האם כוס האנרגיה הסולרית חצי מלאה?

מאת: דייב פרימן , Texas Instruments

על השאלה אם הכוס “חצי מלאה” או “חצי ריקה”, לעתים קרובות אפשר לענות בהתבסס על האבחנה אם אתה אופטימי או פסימי. הביקורת על אנרגיה סולרית מגיעה לרוב מהנושאים הכלכליים הכרוכים במתקן האנרגיה הסולרית. לאחר שהמתקן  עומד על כנו, עלות “הדלק” היא אפס כמעט. במאמר זה נדון בהבדל שבין שיקולים של עלות ליחידת הספק (וואט) לבין שיקולים של עלות ליחידת אנרגיה (וואט–שעה) ובאופן שבו ניתן לשפר עד לאופטימום את האנרגיה הכוללת של המערכת, בעזרת מערכת אלקטרוניקה מודולרית.
ביל סוויט [Bill Sweet] ציטט לאחרונה עוד תחזית דמוית חוק מור [Moore-Law]: עלותו של מתקן סולרי פוחתת ב-20% בערך, עם כל הכפלה של יכולת הייצור במתקן. מאחר שזה עדיין לא קורה, הכוס נראית לנו חצי ריקה.
התעשייה הסולרית מודה בצורך שלה בעזרה כדי להקטין את עלות ההתקנה. אך עם זאת, אנשיה מעונינים בהשוואה המבוססת על עלות ליחידת אנרגיה (קילוואט–שעה). אתר האינטרנט Solarbuzz עורך מעקב אחר המחירים והמגמות. באתר זה מודגש ההבדל שבין אנרגיה סולרית ביתית ואנרגיה סולרית תעשייתית. העלות הביתית היא 0.35 דולר לכל קילוואט–שעה ואילו העלות התעשייתית מתקרבת ל–0.20 דולר לכל קילוואט–שעה. מספרים אלו מצביעים עדיין על כך ש”הכוס אינה חצי מלאה”, אם כי מתקרבת לשם.
ואולם, במקום להשוות עלויות של אנרגיה סולרית לעלויות של מקורות אנרגיה אחרים, כלום לא הייתה השאלה צריכה להיות: “האם היית מוכן לגור בבית שמקבל אנרגיה סולרית בלבד?” שאלה זו הועלתה בתחרות Solar Decathlon. כל משתתף בונה בית ראוי למגורים והוא נשפט על הכל, החל בכוח המשיכה בשוק, דרך פעילות יומיומית בתוך הבית ועד לפתרון הנדסי. משיחות עם הסטודנטים המתחרים השונים, עולה שהם סבורים שהכוס חצי מלאה. הם מאמינים שאספקת אנרגיה סולרית לבית הופכת להגיונית יותר, כאשר משתמשים במכשירים יעילים מבחינת אנרגיה. בהתחשב במידת המשיכה שיש לבית המקבל אנרגיה סולרית באופן מלא ולמכשירים יעילים בהתאמה, בהחלט אפשר להתייחס לאנרגיה סולרית כחצי הכוס המלאה. בהמשך נבחן מערכת של אנרגיה סולרית ונשקול מה ניתן לעשות כדי לשפר את ביצועיה.

ההתנהגות של מודולים פוטו–וולטאים
כאשר מחברים את התאים הסולריים בטור או במקביל, הם מרכיבים מודול פוטו–וולטאי [PV]. ביישום ביתי טיפוסי או ביישום שמחובר לרשת החשמל, במערכת הפוטו–וולטאית יש מודול פוטו–וולטאי אחד או יותר המחוברים בטור, כדי ליצור שרשרת במטרה להגדיל את המתח הכולל של המערכת. כל שרשרת מחוברת במקביל, כדי ליצור מערך של תאים פוטו–וולטאים ולהגדיל את הזרם במערכת. המטרה של מערכת או מערך כאלו היא לספק הספק מרבי לעומס. מאחר שההספק המסופק על ידי התא או המודול או המערך הסולרי הוא המכפלה של הזרם במתח, בתנאי מתח ישר, חשוב מאוד להבטיח שהעברת ההספק תתרחש בנקודה של עקומת זרם–מתח [IV] שבה מכפלת הזרם-מתח נמצאת במקסימום. זוהי נקודת ההספק המרבי (MPP).
נצא מהנחה שנקודת ההספק המרבי [MPP] עבור שרשרת יכולה להיות לא מתאימה בגלל אי התאמות וקרינה משתנה בשל הצללה של המודול. האלקטרוניקה המודולרית יכולה לפתור בעיה זו של אי התאמה בביצועים. כדי לתכנן ולבנות את האלקטרוניקה המודולרית באופן אופטימלי, חשוב לאפיין ולהבין את התנהגות הפרמטרים של מודול פוטו וולטאי [PV] בתנאי קרינה ובתנאי סביבה שונים.

