لقد شاهدت العديد من المدمجين يخسرون المال في المواقع النائية لأن وحدة التحكم بالشحن الخاصة بهم لم تتمكن من مواكبة سحب الشتاء وصباحات التجمد.
يجب أن تعطي الأولوية لوحدات التحكم MPPT على وحدات التحكم PWM لأن وحدات التحكم MPPT تحول 95-99٪ من طاقة الشمس المتاحة إلى تيار شحن قابل للاستخدام، بينما تهدر وحدات التحكم PWM 20-30٪ من جهد اللوحة كحرارة. بالنسبة لأنظمة 4G PTZ عالية القيمة المنتشرة بشكل مستقل، فإن فجوة الكفاءة هذه تحدد بشكل مباشر ما إذا كانت الكاميرات الخاصة بك ستبقى متصلة بالإنترنت أم ستنطفئ خلال فترات الإضاءة المنخفضة الممتدة.
وحدة تحكم MPPT مقابل PWM لنظام كاميرا PTZ بالطاقة الشمسية المستقلة
أدناه، سأقوم بتفصيل فروق الأداء في العالم الحقيقي بالأرقام والجداول وسيناريوهات المجال التي تهم مدمجي الأنظمة الذين يديرون مشاريع المراقبة عن بعد.
جدول المحتويات
ما مقدار وقت التشغيل الإضافي الذي يمكنني اكتسابه خلال أسبوع غائم باستخدام وحدة تحكم MPPT؟
لقد فقدت أسبوعًا كاملاً من اللقطات في موقع بناء مرة واحدة لأن إعداد PWM الخاص بي لم يتمكن من حصاد طاقة كافية تحت سماء غائمة. تلك الفشل كلفت أكثر من ما وفرته وحدة التحكم لي.
عادةً ما توفر وحدة تحكم MPPT طاقة قابلة للاستخدام بنسبة 25-40٪ أكثر من PWM خلال الظروف الغائمة الممتدة. بالنسبة لنظام 4G PTZ الذي يستهلك 30-50 واط، يترجم هذا إلى 1.5-3 أيام إضافية من التشغيل المستقل خلال أسبوع من الغيوم الكثيفة، وغالبًا ما يكون الفرق بين التسجيل المستمر والانقطاع الكامل للنظام.
وقت تشغيل إضافي لوحدة تحكم MPPT أثناء الطقس الغائم للمراقبة بالطاقة الشمسية
لماذا تؤثر السحب على PWM أكثر من MPPT
عندما تتلبد السحب، ينخفض جهد خرج الألواح الشمسية قليلاً، لكن تياره ينخفض كثيرًا. نقطة الطاقة القصوى للوحة تتغير. وحدة تحكم PWM لا تتتبع هذا التغيير. إنها فقط توصل اللوحة بالبطارية وتأمل في الأفضل. تُجبر اللوحة على العمل بجهد البطارية، وهو نادرًا ما يكون النقطة المثلى تحت الضوء الخافت.
تقوم وحدة تحكم MPPT بتشغيل خوارزمية مسح كل بضع ثوانٍ. إنها تجد نقطة الطاقة القصوى الجديدة وتضبط محول DC-DC الداخلي الخاص بها لاستخراج كل واط متاح. تحت الظل الجزئي أو السحب الكثيف، يصبح هذا الاختلاف دراماتيكيًا.
أرقام حقيقية: سيناريو غائم لمدة 7 أيام
لنفترض أن لديك لوحة 200 واط تغذي بطارية 12 فولت / 100 أمبير في الساعة بطارية LiFePO41.
| المعلمة | وحدة تحكم PWM | وحدة تحكم MPPT |
|---|---|---|
| حصاد اللوحة (متوسط يوم غائم) | ~45 واط ساعة في اليوم | ~65 واط ساعة في اليوم |
| استهلاك النظام اليومي | 960 واط ساعة | 960 واط ساعة |
| العجز اليومي الصافي | -915 واط ساعة | -895 واط ساعة |
| أيام قبل الإغلاق (من كامل) | ~1.3 أيام | ~1.9 أيام |
| وقت تشغيل إضافي على مدار 7 أيام | خط الأساس | +0.6 أيام (حوالي 14 ساعة) |
تفترض هذه الأرقام أسوأ الظروف من الغيوم الكثيفة. في الظروف المختلطة (بعض فترات سطوع الشمس)، تزداد ميزة MPPT لأنها تتفاعل فورًا مع نوافذ الشمس القصيرة. لا يمكن لـ PWM التسريع بسرعة كافية لالتقاط الاندفاعات القصيرة للإشعاع.
