طراحی شارژ کنترلر خورشیدی برای سیستم پنل های خورشیدی
قبل از ارائه مطالب مربوط به طراحی شارژ کنترلر خورشیدی، بهتر است مقدمه ای درباره پنل های خورشیدی داشته باشیم و مفاهیم اولیه موجود در این موضوع را بیان کنیم.
پنل خورشیدی چیست ؟
در مورد پنل خورشیدی همان جور که از اسمش پیدا است همه چیز با خورشید شروع می شود. پنل های خورشیدی (Solar Panel) که با نام دیگر PV Panel هم شناخته می شوند، نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کنند. این صفحات ذرات انرژی که فوتون نام دارد را به الکتریسیته تبدیل می کنند که می تواند توسط بارهای الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد.
پنل های خورشیدی می توانند در کابردهای متفاوتی مورد استفاده قرار گیرند از جمله، سیستم های تامین برق برای نقاط دور از دسترس برای مکان های خاص، تجیهزات ارتباط از راه دور، سنجش از راه دور و غیره. البته تامین برق مصرفی برای ساختمان های مسکونی نیز یکی از کاربردهای متداول این سیستم های خورشیدی است.
در این مطلب قصد داریم توضیح کاملی در مورد تاریخچه، تکنولوژی و مزایا آن برای شما ارائه کنیم و در کنار آن خواهیم آموخت که پنل های خورشیدی چطور کار می کنند. برخی مطالب مرتبط نیز مطرح خواهد شد که دانستن آنها خالی از لطف نیست.
تاریخچه ای کوتاه درباره پنل های خورشیدی
تحقیق و توسعه درباره ی استفاده از انرژی خورشیدی به صد ها سال قبل بر می گردد. در تلاش های اولیه، انرژی خورشیدی عمدتاً برای تولید بخار استفاده می شد تا بتوان از بخار بوجود آمده برای به حرکت درآوردن ادوات مکانیکی بهره برد.
اما این کاربرد تنها تا زمان کشف “اثر فتو ولتائیک (Photovoltaic effect)” توسط ادموند بکرل (Edmond Becquerel) بود. در این اکتشاف جدید شرایط برای تیدیل انرژی خورشیدی به انرژی الکتریکی فراهم می شد. کشف بکرل منجر شد در سال 1893 اولین سلول خورشیدی واقعی توسط چالرز فریتز (Charles Fritts) اختراع شود. این سلول ها از سلنیوم با روکش و پوششی نازک از طلا ساخته شد و این آغاز فروتنانه بود برای دستگاهی است که امروزه به عنوان پنل خورشیدی می شناسیم.
راسل اوهل (Russel Ohl)، مخترعی آمریکایی و جز کارمندان آزمایشگاه های بل (Bell Laboratories) بود که در سال 1941 اولین سلول خورشیدی سیلیکونی جهان را به ثبت رساند. این اختراع منجر به تولید اولین پنل خورشیدی در سال 1954 توسط همین شرکت شد. پنل های خورشیدی اولین کاربرد خود را در ماهواره های فضایی پیدا کردند. برای اکثر مردم آشنایی و روبرویی با این پنل های خورشیدی تقریباً در دهه 1970 رخ داد و آن هم صفحه خورشیدی کوچکی بود که در اکثر ماشین حساب ها تعبیه شده بود.
امروزه پنل ها و سیستم های کامل خورشیدی برای تامین انرژی الکتریکی در خیلی از کاربردها مورد استفاده قرار می گیرند. بله، هنوز پنل های خورشیدی به شکل سلول های خورشیدی در ماشین حساب ها به کار می رود. همچنین همین پنل های خورشیدی برای تامین انرژی الکتریکی کل خانه های مسکونی و ساختمان های تجاری مانند دفتر مرکزی گوگل در کالیفرنیا مورد استفاده قرار می گیرد.
پنل خورشیدی چطور کار می کند؟
پنل خورشیدی انرژی پاک و تجدید پذیر نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند که می تواند توسط تجهیزات الکتریکی مورد استفاده واقع بشود. پنل های خورشیدی از چندین سلول خورشیدی منفرد تشکیل شده اند. خود این سلول ها از لایه های سیلیکون، فسفر (که بار منفی را تامین می کند) و بور (که بار مثبت را تامین می کند) ساخته شده اند.
