معرفی اجزای سیستم های خورشیدی (فتوولتاییک)

• شارژ کنترلر (Charge Controller)؛ از جمله ارکان مهم در یک سیستم فتوولتاییک (بخصوص نوع منفصل از شبکه)، شارژ کنترلر (Charge Controller) می باشد. این وسیله، در زمان تکمیل شدن شارژ مورد نیاز باتری خورشیدی (Solar Battery) ، با قطع خودکار اتصال باتری از مدار شارژ، از آن نسبت به شارژ افزوده (Over Charging) حفاظت کرده و از این رو نقش مهمی را در افزایش طول عمر باتری خورشیدی (Solar Battery) خواهد داشت؛ مختصرا لازم به ذکر است که در تمام مدارات الکتریکی که از باتری استفاده می شود، پدیده شارژ افزوده (Over Charging) موجب آسیب جدی به ساختار داخلی باتری ها وارد می کند، بگونه ای که میزان ظرفیت نگهداری و نیز طول عمر باتری را بشدت کاهش می دهد. بنابراین، در تعریف جامع تر می توان گفت که شارژ کنترلر بطور کلی دستگاهی جهت تنظیم ولتاژ و یا جریان خروجی از پنل های خورشیدی، برای محافظت از باتری های خورشیدی در مقابل شارژ بیش از اندازه است. بعنوان نمونه می توان اشاره داشت که در باتری های قدیمی (Sealed Type)، با شارژ شدن بیش از اندازه، دیگر امکان تعمیر باتری وجود نداشت؛ زیرا آب درون این باتری ها بدلیل بسته بودن ساختار شان، غیر قابل تعویض بود. در سیستم های وابسته به شبکه (On Grid)، در حین فرآیند شارژ باتری، زمانی شارژ باتری کامل می شود، به کمک فرآیند سوئیچینگ خودکار (Auto Switching) در شارژ کنترلر (Charge Controller)، مازاد انرژی برق تولید شده، ابتدا به کنتر (Counter) و سپس شبکه توزیع برق هدایت می شود تا از هدر رفتن انرژی جلوگیری کند و با فروختن مازاد برق به به اداره برق سودآوری کند. لازم به توضیح است که نقش شارژ کنترلر خورشیدی در سیستم های خورشیدی منفصل از شبکه بسیار حائز اهمیت می باشد. در صورتی که تنظیم بر نحوه شارژ باتری وجود نداشته باشد باتری ها بر اثر شارژ بیش از حد آسیب خواهند دید.
• از جمله وظایف شارژ کنترلر () می توان به تنظیم کننده شارژ، کنترل شارژ و یا تنظیم کننده باتری، کنترل کردن جریان شارژ و دشارژ باتری‌ها اشاره کرد. شارژ کنترلر () همچنین از تخلیه کامل باتری جلوگیری کرده و سرعت دشارژ باتری را متناسب با نوع باتری و به منظور حفاظت از آن، محدود می‌کند. لازم به توضیح است که دشارژ کردن سریع باتری موجب کاهش عمر آن می‌شود. شارژ کنترلر هم به صورت مستقل و هم به صورت مجتمع شده (Integrated) داخل شارژر باتری (Battery Charger) وجود دارد. یک شارژ کنترلر مستقل، یک دستگاه مجزا در کنار تجهیزات برق خورشیدی و برق بادی است.

• روش های کنترل کردن شارژ (Charge Controlling)

  • لازم به توضیح است که شارژ کنترلرهای ساده، شارژ کردن باتری را پس از یک مقدار ولتاژ تعیین شده متوقف می‌کنند و پس از افت ولتاژ باتری از آن مقدار دوباره آن را شارژ می‌کنند. روش‌های مدولاسیون پهنای پالس و ردیابی نقطه حداکثر توان، از روش‌های پیچیده الکترونیکی هستند که نحوه شارژ باتری را متناسب با سطح ولتاژ باتری تنظیم می‌کنند تا از حداکثر ظرفیت باتری استفاده شود. با سری کردن پنل‌ها، ولتاژ افزایش یافته و جریان ثابت می‌ماند در نتیجه سیم نازکتر استفاده می‌شود بنابراین مقدار صرفه جویی در هزینه سیم، بیشتر از هزینه شارژ کنترلر خواهد بود. بعضی از شارژ کنترلرها، دمای باتری‌ها را برای جلوگیری از گرم شدن آنها اندازه می‌گیرند همچنین اطلاعات اندازه‌گیری شده را از طریق مودم به نقاط دور دست ارسال می‌کنند.