קונפיגורציית מערך פוטו–וולטאי
בטרם נבין את התנהגות הפרמטרים של המודול, עלינו להבין את קונפיגורצית המערך הפוטו–וולטאי (עיין באיור 1).
שמונה מודולים (SP01–SP08) מחוברים בטורים שמחוברים לממיר שרשרת 1. באופן דומה, עוד שמונה מודולים מחוברים לממיר שרשרת 2. כל 16 המודולים עשויים מתאים סולריים של סיליקון חד-גבישי של אותו יצרן, והם מוגדרים ל-215 וואט בתנאי עבודה סטנדרטיים של 1000 וואט/מ2 וב-25 מעלות צלזיוס. הספק חילופין מהממירים למתח חילופין נשלח בחזרה לרשת החשמל המקומית. ניתן לעקוב בנפרד אחר ההתנהגות של כל מודול לגבי פעולה בנקודת ההספק המרבי [MPP].

מאפייני זרם–מתח והספק–מתח של המודול
איור 2 מראה עקומת זרם מתח [IV] ועקומת הספק מתח [PV]  שהופקו מאחד המודולים (SP08) עבור מצב קרינה של 1050 וואט/מ2. נקודת ההספק המרבי [MPP] נמצאת קרוב לברך של עקומת הזרם–מתח, כאשר המכפלה של הזרם במתח מרבית.
שינוי מצב הקרינה מקטין את ה– ISC ובמידה קטנה גם את ה– VOC (עיין באיור 3).
לרוב יחידות הזרם–מתח נדרשות שתיים עד שלוש שניות כדי להגיב. עובדה זו מונעת הופעה של נקודות שיא ושפל בעקומה שעלולים להיווצר מתנאים של ענן שעובר.

אי התאמה שבין
מודול למודול
איור 4 מציג את אי ההתאמה עבור כל המודולים בתנאי קרינה נתונים. אי ההתאמה משתנה מ- -0.9% ל-+1.25%. ענן סטטי או ענן חולף או כל מצב ממשי אחר יכול להגדיל את אי ההתאמה. זה המקום שבו האלקטרוניקה יכולה להשתלם.
בשום תנאי של אי התאמה, לא יהיה הספק מרבי כולל מהמערך (שמונה מודולים מחוברים בשרשרת) שווה לסכום של הספק מודול יחיד. ללא נקודת הספק מרבי של המודול ובמצב של אי התאמה, ההספק המרבי הכולל המסופק על ידי המערך יהיה תמיד פחות מהסכום של הספק מרבי של המודול היחיד, מפני שחלק מהמודולים פועלים מתחת לנקודת ההספק המרבית שלהם. בתנאי קרינה של 1015 וואט/מ2, אם לוקחים את המודולים המחברים עת המערך SP01-SP08, אחוז אי ההתאמה יהיו 2.4 אחוז או הפסד של 37 וואט.

