مقالات أخرى
MPPT هو اختصار لعبارة Maximum Power Point Tracking، أي تتبع نقطة القدرة القصوى. وهي طريقة تشغيل تبحث باستمرار عن نقطة العمل التي تنتج عندها اللوحة الشمسية أعلى قدرة وفق ظروف الإشعاع ودرجة الحرارة اللحظية، ثم تُبقي اللوحة تعمل عند تلك النقطة. وعند استخدامها في وحدات التحكم بالشحن، فإنها تحول الجهد الزائد القادم من اللوحة إلى تيار شحن، ما يوفر مكسبًا واضحًا مقارنة بأجهزة PWM. وقد يصل الفرق إلى ثلاثين بالمئة في درجات الحرارة المنخفضة ومع سلاسل الألواح ذات الجهد المرتفع.
ما هو MPPT؟
MPPT هو أسلوب تتبع إلكتروني يهدف إلى إبقاء القدرة التي تنتجها اللوحة الشمسية عند أعلى مستوى ممكن. ويظهر في موضعين مختلفين: داخل وحدة التحكم بالشحن في الأنظمة المزودة ببطاريات، وفي الأنظمة المتصلة بالشبكة ضمن قنوات إدخال العاكس .
يحتوي الجهاز على محول DC-DC. وبفضل هذا المحول يصبح جهد تشغيل اللوحة مستقلًا عن الجهد الذي تحتاجه البطارية. فبينما تستمر اللوحة في العمل عند نقطة كفاءتها، مثلًا عند 32 فولت، يخفض الجهاز هذا الجهد إلى 14 فولت التي تحتاجها البطارية. وبما أن القدرة تُحفظ إلى حد كبير، فإن انخفاض الجهد ينعكس على شكل زيادة في التيار.
مثال بسيط: لوحة تنتج 32 فولت و9 أمبير توفر قدرة تقارب 288 واط. ينقل الجهاز هذه القدرة إلى البطارية بنحو 14 فولت / 20 أمبير. تبقى اللوحة عند نقطة تشغيلها المثلى، بينما تحصل البطارية على الجهد الذي تحتاجه. والخسارة الوحيدة هي النسبة الصغيرة الناتجة عن كفاءة عملية التحويل.
ما هي نقطة القدرة القصوى (MPP) وكيف يتم تحديدها؟
لا يلزم أن تعمل اللوحة الشمسية عند جهد واحد فقط؛ إذ يمكنها العمل عند أي نقطة بين الصفر وجهد الدائرة المفتوحة. لكنها لا تنتج القدرة نفسها عند كل نقطة. توجد نقطة واحدة فقط يكون عندها حاصل ضرب الجهد في التيار هو الأعلى، وتسمى نقطة القدرة القصوى (MPP).
تتضمن بطاقة بيانات اللوحة القيم التي تصف هذه النقطة:
| الاختصار | الاسم | ما الذي يوضحه |
|---|---|---|
| Voc | جهد الدائرة المفتوحة | أعلى جهد يُقاس عند عدم توصيل أي حمل؛ ويكون التيار صفرًا |
| Isc | تيار القصر | أعلى تيار يمر عند قصر الأطراف؛ ويكون الجهد صفرًا |
| Vmp | جهد القدرة القصوى | الجهد الذي تنتج عنده اللوحة أعلى قدرة؛ ويكون أقل من Voc |
| Imp | تيار القدرة القصوى | قيمة التيار عند نقطة التشغيل نفسها |
| Pmax | القدرة الاسمية | حاصل ضرب Vmp في Imp؛ وهو القدرة الاسمية المدونة على اللوحة |
التفصيل المهم هنا هو أن هذه القيم تُقاس في ظروف مخبرية ولا تبقى ثابتة في الموقع. تتغير نقطة MPP باستمرار طوال اليوم. عندما ينخفض الإشعاع ينخفض التيار، وعندما ترتفع درجة حرارة الخلايا ينخفض الجهد. مرور السحب، وساعات الصباح والمساء، وبرودة الشتاء، و زاوية تركيب الألواح تؤدي باستمرار إلى تحريك هذه النقطة. استمرار الألواح في إنتاج الطاقة حتى في الأجواء الغائمة يعني أن نقطة MPP انتقلت إلى مستوى قدرة أقل بكثير.
