مقاله سعی کرده ایم از جهات مختلف این دو شارژکنترلر را با یکدیگر مقایسه کنیم . مبنای توضیحات ما بر اساس شارژکنترلر های برند EPEverاست که در بخش محصولات قسمت شارژکنترلر های EpSolar ، به بررسی کاملی از ویژگی های آنها پرداخته ایم.

مقدمه ای برای معرفی سیستم های فتوولتائیک و شارژکنترلر

آینده انرژی بشر عمدتاً درگیر سلولهای خورشیدی خواهد بود. از فن آوری های فتوولتائیک برای تبدیل انرژی خورشیدی به برق استفاده می شود. کاربردهای متنوعی برای سیستم های خورشیدی مانند استفاده در کنار توربین های بادی ، چراغ های خیابانی ، تامین برق قایق هاو غیره در نظر گرفته شده است. پیشرفت های اخیر فن آوری توجه محققان را به بهبود کاربری سیستم های خورشیدی فتوولتائیک جلب کرده است ، به عنوان مثال اتومبیل های هیبریدی که به جای انرژی گاز یا دیزل توسط پنل های خورشیدی شارژ می شوند. گرم شدن کره زمین و تغییرات آب و هوایی عمدتاً استفاده از سوخت های فسیلی را محدود می کند و دولت ها را ملزم به استفاده از سیستم های خورشیدی و کاربردهای آنها می کند. اگرچه منابع فسیلی هنوز تهدید نشده اند ، اما مزایای سیستم های خورشیدی و تأثیرات زیست محیطی سوخت های فسیلی از ویژگی های برجسته در به کارگیری منابع انرژی پاک است.

تاریخچه تولید پنل های خورشیدی

“الكساندر ادموند بكرل(Alexander Edmond Becquerel)” نخستین بار توانایی برخی از مواد خاص در جذب انرژی اشعه خورشید را در سال 1839 مشاهده كرد. در سال 1881 ، “چارلز فریتس(Charles Fritts)” اولین صفحه خورشیدی تجاری را ایجاد كرد. با این حال ، این پانل ها به اندازه کافی کارآمد نبودند اما در سال 1939 ، “راسل اول(Russell Ohl)” مبنایی را برای صفحات خورشیدی مدرن پایه ریزی کرد که منجر به اولین طراحی سلول های خورشیدی مناسب سیلیکونی توسط”بل لبز( Bell Labs)” در سال 1954 گردید .

سیستم های فتوولتائیک از اجزای مختلفی تشکیل شده اند ، از جمله پانل های 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 و تأثیر آنها بر عملکرد کلی سیستم در این مقاله مورد بحث قرار گرفته است. 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 می شود. البته صفحات خورشیدی با توان پایین (1 تا 5 وات) نیازی به کنترل کننده شارژ ندارند.

در سیستم های فتوولتاییک آفگرید و یا همان مستقل از شبکه برق ، شارژ کنترلرها وظیفه مدیریت جریان های ورودی از پنل ها و نیز کنترل کردن جریان های خروجی از باتری را دارند. انواع مختلفی از شارژکنترلرها و مشخصات آنها در بخش های بعدی به تفصیل مورد بحث قرار خواهند گرفت. شارژکنترلر ها 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 می شوند . 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 می کنید .

حداکثر توان خورشیدی را می توان 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 می شود. از شارژ كنترلر برای بهینه سازی توان خروجی سیستم خورشیدی استفاده می شود، به گونه ای كه حداكثر انرژی تولید شده را تضمین كند. شکل زیر ارتباط بین ولتاژ و جریان یک سیستم خورشیدی را با منحنی I-V نشان می دهد.

جهت مشاهده ویژگی های شارژرهای کنترلی کلیک کنید.