יתרונות אלקטרוניקה מודולרית
חברות קטנות רבות וכמה מבין החברות הגדולות משתמשות באלקטרוניקה מודולרית, כדי לשפר את ביצועי האנרגיה ולנטר/ לעקוב אחר המודול הסולרי. אלקטרוניקה מודולרית מתחלקת לשתי קטגוריות: ממירים זעירים ממתח ישר למתח חילופין [DC-AC] או ממירים זעירים ממתח ישר למתח ישר [DC-DC]. ממיר זעיר ממתח ישר לחילופין ממיר את ההספק כך שניתן יהיה לחבר אותו ישירות על קו מתח חילופין, כדי לחבר אותו לרשת החשמל הציבורית. לחלופין, ממיר זעיר מתח ישר למתח ישר ממיר את הזרם המשתנה ממודול פוטו–וולטאי, כדי שיתאים לזרם המוצא הרגיל המשותף עם מודולים אחרים בחיבור שרשרת טורי. היציאה המשותפת בשרשרת משמשת על ידי שרשרת רחבה יותר או על ידי ממיר מרכזי לאספקת קו מתח חילופין אל רשת החשמל. עבור ממיר זעיר מתח ישר למתח חילופין או עבור ממיר מרכזי גדול ממתח ישר לחילופין, רשת חשמל פועלת מציעה דרישה אינסופית. בלי קשר לסוג האלקטרוניקה המודולרית, העיקרון זהה: הפעל כל מודול סולרי יחיד בנקודת זרם–מתח שמספקת הספק חשמל מרבי עבור רמה נתונה של קרינה סולרית.

