ממה מורכבת מערכת סולארית?

אבי בן תורה
מנהל שיווק ישראל / אבי בן תורה
19-06-2022

רבים מביטים בפאנלים הסולאריים על גגות הבתים וחושבים שהפאנלים בלבד מהווים את המערכת הסולארית, על ידי הפיכת אור לחשמל. למעשה, מערכת סולארית היא הרבה יותר מורכבת שהפאנלים הם החלק הפשוט שבה. יותר מכך, על חלקיה ישנן מגבלות שונות, אשר ניתן להתגבר עליהן באמצעות פתרונות טכנולוגיים חדשניים. במאמר זה נסקור לעומק את הרכיבים השונים שבמערכת הסולארית הקלאסית ואת תפקידם, לצד הרכיבים החדישים שפיתחה SolarEdge, כדי להפוך את המערכת לחכמה.


הפאנלים הסולאריים – לוחות פוטו־וולטאיים

כל מערכת סולארית מורכבת ממספר שורות של לוחות פוטו-וולטאיים המחוברים זה לזה (סטרינג), ואילו לוח בודד מורכב ממספר של תאים פוטו-וולטאים המחוברים זה לזה ומכונים פאנל סולארי או מודול.

כיצד למעשה התאים הללו מייצרים חשמל?

תא פוטו-וולטאי בנוי מאחת משתי הטכנולוגיות – צורן גבישי או "שכבה דקה". הצורן הגבישי מחולק אף הוא לשניים: סיליקון רב-גבישי (שהוא נפוץ מאוד וזול יותר לייצור מהסיליקון החד גבישי), וכן סיליקון חד גבישי (פחות נפוץ, יקר יותר לייצור, אך בעל תפוקה מרבית לכל מטר).

כל תא פוטו-וולטאי כולל למעשה שתי שכבות שונות ששתיהן מבוססות על חומרים סיליקוניים, המצויים בטבלה המחזורית. האחד נמצא מימין לסיליקון בטבלה זו ואחד נמצא משמאל. הטבלה המחזורית מייצגת את הדרך שבה האטום בנוי ואת ההתנהגות של החומר.

כאשר קרני השמש פוגעות בשכבה העליונה הפונה אל השמש, היא מסוגלת לשחרר אלקטרון. האלקטרון שהשתחרר עובר לשכבה התחתונה הקולטת אותו ותנועה זו של האלקטרונים יוצרת זרם חשמלי ישר.

לוחות רבים כוללים גם שכבת ציפוי נוספת מעל השכבה הקולטת את קרני השמש. תפקידה של שכבה זו הוא למנוע השתקפות, וכך קרני השמש מנוצלות לייצור אנרגייה באופן המיטבי.

התאים הללו מאוגדים בתוך מסגרת אלומיניום, המקלה על נשיאת הפאנל וחיבורו לגג שעליו יהיה מונח.

תיבת הצומת – Junction box

כאמור, כל מערכת סולארית מורכבת ממספר סטרינגים, כלומר לוחות פוטו-וולטאיים המחוברים ביניהם בשורה. על מנת לשמור על פעילות תקינה של המערכת, נהוג לחלק את הלוחות הללו לשורות נפרדות המחוברות כל אחת עם כבל חשמלי מתאים. הן מאוגדות בתיבה מיוחדת המכונה "תיבת צומת" וממנה נמשך כבל חשמלי אחד, המיועד לזרם ישיר להמשך המערכת.

אך בפועל, כאשר לוח אחד מפסיק לעבוד או אינו מייצר חשמל מסיבה כלשהי, כל הלוחות המחוברים אליו לא יעבדו או יעבדו באופן חלקי.

מצב כזה יכול לנבוע למשל מהצללה קבועה של עץ סמוך או הצללה זמנית לדוגמא מציפור שהתיישבה על הפאנל, כך שכל הלוחות באותו הסטרינג לא יגיעו לתפוקת החשמל המקסימלית שלהם. כתוצאה מכך, מערכת סולארית מסורתית אינה ממקסמת את יכולת הייצור האמיתית שלה ולתוך המשבצת הזו נכנסה SolarEdge.

מה חדש בתחום?

הפיתוח של SolarEdge, האופטימייזר, הינו שבב חכם אשר מורכב על כל פאנל ומאפשר למעשה לכל פאנל סולארי לתפקד באופן עצמאי, בשילוב עם ממשק ניהול חכם, ניתן למקסם את הפקת האנרגיה.