پنل های خورشیدی فوتون ها را جذب می کنند و با کمک انرژی آنها جریان الکتریکی ایجاد می کنند. انرژی حاصل از برخورد فوتون ها به سطح پنل خورشیدی به الکترون ها اجازه می دهد تا از مدارهای اتمی خود خارج شوند و در میدان الکتریکی تولید شده توسط سلول خورشیدی رها شوند. میدان الکتریکی الکترون های آزاد را به سمت یک جریان جهت دار هدایت می کند.
کل این فرآیند به عنوان اثر فوتو ولتائیک شناخته می شود. متوسط مساحت سقف خانه ها به اندازه ای کافی بزرگ است که فضای مناسب برای تعداد پنل های خورشیدی لازم جهت تامین انرژی الکتریکی کل ساختمان را فراهم آورد. معمولاً انرژی تولید شده در روز بیشتر از نیاز است که می تواند برای استفاده در شب بکار رود یا به شبکه اصلی برق فرستاده شود و قبال آن پول دریافت کرد.
همانطور که ذکر شده در یک پیکربندی بالانس و متصل به شبکه اصلی برق، با آرایه ای از پنل های خورشیدی می توانند به میزانی برق تولید کرد که بیشتر از مصرف روزانه باشد. این انرژی مازاد می تواند برای شب مورد استفاده قرار گیرد و همچنین چون در اکثر کشور ها برنامه هایی در سیستم تجهیزات اندازه گیری برق مصرفی ساختمان ها وجود دارد که به دارندگان ژنراتورهای خورشیدی اجازه می دهد برق تولید شده ی مازاد خود را به شبکه اصلی تزریق کنند و با تعرفه های مشخص دستمزد آن را دریافت کنند.
در پیکربندی خارج از شبکه باید از بانک باتری و شارژ کنترلر بهره برد. در اکثر موارد، استفاده از یک اینورتر الزامی است. آرایه پنل های خورشیدی، انرژی الکتریکی تولید شده را به صورت جریان الکتریکی مستقیم (DC) برای شارژ کنترلر ارسال می کند. شارژ کنترلر این انرژی را به صورت کنترلر شده در بانک باتری انباشته می کند. انرژی الکتریکی مورد نیاز از طریق انورتر از بانک باتری کشیده می شود. اینورتر جریان مستقیم (DC) را به جریان متناوب (AC) تبدیل می کند تا قابل استفاده برای اکثر لوازم خانگی، که نمی توانند با جریان مستقیم کار کنند، باشد.
با کمک یک اینوتر، آرایه های پنل های خورشیدی می توانند آن قدر بزرگ باشند تا انرژی پرمصرفترین تجهیزات روی خط را نیز تامین کنند. این جریان متناوب (AC) می تواند برای تامین انرژی الکتریکی مورد نیاز خانه ها، ساختمان های تجاری، وسایل نقلیه تفریحی و قایق ها، کابین های دور افتاده، کنترل ترافیک از راه دور، تجهیزات مخابراتی، نظارت بر جریان نفت و گاز، SCADA، RTU و موارد دیگر بهره برد.
مزایا پنل های خورشیدی
استفاده از پنل های خورشیدی یک راه کاربردی برای تولید نیروی الکتریکی در خیلی در کاربرد ها می باشد. واضح ترین آنها برای زندگی خارج از شبکه (Off-Grid) است. زندگی خارج از شبکه یعنی زندگی کردن در نقطه جغرافیایی است که تحت پوشش شبکه اصلی برق نیست. این خانه ها و محل های دور افتاده می توانند به راحتی از این سیستم های خورشیدی بهره ببرند. دیگر نیازی به پرداخت هزینه های هنگفت برای نصب تجهیزات انتقال برق از شبکه اصلی نیست. سیستم های خورشیدی به طور بالقوه ارزان تر هستند و اگر به درستی نگهداری شوند تا سه دهه انرژی مورد نیاز شما را تامین می کنند.
