بالنسبة لأي شخص يقوم بتشغيل نظام شمسي خارج الشبكة في المملكة المتحدة، أو شمال غرب المحيط الهادئ، أو شمال أوروبا، أو أي بيئة ملبدة بالغيوم باستمرار، فإن اختيار جهاز التحكم في الشحن ليس مجرد حاشية فنية بسيطة. يمكن القول إن هذا هو القرار المكون الأكثر أهمية الذي يؤثر على صحة البطارية على المدى الطويل.

تعمل كل من وحدات التحكم MPPT (تتبع أقصى نقطة للطاقة) وPWM (تعديل عرض النبض) على تنظيم تدفق الطاقة من الألواح الشمسية إلى البطاريات. لكنها تفعل ذلك من خلال آليات مختلفة جذريًا، وتتضخم هذه الاختلافات بشكل كبير في ظروف منتشرة منخفضة الإشعاع. تشرح هذه المقالة الآثار المترتبة على العالم الحقيقي باستخدام البيانات المقاسة، وليس النسخة التسويقية.

كيف تعمل كل وحدة تحكم

تعمل وحدة التحكم PWM بشكل أساسي كمفتاح مباشر. بمجرد وصول البطارية إلى عتبة الجهد المحددة، تبدأ في تشغيل وإيقاف الاتصال لتقليص الشحن. يتم الاحتفاظ باللوحة الشمسية عند جهد البطارية طوال هذه العملية، مما يعني أن أي جهد كهربائي زائد من اللوحة يتم إهداره كحرارة. تحت أشعة الشمس الكاملة مع زوج جهد بطارية ولوحة متطابقين بشكل جيد، تكون هذه الخسارة متواضعة. في ظل الظروف الملبدة بالغيوم، يصبح مسؤولية خطيرة.

تضيف وحدة التحكم MPPT مرحلة تحويل من DC إلى DC. فهو يقوم باستمرار باختبار منحنى الجهد الحالي للوحة للعثور على نقطة أقصى خرج للطاقة - نقطة الطاقة القصوى - ثم يخفض هذا الجهد ليتوافق مع متطلبات البطارية مع تحويل الفرق إلى تيار إضافي. من الناحية العملية، هذا يعني أن وحدة التحكم تستخرج دائمًا أكبر قدر من الواط من أي ضوء متاح، حتى في ظل ملبد بالغيوم الكثيفة.

الكفاءة تحت الغطاء السحابي: الفرق الحاسم

في ظل ظروف الاختبار القياسية (إشعاع 1000 واط/م²)، تتفوق وحدة تحكم MPPT المحددة جيدًا عادةً على PWM بنسبة 15-30% في حصاد الطاقة. وفي الظروف الغائمة التي تقل عن 400 واط/م2، تتسع هذه الفجوة بشكل كبير. يوضح الرسم البياني أدناه مقارنات حصاد الطاقة المقاسة عبر مجموعة من مستويات الإشعاع باستخدام لوحة 200 واط في بنك بطارية AGM بقدرة 12 فولت/100 أمبير.

التأثير على عمر البطارية: عامل عمق التفريغ

يعتمد طول عمر البطارية في المقام الأول على دورة عمق التفريغ (DoD). تتمتع بطاريات الرصاص الحمضية، سواء كانت AGM أو هلامية أو مغمورة، بعمر دورة مقدر ينخفض ​​بشكل حاد مع زيادة وزارة الدفاع - قد تدوم البطارية التي يتم تفريغها بانتظام إلى 80٪ أقل من 500 دورة، بينما يمكن للبطارية نفسها التي تظل أعلى من 50٪ وزارة الدفاع أن تحافظ على 1200 دورة أو أكثر.

ويعني المزيد من الطاقة التي يتم جمعها في كل يوم غائم أن يتم إرجاع بنك البطارية إلى حالة شحن أعلى بحلول المساء، مما يقلل من عمق التفريغ في الليلة التالية. على مدى أشهر من العملية، يتراكم هذا التأثير. يلخص الجدول أدناه التأثير التراكمي المصمم على مدى 24 شهرًا في مناخ شديد الغيوم (المناطق الوسطى في المملكة المتحدة، متوسط ​​الإشعاع ~ 2.5 ساعة شمس الذروة).

متري	وحدة تحكم MPPT	وحدة تحكم PWM
متوسط حصاد الطاقة اليومي (الأيام الملبدة بالغيوم)	540 واط	330 واط
متوسط بطارية نهاية اليوم SoC (الشتاء)	أفضل بنسبة 68%	44%
EST. الدورات العميقة (> 70% وزارة الدفاع) سنويًا	18	61 أسوأ
عمر البطارية المتوقع (100 أمبير في الساعة AGM)	6-8 سنوات أفضل	3-4 سنوات
التكلفة الأولية لوحدة التحكم (تصنيف 100 أمبير)	120 دولارًا - 250 دولارًا	تكلفة أقل بمقدار 25 إلى 60 دولارًا
EST. تكلفة استبدال البطارية على مدى 8 سنوات	1 بديل	2-3 بدائل تكلفة أعلى

عدم تطابق درجة الحرارة والجهد

تقدم المناخات الباردة الملبدة بالغيوم متغيرًا ثانويًا يفضل MPPT أيضًا: ترتفع لوحة Voc (جهد الدائرة المفتوحة) بشكل ملحوظ في درجات الحرارة الباردة. يمكن للوحة الاسمية 24 فولت الموجودة عند 0 درجة مئوية أن تظهر Voc أعلى من 45 فولت. لا يمكن لوحدة التحكم PWM المتصلة ببطارية 12 فولت استخدام هذا الجهد الزائد على الإطلاق - يتم التخلص منه ببساطة. تعمل وحدة التحكم MPPT على تحويله إلى تيار قابل للاستخدام، مما يحول الطقس البارد بشكل فعال إلى ميزة أداء بدلاً من إهداره.

يؤدي هذا أيضًا إلى فتح الباب أمام سلاسل اللوحات ذات الجهد العالي - مصفوفات 48 فولت أو 72 فولت لشحن بطارية 24 فولت - مما يقلل من فقد الأسلاك عبر تشغيل الكابلات الطويلة. تتطلب وحدات التحكم PWM جهد اللوحة ليتوافق بشكل وثيق مع جهد البطارية، مما يحد بشدة من مرونة تصميم النظام.

عندما لا يزال PWM منطقيًا

لا تخلو وحدات التحكم PWM من حالة استخدام مشروعة. بالنسبة للأنظمة الصغيرة جدًا - لوحة واحدة بقوة 50 وات في مركبة ترفيهية، أو وحدة تحكم في إضاءة الحديقة، أو قارب مساعد بجهد 12 فولت - فإن البساطة والتكلفة المنخفضة وخسائر التحويل الضئيلة (نظرًا لأن النظام صغير بما يكفي بحيث تكون عدم كفاءة الحصاد مقبولة) تجعل PWM خيارًا يمكن الدفاع عنه. إذا كانت جهود اللوحة والبطارية متطابقة جيدًا بالفعل وكان النظام يعمل بشكل أساسي في المناخات المشمسة، فإن فرق الكفاءة يضيق.

ولكن بالنسبة لأي تركيب ثابت في منطقة غائمة، أو لبنوك البطاريات التي تزيد عن 100 أمبير، أو للأنظمة التي يؤدي فيها استبدال البطارية إلى تكلفة عمالة كبيرة أو إزعاج، فإن اقتصاديات MPPT لا لبس فيها.

الحكم: المناطق الغائمة تتطلب MPPT