لهذا السبب لا يقوم جهاز MPPT بقياس واحد فقط. فهو يغير جهد الإدخال بخطوات صغيرة، ويقيس القدرة الناتجة، ويواصل التحرك في الاتجاه الذي ترتفع فيه القدرة. وعندما تبدأ القدرة بالانخفاض يغير الاتجاه. وبما أن عملية البحث هذه تتكرر عدة مرات في الثانية، يتمكن الجهاز من العثور على نقطة الذروة الجديدة خلال ثوانٍ قليلة مع تغير الظروف.
كيف تعمل وحدة التحكم بالشحن PWM؟
تعمل أجهزة PWM (Pulse Width Modulation، تعديل عرض النبضة) وفق مبدأ أبسط بكثير. يوجد مفتاح إلكتروني بين اللوحة والبطارية، ويقوم هذا المفتاح بالفتح والإغلاق بسرعة لتنظيم التيار المتجه إلى البطارية. ومع امتلاء البطارية تقصر مدة النبضات وينخفض تيار الشحن.
لكن هذه البنية لا تحتوي على محول. وطالما أن المفتاح مغلق، تكون اللوحة والبطارية متصلتين مباشرة، فينخفض جهد اللوحة إلى مستوى جهد البطارية. أي أن اللوحة تضطر إلى العمل ليس عند قيمة Vmp الخاصة بها، بل عند جهد البطارية في تلك اللحظة.
بالأرقام: تكون قيمة Vmp للوحة مصممة لنظام 12 فولت عادةً في حدود 17–18 فولت، بينما يتراوح جهد شحن البطارية بين 13 و14 فولت. يخفض جهاز PWM جهد اللوحة إلى 14 فولت بينما يبقى التيار دون تغيير. ويضيع فرق الجهد البالغ نحو 4 فولت دون الاستفادة منه، وهو ما يعادل تقريبًا ربع القدرة التي كان من الممكن الحصول عليها من اللوحة.
مقارنة بين MPPT وPWM
| المقارنة | MPPT | PWM |
|---|---|---|
| مبدأ التشغيل | يحوّل الجهد إلى تيار باستخدام محول DC-DC | ينظم التيار بالتبديل ولا يجري تحويلًا للجهد |
| كفاءة الاستفادة من اللوحة | بين 95% و99%؛ وبحسب الظروف قد يحقق مكسبًا بنسبة 10–30% مقارنة بـ PWM | في حدود 70%–80%؛ وتكون الخسارة بقدر فرق الجهد |
| توافق جهد اللوحة والبطارية | يمكن أن يكون جهد اللوحة أعلى من جهد البطارية، ويسمح بالتوصيل على التوالي | يجب أن يكون جهد اللوحة والبطارية متقاربين |
| الأداء في الطقس البارد | يحوّل ارتفاع جهد اللوحة إلى فائدة قابلة للاستخدام | يُفقد الجهد الإضافي بالكامل |
| مقطع الكابل المطلوب | الجهد الأعلى يعني تيارًا أقل، لذلك يكفي مقطع كابل أصغر | الجهد الأقل يعني تيارًا أعلى، لذلك يلزم مقطع كابل أكبر |
| حجم النظام المناسب | 170 واط فأكثر؛ أنظمة متعددة الألواح | أنظمة صغيرة حتى بضع مئات من الواط |
| التكلفة | أعلى بشكل ملحوظ عند نفس قيمة التيار | منخفضة؛ تصميم دائرة بسيط |
| البنية الفيزيائية | هيكل أكبر ويتطلب زعانف تبريد | صغير وخفيف |
أي نوع يُفضّل حسب النظام؟
يعتمد القرار على عاملين: قدرة النظام ونسبة جهد اللوحة إلى جهد البطارية.
الحالات التي يكون فيها PWM كافيًا. يعد PWM حلًا مناسبًا عندما تكون القدرة الإجمالية للألواح أقل من بضع مئات من الواط، وتكون اللوحة مصممة لتتوافق مباشرة مع جهد البطارية (مثل لوحة 36 خلية لبطارية 12 فولت)، ويكون التركيب في منطقة دافئة. وتشمل هذه الفئة إضاءة الكرفانات، وأنظمة الكاميرات، وتطبيقات الحدائق، والأنظمة الصغيرة للقوارب. وفي هذا الحجم قد لا يكون المكسب الذي يوفره MPPT كافيًا لتبرير فرق سعر الجهاز.