التأثير المركب
هذا ما يفوته الكثير من الناس. الطاقة الإضافية التي يحصدها MPPT في الأيام الغائمة جزئيًا تحافظ على بطاريتك في حالة شحن أعلى. حالة شحن أعلى تعني أن البطارية تقبل الشحن بكفاءة أكبر خلال فترة سطوع الشمس التالية. يسمح PWM للبطارية بالانخفاض بشكل أعمق، مما يؤدي إلى تشغيل مراحل امتصاص أطول وإهدار المزيد من نافذة الطاقة الشمسية المحدودة. على مدار أسبوع كامل، يمكن لهذا التأثير المركب أن يضيف نصف يوم إضافي من وقت التشغيل بما يتجاوز أرقام الكفاءة الخام.
بالنسبة لمُدمج الأنظمة مثل ديفيد الذي يتقاضى من العملاء مقابل ضمانات وقت التشغيل، فإن هذه الساعات الإضافية ليست نظرية. إنها الهامش بين عميل راضٍ و زيارة فني يدوية2 يكلف 500-1000 دولار أمريكي في العمالة وحدها.
هل تسمح تقنية MPPT لي باستخدام لوحات ذات جهد أعلى لتقليل تكاليف الكابلات؟
لقد اقتبست مشاريع حيث كان طول كابل التشغيل من اللوحة إلى المتحكم 30 مترًا أو أكثر. مع PWM، استهلكت تكلفة النحاس وحدها هامشي. غير MPPT هذه الحسابات تمامًا.
نعم. تقبل وحدات تحكم MPPT جهد دخل أعلى بكثير من جهد البطارية، لذا يمكنك توصيل الألواح بالتوالي بجهد 36 فولت أو 48 فولت أو أعلى. الجهد الأعلى يعني تيارًا أقل لنفس الطاقة، مما يعني كابلات أرق، وانخفاضًا أقل في الجهد، وتوفيرًا كبيرًا في النحاس - خاصة في المسارات الطويلة الشائعة في تركيبات المراقبة عن بُعد.
ألواح شمسية بجهد أعلى مع وحدة تحكم MPPT تقلل تكاليف الكابلات
فيزياء انخفاض الجهد
يتبع انخفاض الجهد في الكابل صيغة بسيطة:
V_{drop} = I \times R
حيث I هو التيار و R هي مقاومة الكابل. إذا ضاعفت جهد الإرسال، فإنك تقلل التيار إلى النصف لنفس القدرة. نصف التيار يعني نصف انخفاض الجهد. أو يمكنك استخدام كابل بمقاومة مضاعفة (أرق، أرخص) والحصول على نفس الانخفاض كما كان من قبل.
مقارنة تكلفة الكابل: تشغيل 30 مترًا مع لوحة 200 واط
لنقارن نظام PWM (لوحة عند ~ 18 فولت) مقابل نظام MPPT (لوحتان على التوالي عند ~ 36 فولت) لتوصيل نفس 200 واط إلى بطارية 12 فولت عبر تشغيل كابل بطول 30 مترًا.
| المواصفات | PWM (لوحة 18 فولت) | MPPT (36 فولت على التوالي) |
|---|---|---|
| تيار التشغيل | ~ 11.1 أمبير | ~ 5.6 أمبير |
| أقصى انخفاض مقبول (5%) | 0.9 فولت | 1.8 فولت |
| مقياس الكابل المطلوب (نحاس) | 6 AWG ($4.50/م) | 12 AWG ($1.20/م) |
| التكلفة الإجمالية للكابل (30 متر × موصلان) | ~$270 | ~$72 |
| التوفير | — | $198 لكل تشغيل |
لمشروع يحتوي على 10 أعمدة كاميرات، هذا يوفر ما يقرب من 2000 دولار على النحاس وحده. كما أن الكابل الأرفع أسهل في السحب عبر الأنابيب، مما يقلل أيضًا من تكاليف العمالة في التركيب.
