Aviem System אביאם מערכות
 דואר אלקטרוני:
 סיסמא:
 
 

מבוא למערכות סולריות מחוברות לרשת (Grid Connected Solar Systems)

  15/7/2008

1. הקדמה

מגמת השימוש באנרגיה "ירוקה" הולכת ומתרחבת בעולם והיא מסובסדת ע"י ממשלות רבות, כולל בישראל. השיטה הפשוטה והאמינה ביותר היא יצור חשמל ישירות מאנרגית השמש ע"י שימוש בתאים פוטו-וולטאיים.

בישראל נעשה שימוש, מזה שנים רבות, בדודי שמש לחימום מים לצרכים ביתיים ומסחריים. ואף קיימת חקיקה אשר מחייבת התקנת דודי שמש בבתים חדשים. בתקופה האחרונה אישרה ממשלת ישראל תוכנית לסיבסוד של יצור חשמל בטכנולוגיה פוטו-וולטאית.

מאמר זה מציג את המבנה והפעולה של המערכות הנפוצות להפקת חשמל בטכנולוגיה פוטו-וולטאית מקרינת השמש ואספקתו ישירות לרשת החשמל. המאמר מתיחס למערכות עד להספק של 50 קוו"ט, אשר מסובסדות בישראל לשימושים ביתיים ומסחריים.

2. סוגי מערכות סולריות

ניתן לסווג מערכות סולריות ליצור חשמל לפי היישום:

א. מערכות עצמאיות (Stand Alone) – מיועדות להזין מכשירים קטנים או ציוד במקום שאין בו חשמל. בד"כ מערכות אלה פועלות בהספקים נמוכים ובשילוב עם מצברים אשר נטענים בזמן שיש קרינת שמש ונפרקים כאשר אין קרינת שמש.

ב. מערכות "מחוברות לרשת" (Grid Connected) - מחוברות לרשת החשמל ומזינות לתוכה את האנרגיה שהן מייצרות. מערכות אלו הן בד"כ בהספקים של מספר קוו"ט עד עשרות קוו"ט (יש גם חוות סולריות בהספקים של מספר מגא וואטים). מערכות "מחוברות לרשת" אינן כוללות מצברים והן מיועדות לספק חלק מצריכת החשמל ברשת בזמני שיא צריכה (בצהרי היום) וע"י כך לחסוך חלק מיצור החשמל בתחנות כוח.

ניתן לסווג מערכות סולריות לייצור חשמל גם לפי הטכנולוגיה שבה משתמשים:

א. מערכות פוטו-וולטאיות – מערכות שבהן החשמל מיוצר ע"י תאים פוטו-אלקטריים.

ב. מערכות אלקטרו-מכניות – מערכות שבהן קרינת השמש משמשת לחימום מים או שמש ומאנרגיה זו מייצרים חשמל ע"י ציוד אלקטרו-מכני (טורבינות וגנראטורים).

ג. מערכות משולבות – משתמשות בתאים פוטו-אלקטריים ליצור חשמל וכן בחימום מים למטרות נוספות.

 ציור 1 : מערכת פוטו-וולטאית ליצור חשמל מקרינת השמש

במאמר זה אנו נתמקד במערכות פוטו-וולטאיות "מחוברות לרשת".

 2. מבנה ופעולה

ניתן להמיר את קרינת השמש ישירות לאנרגיה חשמלית ע"י שימוש בלוחות פוטו-וולטאים (PV). לוחות אלה מורכבים ממערך של חצאי מוליכים אשר הופכים אנרגית אור (פוטונים) ישירות לאנרגיה חשמלית. מערכת יצור חשמל כזו מתוארת בציור 2.

ציור 2: מבנה כללי של מערכת פוטו-וולטאית

המערכת כוללת:

א. מערך לוחות פוטו-וולטאיים ליצור חשמל מקרינת השמש. לוחות אלה מפיקים מתח ישר (DC).

ב. ממיר (Inverter) - אשר הופך את המתח הישר למתח חילופין (AC) ומזין אותו לרשת החשמל.

ג. מוני חשמל – לבקרה של תפוקת החשמל.

ד. ציוד הולכה וחלוקת חשמל – כגון לוחות חשמל, מפסקים, נתיכים וחיבור לרשת החשמל.

כאשר קיימת קרינת שמש, הלוחות הפוטו-וולטאיים מייצרים הספק חשמלי במתח ישר. הממיר הופך את המתח הישר למתח חילופין סינוסי (כמו ברשת) ומזריק אותו לרשת החשמל. החשמל המיוצר נצרך ע"י העומס המקומי או מועבר דרך רשת ההולכה לעומסים אחרים ברשת החשמל.

סך הכל היצור המצרפי של מאות ואלפי מתקנים סולריים מפוזרים כאלה הינו משמעותי ומקטין את צריכת החשמל. ביחוד בשעות השיא וע"י כך מאפשר לחסוך ביצור חשמל "מזוהם" בתחנות הכוח.