الحالات التي يكون فيها MPPT ضروريًا. يصبح MPPT ضروريًا عندما تتجاوز قدرة الألواح بضع مئات من الواط، أو عند توصيل الألواح على التوالي لإنتاج جهد مرتفع، أو عند تنفيذ التركيب في منطقة باردة، أو عندما تكون المسافة بين الألواح والبطارية طويلة. أنظمة الري بالطاقة الشمسية, التطبيقات الزراعية, ومحطات الاتصالات، والمنازل غير المتصلة بالشبكة ضمن هذه الفئة.
غالبًا ما يتم تجاهل عامل الطقس البارد. يرتفع جهد اللوحة عند انخفاض درجة الحرارة، وقد تتجاوز قيمة Vmp في صباحات الشتاء القيمة الاسمية بشكل واضح. يحول MPPT هذا الارتفاع مباشرة إلى تيار شحن إضافي، بينما يضيع بالكامل في أجهزة PWM. ويكون الفرق بين التقنيتين أكبر ما يكون في المناطق الباردة والمرتفعة.
تؤثر البطارية في العمر التشغيلي بقدر تأثير اختيار وحدة التحكم؛ وعند تصميم النظام بالكامل نوصي بتقييم أنواع البطاريات المستخدمة في أنظمة الطاقة الشمسية و كيفية تخزين الطاقة معًا.
تحديد سعة وحدة التحكم بالشحن MPPT
يعتمد تحديد السعة على حدين: أقصى جهد إدخال يمكن للجهاز تحمله وأقصى تيار خرج يمكنه توفيره.
حساب تيار الخرج. تُحسب قيمة التيار المطلوبة لوحدة التحكم بقسمة القدرة الإجمالية للألواح على جهد نظام البطاريات:
التيار المطلوب (A) = القدرة الإجمالية للألواح (W) ÷ جهد نظام البطاريات (V)
على سبيل المثال، مع قدرة ألواح تبلغ 1,000 واط وبنك بطاريات 24 فولت، تكون النتيجة 1,000 ÷ 24 ≈ 42 أمبير. وبعد إضافة هامش أمان يتم اختيار جهاز بقدرة 50 أمبير. وعند توصيل القدرة نفسها بنظام 48 فولت ينخفض الاحتياج إلى 21 أمبير؛ ولهذا يمكن أن يؤدي رفع جهد النظام إلى خفض تكلفة وحدة التحكم.
| القدرة الإجمالية للألواح | نظام 12 فولت | نظام 24 فولت | نظام 48 فولت |
|---|---|---|---|
| 500 W | ~42 A | ~21 A | ~10 A |
| 1.000 W | ~83 A | ~42 A | ~21 A |
| 2.000 W | غير موصى به | ~83 A | ~42 A |
| 3.000 W | غير موصى به | ~125 A | ~63 A |
التحقق من جهد الإدخال. إذا تم تجاوز هذه الخطوة فقد يتعرض الجهاز لضرر دائم. يجب أن يبقى إجمالي جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للألواح المتصلة على التوالي أقل من أقصى جهد إدخال للجهاز. وفي الحساب لا ينبغي استخدام قيمة الملصق فقط، بل قيمة Voc المصححة وفق أدنى درجة حرارة شتوية في المنطقة، لأن الجهد يرتفع مع البرودة. وقد تعمل سلسلة الألواح دون مشكلة في يوم صيفي ثم تتسبب في تلف الجهاز صباحًا في الشتاء إذا لم تُجرَ هذه المراجعة.
لتخطيط عدد الألواح والقدرة الإجمالية، يمكنك الاستفادة من مقالنا حول مقدار الطاقة التي تنتجها اللوحة الشمسية ومن أداة حساب الطاقة الشمسية الخاصة بنا.
هل تبحث عن حل الطاقة الشمسية الأنسب لمشروعك؟
احصل على معاينة مجانية وعرض سعر من فريقنا المتخصص لأنظمة تتبع الشمس وتركيبات الألواح الثابتة المصممة خصيصًا لأرضك أو مصنعك أو سطح المبنى.