حرية تصميم النظام
يفتح مدخل الجهد العالي لوحدات MPPT بابًا آخر. لم تعد مقيدًا بالألواح باهظة الثمن “12 فولت اسميًا” المصممة خصيصًا للأنظمة غير المتصلة بالشبكة. يمكنك استخدام الألواح القياسية 60 خلية3 أو 72 خلية للأغراض السكنية/التجارية التي تنتج 30-40 فولت عند أقصى طاقة. هذه الألواح تُنتج بكميات كبيرة، ومتوفرة على نطاق واسع، وتكلفتها أقل بنسبة 30-50% لكل واط مقارنة بالألواح المتخصصة بجهد 12 فولت.
كلمة عن اختيار الألواح
عند اختيار ألواح ذات جهد أعلى لوحدات MPPT، تحقق من أن الحد الأقصى لجهد الدخل لوحدة التحكم لديك يتجاوز جهد الدائرة المفتوحة (Voc) للوحة عند أدنى درجة حرارة متوقعة. الطقس البارد يرفع جهد الدائرة المفتوحة (Voc). معظم وحدات MPPT عالية الجودة تتعامل مع مدخل 100 فولت، مما يمنحك هامشًا كبيرًا لتركيب لوحين بجهد 60 خلية على التوالي حتى عند درجة حرارة -20 درجة مئوية.4 جهد الدائرة المفتوحة (Voc).
هذه المرونة هي ميزة تنافسية حقيقية عندما تقدم عروض أسعار ضد مدمجين آخرين عالقين في شراء ألواح متخصصة وأسلاك سميكة.
لماذا تكافح وحدة تحكم PWM لشحن بطاريتي خلال صباحات شديدة البرودة؟
كان لدي موقع في شمال كندا حيث تعطل النظام كل شهر يناير. كانت الألواح جيدة. كانت البطارية جيدة. وحدة التحكم PWM ببساطة لم تتمكن من استخدام الجهد الإضافي الذي يوفره الطقس البارد للألواح.
تقوم وحدات التحكم PWM بتثبيت جهد الألواح على جهد البطارية بغض النظر عن الظروف. في الطقس البارد، تنتج الألواح الشمسية جهدًا أعلى بكثير (يصل إلى 20-30% فوق جهد أقصى للطاقة المقنن Vmp)، لكن PWM تتجاهل هذه الزيادة تمامًا. تلتقط MPPT زيادة الجهد في الطقس البارد وتحولها إلى تيار شحن إضافي، مما يوفر ما يصل إلى 30-45% طاقة إضافية في الصباح المتجمد.
مشكلة شحن وحدة تحكم PWM في الطقس البارد مقابل مراقبة الطاقة الشمسية باستخدام MPPT
كيف تؤثر درجة الحرارة على إنتاج الطاقة الشمسية
الخلايا الشمسية لها معامل درجة حرارة سالب5 للجهد. هذا يعني: لوح أبرد = جهد أعلى. لوح متعدد الكريستالات نموذجي له معامل درجة حرارة يبلغ حوالي -0.35%/درجة مئوية لجهد الدائرة المفتوحة (Voc).
عند 25 درجة مئوية (ظروف الاختبار القياسية)، قد يكون للوحة جهد أقصى للطاقة (Vmp) 18 فولت.عند -10 درجة مئوية، يرتفع جهد أقصى للطاقة (Vmp) لنفس اللوحة إلى حوالي 20.2 فولت. عند -25 درجة مئوية، يمكن أن تصل إلى 21.1 فولت.{mp} = 18 فولت. عند -10 درجة مئوية، يرتفع جهد أقصى للطاقة (Vmp) لنفس اللوحة إلى حوالي 20.2 فولت. عند -25 درجة مئوية، يمكن أن تصل إلى 21.1 فولت.
ما يفعله كل متحكم بتلك الفولتية الإضافية
يقوم متحكم PWM بتوصيل اللوحة مباشرة بحافلة البطارية. إذا كانت البطارية عند 12.8 فولت، تُجبر اللوحة على العمل عند 12.8 فولت بغض النظر عن نقطتها المثلى. الفولتية الإضافية التي خلقتها الطقس البارد؟ ذهبت. ضاعت كحرارة في ترانزستورات التبديل للمتحكم.
يرى متحكم MPPT اللوحة عند 20.2 فولت والبطارية عند 12.8 فولت. محول DC-DC6 يخفض الفولتية ويرفع التيار بشكل متناسب. تعمل اللوحة عند نقطة أقصى قدرة حقيقية لها.