מודולים פוטו–וולטאיים מפיקים מתח מוצא קבוע באופן יחסי, בטמפרטורה נתונה. עם זאת, זרם המוצא שלהם משתנה עם הקרינה. כאשר התאים מחוברים בקונפיגורצית שרשרת טורית אופיינית, זרם השרשרת קבוע עבור כל מודול. זו איננה בעיה אם לכל המודולים יש אותם מאפייני זרם–מתח במוצא והם חשופים לאותה דרגה של קרינה שמש.
ואולם, אם המודולים הפוטו–וולטאיים שונים, או שהזרם הנוצר על ידי אחד המודולים, או יותר מאחד, שונה בגלל הצללה, כל ערכי המוצא של השרשרת יושפעו מכך, מפני שלמודולים יש יכולת מוגבלת להתאים לכל ההבדלים שבין זרם שרשרת המשותף וזרם המוצא של כל אחד מהם, בעצמו. עובדה זו גורמת למתח המוצא של המודול המוצלל לקטון באופן משמעותי או אפילו להתהפך. דיודות הגנה מוצבות על פני המודולים הפוטו–וולטאים כדי למנוע מצב כזה. כתוצאה מכך, סך כל ההספק המופק על ידי השרשרת יורד באופן משמעותי כאשר אפילו רק מודול אחד נמצא בהצללה חלקית.
הוספת ממיר זעיר מתח ישר לישר למודולים פוטו–וולטאיים מספקת שני יתרונות: האחד, היא מפעילה ברציפות כל מודול בנקודת הספק מרבי [MPP] על ידי הגדלה או הקטנה של הזרם של המודול, כך שהמכפלה של זרם המודול והמתח נשארת בערך המרבי; היתרון השני, שהיא ממירה את ההספק המשתנה המופק של המודול למתח מוצא משתנה, כך שיתאים לכל זרם הזורם בשרשרת הטורית. באופן כזה מתאפשר לנקודת ההספק המרבי [MPP] של כל מודול פוטו–וולטאי להשתקף דרך המתח שהוא תורם לשרשרת, בלי קשר למאפייני הזרם–מתח שלו או לדרגת הקרינה הסולרית שלו.
באיור 5 רואים תרשים בלוקים של ממיר זעיר מתח ישר לישר אופייני שמחובר למודול פוטו–וולטאי סולרי יחיד. יש בו שלושה אלמנטים עיקריים: מעגל הספק בגשר H, בקר מיקרו וספק ממתח. מעגל הספק בגשר H מספק לממיר זעיר מתח ישר לישר את הגמישות לפעול בשני מצבי המרה ממותגים, הן כממיר מוריד (המתח יורד) והן כממיר מעלה (המתח עולה). החלק המוריד נוצר מזוג מתגים סינכרוני, S1-S2 והחלק המעלה נוצר מ– S3-S4. כאשר VPV > VO החלק המוריד פעיל. כאשר
VO > VPV החלק המעלה פעיל. לא חשוב איזה חלק פעיל, הצד הנגדי יהיה במצב סרק כאשר המתג העליון יישאר פועל (פתוח) בקביעות.
השליטה בגשר H מורכבת. הגשר צריך לספק מעבר חלק בין מצב המרה עלפי מעלה למצב המרה כלפי מטה, לכל אחד מהם יש פיצוי בקרה נפרד. עליו לנטר בקביעות את המתח ואת הזרם, הן בחיבור היציאה וגם בחיבור הכניסה. עובדה זו קובעת את מצב הפעולה וכן את תנאי המתח–זרם שמתאים לנקודת הספק מרבי של המודול. ביצוע מעקב אחר נקודת ההספק המרבי (MPPT) הופך אותו ליישום מתאים עבור בקרה ספרתית משובצת. יחידת בקר מיקרו (MCU) מתוארת באיור 5. את המרת ההספק יש לבצע בנצילות גבוהה מאוד.
כמה שיטות משמשות לזיהוי נקודת ההספק המרבי עבור מודול פוטו–וולטאי. הטכניקות כוללות פעולה פשוטה במתח קבוע, הפרעה ובחינה [perturb & observe –P&O] ושיטות לחישוב נקודת ההספק המרבי באמצעות מדידות נוספות של טמפרטורת מודול וקרינת השמש. שתי השיטות המקובלות ביותר מספקות דיוק טוב באמצעות מדידות VPV ו-IPV של המודול במהלך הפעולה הרגילה. שיטת הפרעה ובחינה באופטימיזציה ומוליכות מתחברת.
שיטת הפרעה ובחינה באופטימיזציה מחשבת ממוצע של כמה דגימות הספק של המודול, בזמן שהיא יוצרת הפרעה בזרם המודול. שיטה זו משתמשת במידע הזה לזיהוי נקודת העבודה ולכוונון דינמי של גודל ההפרעה ואת הכיוון שלה. שיטה זו מספקת את הביצועים הטובים ביותר לעומת העלות.
שיטת המוליכות המתחברת משווה את המוליכות הרגעית [IPV/VPV] למוליכות המתחברת [dIPV/dVPV]. כאשר IPV/Vpv =  –dIPV/dVPV המודול הפוטו–וולטאי פועל בנקודת ההספק המרבי. בעיקרון, המערכת מחברת ומחסרת את זרם המודול כדי למצוא את הנקודה שבה קיים שינוי יחסי במתח המודול. שיטה זו מציעה את הביצועים הטובים ביותר ברמות קרינה גבוהות ויש לה תגובה מהירה לתנאים שמשתנים במהירות. עם זאת, היא אינה מדויקת כמו שיטת ההפרעה והבחינה באופטימיזציה בתנאים של קרינה נמוכה (פחות מ-30%).
אפשר לנתח את היתרון הכלכלי של מכלולי אלקטרוניקה מודולרית רק במושגים של עלות חשמל מוחזרת. אנרגיה מוחזרת עבור השרשרת כולה כתוצאה ממודול אחד שאינו נמצא בהתאמה או שנמצא בהצללה יכולה להיות משמעותית. ממיר זעיר יכול להחזיר עד כדי 50% של ההספק ממודול שנמצא חלקית בהצללה שאם לא כן, תרומת המתח שלו עלולה לרדת לאפס. בעוד שתנאי ההצללה יכולים להתקיים במשך כמה שעות במהלך היום, מודולים לא מתאימים מתקיימים כל הזמן. לאחר שביצעת הערכה של כמות האנרגיה שהוחזרה, אפשר לחשב את החיסכון בדולרים. משוואה 1 מחשבת את החיסכון השנתי G [דולרים] מתוך ESAVED = האנרגיה שהוחזרה ליום (קוט”ש) ו-RATE = תעריף החשמל המקומי [דולר לקוט”ש]:
משוואה 1:

את החיסכון בחשמל יש לקזז מהעלות השנתית של מכלול האלקטרוניקה המודולרית. תשלומי ההלוואה שנלקחה לרכישת המכלול, A [בדולרים] בהנחה שהיא משולמת במהלך שנות השימוש, מחושבים באמצעות גורם החזר הון [CRF] במשוואה 2:
משוואה 2:

