مقایسه سیستم های MPPT و PWM و اصول کارکرد آنها

شارژر باتری خورشیدی وسیله ای است که به همراه پنل خورشیدی برای کنترل فرآیند شارژ بین پنل یا شبکه های خورشیدی و شارژر باتری مورد استفاده قرار می گیرد. در اینجا یک پنل خورشیدی و یک باتری به یک دستگاه متصل هستند، و این کار برای تضمین شارژ کامل باتری ضروری است.

در صورتیکه جریان انرژی بین پنل خورشیدی و باتری به درستی تنظیم شود؛ هیچ یک از این دستگاه ها آسیب نمی بینند. اوایل یک کنترل کننده شارژر خورشیدی متصلDC  (جریان مستقیم) مورد استفاده قرار می گرفت که در وهله اول نیازهای سیستم های انرژی خورشیدی خارج از شبکه را در مقیاس کوچک برآورده می کرد.

اما MPPT و PWM دو فناوری معاصر و نسبتاً مدرنی هستند که امروزه مورد استفاده قرار می گیرند. آنها از نظر اندازه، کاربرد، ویژگی ها، اصول کار، تنظیم ولتاژ و غیره با هم تفاوت دارند.

معرفی فناوری MPPT (ردیابی نقطه حداکثر توان)

MPPT یا ردیابی نقطه حداکثر توان، روشی برای نظارت و کنترل جریان انرژی از پنل خورشیدی به باتری هاست. این دستگاه در اصل یک سیستم تعدیل کننده است که مقدار ولتاژ بالای خروجی DC را به ولتاژ پایین مورد نیاز برای باتری الکترونیکی تبدیل می کند. با وجود اینکه عنوان این روش نشان می دهد که یک ردیاب نقطه توان است؛ اما در اینجا هیچ خبری از دستگاه ردیاب پنل نیست که برای ردیابی خورشید به جای تعدیلات ولتاژ مورد استفاده قرار بگیرد.

پنل های خورشیدی بسته به شرایط آب و هوایی، خروجی های متغیری تولید می کنند. دستگاه های کنترل شارژ MPPT می توانند ولتاژ پنل خورشیدی را با ولتاژ باتری مطابقت دهند تا راندمان شارژ افزایش یابد.

در این سیستم ها با متعادل کردن ولتاژ و جریان مطابق با معادله P = V x I (V به ولتاژ و I به جریان اشاره دارند)، توان کامل پنل های خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرد. به عنوان مثال زمانیکه هوا ابری است مقدار برق گرفته شده از پنل ها برای محافظت از ولتاژ کاهش می یابد، و زمانیکه هوا آفتابی است برق بیشتری از آن دریافت می شود.

ردیابی نقطه حداکثر توان یا MPPT، یک روش کنترل شارژ است که حداکثر توان موجود را از یک ماژول PV تحت شرایط خاص استخراج می کند. نقطه حداکثر توان به ولتاژی اشاره دارد که در آن یک ماژول PV ممکن است بیشترین توان (یا حداکثر ولتاژ توان) را تولید کند. عواملی مانند تابش خورشیدی، دمای محیط و دمای سلول خورشیدی، همگی بر حداکثر توان تأثیر می گذارند.

کنترل‌ کننده‌های شارژ خورشیدی MPPT برای تشخیص نوسانات ولتاژ- جریان سلول‌های خورشیدی که به منحنی I-V معروف هستند، در تمام سیستم هایی که یک ماژول PV منبع انرژی است، مورد استفاده قرار می گیرند.

هر سیستم انرژی خورشیدی که باید بیشترین انرژی را از ماژول های PV خود استخراج کند، به یک کنترل کننده شارژ خورشیدی MPPT نیاز دارد؛ این دستگاه، ماژول PV را مجبور می کند تا با ولتاژ نزدیک به نقطه حداکثر توان کار کند و در این صورت می توان حداکثر توان ممکن را از سیستم استخراج کرد.

دستگاه کنترل کننده شارژ خورشیدی MPPT، پیچیدگی سیستم را کاهش می دهد و در عین حال راندمان آن را بالا می برد. در ضمن می توان آن را به همراه منابع مختلف انرژی مورد استفاده قرار داد؛ زیرا توان خروجی PV، مستقیماً مبدل DC-DC را تنظیم می کند.

سایر منابع انرژی تجدید پذیر، مانند توربین های کوچک آبی و توربین های بادی نیز می توانند از دستگاه های کنترل کننده شارژ خورشیدی MPPT استفاده کنند که در آنها نیز از فناوری های مشابهی استفاده می شود.