בשעות הלילה או כאשר אין קרינת שמש משמעותית, המערכת אינה מייצרת חשמל. אין טעם בשימוש במצברים במערכת כזו משום שהמצברים הינם מרכיב מזהם וכן משום שהצריכה בשעות אלה יותר נמוכה.

בציור 3 מובא עקום תפוקה אופייני של מערכת סולרית לפי שעות היממה. מגרף זה רואים כי מרבית התפוקה הינה בין השעות 10 בבוקר ל-3 אחה"צ.

ציור 3: עקום תפוקה אופייני של מערכת בהספק 3 קוו"ט

3. רכיבי המערכת הסולרית

א. לוחות פוטו-וולטאיים

הלוחות הפוטו וולטאיים בנויים מפרוסות סיליקון מחוברות ביניהן. כאשר קרינת שמש פוגעת בלוח הוא מייצר הספק חשמלי במתח ישר. צילום של פנל פוטו-וולטאי מובא בציור 4.

לוח אופייני הוא בשטח של כ-1.2 מ"ר ומייצר כ-150-200 וואט בשעות השיא. נצילות המרה אופיינית של לוחות פוטו-וולטאיים הינה כ-15%.

הלוחות הינם ציוד פשוט ואמין ואורך חייו הצפוי הינו עשרות שנים. בד"כ הם אינם דורשים טיפול למעט ניקוי תקופתי. קיימות מערכות שבהן הלוחות הינם סטטיים ומערכות שבהן הלוחות עוקבים אחרי השמש. התפוקה מלוחות עוקבים הינה גבוהה יותר מזו של לוחות סטטיים.

ציור 4: פנל פוטו-וולטאי

ההספק של לוח אחד הינו נמוך, ולכן מתקינים מערכים הכוללים מספר רב של לוחות (עשרות עד מאות לוחות) כדי להגיע להספק הנדרש.

למשל, כדי ליצר 4 קוו"ט חשמל נצטרך 20 לוחות של 200 וואט כל אחד. הלוחות יחוברו בטור ובמקביל כדי להתאים את התפוקה לדרגת הכניסה של הממירים.

הלוחות הפוטו-וולטאיים הם "לב" המערכת. זהו גם המרכיב היקר ביותר במערכת. עקב הגידול המהיר בביקוש למערכות סולריות בעולם. קיים מחסור גדול בלוחות פוטו-וולטאיים וזמני האספקה הינם ארוכים מאד ומגבילים את התפתחות השוק.

 ב. ממירים

הממירים הופכים את המתח הישר המיוצר ע"י הלוחות הפוטו-וולטאיים למתח חילופין זהה למתח הרשת מבחינת צורה (סינוס טהור) ומסונכרנים לרשת. רק כך ניתן להזריק את האנרגיה המיוצרת לתוך הרשת.

הממירים כוללים מערכות מיוחדות לאופטימיזציה של נקודת העבודה כדי להפיק את מקסימום האנרגיה מהלוחות הפוטו-וולטאיים. הנצילות של הממירים הינה גבוהה ביותר (כ-96%) ומבטיחה שרוב האנרגיה הסולרית מהפנלים תגיע לרשת.

בנוסף, הממירים מבצעים פונקציות בטיחותיות חשובות במערכת:

  • בידוד ו/או הגנה בין רשת החשמל ללוחות הפוטו-וולטאיים. 
  • הגנה נגד התחשמלות בצד הלוחות הפוטו-וולטאיים
  • הפסקת פעולה אוטומטית במקרה של הפסקת חשמל
  • פנל בקרה למסירת מדידות והתראות מהמערכת.

ציור 5: ממיר בהספק של 4 קוו"ט

כדי להבטיח פעולה אמינה ותפוקה גבוהה הממירים מתוכננים לאמינות גבוהה ואורך חיים של עשרות שנים ללא טיפול. ממירים רבים בנויים בקופסה אטומה אשר מתאימה להתקנה ליד הפנלים הסולריים ומבטיחה מינימום קורוזיה לרכיבים הפנימיים. ממירים בהספקים של 4 קוו"ט ו-50 קוו"ט מובאים בציורים 5 ו-6.

 ג. מוני חשמל

אלה מונים שמתקינה חברת החשמל במסגרת ההתחברות לרשת. המונים מודדים את תפוקת החשמל מהמערכת הסולרית (ובהתאם לכך משולמת התמורה לבעל המתקן) וכן הם מודדים את הצריכה במבנה (ובהתאם לכך מחוייב בעל המתקן בתעריף צריכה רגיל).

ציור 6: ממירים סולרייים בהספק של 50 קוו"ט

ד. ציוד הולכה וחלוקת חשמל

כולל את החיווט בין הלוחות לממיר ובין הממיר לחברת החשמל. החיווט בין הממיר לחברת החשמל משולב במערכת ההזנה הרגילה של חברת החשמל.

במאמר נפרד יתוארו יישומים מעשיים של מערכות פוטו-וולטאיות במגזר הביתי והמסחרי.

 

 

הדפסשלח לחבר
דרונט בניית אתרים