כאשר:
PE ($) = העלות הראשונית של המכלול
i = הריבית
n  = תקופת ההלוואה או חיי שימוש בשנים.
בניתוח הסופי, ההצדקה הכלכלית דורשת ש: A ($) < G ($)
דוגמה: נניח שהאנרגיה המוחזרת ליום היא 0.06 קוט”ש. בדוגמה 3 אנו רואים מהי העלות בנקודת השוויון עבור ממיר זעיר בהנחה שתעריף חשמל מקומי קבוע הוא 0.12 דולר לקילוואט-שעה, וריבית על הלוואה של 7% במשך 25 שנות שימוש (עיין במשוואה 3).
משוואה 3:

התשובה:  PE($)  < $30.63
ההערכה זו היא היתרון המסופק על ידי מכלול אלקטרוניקה מודולרית יחיד בלבד המותקן במודול
פוטו–וולטאי אחד בשרשרת. איור 4 משקף את הרווח האופייני שממיר מיקרו מתח ישר לישר יכול לספק בהתקנה טובה לאחר שלוקחים בחשבון את נצילות המרת ההספק. רווח זה שווה ערך ל- 3 -7 אחוזים של סך כל האנרגיה שהמודול מחולל. הכמות המוחזרת גבוהה בשרשרת עבור מודולים עם התאמה גרועה ביניהם או עבור מודולים שנמצאים מזמן לזמן בהצללה חלקית.

יתרונות של בטיחות
ניטור וניהול
לאחר שהאלקטרוניקה המודולרית נוספה, היא יכולה לספק פונקציות נוספות חוץ מאשר המרת הספק ומעקב MPPT, למשל בטיחות ניטור וניהול. במתקני שרשרת מסורתיים, אין אפשרות לנתק את החלקים הטוריים הבודדים בשרשרת במקרה של שרפה. שירותי כיבוי אש מקומיים יודעים כיצד לנתק את הרשת, אבל בזאת הם מנתקים רק את מוצא ממיר המתח הישר לחילופין של השרשרת. בערים רבות קיימות דרישות בחינה להתקנה נכונה, אבל ניתוק לא נמצא כיום ביניהן. בנקודה מסוימת, כאשר מספר המערכות יגדל, נושא הניתוק יגיע לתודעה וחברות הביטוח ייכנסו לעובי הקורה. ניתן להתאים מערכות מבוקרות בקרי מיקרו לתקנות אלו.
ניטור וניהול הן פונקציות רצויות. ניתן לגלות בעיות במודול כגון לכלוך של פני שטח המודול או צללים של עצים ומבנים חדשים, ולבקש עזרה בטיפול בהן.

מסקנות
האם כוס האנרגיה הסולרית חצי מלאה? התשובה תלויה בנקודת המבט שלך. אם אתה מביט רק על עלות להספק, הרי שאין היא בת תחרות ואולי גם לא תגיע במהרה לעמדת תחרות. עם זאת, אם תשקול את רשת החשמל החכמה ואת היכולת לנהל מקורות כוח מבוזרים רבים של ביצועים לסירוגין, הרי שאנרגיה סולרית יכולה להיות התשובה המתאימה. התקנה של מערכת סולרית בהספק של 4 קילוואט על הבית או על העסק שלך בהחלט כדאית יותר מאשר התקנת תחנת כוח בפחם של 4 קילוואט. כאשר אנרגיה סולרית משולבת בשימוש יעיל באנרגיה יכולה להיות כדאית אף יותר. אנרגיה סולרית איננה דבר חדש אך תשומת הלב שהיא מושכת חדשה בהחלט. בעבר, התמקדו המתקנים בעלות ורק עניין פעוט הופנה לניהול ברמת המודול. כאשר אלקטרוניקה מודולרית משולבת מגיעה לעלות של 30 דולר בערך, ניהול המודול הסולרי הופך להיות סביר יותר. אנו סבורים שהכוס חצי מלאה והיא בהחלט בדרך להתמלא עוד יותר.