ما تحتاج لمعرفته حول وحدات التحكم بالشحن بالطاقة الشمسية

وحدات التحكم بالشحن أو منظمات الشحن هي في الأساس منظمات جهد و/أو تيار تمنع البطاريات من الشحن الزائد. في معظم الألواح 12 فولت، يتم تنظيم الجهد والتيار من الألواح الشمسية إلى البطارية، لذلك إذا لم يكن هناك تنظيم، فسوف تتضرر البطاريات من الشحن الزائد. لشحن البطارية بالكامل، يلزم وجود 14 إلى 14.5 فولت.

ليس من الضروري دائمًا استخدام وحدة تحكم بالشحن مع لوحات صيانة صغيرة، أو لوحات شحن متقطعة، مثل تلك التي تتراوح من 1 إلى 5 واط. القاعدة الأساسية هي أنك لا تحتاج إلى واحدة إذا كانت اللوحة تستهلك 2 واط أو أقل لكل 50 أمبير/ساعة من طاقة البطارية.

على سبيل المثال، تبلغ قوة بطارية سيارة الجولف القياسية المغمورة بالمياه حوالي 210 أمبير/ساعة. إذا كنت ترغب في الاحتفاظ بزوج من البطاريات بقدرة 12 فولت للصيانة أو التخزين، فستقوم لوحة بقدرة 4.2 واط بهذه المهمة. يمكن استخدام لوحة بقدرة 2 إلى 2 واط عند صيانة بطاريات AGM ذات الدورة العميقة، مثل Concorde Sun Xtender. لوحات 5 واط قريبة بما فيه الكفاية دون الحاجة إلى وحدة تحكم.

والسؤال الطبيعي الذي يطرح نفسه هو: لماذا لا يتم تصميم الألواح الشمسية لإنتاج 12 فولت بدقة؟ الأساس المنطقي وراء ذلك يكمن في الاعتبارات العملية. إذا تم تصميم الألواح بحيث تنتج 12 فولتًا فقط، فإنها ستولد الطاقة بشكل فعال فقط في ظل الظروف المثالية - عندما تكون باردة، مع ضوء الشمس المثالي، وتحت أشعة الشمس الكاملة. ومع ذلك، فإن مثل هذه الظروف ليست مضمونة باستمرار في معظم المواقع.

لمراعاة الاختلافات مثل زوايا الشمس المنخفضة، أو الضباب الكثيف، أو الغطاء السحابي، أو درجات الحرارة المرتفعة، تم تصميم الألواح الشمسية لتوفير جهد إضافي. وهذا يضمن أنه حتى في السيناريوهات غير المثالية، مثل عندما تكون الشمس منخفضة في السماء أو عندما تكون الظروف الجوية أقل ملاءمة، لا يزال بإمكان اللوحة توليد بعض الإخراج. تجدر الإشارة إلى أن بطارية "12 فولت" المشحونة بالكامل تقيس عادة حوالي 12.7 فولت في حالة الراحة (حوالي 13.6 إلى 14.4 فولت في ظروف الشحن). ومن ثم، يجب أن تولد اللوحة هذا المقدار من الجهد على الأقل حتى في ظل الظروف المعاكسة.

ويأتي دور وحدة التحكم في الشحن هنا، حيث تنظم خرج اللوحة، والذي يتراوح من 16 إلى 20 فولت، لتتناسب مع المتطلبات المباشرة للبطارية. يمكن أن يختلف تعديل الجهد هذا بين 10.5 و14.6 فولت تقريبًا، اعتمادًا على عوامل مثل حالة شحن البطارية، ونوع البطارية، ووضع تشغيل وحدة التحكم، ودرجة الحرارة المحيطة. تضمن وحدة التحكم بالشحن أن يتوافق مخرج اللوحة الشمسية مع الاحتياجات الديناميكية لنظام البطارية.

عواقب استخدام وحدة تحكم قياسية

قد تعمل وحدات التحكم القياسية، باستثناء أنواع الحد الأقصى لتتبع نقاط الطاقة (MPPT)، مع لوحات الجهد العالي طالما لم يتم تجاوز الحد الأقصى لجهد الإدخال لوحدة التحكم في الشحن. ومع ذلك، فإن العيب الملحوظ هو الخسارة الكبيرة في الطاقة، والتي تتراوح من 20 إلى 60% من الخرج المقدر للوحة. تقوم وحدات التحكم بالشحن القياسية بتوجيه التيار إلى البطارية حتى تصل إلى الشحن الكامل، عادة حوالي 13.6 إلى 14.4 فولت. نظرًا لأن اللوحة لديها قيود على عدد الأمبيرات التي يمكنها إخراجها، فإن انخفاض الجهد، مع الحفاظ على الأمبيرات المقدرة، يؤدي إلى تقليل نقل الطاقة. على سبيل المثال، قد توفر لوحة بقدرة 175 واط مصنفة عند 23 فولت/7.6 أمبير ما يقرب من 7.6 أمبير عند 12 فولت فقط في البطارية. وفقًا لقانون أوم (الواط = فولت × أمبير)، ستساهم اللوحة بقدرة 175 واط بحوالي 90 واط في البطارية.

