كيف تعمل أجهزة التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية؟ ما هي الانواع المختلفة؟

توفر أنظمة الطاقة الشمسية طريقة صديقة للبيئة وفعالة من حيث التكلفة لتسخير طاقة الشمس وتحويلها إلى كهرباء قابلة للاستخدام. سواء كنت تفكر في استخدام الألواح الشمسية لمنزلك أو تركيبها عن بعد خارج الشبكة، فإن وحدات التحكم في الشحن بالطاقة الشمسية تلعب دورًا حيويًا في ضمان كفاءة نظامك وطول عمره. في هذه المقالة، سنستكشف كيفية عمل وحدات التحكم في الشحن بالطاقة الشمسية والأنواع المختلفة المتاحة لمساعدتك على اتخاذ قرارات مستنيرة لمشروع الطاقة الشمسية الخاص بك.

كيف يعمل جهاز التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية؟

يوضح أول مخطط تخطيطي لجهاز التحكم بالشحن الشمسي، كما هو موضح في الشكل 1، اتصال جهاز التحكم بالشحن الشمسي لتشغيل حمل تيار مباشر (DC). التخطيطي الثاني، المبين في الشكل 2، يتعلق بحمل التيار المتردد.

الشكل 1: مخطط خارج الشبكة مع تحميل DC

عند تركيب جهاز التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية، يُنصح باتباع ترتيب محدد للتوصيل والفصل:

قم بتوصيل البطارية بوحدة التحكم أولاً.
قم بتوصيل مجموعة الكهروضوئية إلى وحدة التحكم.
قم بتوصيل الحمل الكهربائي بوحدة التحكم.

عند قطع الاتصال، يجب عليك عكس هذا الترتيب. تقوم البطارية بتزويد وحدة التحكم بالطاقة، لذا تأكد دائمًا من فصل الألواح الشمسية والأحمال قبل توصيل البطارية أو فصلها عن وحدة التحكم. لتعزيز السلامة وتبسيط عملية التثبيت والانهيار، يوصى بوجود مفاتيح فصل في التوصيلات بين البطارية والحمل والمصفوفة الكهروضوئية ووحدة التحكم.

في المخطط التخطيطي للسلك مع حمل التيار المستمر، يصل ضوء الشمس إلى الوحدات الشمسية، التي تحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية تعمل بالتيار المستمر. ثم يتم تسليم هذه الطاقة إلى وحدة التحكم بالشحن. يقوم جهاز التحكم بالشحن بتنظيم التيار والجهد المزود للأحمال، ويتم توجيه أي طاقة زائدة إلى نظام البطارية للحفاظ على حالة الشحن دون الشحن الزائد. أثناء المساء عندما لا يكون هناك ضوء الشمس، يتم استخدام طاقة البطارية لتشغيل الحمل.

قد تلاحظ أن البطارية مؤرضة عند الطرف السالب للبطارية. وذلك لأن جميع وحدات التحكم PWM وMPPT لدينا تشترك في أرضية سلبية مشتركة. لذلك، من الممكن إنشاء أرضية سلبية مشتركة للنظام بأكمله، بما في ذلك المجموعة الشمسية وجهاز التحكم والبطارية والحمل. يتوافق هذا التكوين مع متطلبات رمز NEC للتأريض. بالنسبة لوحدات التحكم التي لا تحتوي على عروة طرفية أرضية للمعدات، يمكنك توصيل أرضي المعدات مباشرةً بحاوية وحدة التحكم لأي أجزاء معدنية.

الشكل 2: مخطط خارج الشبكة مع تحميل التيار المتردد

الرسم البياني التالي، كما هو موضح في الشكل 2، يوضح المكونات والوصلات المطلوبة لتشغيل حمل التيار المتردد. هذا المخطط مع حمل التيار المتردد يشبه إلى حد كبير مثال تحميل التيار المستمر السابق. ومع ذلك، في هذا السيناريو، تمت إضافة العاكس إلى النظام. يتمثل دور العاكس في تحويل طاقة التيار المستمر من البطارية إلى طاقة تيار متردد، والتي يمكن استخدامها لتشغيل أحمال التيار المتردد، مثل التلفزيون الموضح في المخطط.