الأسئلة الشائعة حول MPPT ووحدات التحكم بالشحن
هل يمكن توصيل اللوحة الشمسية مباشرة بالبطارية من دون وحدة تحكم بالشحن؟
لا ينبغي توصيلها مباشرة. فمن دون وحدة تحكم بالشحن تستمر اللوحة في إرسال الطاقة حتى بعد امتلاء البطارية، ما قد يؤدي إلى الشحن الزائد وفقدان الإلكتروليت وانتفاخ الغلاف وتقليل عمر البطارية. كما قد ينشأ ليلًا تيار عكسي عبر اللوحة يؤدي إلى تفريغ البطارية. ويُقبل التوصيل المباشر فقط في ألواح الشحن الصيانة الصغيرة جدًا مقارنة بسعة البطارية، بشرط وجود دايود حجب.
أثناء التركيب، أيهما يجب توصيله أولًا: اللوحة أم البطارية؟
تُوصل البطارية أولًا. فمعظم أجهزة MPPT تتعرف على جهد النظام الذي ستعمل عليه (12 فولت أو 24 فولت أو 48 فولت) من خلال البطارية. وإذا وُصلت اللوحة أولًا فقد يحدد الجهاز جهد النظام بصورة خاطئة أو قد لا يبدأ العمل. الترتيب الصحيح هو البطارية، ثم اللوحة، ثم الحمل في النهاية؛ أما الفك فيتم بالترتيب العكسي.
هل ينبغي توصيل الألواح على التوالي أم على التوازي؟
في أجهزة MPPT يكون التوصيل على التوالي مفيدًا في معظم الحالات. فهو يرفع الجهد مع إبقاء التيار ثابتًا، ما يسمح باستخدام مقطع كابل أصغر وتقليل خسائر الخط. لكن إذا تعرضت لوحة واحدة في سلسلة متصلة على التوالي للظل فإن السلسلة كلها تتأثر. وفي المواقع التي توجد فيها مصادر ظل يكون التوصيل على التوازي أو تقسيم المجموعات على مداخل منفصلة أكثر أمانًا. أما في أجهزة PWM فعادةً لا يكون التوصيل على التوالي ممكنًا، لذلك تُوصل الألواح على التوازي.
هل يمكن توصيل ألواح بقدرات وعلامات تجارية مختلفة بوحدة التحكم بالشحن نفسها؟
هذا ممكن من الناحية التقنية، لكنه يؤدي إلى خسائر في الكفاءة. ففي التوصيل على التوالي تنخفض جميع ألواح السلسلة إلى مستوى اللوحة ذات أقل تيار، أما في التوصيل على التوازي فتؤثر الألواح ذات فروق الجهد سلبًا في بعضها. وإذا كان استخدام ألواح مختلفة ضروريًا، فالأفضل تجميع الألواح ذات الخصائص المتشابهة وتوصيل كل مجموعة بمدخل MPPT مستقل أو بجهاز منفصل.
هل تقوم وحدة التحكم بالشحن MPPT بتفريغ البطارية ليلًا؟
تستهلك إلكترونيات الجهاز في وضع الاستعداد تيارًا صغيرًا جدًا، عادةً في حدود الميلي أمبير، وهو مقدار ضئيل مقارنة بسعة البطارية. كما تمنع دائرة الحجب داخل الجهاز أي تيار عكسي محتمل باتجاه اللوحة. وإذا لوحظ تفريغ واضح ليلًا فعادةً لا يكون السبب هو الجهاز، بل حمل يعمل باستمرار ومتصّل بالنظام أو بطارية متقادمة.
أين يجب تركيب وحدة التحكم بالشحن MPPT؟
يجب تركيب الجهاز في أقرب مكان ممكن من البطارية، لأن الخط بين البطارية والجهاز يحمل تيارًا مرتفعًا وتزداد الخسائر كلما زادت المسافة. يجب أن يكون مكان التركيب جافًا ومظللًا وجيد التهوية. ويجب عدم تغطية زعانف التبريد، كما لا ينبغي وضع الجهاز مباشرة فوق البطارية، لأن الغازات المنبعثة من بطاريات الرصاص الحمضية قد تسبب تآكل اللوحة الإلكترونية.
اترك تعليقاً