در کنار این حقیقت که پنل های خورشیدی امکان زندگی خارج از شبکه را فراهم می آورند، شاید لذت بخش ترین امتیاز استفاده از نیروی خورشیدی تجدیدپذیر و پاک بودن آن باشد. با وجود تغییرات جهانی آب و هوا و مهم تر شدن مشکل گرمایش جهانی (Global Warming) و گاز های گلخانه ای، ما باید هر اقدامی که به کاهش فشار وارده به اتمسفر کمک می کند را انجام دهیم. پنل های خورشیدی می توانند فاقد قطعات متحرک باشند و نیاز به نگهداری کمی دارند. بسیار مقاومت ساخته می شوند و با نگهداری مناسب چندین دهه دوام می آورند.
نکته مهم آخر در باب مزایای سیستم و پنل های خورشیدی، به محض پرداخت هزینه های اولیه، انرژی الکتریکی تولید شده تا آخر عمر تجهیزات نصب شده، که با توجه به کیفیت تجهیزات می تواند بین 15 تا 30 سال باشد، رایگان خواهد بود. برای دارندگان سیستم های متصل به شبکه، مزایای آن از لحظه بر خط (Online) شدن سیستم بوجود می آید. احتمالاً می توانند علاوه بر از بین بردن قبض های ماهانه برق، می توانند با انتقال توان تولیدی مازاد به شبکه کسب درآمد کنند.
کاربردها و مزایای بسیار زیادی می توان برای استفاده از پنل های خورشیدی نام برد ولی پرداختن بیشتر به این موارد در این مطلب، ملال آور خواهد شد. تا اینجا به اندازه کافی در مورد اینکه چقدر انرژی خورشیدی همه کاره و کارآمد است، دانش کسب کرده ایم.
دانش اولیه برای طراحی شارژ کنترلر خورشیدی
شارژ کنترلر خورشیدی دقیقاً چیست ؟
همانطور که گفته شد شارژ کنترلر خورشیدی وظیفه مدیریت توان هدایت شده از طریق آرایه پنل های خورشیدی به بانک باتری را دارد. شارژ کنترلر تضمین می کند که باتری های چرخه عمیق (Deep cycle) در طول روز بیش از حد شارژ نمی شوند و انرژی باتری در شب به سمت پنل های خورشیدی باز نمی گردد و باتری ها را تخلیه نمی کند. برخی از شارژ کنترلر ها می توانند مدیریت بارهای DC و یا روشنایی را انجام دهند ولی وظیفه اصلی همان مدیریت شارژ باتری ها می باشد.
شارژ کنترلر خورشیدی به کمک یکی از دو تکنولوژی PWM و MPPT کار خود را انجام می دهد. نحوه ی عملکرد هر کدام بسیار متفاوت از یکدیگر می باشد. شارژ کنترلرهای MPPT گرانتر از شارژ کنترلرهای PWM می باشند و معمولاً این اضافه بها ارزش پرداختن دارد.
شارژ کنترلر PWM
احتمال زیاد شما بدانید که PWM مخفف Pulse Width Modulation یا همان مدولاسیون عرض پالس است. در این شارژ کنترلر یک ارتباط مستقیم بین آرایه پنل خورشیدی و بانک باتری های ایجاد می شود. در حالت شارژ سریع اولیه، ارتباط بین آرایه خورشیدی با بانک باتری به صورت پیوسته بوده و ولتاژ پنل خروجی تا سطح ولتاژ باتری پایین کشیده می شود. با شارژ شدن باتری ولتاژ آن افزایش می یابد و متعاقباً ولتاژ پنل نیز بالا می رود. همواره برای شارژ شدن باتری باید اختلاف ولتاژی بین ولتاژ تولید شده توسط پنل و باتری وجود داشته باشد تا باتری شارژ شود.
به این منظور همواره باید دقت داشت که مشخصات خروجی پنل خورشیدی و باتری با هم مطابقت داشته باشد. برای یک باتری 12V باید از یک پنل خورشیدی 12V استفاده کرد. البته پنل خورشیدی 12 ولت در حالت حداکثر توان خروجی خود ولتاژی در حدود 18V تولید می کند که بتواند یک باتری 12V را شارژ کند. چون اگر ولتاژ آنها برابر باشد باتری شارژ نخواهد شد.