معرفی فناوری PWM (مدولاسیون پهنای باند)

PWM یا مدولاسیون پهنای باند، یک دستگاه کنترل شارژ است که مانند یک سوئیچ الکتریکی بین باتری ها و شبکه پنل خورشیدی عمل می کند. این دستگاه با شارژ شدن باتری به سرعت روشن یا خاموش می شود، و جریان شارژ را به سرعت کاهش می دهد.

شارژرهای خورشیدی PWM بر پایه فناوری های مشابه سایر شارژرهای باتری با کیفیت ساخته می شوند.

وقتی ولتاژ باتری به نقطه تنظیم تعدیلی می رسد؛ الگوریتم PWM به تدریج جریان شارژ را کاهش می دهد تا از گرم شدن بیش از حد باتری و انتشار گاز توسط آن جلوگیری کند و در کمترین زمان حداکثر انرژی به باتری بازگردانده شود. در نتیجه کارکرد این سیستم این نتایج حاصل می شود: افزایش راندمان شارژ، سریع تر شدن روند شارژ مجدد باتری و حفظ ظرفیت کامل باتری.

در ضمن استفاده از فناوری PWM در شارژ باتری های خورشیدی جدید، مزایای شگفت ‌انگیز زیر را نیز به دنبال دارد:

• امکان بازیابی ظرفیت باتری و سولفات زدایی آن
• افزایش قابلیت پذیرش شارژ باتری به میزان قابل توجه

تفاوت های کلیدی در ویژگی های MPPT و PWM

ظرفیت شارژ اولین مورد تمایز بین MPPT و PWM است. با وجود اینکه فناوری MPPT را می توان برای شارژ با ظرفیت بالا مورد استفاده قرار داد؛ اما PWM سنتی تر است و به همین دلیل برای شارژ با ظرفیت کمتر از نقطه نظر ولتاژ خروجی مناسب است. با این وجود معیارهای مختلف اضافی مانند شرایط محیط، اجزای سیستم، اندازه بار آرایه و بودجه کاربر نیز بر انتخاب بین این دو فناوری تأثیر می‌گذارند.

دما به عنوان یک عامل

فناوری MPPT را می توان هم در محیط های آفتابی و هم در محیط های سرد مورد استفاده قرار داد. وقتی دمای کار ماژول خورشیدی کاهش می یابد، Vmp1 بیشتر می شود؛ زیرا ولتاژ نقطه حداکثر توان پنل های خورشیدی در شرایط استاندارد آزمایشی حدود 17 ولت است (STC = 25 درجه سانتیگراد)، در حالیکه ولتاژ باتری در این حالت 13.5 ولت است. در اینجا دستگاه کنترل کننده MPPT می تواند ولتاژ اضافی ماژول را گرفته و از آن برای شارژ باتری استفاده کند. در نتیجه یک دستگاه کنترل کننده MPPT می تواند 25 تا 30 درصد بیشتر از یک کنترل کننده PWM در دماهای سرد، باتری را شارژ کند.

از طرف دیگر، یک دستگاه کنترل‌ کننده PWM نمی‌ تواند ولتاژ اضافی را جذب کند؛ زیرا فناوری مدولاسیون پهنای باند با ولتاژی مشابه باتری شارژ می‌شود. در نتیجه در آب و هوای گرم از این نوع پنل های خورشیدی استفاده می شود.

از سوی دیگر چون VMP این سیستم ها شدیداً کاهش می یابد؛ لذا نقطه اوج توان با ولتاژی نزدیک به ولتاژ باتری 12 ولت کار می کند. در این صورت دیگر کنترل کننده MPPT مورد نیاز نیست؛ زیرا هیچ ولتاژ اضافی برای تحویل به باتری وجود ندارد و همین امر مزیت فناوری MPPT را نسبت به PWM نفی می کند.

اندازه سیستم

اندازه سیستم انرژی خورشیدی عامل بسیار مهمی است که باید در هنگام انتخاب دستگاه کنترل شارژ در نظر گرفته شود. دستگاه های کنترل شارژ MPPT برای کاربردهای حرفه ای مناسب هستند. تنظیم کننده های شارژ PWM می توانند عملکرد کافی را در دستگاه های ساده ای که به قابلیت های اضافی نیاز ندارند، ارائه دهند. تفاوت راندمان بین PWM و MPPT نمی تواند تفاوت قیمت را در پروژه های کوچک توجیه کند. با این حال تأثیر قابل توجهی بر راندمان سیستم پروژه های بزرگ دارد.