شارژکنترلر های PWM و MPPT

PWM

کنترلر های قدیمی بطور مکانیکی ، جریان انرژی به باتری را بوسیله رله های برقی کنترل می کردند . اما کنترلرهای شارژ امروزی از PWM برای کاهش سرعت انتقال انرژی به باتری( به منظور شارژ کامل باتری) استفاده می کنند. حالت شارژ PWM را می توان 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 می شود ، به طوری که می توان 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.

در بخش های بعدی ، مشخصات I-V شارژ کنترلر های PWM با جزئیات بیان خواهد شد. نکته ی فنی که در مورد شارژ کنترلر های PWM بایستی ذکر نمود این است که پالس های تیز در کنترلرهای شارژ PWM ، ایجاد نویز می کنند . این نویز ها سبب اختلال در نمایشگرها ، رادیوها و همچنین دوربین های مدار بسته آنالوگ می گردد.

هنگام شارژ با یک کنترلر شارژ PWM ، ولتاژ پنل خورشیدی تا نزدیک شدن به ولتاژ باتری (کمی بالاتر) پایین می آید. با خاموش و روشن کردن MOSFET ، شارژکنترلر PWM اتصال پنل های خورشیدی را به باتری را قطع و وصل می کند. 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 پایین تر از Isc است (ISC را می توانیم از منحنی V-I پنل پیدا کنیم) ، در همین زمان ، ولتاژ کار پنل برابر با ولتاژ باتری است ، بنابراین قدرت شارژ آن کمی پایین تر از حاصلضرب Isc در ولتاژ باتری (Isc * Vbat) خواهد بود . نکته : اگر ما نمی دانیم 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 فناوری های کنترلرها هستند . آنها برای اطمینان از حداکثر شارژ ، ولتاژ خروجی از پنل های خورشیدی را با ولتاژ باتری یکسان می کنند. MPPT یک ارتباط غیرمستقیم بین پنل ها و باتری است که از یک مبدل ولتاژ DC/DC به منظور استفاده از جریان های اضافی بالاتر و نیز متناسب نمودن ولتاژ به منظور دسترسی به سطح انرژی بالاتر ، بهره می جوید. شاید قیمت این نوع کنترلرها یک نکته منفی برای آنها در نظر گرفته شود اما راندمان موجود در محدوده 94٪ -98٪ می تواند اهمیت چنین کنترل کننده هایی را توضیح دهد ، و حتی برای سیستم های بزرگتر ممکن است منجر به صرفه جویی در هزینه ها شود . با استفاده از این کنترلرها 10٪ تا 30٪ انرژی بیشتری برای باتری تامین می گردد .

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 می کند زیرا ولتاژ ورودی از پنل خورشیدی به ولتاژ باتری ها محدود می شود و هیچگونه تنظیماتی روی جریان وجود ندارد. این در حالی است که برای یک کنترلر شارژ MPPT ، جریان به گونه ای تنظیم می شود که برای مقدار مشخصی از ولتاژ ، افزایش سرعت جریان وجود دارد ، بنابراین حداکثر توان از پنل های خورشیدی برای سیستم ذخیره سازی در دسترس خواهد بود. این مکانیزم مانع از اتلاف قدرت 30٪ از کنترلرهای شارژ معمولی می شود.

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 می کند. MCU توسط باتری 3.6 ولت تغذیه می شود در حالی که ولتاژ تغذیه برای مدارات 12 ولت و ولتاژ 5 ولت برای برقراری ارتباطات ، می باشد. مدار نمونه برداری ، ولتاژ ، دمای پنل ، باتری و لود را جمع می کند و سیگنال را به MCU می فرستد تا داده ها را پردازش کرده و فرایند شارژ را شروع کند. عملکرد چند شارژ نیز از طریق مدار درایور ارائه می شود که MOSFET را برای خاموش یا روشن کردن اداره می کند. تصویر زیر شماتیک یک شارژکنترلر MPPT را نشان می دهد .