من المهم ملاحظة أن العاكس متصل ويتم إمداده بالطاقة مباشرة من البطارية، وليس من أطراف تحميل وحدة التحكم، كما في مثال تحميل التيار المستمر. يعد هذا الترتيب ضروريًا لأن العاكسات يمكن أن تنتج زيادة عالية في الطاقة أثناء بدء التشغيل، وقد تتجاوز هذه الزيادة السعة المقدرة لوحدة التحكم في الشحن. ومن ناحية أخرى، يمكن للبطاريات أن تلبي متطلبات زيادة الطاقة العالية.

أنواع أجهزة التحكم بالشحن: PWM مقابل MPPT

يمكن أن نرى من الرسم البياني أدناه أن وحدات التحكم PWM تعمل بجهد البطارية وتكون أصغر حجمًاوحدات تحكم MPPTتعمل بأقصى جهد للطاقة باستخدام أحدث التقنيات. ونتيجة لذلك، يصبح جهد المصفوفة أعلى بشكل متزايد من جهد البطارية في الظروف الباردة، مما يزيد من كمية الطاقة المنتجة. علاوة على ذلك، يمكن لوحدات التحكم MPPT أن تعمل بجهد أعلى وتيارات مصفوفة أقل، مما قد يؤدي إلى سلاسل أقل في أحجام الأسلاك المتوازية والأصغر.

لا يمكن استخدام وحدة التحكم PWM إلا مع المصفوفات المطابقة لجهد البطارية، لذا فإن الوحدات التي يمكن استخدامها محدودة. تتمتع العديد من الوحدات المكونة من 60 خلية بجهد طاقة أقصى (Vmp) يساوي حوالي 30 فولت، مما يجعلها مناسبة لوحدات تحكم MPPT، ولكن ليس وحدات تحكم PWM.

باختصار، ما هو الأفضل، PWM أو MPPT؟ مع تحييد جميع العوامل، فإن MPPT هي التقنية الأحدث التي تحصد كمية أكبر من الطاقة. على الرغم من مزايا MPPT، إلا أنه ليس دائمًا اختيارًا ذكيًا لاختيار وحدة تحكم PWM، خاصة بالنسبة للأنظمة الأصغر حجمًا أو في المناخات الدافئة حيث تكون تعزيزات MPPT أقل وضوحًا.

مقارنة بين PWM وMPPT لوحدة التحكم بالشحن الشمسي

وحدات تحكم PWM	وحدات تحكم MPPT
يتم "سحب" جهد المصفوفة إلى جهد البطارية	تحويل الجهد الزائد المدخلات إلى التيار
تعمل بشكل عام تحت Vmp	تعمل على Vmp
مناسبة لتكوينات الوحدة الصغيرة	مناسب لتكوينات الوحدات الكبيرة التي تتميز بتكلفة أقل لكل واط
غالبًا ما يتم اختياره للمناخات الحارة جدًا والتي لن تنتج قدرًا كبيرًا من تعزيز MPPT	توفير دفعة أكبر من PWM، خاصة خلال الأيام الباردة و/أو عندما يكون جهد البطارية منخفضًا

شحن PWM

تتميز منظمات الطاقة الشمسية التقليدية بوظيفة الشحن PWM (تعديل عرض النبض) عن طريق إنشاء اتصال مباشر من مجموعة الطاقة الشمسية إلى بنك البطارية. أثناء مرحلة الشحن بالجملة، عندما يكون هناك اتصال غير متقطع من المصفوفة إلى بنك البطارية، فإن جهد خرج المصفوفة يتماشى مع جهد البطارية. يخضع جهد البطارية لتعديلات طفيفة بناءً على الإمداد الحالي للمصفوفة وحجم البطارية وخصائصها.

شحن MPPT

تشتمل وحدات التحكم Morningstar MPPT على تقنية TrakStar، والتي تم تصميمها لتحديد Vmp (أقصى جهد للطاقة) للمصفوفة الشمسية بسرعة ودقة. تستخدم وحدات تحكم TrakStar MPPT تقنية حيث تقوم "بمسح" مدخلات الطاقة الشمسية لتحديد الجهد الكهربي الذي ينتج عنده المصفوفة أقصى قدر من الطاقة. تلتقط وحدة التحكم الطاقة من المصفوفة عند جهد Vmp هذا وتحولها إلى جهد البطارية، مما يؤدي في نفس الوقت إلى تعزيز تيار الشحن.