تحسين لوحات الجهد العالي باستخدام وحدة تحكم MPPT

لتسخير إمكانات الطاقة الكاملة للألواح الشمسية ذات الجهد العالي، لا غنى عن وحدة التحكم MPPT. يمكن لوحدات التحكم MPPT، المفصلة في الرابط أعلاه، استيعاب مدخلات الجهد العالي، والتي تصل غالبًا إلى 150 فولت تيار مستمر (بعضها أعلى، حتى 600 فولت تيار مستمر). يتيح ذلك إمكانية توصيل لوحتين أو أكثر من لوحات الجهد العالي على التوالي، مما يقلل من فقد الأسلاك ويتيح استخدام مقاييس الأسلاك الأصغر. على سبيل المثال، بأخذ لوحة 175 واط المذكورة سابقًا، فإن ربط اثنين على التوالي سينتج 46 فولت عند 7.6 أمبير في وحدة التحكم MPPT. تقوم وحدة التحكم بعد ذلك بتحويل هذا إلى حوالي 29 أمبير عند 12 فولت، مما يعمل على تحسين كفاءة نقل الطاقة.

تتوفر وحدات التحكم بالشحن في مجموعة متنوعة من الأحجام والأشكال والميزات ونقاط الأسعار، لتلبية الاحتياجات المحددة لأنظمة الطاقة الشمسية. ويتراوح النطاق من أدوات التحكم المدمجة بقدرة 4.5 أمبير مثل Sunguard، إلى وحدات التحكم المتقدمة القابلة للبرمجة بقدرة 60 إلى 80 أمبير MPPT والمجهزة بواجهات الكمبيوتر. في الحالات التي تتجاوز فيها التيارات 60 أمبير، فمن الشائع توصيل وحدتين أو أكثر من 40 إلى 80 أمبير بالتوازي. ومع ذلك، فإن وحدات التحكم بالشحن الأكثر استخدامًا في الأنظمة المعتمدة على البطاريات تقع عادةً ضمن نطاق 4 إلى 60 أمبير.

يمكن تصنيف وحدات التحكم هذه على نطاق واسع إلى ثلاثة أنواع، يخدم كل منها أغراضًا متميزة مع درجة من التداخل:

1. ضوابط بسيطة على مرحلة واحدة أو مرحلتين

تقوم أدوات التحكم هذه، التي تعتمد على المرحلات أو الترانزستورات التحويلية، بإدارة الجهد في خطوة واحدة أو خطوتين. على الرغم من أنها تعتبر قديمة، إلا أنها لا تزال موجودة في الأنظمة القديمة، وقد تتميز خيارات الميزانية المتاحة عبر الإنترنت بعناصر التحكم البسيطة هذه. تكمن ميزتها الأساسية في موثوقيتها، بسبب الحد الأدنى من مكوناتها.

2.3-المرحلة و/أو عناصر التحكم في PWM

نظرًا لكونها معيارًا صناعيًا، أصبحت عناصر التحكم ثلاثية المراحل و/أو تعديل عرض النبض (PWM) سائدة. إنها تحل محل أنواع التحويلة/المرحل الأقدم، والتي يتم مواجهتها أحيانًا في الأنظمة منخفضة التكلفة من جهات الخصم والمسوقين الشاملين.

3. الحد الأقصى لوحدات التحكم في تتبع نقطة الطاقة (MPPT).

تمثل قمة تكنولوجيا التحكم، وتتميز وحدات التحكم MPPT، على الرغم من أن سعرها أعلى، بكفاءات تتراوح بين 94% إلى 98%. إنها توفر توفيرًا كبيرًا في التكاليف للأنظمة الأكبر حجمًا، مما يوفر طاقة أكبر بنسبة 10 إلى 30% للبطارية.

تهدف المعادلة، كما يوحي الاسم، إلى تحقيق التوازن أو معادلة الشحن بين جميع الخلايا في البطارية أو بنك البطارية. في الأساس، فإنه ينطوي على فترة من الشحن الزائد المتعمد، عادة في حدود 15 إلى 15.5 فولت. إذا كانت خلايا معينة داخل سلسلة البطارية تحتوي على شحنات أقل من الخلايا الأخرى، فإن المعادلة تجعلها جميعًا تصل إلى سعتها الكاملة. في البطاريات المغمورة بالمياه، تؤدي هذه العملية أيضًا الوظيفة الحيوية المتمثلة في تحريك السائل عن طريق توليد فقاعات الغاز. على الرغم من أن هذا قد لا يكون له تأثير كبير في البيئات التي تتحرك باستمرار مثل المركبات الترفيهية أو القوارب، إلا أنه يصبح مفيدًا عندما يتم ركن السيارة لفترات طويلة، مما يمنع الشحن غير المتساوي. في الأنظمة خارج الشبكة، يمكن أيضًا استخدام المولدات المزودة بشواحن لمعادلة البطارية.

توفر العديد من وحدات التحكم بالشحن وضع "PWM"، والذي يرمز إلى تعديل عرض النبض. يتم استخدام PWM بشكل شائع كوسيلة للشحن العائم. بدلاً من توفير خرج ثابت، ترسل وحدة التحكم سلسلة من نبضات الشحن القصيرة إلى البطارية - وهو مفتاح "تشغيل/إيقاف" سريع. تقوم وحدة التحكم بتقييم حالة البطارية بشكل مستمر لتحديد تردد النبض ومدته. في البطارية المشحونة بالكامل بدون تحميل، قد تحدث نبضات كل بضع ثوانٍ ولفترات قصيرة. في البطارية الفارغة، قد تكون النبضات أطول ومستمرة تقريبًا، أو قد تتحول وحدة التحكم إلى وضع "التشغيل الكامل". في حين أن PWM فعال، فإنه يمكن أن يولد تداخلاً في أجهزة الراديو والتلفزيون بسبب النبضات الحادة التي ينتجها.