هنگامی که MOSFET کار می کند ، 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 می کند. خازنهای نشان داده شده در نمودار برای ذخیره انرژی و تثبیت ولتاژ بکار می روند. كیفیت و اندازه خازنها موج شكل را تعیین می كنند ، بنابراین هرچه موج كوچكتر شود ، به دنبال آن عملكرد و كارایی بهتر فرایند شارژ نیز بدست می آید. هنگامی که MOSFET روی خازن و پنل نیز با آن روی شارژ باتری کار می کند ، از ویژگی های این نوع کنترلر است که در زمان خاموش بودن MOSFET ، پنل در حال شارژ خازن ها باشد. البته این باعث نوسانات کوچکی در ولتاژ پنل می شود که در شکل زیر نشان داده شده است.

مشخصات منحنی I-V در شارژکنترلرها

در این بخش ، مشخصات سیستم های فتوولتائیک از طریق منحنی I-V کنترلرهای خورشیدی مورد بحث قرار می گیرد. عملکرد کنترلر توسط مدل equivalent circuit توضیح داده شده است. فرایند شارژ و ولتاژ بهینه برای کنترل ها از طریق آنالیز منحنی I-V حاصل می شود. ولتاژ و جریان پنل خورشیدی را می توان 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 می کنند در حالی که برای مقاومت بیشتر سیستم بین نقاط P و S منحنی ذکر شده عمل می کند. مساحت زیر منحنی توان تبدیل شده در سیستم خورشیدی (P = V × I) را محاسبه می کند. این مساحت در زمان رسیدن منحنی در نقطه A که در آن سیستم به انتقال بهینه انرژی می رسد، 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 می شود.
فیل فاکتور (FF) که در زیر معرفی می شود ، اندازه گیری کارایی در سیستم های 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 می شود.

FF=Imax * Vmax/Isc * Voc

برای جلوگیری از این اتلاف توان ، کنترلرها در سیستم های خورشیدی به کار گرفته می شوند. به عنوان مثال ، کنترلرهای MPPT نقطه بهینه را پیدا کرده و براساس رگوله کردن جریان یا ولتاژ ، آن را ردیابی می کنند. اگر ولتاژ سلول خورشیدی خیلی کم باشد ، سیستم به طور قابل توجه ای ، توان از دست می دهد (به تصویر بعدی دقت کنید). از دست رفتن مشابه انرژی به دلیل جریان کم نیز اتفاق می افتد . 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 می دهد. قابل ذکر است که نقطه بهینه در خط قرمز که متعلق به ولتاژ و جریان بهینه است ، منجر به انتقال حداکثر توان می شود. 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 می دهد.

در زمان سطح ثابت ولتاژ ، MPPT سطح جریان را تا رسیدن به سطح جریان و ولتاژ پنل افزایش می دهد.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 می شود.
در مورد کنترلرهای PWM ، ولتاژ پنل و باتری نیز مورد قبل هستند و از بین رفتن ولتاژ جزئی به دلیل کابل های اتصال و لوازم جانبی را می توان مشاهده کرد. در چنین کنترلر هایی ، ولتاژ و جریان سیستم خورشیدی توسط یک خط عمودی در منحنی I-V تعیین می شود.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 نمی تواند جریان را برای رسیدن به نقطه حداکثری توان افزایش دهد .

شارژ چند مرحله ای

یشتر کنترلرهای شارژ MPPT و PWM دارای قابلیت “شارژچند مرحله ای” هستند. در اینجا ما در مورد هر یک از آنها بحث می کنیم. کل فرآیند در شکل بعدی نشان داده شده است.