لماذا تختار PWM على MPPT؟

قد تثير المقارنة بين PWM وMPPT تساؤلات حول سبب اختيار المرء لـوحدة تحكم PWMعبر وحدة تحكم MPPT. هناك عدة عوامل قد تقلل أو تلغي المزايا التي توفرها وحدات تحكم MPPT. يجب أن تشمل الاعتبارات التكلفة، حيث أن وحدات التحكم MPPT تأتي عمومًا بسعر أعلى من نظيراتها في PWM. عند اتخاذ قرار بشأن وحدة التحكم، من الضروري تقييم التكلفة الإضافية لـ MPPT فيما يتعلق بالعوامل التالية:

تطبيقات الطاقة المنخفضة:قد تحقق الطاقة المنخفضة، وخاصة تطبيقات الشحن ذات التيار المنخفض، حصادًا مماثلاً أو حتى متفوقًا للطاقة باستخدام وحدة تحكم PWM. تحافظ وحدات تحكم PWM على كفاءة حصاد متسقة نسبيًا بغض النظر عن حجم النظام. في المقابل، قد تظهر منظمات MPPT انخفاضًا في كفاءة الحصاد عند استخدامها في التطبيقات منخفضة الطاقة. من الضروري مراجعة منحنيات الكفاءة المتوفرة في أدلة وحدة التحكم Morningstar MPPT عند اختيار المنظم.

اعتبارات المناخ:غالبًا ما تتم ملاحظة الفائدة الأكثر أهمية لمنظم MPPT في المناخات الباردة حيث يكون Vmp (الجهد عند أقصى طاقة) أعلى. على العكس من ذلك، في المناخات الأكثر حرارة، يتناقص Vmp، مما يقلل من حصاد MPPT مقارنة بـ PWM. قد يؤدي ارتفاع متوسط درجات الحرارة المحيطة في موقع التثبيت إلى جعل مزايا MPPT أقل اقتصادية.

ظروف البطارية الكاملة:قد تؤدي الأنظمة التي يتجاوز فيها إنتاج طاقة المجموعة الشمسية بشكل كبير سحب الطاقة لأحمال النظام إلى بقاء البطاريات مشحونة بالكامل أو شبه كاملة في معظم الأوقات. في مثل هذه الحالات، قد تكون زيادة قدرة الحصاد لمنظم MPPT غير ضرورية، خاصة إذا لم تكن الاستقلالية عاملاً حاسماً.

لماذا تختار MPPT بدلاً من PWM

يوفر اختيار وحدات تحكم MPPT العديد من المزايا:

زيادة حصاد الطاقة:تعمل وحدات التحكم MPPT بجهد مصفوفة أعلى من جهد البطارية، مما يعزز حصاد الطاقة من المصفوفات الشمسية بنسبة 5 إلى 30% مقارنة بوحدات تحكم PWM، اعتمادًا على الظروف المناخية. يتم ضبط الجهد الكهربي والتيار للصفيف بشكل مستمر على مدار اليوم لزيادة إنتاج الطاقة إلى الحد الأقصى.

قيود أقل على الوحدة:يمكن استخدام وحدات التحكم MPPT، التي تعمل على تشغيل المصفوفات بجهد أعلى من جهد البطارية، مع نطاق أوسع من الوحدات الشمسية وتكوينات المصفوفات. يمكنهم أيضًا دعم الأنظمة ذات أحجام الأسلاك الأصغر.

دعم المصفوفات كبيرة الحجم:على عكس وحدات التحكم PWM، يمكن لوحدات التحكم MPPT استيعاب المصفوفات كبيرة الحجم التي قد تتجاوز الحد الأقصى للطاقة لوحدة التحكم في الشحن. تدير وحدة التحكم ذلك عن طريق الحد من استهلاك التيار للمصفوفة خلال فترات الإمداد العالي بالطاقة الشمسية، عادةً في منتصف النهار. بينما يتم تنظيم الطاقة الزائدة من المصفوفة خلال هذا الوقت، يمكن للمصفوفات كبيرة الحجم توفير المزيد من الطاقة خلال الأجزاء المبكرة والمتأخرة من اليوم، مقارنة بالمصفوفات الأصغر حجمًا غير كبيرة الحجم.