آموزش برق خورشیدی – طراحی پکیج برق خورشیدی – بخش سوم

محدودیت های ورودی شارژکنترلر

تمامی شارژکنترلر ها اعم از PWM‌ یا MPPT دارای محدودیت در جریان و ولتاژ ورودی است. در فصل پیش در مورد این محدودیت ها تا حدی صحبت شد. در اینجا نیز در مورد محدودیت های هر دو شارژکنترلر MPPT و PWM صحبت خواهد شد.
ولتاژ ورودی در شارژکنترلر های PWM و MPPT دارای محدودیت است. در شارژکنترلر های PWM ولتاژ ورودی نباید بیش از ۵۰ درصد ولتاژ باتری باشد. در این صورت هم به شارژکنترلر و هم به باتری آسیب خواهد رسید. این محدودیت در MPPT ها متفاوت و به طور معمول در رنج های ۶۰ ولت، ۱۰۰ ولت، ۱۵۰ ولت و ۲۰۰ ولت تولید می شوند. در MPPT بهتر است ولتاژ ورودی بالا و جریان ورودی کم تر باشد زیرا MPPT توان تبدیل ولتاژ اضافی به جریان را دارند.
جریان ورودی در شارژکنترلر های MPPT و PWM مطابق کاتالوگ آن ها محدود است. در شارژکنترلرهای PWM جریان ورودی نباید از جریان شارژکنترلر بیشتر باشد. به همین منظور باید جریان اتصال کوتاه پنل خورشیدی را در نظر گرفت. همیشه باید جریان شارژکنترلر بیشتر از جریان اتصال کوتاه پنل خورشیدی باشد.
در شارژکنترلر های MPPT به جای محدودیت جریان ورودی، محدودیت توان ورودی وجود دارد که از حاصل ضرب جریان ورودی در ولتاژ ورودی به دست می آید که مقدار مجاز آن در کاتالوگ ذکر شده است.

به عنوان مثال در ادامه به دو مدل از شارژکنترلر های برند EPEVER خواهیم پرداخت.

شارژکنترلر LS1024E برند EPEVER از نوع PWM

این شارژکنترلر همانطور که از مدلش پیداست از نوع ۱۰ آمپر PWM‌با قابلیت کار با ولتاژ باتری ۱۲ ولت و ۲۴ ولت است. پس از اتصال این شارژکنترلر به باتری، ولتاژ باتری به صورت خودکار توسط این شارژر تشخیص و متناسب با آن فعال می شود. جریان اتصال کوتاه پنل یا پنل های ورودی در این شارژکنترلر نباید از ۱۰ آمپر بیشتر شود. همچنین در صورت اتصال باتری ۱۲ ولت به شارژکنترلر، بهتر است ولتاژ پنل زیر ۲۲ ولت باشد. برای باتری ۲۴ ولت نیز توصیه می شود ولتاژ پنل حداکثر ۳۲ الی ۳۳ ولت باشد.

شارژکنترلر Tracer1210A برند EPEVER‌ از نوع MPPT

این شارژکنترلر نیز مانند مدل قبلی ۱۰ آمپر با ولتاژ باتری ۱۲/۲۴ ولت اما از نوع MPPT است. حداکثر ولتاژ ورودی پنل در این مدل و در درمای ۲۵ درجه سانتی گراد ۱۰۰ ولت است که بهتر است پنل های ورودی را سری نماییم تا راندمان بهتری از این شارژکنترلر دریافت نماییم. مطابق کاتالوگ حداکثر توان ورودی در این شارژکنترلر در حالت ۱۲ ولت ۱۹۵ وات و در حالت ۲۴ ولت ۳۹۰ وات است.
ناگفته نماند در صورت اتصال ۱۹۵ وات پنل به ورودی شارژر در حالت ۱۲ ولت تنها ۱۳۰ وات آن توسط شارژکنترلر تبدیل می شود و صرفا ۱۹۵ وات حداکثر توان ورودی و مجاز است.

راندمان در شارژکنترلر MPPT در حدود ۹۰ تا ۹۵ درصد است که در بدترین شرایط ۱۰ درصد توان ورودی در این شارژکنترلر تلف می شود. اما در شارژکنترلر PWM این مقدار در بهترین حالت ۹۰ درصد بوده و ممکن است تا ۵۰ درصد نیز کاهش پیدا کند. مقدار راندمان این شارژکنترلر بسیار وابسته به ولتاژ پنل است که می توان به صورت تقریبی این مقدار را با رابطه زیر محاسبه نمود.

η[%]= V_Battery/V_mp ×100

همانطور که از رابطه بالا مشخص است، راندمان شارژکنترلر PWM از تقسیم ولتاژ باتری بر ولتاژ پنل بدست می آید. برای مثال در صورت اتصال یک پنل ۱۸ ولت به یک باتری ۱۲ ولت، راندمان شارژکنترلر PWM برابر با ۶۶ درصد است. البته ولتاژ پنل در نقطه کار معمولا مقداری پایین تر و ولتاژ باتری بیشتر از ۱۲ ولت و در حدود ۱۳ ولت است که در این صورت راندمان به حدود ۷۵ درصد می شود. به این مقدار ۱۰ درصد تلفات ذاتی خود شارژکنترلر اضافه می شود.
به عنوان مثالی دیگر یک پنل ۶۰ سلولی با ولتاژ ۲۸ ولت را در نظر بگیرید. در صورتی که از یک شارژکنترلر PWM برای شارژ یک باتری ۱۲ ولتی استفاده نماییم، علارقم آسیبی که به باتری وارد خواهد شد، راندمان نیز به شدت کاهش می یابد. از تقسیم ۱۲ به ۲۸ راندمان در این حالت ۴۲ درصد بدست می آید که اگر ۱۰ درصد تلفات ذاتی شارژر را نیز به آن اضافه کنیم راندمان خروجی ۳۰ درصد خواهد شد. این به این معنی است که در صورت اتصال یک پنل ۲۵۰ وات، فقط ۸۰ تا ۱۰۰ وات آن در خروجی شارژر قابل دریافت است.