یک پنل خورشیدی 12V می تواند یک باتری 12V را شارژ کند. یک پنل یا آرایه 24V نیاز است تا بتوان یک باتری 24V (دو باتری 12 ولت به صورت سری) را شارژ کرد. برای ولتاژ 48V به بالا نیز همین روال پا برجاست. اگر برای شارژ یک باتری 12V از یک پنل خورشیدی 24V استفاده نمایید بیش از نیمی از توان خروجی پنل خورشیدی تلف می شود. یا اگر برای شارژ یک باتری 24V از یک پنل 12V استفاده کنید علاوه بر این که 100% پتانسیل پنل خورشیدی دور انداخته می شود همچنین ممکن است باتری را نیز تخلیه کند.
شارژ کنترلر MPPT
MPPT مخفف Maximum Power Point Tracking (ردیابی نقطه حداکثر توان) است. این شارژ کنترلر ولتاژ حداکثر پنل Vmp (Volts at maximum power) را اندازه می گیرد و ولتاژ خروجی را به ولتاژ مناسب برای باتری تبدیل می کند. چون توان ورودی و خروجی آن تقریباً برابر است، زمانی که ولتاژ خروجی تا سطح باتری پایین کشیده می شود، جریان افزایش می یابد و بنابراین شما از می توانید از حداکثر توان خروجی تولید شده توسط پنل یا آرایه خورشیدی بهره ببرید.
با توجه به این مزیت شما می توانید از پنل با ولتاژهای بالاتری استفاده کنید. برای مثال پنل 60 سلولی که ولتاژ نامی 20 ولت دارد و بسیار در دسترس است می توانید برای شارژ باتری 12V استفاده کنید یا دوتا را برای شارژ بانک باتری 24V باهم سری نمایید. با سری کردن 3 عدد پنل 20 ولتی می توانید یک بانک باتری 48V را شارژ کنید. این شارژ کنترلر طیف وسیعی از انتخاب را برای پنل خورشیدی در اختیار شما قرار می دهد.
طراحی شارژ کنترلر خورشیدی در مرصا
شارژ کنترلر در سیستم های خورشیدی خارج از شبکه نقش اساسی دارند و برای تهیه آنها دو راه کلی وجود دارد: یافتن و خرید نمونه های ساخته شده و موجود در بازار متناسب با نیاز شما یا طراحی و ساخت آن با طراحی الکترونیکی کاملا مطابق با نیاز شما. قطعاً طراحی و ساخت شارژ کنترلر خورشیدی کار آسانی نیست، زیرا علاوه بر اینکه نیاز به دانش الکترونیکی کافی دارد، با توجه به نیازهای پروژه می تواند طراحی بسیار متفاوتی داشته باشد.
شرکت مرصا با تیمی جوان، متخصص و با تجربه در زمینه طراحی های الکترونیکی بالاخص طراحی شارژ کنترلر خورشیدی در خدمت شماست تا شارژ کنترلر حرفه ای و مطابق با نیازتان را برای شما طراحی و تهیه کند. از آنجایی که شرکت مرصا ارائه دهنده خدمات طراحی،چاپ و مونتاژ بردهای الکترونیکی است می تواند 0 تا 100 پروژه شما را در مجموعه خود انجام دهد. مخصوصاً اگر شما تامین کننده سیستم های خورشیدی هستید همین الان روی لینک زیر کلیک کنید و با کارشناسان ما تماس بگیرد تا این شارژ کنترلر را با نام و برند خود تولید کنید و در کنار محصولات خود به فروش برسانید.
تماس با ما
برای انجام پروژه های الکترونیکی خود اصلاً تامل نکنید! همین الان با ما تماس بگیرید و برای انجام پروژه خود به صورت رایگان از کارشناسان ما مشاوره بگیرید. ما مشتاقانه منتظر تماس شما هستیم ✌😊
منبع:
https://www.greenmatch.co.uk/solar-energy/solar-panels
https://www.mrsolar.com/what-is-a-solar-panel/
https://www.altestore.com/store/info/solar-charge-controller/