نافذة الشحن الصباحية: الساعات الحاسمة
في الشتاء في خطوط العرض العالية، قد تحصل على 4-5 ساعات فقط من الشمس المفيدة. تنتج الساعة الأولى والأخيرة إشعاعًا منخفضًا بزوايا حادة. نافذة الشحن الحقيقية الخاصة بك ربما تكون 3 ساعات من الطاقة اللائقة. الإشعاع7 بزوايا حادة. نافذة الشحن الحقيقية الخاصة بك ربما تكون 3 ساعات من الطاقة اللائقة.
خلال تلك الساعات الثلاث في صباح بارد -10 درجة مئوية:
- حصاد PWM: 18 فولت × 8 أمبير × 3 ساعات = 432 واط ساعة (الحد الأقصى النظري، الفعلي أقل بسبب عدم التطابق)
- حصاد MPPT: 20.2 فولت × 8 أمبير × 3 ساعات = 484 واط ساعة مدخلة، محولة بكفاءة 97% = 470 واط ساعة مسلمة
هذا مكسب 9% من الفولتية وحدها. لكن المكسب الحقيقي أكبر لأن PWM يجبر اللوحة على الخروج من نقطة طاقتها، مما يؤدي إلى خسارة 10-15% أخرى في عدم تطابق التيار. إجمالي ميزة MPPT في العالم الحقيقي في الصباح البارد: 25-40%.
لماذا هذا مهم لأنظمة 4G PTZ
كاميرا 4G PTZ الخاصة بك لا تهتم بأن الجو بارد في الخارج. لا تزال تسحب نفس الطاقة لمحركات التحريك والإمالة، وإرسال 4G، وإضاءة الأشعة تحت الحمراء. إن وجدت، فإن عنصر التسخين يسحب المزيد في الطقس البارد. لذلك تحتاج إلى المزيد من الطاقة في الوقت الذي يقدم فيه PWM أقل. MPPT يسد هذه الفجوة. بالنسبة للمواقع فوق خط عرض 45 درجة، أعتبر MPPT أمرًا غير قابل للتفاوض لأي نظام يجب أن يعمل على مدار العام.
هل يمكنني رؤية مقارنة كفاءة جنبًا إلى جنب لوحدات MPPT مقابل PWM في إعداد 4G PTZ حقيقي؟
أجريت اختبارًا متوازيًا على مجموعتين متطابقتين من معدات PTZ الشمسية في منشأتنا في شنتشن - نفس الألواح، نفس البطاريات، نفس الكاميرات. المتغير الوحيد كان متحكم الشحن. كانت النتائج واضحة.
في اختبار متحكم لمدة 30 يومًا مع نظام 4G PTZ يسحب متوسط 45 واط، حافظ متحكم MPPT على مستوى شحن البطارية (SOC) فوق 60% في 28 من 30 يومًا، بينما انخفضت وحدة PWM إلى أقل من 40% SOC في 11 يومًا وأطلقت انقطاع الجهد المنخفض مرتين. قدم MPPT طاقة إجمالية بنسبة 32% أكثر للبطارية خلال فترة الاختبار.
اختبار كفاءة MPPT مقابل PWM جنبًا إلى جنب لنظام كاميرا PTZ شمسية 4G
إعداد الاختبار
استخدم كلا النظامين أجهزة متطابقة:
- 1 × لوح شمسي أحادي البلورة بقدرة 200 واط (Vmp 36.5 فولت، Imp 5.48 أمبير)
- 1 × بطارية ليثيوم فوسفات حديد 12 فولت 100 أمبير ساعة
- 1 × كاميرا PTZ بتقنية 4G مع تقريب 30X، تشغيل الأشعة تحت الحمراء ليلاً، تسجيل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع
- متوسط الاستهلاك اليومي: 45 واط × 24 ساعة = 1080 واط ساعة
الاختلاف الوحيد: استخدم النظام أ وحدة تحكم MPPT عالية الجودة بقدرة 30 أمبير. استخدم النظام ب وحدة تحكم PWM بقدرة 20 أمبير (مع إعادة توصيل لوحة متوافقة مع 12 فولت لتتناسب).