לשיטה זו יש מספר יתרונות עיקריים:

  1. ניתן להתקין מספר רב יותר של לוחות סולאריים בהתאם לגודל הגג. יש להבין כי בתכנון מערכות ללא האופטימייזר, במערכות מסורתיות, המתכנן ימנע מהצבת פאנלים במקומות המוצללים חלקית, על מנת להימנע מהשפעתם השלילית על הפאנלים המחוברים אליהם באותו הסטרינג. לעומת זאת, עם הפתרון של SolarEdge ניתן להתקין לוחות מסוגים שונים בזוויות שונות וללא בהצללות או בכמות הלוחות בכל שורה.
  2. האופטימייזר על כל פאנל מאפשר חיווי מלא של טמפרטורה, תפוקה ויעילות. בפאנלים ללא מנגנון מובנה חכם לא ניתן לדעת בדיוק מה התפוקה הנוצרת בפאנל, שעשויה להשפיע על השורה ועל המערכת.
    לעומת זאת בעזרת האופטימייזר של SolarEdge, הלוחות החכמים מנוהלים כיחידות עצמאיות, כך שניתן לזהות ירידה ביעילות של כל פאנל בנפרד ולפתור את הליקוי במהירות. בצורה זו אפשר להפחית את עלות התפעול והתחזוקה של המערכת.
    מאחר וכל פאנל מתפקד באופן עצמאי, תקלה זו גם אינה משפיעה על התפוקה הכוללת של שורת הפאנלים וכך מעלה את התפוקה הכוללת של המערכת.
  3. חסכון בעלויות התשתית. כפי שכבר הזכרנו, מערכת סולארית מסורתית, אשר מתוכננת לפי אורך שורה אחיד, יוצרת מספר רב של שרשורים המחוברים ליחידות קטנות עם ממירי מתח מרובים. לעומת זאת, בשל השימוש באופטימייזר ואי התלות בכמות הלוחות בכל שורה, עולה היכולת לבצע שרשור באורכים משתנים וגם שימוש בשורות ארוכות יותר, כך שפוחתת כמות השרשורים וניתן לחסוך בעלויות התשתית.
ממה מורכבת מערכת סולארית?

בקר סולארי – אופטימייזר

החשמל שיווצר במערכת הסולארית עשוי להיות במתח גבוה יותר מהמתח הנדרש לכל אחד מהרכיבים במערכת. כדי למנוע מצב של עודף חשמל העשוי לגרום לתקלה במכשיר, מחוברים אופטימייזרים לכל אחד מהחלקים במערכת. תפקידם הוא לווסת את המתח והם אינם משנים אותו, אלא רק "מורידים" ו"מעלים" את המתח בהתאם להספק המערכת.

מרכיב חשוב באופטימייזר הינו בטיחות. כאשר מזוהה תקלה או שהמערכת נדרשת לכיבוי או אחזקה, שימוש באופטימייזר מפחית את המתח לרמת מתח בטוחה.

ממיר מתח –

הממיר הינו הרכיב המשמעותי ביותר במערכת ולרוב מתייחסים אליו כ"מוח" של המערכת. הסיבה לכך היא שהזרם הנוצר בתנועת האלקטרונים בזכות קליטת הפוטונים הוא זרם ישיר (DC). אך כלל המערכות בבית וכן רשת החשמל פועלת בזרם חליפין (AC) הידוע גם בשם "ממיר/מהפך מתח", שמחליף את הכיוון שבהם נעים האלקטרונים.

במערכות הקלאסיות הממיר מבצע תפקיד נוסף – הוא מבצע אופטימזציה של כמות החשמל המופקת.

בפתרון של SolarEdge הממיר למעשה פוצל לשניים – הממיר משמש אך ורק כדי להמיר בין סוגי הזרמים (זרם ישיר וזרם חליפין). את האופטימיזציה של הפקת החשמל מבצעים האופטמייזרים אשר מחוברים לפנלים הסולאריים כך הפאנלים החכמים יכולים לעבוד בגמישות מלאה ואנו יכולים לקבל תפוקה מקסימלית מכל פאנל בנפרד.

חלקי ההגנה על המערכת הסולארית

כעת נשאלת השאלה: "כיצד ניתן להגן על חלקי המערכת הסולארית?"

היות ומדובר במנגנון חשמלי שלא ניתן לנבא באופן מוחלט את כמות החשמל שתזרום בו, יש ליצור מספר מנגנוני הגנה שונים: לחלקים במערכת, למכשירי החשמל במקום שבו תותקן המערכת ולמניעת התחשמלות.