• شارژ کنترلر سری (قطع پنل)؛ اساس کار کنترل شارژر سری بر اساس افت ولتاژ می باشد و از جاری شدن جریان به باتری پس از شارژ کامل آنها جلوگیری می‌کند به گونه ای که در زمان شارژ شدن باتری مسیر دیگر متصل به شارژ کنترلر بسته شده و باتری شارژ می شود. زمانی که شارژ باتری تکمیل شود، ولتاژ باتری افت پیدا می کند و در نتیجه کلید مسیر دیگر (که قبل در زمان شروع شارژ باتری بسته شد) باز می شود. فرآیند فوق بدلیل باز و بست شدن متعدد و وجود استحلاک بالای ادوات مکانیکی (مانند کلید و رله های مداری) و شوک های الکتریکی (Arc) ناشی از قطع و وصل کردن، آسیب های جدی به صفحات خورشیدی وارد می کند.

• شارژ کنترلر موازی (اتصال کوتاه)؛ در کنترل شارژر آرایش موازی، با در نظر گرفتن یک بار موازی (یا اتصال کوتاه) در دو سر پنل خورشیدی، باعث جلوگیری از ورود جریان به سیستم می شود؛ بگونه ای که ولتاژ اضافی پس از پر شدن باتری‌ها، به بار موازی (یا اتصال کوتاه) وصل می شود. روش اتصال کوتاه توسط کنترل کننده های شارژ موازی مشکلی برای پنل برخلاف شارژ کنترل سری بوجود نمی آورد. عیب استفاده از از شارژ کنترلر های موازی در این می باشد که ممکن است باعث ایجاد حرارت بشود که خوشبختانه آسیب قابل ملاحضه ای به پنل وارد نمی کند و نگران کننده نیست. این روش کنترل شارژ، بسیار ایده آل و سریع و با آسیب های به مراتب کمتری می باشد.

• شارژ کنترلر MPPT (Maximum Power Point Tracking) (تنظیم دقیق ولتاژ مورد نیاز با سیستم)؛ طبق تجربه می توان گفت که پنل های خورشیدی اغلب در نقطه بهینه خود قرار نداشته و در نتیجه سبب افت راندمان و کاهش تولید می شود. شار‌ژ کنترل های سری و موازی دارای این عیب بوده و در صورت استفاده از آنها سیستم معمولا در نقطه بهینه خود و صفحه خورشیدی با کاهش 40 تا 10 بازده مواجه خواهد شد. در این روش کنترل شارژ، نقطه کار پنل خورشیدی را ولتاژ باتری مشخص شده و نیاز به تطبیق دادن ولتاژ پنل‌های خورشیدی با ولتاژ باتری را برطرف می‌کند (بعنوان مثال یک پنل خورشیدی با ولتاژ ۱۵۰ ولت که به یک شارژ کنترلر مجهز به MPPT وصل می‌شود، می‌تواند در شارژ کردن یک باتری ۲۴ یا ۴۸ ولتی بکار رود) که در اینصورت از کاهش راندمان پنل خورشیدی جلوگیری می شود. در تعریف ساده، می توان گفت که کنترل شارژر MPPT شامل یک مبدل جریان مستقیم به جریان مستقیم (اصطلاحا DC به DC) و بصورت قابل تنظیم می باشد. تنظیمات این مبدل در بازه زمانی (حدود 5 دقیقه) بر روی حداکثر توان تنظیم می گردد بر روی منحنی ولتاژ جریان پنل در بهترین وضعیت خود قرار گرفته، بطوری که در صورت ثابت بودن ولتاژ، جریان را به حداکثر می رساند که منجر به افزایش بازده و راندمان صفحه خورشیدی می شود.

·         باتری Battery ؛

باتری خورشیدی وظیفه ذخیره سازی انرژی برق تولید شده سلول خورشیدی را برعهده دارد؛ همچنین در کاربردهای دیگر از این باتری ها بعنوان منابع انرژی برق پشتیبانی (مانند UPS ها) در زمان قطعی برق نیز استفاده می شود. در باتری خورشیدی، سلول جزء اصلی به حساب می آید که هر باتری می تواند شامل یک یا چند سلول باشد. هر سلول از بخش آند، کاتد و الکترولیت تشکیل شده است. برای الکترولیت باطری صفحات خورشیدی از اسید سولفوریک 36% و 64% استفاده می شود.

o        اجزای تشکیل دهنده باتری پنل خورشیدی

• بدنه اصلی؛ تمام اجزاء باتری در آن قرار می گیرد که باید دارای مقاومت بالای خاصی باشند تا در برابر اثرات خوردگی اسید و همچنین اختلاف دمای 50- تا 150 درجه سانتی گراد را تحمل کنند. جنس بدنه باتری استارتر را از پلی پروپیلن (PP) و پلی اتیلن (PE) می سازند و جنس باتری های ساکن را از پلاستیک کوپلیمری (SAN) و نوعی پلاستیک به نام (ABS) می سازند.

