تا زمانی که نور خورشید زیاد می شود پنل خورشیدی هم ولتاژ بیشتری تولید می کند و ولتاژ بیش از حد پنل خورشیدی می تواند به باطری ها اسیب برساند . پس شارژ کنترلر برای تامین یک ولتاژ مناسب جهت شارژ باطری ها استفاده می شود . پس زمانی که ولتاژ تولیدی پنل خورشیدی بیش از حد بود شارژ کنترلر ، ولتاژ را به حد مناسب جهت شارژ باطری کاهش می دهد تا باطری ها اسیب نبینند .

مراحل شارژ کنترلر ها :

بیشتر شارژ کنترلرهای بازار این سه مرحله را برای شارژ باطری ها انجام می دهند :

• مرحله BULK( شارژ حداکثری) :

در این مرحله ولتاژ تا حد ولتاژ BULK (معمولاً بین 14.2 تا 14.6 ولت ) زیاد می شود و بیشترین جریان برای شارژ باطری ها کشیده می شود اما جریان در این مرحله ثابت است و تا ولتاژ باطری ها به 80 الی 90 درصد ولتاژ شارژ کامل برسد ادامه دارد . زمان این مرحله تقریبا نیمی از زمان شارژ باطری می باشد و بیشترین شارژ باطری در این مرحله اتفاق می افتد .( در این مرحله ولتاژ متغییر و جریان ثابت است )

• مرحله ABSORPTION (شارژ کامل) :

در این مرحله ولتاژ شارژ در حد همان ولتاژ BULK باقی می ماند برای یک زمان معین ( معمولاً یک یا دو ساعت ) تا هنگامی که جریان به کمترین حد خود برسد یعنی باطری به اشباع برسد . انتقال از مرحله BULK به مرحله ABSORPTION  به ارامی صورت می گیرد بدلیل اینکه ولتاژ دو مرحله تقریباً با یکدیگر برابر است . (در این مرحله جریان متغییر و ولتاژ ثابت است )

• مرحله FLOAT( شناوری) :

زمانی که مرحله ABSORPTION  تمام شد ( معمولاً جریان شارژ به 3 درصد جریان نامی برسد ) ولتاژ تا حد ولتاژ مرحله FLOAT ( معمولاً 13.2 تا 13.6 ولت) کاهش پیدا می کند . و باطری ها یک جریان خود نگه دار یا جریانی که از تخلیه باطری جلوگیری می کند از سیستم دریافت می کنند ( در این مرحله هم ولتاژ ثابت است و هم جریان ) .

رابطه بین جریان و ولتاژ در این سه مرحله از شارژ به صورت شکل زیر است :

شارژ کنترلرهای (PWM (Pulse Width Modulation :

این شارژ کنترلرها نیز مانند همه ی شارژ کنترلرها وظیفه ی کنترل شارژ و دشارژ باطری ها را بر عهده دارند . انها ولتاژ ورودی باطری ها را طوری تنظیم می کنند که به انها اسیبی وارد نشود . وقتی که انها را برای کنترل شارژ باطری ها بکار می گیرید این شارژ کنترلر لحظه به لحظه با چک کردن میزان شارژ باطری ، میزان شارژ (جریان ) مورد نیاز را تغییر می دهد یعنی هر چقدر که باطری به شارژ کامل نزدیک می شود میزان جریان شارژ هم کم می شود .

نحوه عملکرد شارژ کنترلر PWM :

اساس کار به این صورت است که این شارژ کنترلر مانند یک کلید هوشمند عمل می کند ، یعنی با سنجیدن میزان جریان مورد نیاز برای شارژ باطری قطع و وصل می شود تا ان جریان را تامین کند . مانند شکل زیر :

پس تفاوت این شارژ کنترلر با انواع قدیمی در هوشمند بودن ان است . شارژ کنترلر های قدیمی مانند یک کلید بودند و فقط عمل قطع و وصل را انجام می دادند ولی PWM مانند یک کلید هوشمند عمل می کنند یعنی با نمونه برداری از میزان شارژ باطری علاوه بر اینکه میزان عرض پالس را معلوم می کنند میزان سرعت قطع و وصل شدن پالس را هم مشخص می کنند .

شارژ کنترلرهای (MPPT (Maximum Power Point Tracking :

همانطور که از اسم این شارژ کنترلرها پیداست این مدل از شارژ کنترلرها دنبال کننده توان ماکزیمم هستند . اساس کار این شارژ کنترلرها به این صورت است که انها خروجی DC پنل خورشیدی را گرفته به سیگنال AC با فرکانس بالا تبدیل می کنند سپس این سیگنال AC را به ترانسفورماتور می دهند تا به ولتاژ و جریان دلخواه تبدیل کند سپس سیگنال AC را به DC مورد نیاز برای شارژ باتری تبدیل می کند تا بیشترین توان را استفاده کرده باشد .

شارژ کنترلرهای MPPT در فرکانس بالای رادیویی کار می کنند ( معمولاً بین 20 تا 80 هرتز) . مزایای کار در فرکانس بالا زیاد شدن راندمان ترانسفورماتور و کم شدن تجهیزات است . اما این مزیت ها یک مشکل هم ایجاد می کند ، بدلیل تولید این فرکانس باعث ایجاد نویز در فضا می شود . پس یک نویز گیر نیز باید طراحی کرد .

تقریباً همه ی شارژ کنترلرهای MPPT دیجیتالی هستند ولی نمونه های غیر دیجیتالی هم موجود است که بازده انها بالاتر از نمونه دیجیتالی است ولی انها یک عیب بزرگ دارند و ان هم این است که اگر مثلاً یک تکه ابر بر روی پنل می افتاد و دوباره سریع کنار می رفت انها قابلیت پیدا کردن نقطه ماکزیمم را از دست می دادند .