התהליך הזה מבוצע באמצעות האופטימייזר שעליו הרחבנו לעיל וכן באמצעות מפסקים אוטומטיים מגנטיים תרמיים (מאמ"תים). מפסקים אלו מסוגלים לחוש את כמות זרם החשמלי העוברת בחיווט בין החלקים השונים במערכת. באם המפסק מזהה כי הועברה כמות גבוהה מידי של זרם החשמל (למשל אם יש קצר במערכת או שיש חשש להתחשמלות) – המפסק יעצור את פעילות המערכת באותו מקטע.

המפסקים מחוברים ללוח חשמל, עם רישום מדויק של כל חלק במערכת. כך ניתן לדעת היכן התקלה, לתקנה ולאחר מכן "לאפס" ולהרים שוב את המאמ"ת.

לא מדובר במכשור יוצא דופן. למעשה בכל בית ישנו ארון חשמל מרכזי, אשר מתריע על תקלה באחד החדרים באמצעות מפסקים. כך למשל, במקרר בו מתרחש קצר המפסק החשמלי יבצע את עבודתו ויפסיק את זרימת החשמל.

מונה חשמל דו־כיווני

בבית ללא מערכת סולארית מותקן כיום מונה חשמל חד כיווני, המחובר לחברת החשמל ומתעד את הצריכה החודשית בזמן אמת, כדי שחברת החשמל תדע איזה סכום לחייב כל לקוח.

עם זאת, כאשר מדובר בלקוח המייצר חשמל, נדרש מונה חכם יותר. מונה שמסוגל לזהות הן את רמת הצריכה והן את כמות החשמל שהבית מייצר. לכן מותקן מונה חשמלי דו־כיווני המבצע חישוב זה. הספירה מתבצעת בנתונים של קילו־וואט.

חשוב לדעת גם כי חלק מהחברות הסולאריות מספקות כיום ציוד המאפשר לא רק לזהות כמה חשמל המערכת הסולארית מייצרת, אלא גם להבחין אם היא מייצרת תפוקה מקסימלית. למשל, אם המערכת אמורה לייצר 150 קילוואט ביום והיא מייצרת רק 100 תופיע התראה. כך, ניתן יהיה לבדוק האם המערכות הסולאריות תקינות וכן לזהות אם הלוחות אינם נקיים או שישנה הצללה מגורם כלשהו, שפוגע ביעילות המערכת.

הארקה

לא נרחיב על חלק זה, רק נציין כי זוהי חובה לקיומה בכל מבנה ולהתקנה בכל מערכת חשמלית וסולארית. תפקידה לטפל במקרה של פגיעות ברק בסביבות המערכת ו\או חישמול הנובע מפגמים. לרוב ישנו מוליך חיווט המחבר את חלקי המתכת השונים במבנה לפס הארקה ואל האדמה.

מה קורה אם אחד מהחלקים במערכת הסולארית מתקלקל?

היות ומערכת סולארית בנויה מחלקים שונים, יש לוודא כי המערכת תוכל להמשיך לפעול גם אם חלק מהפאנלים אינם מייצרים חשמל. יש הבדל מהותי בין ממיר מתח תקול (המשבית את המערכת כולה) לבלאי או תקלה באחד מהפאנלים הסולאריים (המאפשר המשך תפעול יעיל של המערכת).

התקן הישראלי כיום מחייב לחבר את המערכת באופן שניתן יהיה לנתק באופן מלא את המערכת או לנתק חלקים ממנה, כדי לבצע את התיקון ללא חשש מהתחשמלות.

הפתרון החדשני של SolarEdge מאפשר לנהל את זרם ה-DC באופן יעיל, תוך מתן אפשרות להפסקת הזרם החשמלי בעת הצורך.

לסיכום, תכנון והתקנה של מערכת סולארית מחייבים ידע והיכרות עם החלקים השונים הקיימים במערכת. בשנים האחרונות מכון התקנים עדכן תקנים מיוחדים לכל אחד מהחלקים, כדי להבטיח את ההתקנות הבטוחות ביותר עם הרכיבים שעברו בדיקות לפני שעזבו את המפעל. בנוסף, מערכות המחוברות לרשת חברת החשמל מחייבות בדיקה תקופתית כל חמש שנים של כל חלקי המערכת. כך ניתן להבטיח חיסכון אנרגטי ומעבר לאנרגייה מתחדשת – ללא סיכונים מיותרים בדרך.