• صفحات شبکه ای منفی؛ از دو بخش تشکیل شده اند؛ ماده فعال و اسکلت اصلی تشکیل دهنده های صفحات منفی باتری خورشیدی بوده و به رنگ خاکستری می باشد. جنس ماده فعال باتری صفحه خورشیدی از سرب (PB) و افزودنی هایی به خمیر منفی باطری افزوده می شوند، مانند:

  • لینگو سولفات سدیم که باعث جلوگیری از رشد منفی در تخلیه های سریع باطری خورشیدی استفاده می شود.
  • سولفات باریم که باعث بهبود ظرفیت تخلیه باتری می شود.
  • دوده صنعتی که باعث کاهش ولتاژ در زمان شارژ شدن باتری پنل خورشیدی و همچنین ازدیاد ظرفیت تخلیه در دمای پایین می شود.

• صفحات شبکه ای مثبت؛ جنس صفحات مثبت باتری خورشیدی، سرب پراکسید می باشد و به خمیر مثبت باتری افزودنی هایی اضافه می شود؛ مانند:

  • دوده صنعتی؛ باعث کاهش ولتاژ در زمان شارژ شدن باتری پنل سولار و همچنین ازدیاد ظرفیت تخلیه در دمای پایین می شود.
  • دانیل فلاک؛ باعث ثبات خمیر صفحه باتری خورشیدی می شود
• لازم به توضیح است که تعداد صفحات مثبت باتری یکی کمتر از صفحات منفی باتری می باشد زیرا هر صفحه مثبت بین دو صفحه منفی قرار می گیرد.
• طول عمر باطری خورشیدی بر حسب میزان سطح دشارژ (DOD) Depth Of Discharge بستگی دارد. در سیستم های خورشیدی، باتری در روز توسط پنل خورشیدی شارژ می گردد و در شب باتری دشارژ می شود. در نتیجه در شبانه روی یک ذخیره ساز سیستم سولار با یک چرخه شارژ و دشارژ روبرو می باشند. یک باتری خورشیدی با این ویژگی ها طولی برابر با ۴ سال دارد. باتری های مورد استفاده شده بعنوان UPS بعلت اینکه تنها در زمان قطع برق یا زمان های اضطراری مورد استفاده قرار می گیرند دارای چرخه کمتری از شارژ شدن و دشارژ شدن می باشد. از آنجا که قیمت باتری خورشیدی نقش به سزایی در قیمت یک سیستم فتوولتاییک دارد (حدود 30 تا 40 درصد) انتخاب باتری خورشیدی مناسب نقش به سزایی در قیمت تمام شده سیستم سولار خواهد داشت. از نظر کلی؛ مراحل شارژ باتری خورشیدی را می توان به 3 مرحله تقسیم کرد؛ مرحله شارژ حداکثری (BULK)، مرحله شارژ کامل (ABSORPTION) و مرحله شناوری (FLOAT).

o        فرآیند شارژ و دشارژ شدن باتری

• فرایندی که در آن باتری پنل خورشیدی توسط یک منبع بیرونی شارژ می شود را شارژ شدن (Charging) و فرایندی را که نیروی ذخیره شده در باتری به مصرف کننده می رسد را دشارژ شدن (Discharging) می گویند.

o        انواع باتری پنل خورشیدی از نظر شارژ شدن

• باتری نسل اول؛ قابل شارژ شدن نبودند و پس از یکبار استفاده دشارژ (خالی) می شدند. از این باتری ها نمی توان در سیستم های سولار خورشیدی استفاده کرد.
• باتری نسل دوم؛ این باتری ها توانایی شارژ شدن پس از دشارژ شدن را دارند.

o        انواع باتری پنل خورشیدی از نظر الکترولیت

• باتری های سرب اسیدی تر Flooded Lead Acid Batteries؛ الکترولیت این باتری های مخلوطی از آب و اسید است که در دشارژ شدن باتری بخار می شود و نیاز به مراقبت و نگهداری دارد.
• باتری های سرب اسیدی خشک؛ باتری های سرب اسیدی خشک خود به دو دسته تقسیم بندی می شوند؛ نوع (AGM) و نوع (GEL)