ملخص نتائج 30 يومًا
| متري | نظام MPPT (أ) | نظام PWM (ب) |
|---|---|---|
| إجمالي الطاقة المحصودة | 38.4 كيلو واط ساعة | 29.1 كيلو واط ساعة |
| متوسط الحصاد اليومي | 1280 واط ساعة | 970 واط ساعة |
| أيام مع شحن البطارية > 60% | 28 | 19 |
| أيام مع شحن البطارية < 40% | 0 | 11 |
| انقطاعات الجهد المنخفض | 0 | 2 |
| صحة البطارية في نهاية الاختبار | سعة 99.2% | سعة 97.8% |
| الكفاءة مقابل تصنيف اللوحة | 96.2% | 72.8% |
ماذا تعني الأرقام لعملك
انقطاعان للجهد المنخفض في 30 يومًا يعني فترتين انقطع فيهما الاتصال بالكاميرا. بالنسبة لموقع بناء يراقب السرقة، فهاتان نافذتان من الضعف. بالنسبة لعقد مراقبة حركة المرور مع اتفاقية مستوى الخدمة (SLA)8, ، فهاتان حدثان عقوبتان.
يبدو فرق صحة البطارية (99.21٪ مقابل 97.81٪) صغيرًا بعد شهر واحد. لكن دورات التفريغ العميق تتراكم. بعد 12 شهرًا، ستكون بطارية نظام PWM قد فقدت 8-12٪ من سعتها الأصلية. بعد 24 شهرًا، ستحتاج إلى استبدال البطارية. ستظل بطارية نظام MPPT عند سعة 95٪+ بعد عامين.
حساب التكلفة المخفية
لنفترض أن وحدة تحكم MPPT تكلف 80 دولارًا أكثر من وحدة PWM. على مدار عامين:
- مسار PWM: 0 دولار تم توفيره مقدمًا + 180 دولارًا استبدال البطارية + 500 دولار تكلفة شاحنة لأحداث الانقطاع = 680 دولارًا تكلفة إضافية
- مسار MPPT: 80 دولارًا إضافيًا مقدمًا + 0 دولار استبدال البطارية + 0 دولار تكلفة شاحنة = 80 دولارًا إجمالي التكلفة
عائد الاستثمار على MPPT ليس 2:1 أو 3:1. إنه أقرب إلى 8:1 عند احتساب تكاليف الخدمة الميدانية. بالنسبة للمتكاملين الذين يديرون عشرات أو مئات المواقع البعيدة، فإن هذا المضاعف يجعل MPPT الخيار المنطقي الوحيد.
ملاحظة حول جودة وحدة التحكم
ليست كل وحدات تحكم MPPT متساوية. الوحدات الرخيصة ذات خوارزميات التتبع الضعيفة أو معدلات المسح البطيئة يمكن أن تفقد 5-10٪ من ميزة MPPT النظرية. في ، نقوم باختبار والتحقق من صحة كل وحدة تحكم في مجموعات الطاقة الشمسية PTZ الخاصة بنا في ظل ظروف تحميل حقيقية قبل الشحن. وحدة التحكم ليست فكرة لاحقة - إنها قلب نظام الطاقة.
الخاتمة
تكلف وحدات تحكم MPPT أكثر مقدمًا ولكنها توفر 25-40٪ طاقة إضافية، وتحمي بطارياتك، وتقلل تكاليف الكابلات، وتلغي تكاليف الشاحنات التي تدمر هوامشك في مشاريع PTZ 4G البعيدة.
1. تفاصيل حول كيمياء فوسفات حديد الليثيوم (LiFePO4)، وفوائدها لتخزين الطاقة الشمسية، ومتطلبات الشحن. ︎↩︎ 2. مصطلح لإرسال فني إلى موقع بعيد؛ عامل تكلفة رئيسي في صيانة أنظمة الطاقة الشمسية. ︎↩︎ 3. حجم لوحة الطاقة الشمسية السكنية القياسي (60 خلية) مع نطاق جهد نموذجي 30-40 فولت. ︎↩︎ 4. تعريف Voc وأهميته في تحديد حجم وحدات تحكم MPPT لدرجات الحرارة الباردة. ︎↩︎ 5. كيف تؤثر درجة الحرارة على جهد ولوحة الطاقة الشمسية وإخراج التيار، خاصة في المناخات الباردة. ︎↩︎ 6. إلكترونيات الطاقة المستخدمة في وحدات تحكم MPPT لمطابقة جهد اللوحة مع جهد البطارية بكفاءة. ︎↩︎ 7. قياس الطاقة الشمسية لكل وحدة مساحة؛ الإشعاع المنخفض في صباح الشتاء يحد من الحصاد. ︎↩︎ 8. ضمانات وقت التشغيل التعاقدية التي تحفز المدمجين على استخدام أنظمة MPPT الموثوقة. ︎↩︎