از طرف دیگر MPW برای سیستم های کم مصرف مناسب نیست، و PWM برای این کار مناسب تر است؛ زیرا:

• PWM برای برداشت تحت یک راندمان ثابت کار می کند؛ بنابراین سرعت آن به اندازه آرایه بستگی ندارد.
• PWM در مقایسه با فناوری MPPT قیمت پایین تری دارد؛ به همین دلیل برای کاربران با بودجه محدود مناسب است.
• MPPT در هنگام استفاده در وسایل کم مصرف، راندمان پایینی دارد. حد پایین توصیه شده برای استفاده از فناوری MPPT به جای PWM از نظر توان حدود 180 وات و از نظر ولتاژ 8 ولت است.

تفاوت در اصول کارکرد آنها

MPPT

تفاوت اصلی بین MPPT و PWM این است که PWM مدار را به سادگی متصل می کند و خروجی پنل خورشیدی را به ولتاژ باتری کاهش می دهد.

MPPT از دو مدار مجزا تشکیل می شود که به هر چیزیکه وارد آن می شود اجازه می دهد تا قبل از رسیدن به خروجی، در سطحی متفاوت از رایانه عبور کند. این سیستم از نظر فناوری پیشرفته ‌تر است؛ به همین دلیل باعث می شود تا باتری ‌ها با راندمان بالاتری شارژ شوند.

فرض کنید ما 200 وات برق داریم که به سمت ورودی تنظیم کننده یا کنترل کننده MPPT می رود. اگر باتری برای شارژ به 15 ولت نیاز داشته باشد؛ سیستم MPPT ابتدا 200 وات را بر خروجی 15 ولت مورد نیاز تقسیم می‌کند و سپس همان مقدار برق را (منهای مقدار کمی درجه ناکارآمدی) تولید می‌ کند. در این حالت خروجی آن 15 ولت و تقریباً 18 آمپر است؛ به همین دلیل می توان گفت از کل انرژی پنل خورشیدی استفاده شده است که به معنی افزایش چشمگیر راندمان آن است.

یکی دیگر از مزایای MPPT مربوط به ردیابی نقطه حداکثر توان است.

با عبور ابر از بالای پنل خورشیدی، خروجی آن به طور قابل توجهی کاهش می یابد؛ اما تنظیم کننده MPPT خروجی پنل را ردیابی می کند، نقطه حداکثر توان را اسکن کرده و آن را به عنوان خروجی تحویل می دهد. این کاری است که یک تنظیم کننده PWM نمی تواند انجام دهد.

اساساً این یک سیستم غیرفعال است. خواه پنل خورشیدی گرم شود یا کارایی خود را از دست بدهد و خواه ابرها از بالای پنل عبور کنند یا کمی سایه بر روی پنل تشکیل شود؛ MPPT همیشه می تواند حداکثر توان را تولید کند.

PWM

فناوری PWM (مدولاسیون پهنای باند) روشی است برای تولید سیگنال های خروجی فرکانس پایین از پالس های فرکانس بالا. خروجی فرکانس پایین در واقع میانگین ولتاژ در طول زمان سوئیچینگ است که در آن ولتاژ خروجی پایه اینورتر به سرعت بین ولتاژهای بالاتر و پایین تر ریل DC تغییر می کند.

از طرف دیگر، رویکردهای آنالوگ، مدولاسیون سیگما- دلتا و سنتز دیجیتال مستقیم نیز گزینه هایی برای تولید سیگنال های مدولاسیون پهنای باند هستند.

مقایسه دو سیگنال کنترل یعنی سیگنال حامل و سیگنال مدولاسیون، یکی از ساده ترین راه ها برای تولید سیگنال PWM است. PWM مبتنی بر حامل، اصطلاحی است برای توصیف این شکل از PWM. سیگنال حامل در واقع یک شکل موج مثلثی با فرکانس بالا (فرکانس سوئیچینگ) است. به عبارت دیگر می توان از هر شکلی برای سیگنال مدولاسیون استفاده کرد.

با استفاده از این روش، شکل موج خروجی می تواند یک نمایش PWM از هر شکل موج دلخواه باشد. رایج ترین شکل موج در ماشین ها، به صورت سینوسی و ذوزنقه ای است.