انتخاب شارژکنترلر با آمپر بالا برای توسعه نیروگاه خورشیدی

در صورتی که از یک شارژکنترلر با آمپر بیشتر از آمپر مورد نیاز برای شارژ باتری در یک نیروگاه خورشیدی استفاده شود، نتنها مشکلی پیش نمی آید بلکه قابلیت توسعه نیروگاه خورشیدی را نیز محیا می کند.

مرحله سوم – طراحی پنل خورشیدی مورد نیاز

برای شارژر باتری سیلد لید اسید کافی است یک یا چند پنل خورشیدی را با یکدیگر سری یا موازی نمود. برای محاسبه ظرفیت پنل مورد نیاز در یک نیروگاه خورشیدی جدا از شبکه، کافی است جریان لازم برای شارژ باتری را در ولتاژ باتری ها ضرب نماییم سپس تلفات شارژکنترلر را نیز به عدد بدست آمده اضافه کنیم.
برای مثال اگر قصد شارژ ۴ عدد باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت را داشته باشیم، بهتر است باتری ها به صورت سری و موازی با یکدیگر بسته شوند. باتری معادل ۲۰۰ آمپر ساعت ۲۴ ولت می شود. جریان شارژ این باتری ۲۰ آمپر روی ولتاژ ۲۴ ولت است. بنابر این پنل خورشیدی مورد نیاز بیش از ۴۸۰ وات است.
حال به منظور اضافه کردن افت توان خود شارژکنترلر کافی است در شارژکنترلر های MPPT به این مقدار ۲۰ درصد و در صورت طراحی درست در شارژکنترلرهای PWM حدود ۴۰ درصد به مقدار پنل محاسبه شده اضافه شود. به همین منظور با فرض MPPT بودن به مقدار ۴۸۰ وات بدست آمده ۲۰ درصد اضافه می کنیم که مقدار نهایی ۵۷۶ وات است.

انتخاب تعداد و توان هر پنل به صورت مجزا

توان پنل بدست آماده در مثال قبل حدود ۵۷۶ وات است که در حال حاضر این پنل به صورت یکپارچه وجود ندارد. به منظور دستیابی به این توان باید از ۲ یا چند پنل خورشیدی به صورت سری یا موازی با یکدیگر استفاده نمود. برای مثال می توان از ۲ پنل ۲۸۰ تا ۳۰۰ وات و یا ۳ پنل ۲۰۰ وات استفاده نمود.
انتخاب بین سناریو های مختلف بسیار به شارژکنترلر و باتری شما وابسته است. همانطور که در مرحله قبل مشاهده کردید جریان و ولتاژ شارژکنترلر بر اساس ظرفیت و ولتاژ باتری طراحی می شود اما گاهی اوقات ولتاژ و نوع شارژکنترلر متناسب با پنل خورشیدی موجود دستخوش تغییر می شود اما جریان آن همیشه بر اساس ظرفیت باتری انتخاب خواهد شد.
در مثال قبل ۴ عدد باتری ۱۰۰ آمپر ساعت ۱۲ ولت به صورت سری و موازی با یکدیگر بسته شده و در مجموع یک باتری ۲۰۰ آمپر ساعت ۲۴ ولت را تشکیل داده بودند. برای شارژ این باتری ها نیز نیازمند شارژکنترلری با جریان ۲۰ آمپر و ولتاژ ۲۴ ولت هستیم. همچنین از شارژکنترلر ۳۰ آمپر نیز می توان استفاده نمود. توجه شود که پنل این سیستم بر اساس جریان لازم شارژ باتری طراحی و شارژر ۳۰ آمپر فقط به منظور ارتقای سیستم در آینده در نظر گرفته می شود.
در صورت انتخاب شارژکنترلر MPPT محدودیت خاصی وجود ندارد و می توان به راحتی از پنل های ۲۰۰ وات ۳۰۰ وات برای شارژ این باتری ها استفاده نمود. در صورت استفاده از پنل زیر ۲۰۰ وات هزینه تمام شده پنل ها افزایش می یابد و باید پنل ها برای دستیابی به ولتاژ بالا با یکدیگری سری شوند. در شارژکنترلر های MPPT ولتاژ بالا بهتر از جریان است و عمل تبدیل به بهترین شکل صورت می گیرد.
در صورت انتخاب شارژر PWM باید ولتاژ پنل ها نزدیک به ولتاژ باتری و در حدود ۲۵ تا ۳۰ ولت باشد. همچنین به دلیل تلفات شارژکنترلر باید از پنل با توان بالاتر استفاده نمود. بهتر است در این حالت از پنل ۲۸۰ وات تا ۳۰۰ وات استفاده کرد زیرا پنل های بالای ۳۰۰ وات به طور معمول از سری ۷۲ سلولی بوده و ولتاژ آن بالای ۳۵ ولت است که در این حالت تلفات شارژکنترلر PWM افزایش پیدا می کند.