تفاوت بین شارژ کنترلرهای MPPT و PWM

بیشتر شارژ کنترلرهای بازار از نوع PWM هستند . اما شارژ کنترلرهای MPPT بهتر هستند . انها ولتاژ پنل ها و باتری خورشیدی را طوری تنظیم می کنند که بیشترین شارژ (جریان ) را دریافت کنند . برای مثال اگر از شارژ کنترلر PWM استفاده کنیم برای یک سیستم که یک پنل 100 وات داشته باشد ما نمی توانیم ماکزیمم توان را از ان دریافت و باطری ها بدهیم . زیرا می دانیم که توان برابر است با جریان ضرب در ولتاژ P=V*I ، برای داشتن 100 وات توان خروجی از پنل طبق مشخصات پنل ولتاژ باید در حدود 16.7 و جریان در حدود 6 امپر باشد . ولتاژ باتری که می خواهد شارژ بشود در حدود 12.5 ولت است و اگر ما از شارژ کنترلرهای معمولی استفاده کنیم چون جریان ( 6 امپر ) و ولتاژ کاهش پیدا می کند (حدود 13.5ولت ) ، توان دریافتی برابر 81 وات می شود . پس شما در حدود 20% از توان تولیدی را از دست داده اید .

اما شارژ کنترلرهای MPPT میزان افت ولتاژ را با زیاد کردن جریان جبران می کنند بدین صورت که بجای تحویل دادن جریان 6 امپر ، جریان 7.4 امپر را تحویل می دهند تا توان خروجی افت پیدا نکند ( 100=7.4 * 13.5 ) .

کدام یک از شارژ کنترلرهای PWM یا MPPT را انتخاب کنیم ؟

همانطور که در بالا اشاره شد راندمان شارژ کنترلرها MPPT از PWM بیشتر است اما این دلیلی بر استفاده نکردن از PWM ها نیست زیرا باید فاکتورهایی مانند شرایط محل نصب پنل ها ، اندازه سیستم و توان تولید و قیمت در نظر گرفت .

در کل برای سیستم های کوچک (حدوداً زیر 200 وات ) استفاده از شارژ کنترلرهای PWM بهتر است زیرا :

• شارژ کنترلرهای PWM تقریباً بازده ثابتی دارند و به اندازه سیستم وابسته نیستند .
• قیمت PWM ها خیلی کمتر از MPPT هاست .
• کارایی MPPT در سیستم های کوچک خیلی کمتر از سیستم های بزرگ است .

شرایط دمایی :

شارژ کنترلرهای MPPT در مکان هایی که دارای هوا سرد هستند راندمان بیشتری دارند . زیرا هر چقدر دما کمتر باشد افت ولتاژ هم کمتر است و اگر افت کم باشد ، شارژ کنترلر MPPT می تواند اضافه ولتاژ را تبدیل به جریان کند . پس راندمان در دمای کم زیادتر می شود . مثلا ولتاژ تولیدی یک پنل در دمای سرد 17 ولت است و ولتاژ باطری ها 12 ولت ، شارژ کنترلر MPPT این قابلیت را دارد که اضافه ولتاژ را تبدیل به جریان کند ولی شارژ کنترلر PWM اضافه ولتاژ را تلف می کند . حال اگر پنل را در دمای بالاتری نصب کنیم که ولتاژ تولیدی ان حدود 15 ولت باشد می بینیم که با توجه به کم شدن ولتاژ جریان تولیدی شارژ کنترلر MPPT نیز کم می شود ولی شارژ کنترلر PWM حدوداً بازده ثابتی دارد . یعنی در شارژ کنترلرهای PWM با کم و زیاد شدن ولتاژ (در حدود مشخص ) فقط توان تلف شده در انها کم و زیاد می شود .

در کل شارژ کنترلر MPPT در هوای سرد در حدود 20 الی 25 درصد بیشتر از شارژ کنترلر PWM بازده دارد .

انتخاب نوع شارژ کنترلر با توجه به تعداد پنل ها و توان بارها :

اگر در یک سیستم تعداد پنل ها بیش از توانی که بارها نیاز دارند باشد ، باطری ها تقریباً همیشه در حالت شارژ کامل قرار دارند پس بهتر است از شارژ کنترلر PWM استفاده کرد بدون نیاز به زیاد کردن هزینه ها برای خرید شارژ کنترلر MPPT ولی در کل در سیستم های کوچک استفاده از شارژ کنترلر PWM اقتصادی تر است .

اثر لبه ی ابر ((Edge of Cloud Effect (ECE) :

زمانی که سایه ابرها در حال افتادن بر روی پنل است یا زمانی که این سایه ابر در حال خارج شدن از روی پنل خورشیدی است اگر دقت کنیم درست در مرز بین سایه و نور خورشید میزان نور شدیدتر است که این بخاطر پدیده شکست نور می باشد . در نتیجه میزان ولتاژ تولید شده در پنل برای زمان محدودی زیادتر از حد نرمال می شود پس ما باید این اضافه ولتاژ را در طراحی شارژ کنترلر در نظر بگیریم . معولاً میزان امپر شارژ کنترلر را بین 20 تا 30 درصد زیادتر از میزان مورد نیاز در نظر می گیرند تا اثر این پدیده را جبران کنند . مثلاً برای چهار پنل 75 الی 80 واتی نیاز به یک شارژ کنترلر 30 امپری داریم زیرا هر پنل در حدود 6 امپر تولید می کند که در مجموع 24 امپر می شود . و با احتساب 25 درصد اثر لبه ی ابر (ECE) حدود 30 امپر تولید می کند .