چرا فناوری MPPT از PMW بهتر است؟

فناوری MPPT دارای مزایای بی شماری است و به همین دلیل برای بسیاری یک انتخاب عالی است. برخی از مزایای آن عبارتند از:

• از آنجاییکه یک تکنولوژی مدرن تر است؛ بنابراین راندمان آن نسبت به تنظیم کننده های PWM به مراتب بالاتر می باشد.
• از خروجی پنل خورشیدی به طور کامل استفاده می کند. چون این دستگاه ها غیرفعال هستند؛ بنابراین با کاهش ولتاژ، جریان را به حداکثر می رسانند.
• در مقایسه با سایر فناوری ها، در شرایط نور کم، روزهای ابری و غیره، همچنان راندمان خود را حفظ می کنند.
• این دستگاه با در نظر گرفتن ولتاژ خورشیدی در مقیاس بالا ساخته شده است. در نتیجه می توان از یک پنل خورشیدی با ولتاژ بسیار بالا برای دستیابی به مقدار کمتری از افت ولتاژ استفاده کرد.

کدام فناوری را باید مورد استفاده قرار داد؟

کنترل‌ ‌کننده های MPPT گران‌ تر هستند؛ اما در تعداد پنل‌ ها انعطاف پذیری بیشتری دارند. در اینجا ولتاژ ماژول PV برای مطابقت با بانک باتری کاهش می یابد و باعث افزایش آمپر جریان می شود. در نهایت افزایش آمپر باعث سریعتر شدن شارژ باتری می گردد.

این دستگاه های کنترل شارژ خورشیدی به طور خودکار با استفاده از معادله P = V x I تنظیم می شوند. در نتیجه برخلاف سیستم های PWM، توان بیشتری (بدون افت راندمان) برای شارژ باتری دریافت خواهید کرد.

دستگاه کنترل کننده MPPT به آرایه پنل اجازه می دهد تا ولتاژ آن نسبت به بانک باتری بیشتر باشد. این امر در مناطقی با تابش کم بسیار مهم است؛ به ویژه در زمستان که ساعات روز بسیار محدود و کوتاه است.

آنها در مقایسه با سیستم های PWM تا 30 درصد راندمان شارژ را افزایش می دهند. در ضمن به دلیل انعطاف پذیری بیشتر، گسترش سیستم آسان تر خواهد شد. این مزیت برای موسسات تجاری بسیار مهم است. حتی ضمانت سیستم های MPPT نسبت به PWM طولانی تر است.

در باتری های با خروجی بالا، باید به جای PWM از MMPT استفاده شود. این سیستم کارایی و توان عملیاتی دستگاه را بهبود می بخشد و استفاده از آن را آسانتر می کند. با این حال PWM باید برای دستگاه های کم مصرف مورد استفاده قرار بگیرد؛ زیرا در غیر این صورت چندان کارآمد نیست.

مزایا و معایب MPPT و PWM

مزایای MPPT

• از آنجایی که فناوری آنها مدرن تر است؛ لذا به طور قابل ملاحظه‌ای کارآمدتر از تنظیم کننده های PWM هستند.
• این سیستم ها معمولاً از خروجی پنل خورشیدی به طور کامل استفاده می کنند. چون آنها دستگاه های غیرفعال هستند؛ پس با کاهش ولتاژ جریان را به حداکثر می رسانند.
• در مقایسه با سایر فناوری ها در شرایط نور کم، روزهای ابری و غیره، همچنان راندمان خود را حفظ می کنند.
• این دستگاه با در نظر گرفتن ولتاژ خورشیدی در مقیاس بالا ساخته شده است. در نتیجه می توان از یک پنل خورشیدی با ولتاژ بسیار بالا برای دستیابی به مقدار کمتری از افت ولتاژ استفاده کرد.

معایب MPPT

• فناوری MPPT در مقایسه با PWM بسیار گران است. معمولاً قیمت آنها دو تا سه برابر دستگاه های PWM می باشد.
• اندازه آن در مقایسه با فناوری PWM بسیار بزرگتر است. در نتیجه نگهداری، حمل و نقل و جابجایی بسیار دشوار خواهد بود.
• طول عمر آنها به طور قابل توجهی کمتر از دستگاه های PWM است؛ زیرا نسبت به آنها قطعات الکتریکی بیشتری دارند.
• MPPT برای شبکه های خورشیدی کم مصرف مناسب نیست. در واقع تنها زمانی باید از آن استفاده کرد که ولتاژ شبکه پنل خورشیدی بیشتر از 8 ولت باشد. در غیر این صورت، در مقایسه با سیستم های PWM کارایی بسیار کمتری دارند. اما در دستگاه های با ولتاژ بالا عکس این موضوع صادق است و این دستگاه ها بسیار کارآمدتر هستند.