مرحله شارژ BULK:

مرحله ای است که در آن کنترلر حداکثر انرژی را از صفحه خورشیدی برداشت می کند. در این مرحله ، کنترلر MPPT در Vmpp کار می کند ، 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 می کند ، این فرآیند در شارژ MPPT طولانی نیست و در این بین جریان شارژ به تدریج کاهش می یابد. 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 می کند. این دو مرحله به طور مداوم در یک فرایند شارژ انجام نمی شود 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 می دهد. در این مرحله واكنشهای شیمیایی دیگری نخواهند داشت و تمام جریان شارژ در این زمان به گرما و گاز تبدیل می شوند. سپس کنترلر ولتاژ را برای مرحله Float کاهش می دهد، در این مرحله شارژ با جریان و ولتاژ کمی انجام میگیرد. این کار باعث کاهش دمای باتری شده و از شارژ باتری جلوگیری می کند. 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 ، لود ها می توانند 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 پایین تر آید ، سیستم مرحله شارژ Float را رها کرده و به مرحله شارژ Bulk باز می گردد.

اثر دما

تابش خورشید بر روی پنل خورشیدی باعث افزایش دما در سیستم فتوولتاییک می شود. همانطور که در بخش های قبلی بحث شد ، ویژگی های I-V سلولهای خورشیدی عمدتاً به شرایط محیطی مانند دما بستگی دارد. راندمان سیستم های خورشیدی تابعی از دما است به گونه ای که با افزایش دمای صفحه خورشیدی باعث کاهش کارایی می شود. منحنی I-V برای دماهای مختلف نشان می دهد که ولتاژ مدار باز پانل خورشیدی توسط دمای سیستم تغییر می کند. در واقع ولتاژ مدار باز به سمت سطوح پایین تر تغییر می کند. 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) پایین تر سطح توان پایین تری را فراهم می کند. این پدیده نقش اساسی در طراحی سیستم های 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 می برند ، اما راه حل این مشکل ارائه سلولهای خورشیدی سری بیشتر در ساختار آرایه ای است که سطح ولتاژ مدار باز را افزایش داده و از دست دادن توان به دلیل دمای بالا جبران می کند. این ره 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 می دهد.همانطور که مشخص است کنترلر MPPT با استفاده از MCU خود ، شرایط آب و هوایی را مشخص می کند و با توجه به شرایط موجود ولتاژ و جریان مورد نیاز را فراهم می آورد. کنترل کننده های شارژ PWM به عنوان سوئیچ ها برای اتصال یا قطع پنل به باتری عمل می کنند ، بنابراین آنها نمی توانند دما را برای جبران تلفات الکتریسیته ردیابی یا حس کنند.

مزایا و معایب

در این بخش عملکرد کنترل کننده های شارژ PWM و MPPT با یکدیگر مقایسه می گردد. مزایا و معایب هر دو کنترلر در اینجا مورد بحث قرار می گیرد. 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 می دهد MPPT از کنترلر شارژ PWM پیچیده تر است و توضیح می دهد که چرا کنترلرهای شارژ MPPT گران هستند.

ویژگی های 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
حالت های کار چند بار

ویژگی های شارژکنترلر های PWM

پشتیبانی از 3 گزینه شارژ برای انواع باتری: سیلد اسید ، ژل و Flooded
شارژ PWM هوشمند 3 مرحله ای:Bulk , Boost/equalize , Float
ترمینال ها دارای مجوز UL و VDE هستند ، محصول ایمن تر و مطمئن تر است
عملکرد آمار انرژی
عملکرد جبران دمای باتری
حفاظت گسترده الکترونیکی
حالت های کنترل چند بار
طراحی USB دوتایی ، شارژ منبع تغذیه تجهیزات الکترونیکی
کنترلر می تواند 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 مکان هایی با دماهای متوسط رو به بالا از 45 تا 75 درجه سانتی گراد
انتخاب مناسب برای سیستم های کوچک ، جایی که راندمان سیستم در اولویت نیست

معایت

توان خروجی کمتر و ضعیف در برابر دماهای بالای سلول خورشیدی
کاهش توان خروجی در روزهای بارانی یا به شدت ابری
وجود نویز به دلیل پالس های تیز
کاهش عملکرد در آرایه های بزرگی که برداشت انرژی بیشتر در آن ارزش دارد

شارژکنترلر های MPPT