مزایای PWM

• PWM در مقایسه با MPPT بسیار مقرون به صرفه است. زیرا این سیستم ها معمولاً دو تا سه برابر ارزانتر از سیستم های MPPT هستند.
• مصرف برق بسیار پایین تری نسبت به MPPT دارد.
• در دستگاه های کم مصرف، راندمان آن تقریباً 90 درصد است.
• در هنگام وامدوله سازی، سیگنال و نویز را به راحتی می توان جدا کرد.
• حمل و نقل این دستگاه در توان های بالا راحت است.
• خروجی با فرکانس بالا را می تواند تحویل بدهد.
• به راحتی گرم نمی شود.
• نویز مرتبط با آن بسیار کم است.
• در مقایسه با MPPT کمتر نیاز به فیلتر کردن دارد.
• دامنه و فرکانس را می توان مستقل از یکدیگر کنترل کرد.

معایب PWM

• مدار بسیار پیچیده ای دارد. وقتی مدار با خروجی آن مقایسه می شود؛ همه چیز خیلی مبهم می شود.
• افزایش ناگهانی و مرتب ولتاژ در اینجا یک مشکل اصلی است.
• وجود یک وسیله نیمه هادی برای کارکرد سیستم ضروری است.
• این دستگاه ها یک رابط فرکانس رادیویی ایجاد می کنند که چندان با محیط زیست سازگار نیست.
• به سرعت نویز الکترومغناطیسی ایجاد می کنند.
• در صورت استفاده از آنها برای اهداف ارتباطی، پهنای باند باید زیاد باشد.
• توان خروجی لحظه ای در طول کارکرد آن بسیار متغیر است.

نتیجه گیری در مورد استفاده از فناوری MPPT و PWM

دستگاه های کنترل شارژ، انرژی تولید شده توسط پنل های خورشیدی را مدیریت می کنند. جریان و ولتاژ برق تولید شده توسط پنل ها را قبل از تحویل به باتری ها تنظیم می نمایند. یک دستگاه کنترل شارژ، از شارژ یا تخلیه بیش از حد باتری ها جلوگیری می کند.

در نتیجه چون این دستگاه ها از سیستم محافظت می کنند؛ لذا وجود یک دستگاه کنترل شارژ برای تمام سیستم های انرژی خورشیدی لازم است. MPPT (ردیابی نقطه حداکثر توان) و PWM (مدولاسیون پهنای باند) دو نوع اصلی از فناوری های کنترل شارژ هستند. تفاوت اصلی بین آنها به روش های کنترل جریان و ولتاژ توسط آنها ارتباط پیدا می کند.

پنل های خورشیدی بیشترین انرژی را در یک ولتاژ خاص که در طی آن جریان ایده آل می باشد تولید می کنند. مقاومت مشخصه پنل، نشان دهنده مقاومت داخلی آن در این لحظه است. بیشترین توان زمانی تولید می شود که مقاومت بار با مقاومت مشخصه پنل خورشیدی برابر باشد. از آنجایی که مقاومت داخلی باتری با پنل های خورشیدی برابر نیست؛ لذا توان تولیدی آن کمتر از حداکثر توان است.

یک دستگاه کنترل کننده PWM، ولتاژ پنل را به اندازه حداقل شارژ مورد نیاز باتری کاهش می دهد. اما یک دستگاه کنترل MPPT همواره با مقاومت پنل مطابقت دارد و به طور موثر ولتاژ اضافی را به جریان مناسب برای شارژ تبدیل می کند.

MPPT می تواند تا 30 درصد جریان شارژ تولید شده توسط یک پنل خورشیدی را افزایش می دهد. مزیت دیگر این سیستم این است که در شرایط ابری کارآمدتر است و بدون توجه به شرایط آب و هوایی، تا حد ممکن انرژی بیشتری را از مجموعه پنل های خورشیدی استخراج می کند.

در هنگام انتخاب یک دستگاه کنترل شارژ، باید به اندازه سیستم انرژی خورشیدی توجه کنیم. دستگاه های کنترل شارژ MPPT برای کاربردهای حرفه ای مناسب هستند، و تنظیم کننده های شارژ PWM برای دستگاه های معمولی متوسط که به ویژگی های اضافی نیاز ندارند، ایده آل می باشند.

در پروژه های متوسط تفاوت راندمان PWM و MPPT چندان برای توجیه قیمت کافی نیست. اما همین تفاوت، تأثیر قابل توجهی بر عملکرد سیستم در پروژه های بزرگ دارد. در نهایت می توان گفت که سیستم های MPPT و PWM هر دو مزایا و معایب خاص خود را دارند، و شما باید بسته به بودجه و نیاز خود، مناسب ترین دستگاه را انتخاب کنید.