חברות ההתקנה בענף הסולארי הפוטו-וולטאי בישראל התמקדו בתחילת דרכן בהתקנת מערכות סולאריות פשוטות יחסית שלא דרשו תכנון מורכב, ובעיקר כאשר סוג הפאנלים וסוג הממירים חזר על עצמו במערכות בעלות גודל זהה. התפתחות הענף והצורך בתכנון מערכות סולאריות בינוניות בהספקים גדולים ובהשקעה גדולה מעמידים בפני הענף הסולארי הישראלי אתגר לא קטן, במיוחד כאשר ניגשים לתכנון מערכות לגגות מורכבים הכוללות מספר אלמנטים שונים וחלקים מוצללים לעיתים.

שימוש בתוכנות עזר לתכנון אופטימלי של מערכות פוטו-וולטאיות

בתמונה: הדמיה תלת מימדית לצורך סימולציה pv* Sol Expert

מאת: אבירם בר-עקיבא

חברות ההתקנה בענף הסולארי הפוטו-וולטאי בישראל התמקדו בתחילת דרכן בהתקנת מערכות סולאריות פשוטות יחסית שלא דרשו תכנון מורכב, ובעיקר כאשר סוג הפאנלים וסוג הממירים חזר על עצמו במערכות בעלות גודל זהה. התפתחות הענף והצורך בתכנון מערכות סולאריות בינוניות בהספקים גדולים ובהשקעה גדולה מעמידים בפני הענף הסולארי הישראלי אתגר לא קטן, במיוחד כאשר ניגשים לתכנון מערכות לגגות מורכבים הכוללות מספר אלמנטים שונים וחלקים מוצללים לעיתים. בנוסף, רכיבי המערכות השתכללו והמגוון הקיים בשוק גדל משמעותית. מתקינים ומתכננים עומדים מול אתגרים חדשים כמעט כל יום ונעזרים בתוכנות הדמיה (סימולציה) ותוכנות עזר שונות לתכנון מערכות במהירות ובקלות. תוצאות עם אומדן חיזוי ייצור מדויק ככל הניתן אשר מוצגות בדו"ח מקצועי הינן בעלות ערך רב הן למזמין העבודה והן למתקינים.

בתכנון מערכות פוטו-וולטאיות קיימות מספר תוכנות שימושיות לצורך השגת תכנון אופטימלי אשר נותן מענה ייחודי למערכת. מענה כזה הוא בדרך כלל ייחודי למערכת הפוטו-וולטאית אשר אותה אנו מתכננים והוא תלוי במיקום ההתקנה ובחירת רכיבי המערכת. המשתנים עבור מיקום ההתקנה הם מיקום גיאוגרפי, גובה האתר מעל פני הים, סוג הגג, סטייתו מהדרום, שיפועו מהאופק והאם ההתקנה מחולקת למספר גגות. המשתנים עבור הרכיבים הם יצרן ודגם הפאנלים, יצרן ודגם הממירים, אפשרויות חיווט ומיתוג (מערכת חד-פאזית, מערכת תלת-פאזית, מערכת מבוזרת או מרוכזת וכד'), דרישות חברת חשמל ועוד.

קיימות תוכנות מחשב עבור כל אבן דרך בתכנון המערכת אשר עוזרות לנו בניתוח מדויק כדי להגיע למצב אופטימלי מבחינת הגג הנתון. שלב ראשון יהיה הצבת הפאנלים על הגג – באמצעות תוכנות שירטוט והדמיית אור יום נוכל להציב את הפאנלים על הגג כך שנוכל להימנע מהצללות אשר פזורות בשטח ונוכל לתכנן נכון את מרווח שורות הפאנלים על מנת למזער את ההצלה ההדדית בין השורות. תוכנת SketchUp מבית Google מסוגלת לתת מענה לנושא ההצללה – בעיקר כאשר מדובר באלמנטים שנמצאים על הגג או בסביבתו. לשם כך יש צורך בהקמת מודל תלת מימדי של האתר בתוכנה והכנסת הפרמטרים הגיאוגרפים שלו. ברגע שעשינו זאת התוכנה יכולה לדמות את מיקום השמש בכל שעה ביום ובכל יום בשנה, כך נוכל להימנע מלמקם פאנלים במקום אשר ידוע לנו כי יוצלו בחודש דצמבר כאשר השמש נמוכה. הכנת מודל תלת מימדי מושקע עם המבנה בצורה מפורטת תורמת להצגת התוצאה הסופית ללקוח ולהערכה רבה מצדו, במקרים רבים הלקוח רוצה לראות את התוצאה הסופית לפני ההתקנה והדמיה כזו עוזרת לקבל מושג לגבי האסטטיקה של ההתקנה ושילובה במבנה. ברגע שסיימנו את תכנון הצבת הפאנלים נוכל לדעת כמה פאנלים נוכל למקם על הגג ולחשב את הספק המערכת.

את התוצאות של הצבת הפאנלים יש לעבד אל תוכנת שרטוט, הפופולארית והמקובלת ביותר הינה תוכנת אוטוקאד מבית אוטודסק, על מנת להפיק תוכניות עבודה מדויקות בהן מופיעות המידות של האתר ושל הציוד אשר יותקן בו. תוכנית כזו חשובה להמשך על מנת לספק תוכניות עבודה למתקינים באתר ועל פיה יש לעבוד. תוכנית זו משמשת גם להגשה לרשויות – לרשות החשמל בבקשה לרישיון ולחברת החשמל לאישור חיבור המערכת. כמו כן אדריכל או קונסטרוקטור יכול לעשות בה שימוש אחרי בדיקת התוכנית ואישורה מבחינת חוזק המבנה ותנאי ההתקנה, להגשת התוכנית לרשויות התכנון והבניה לקבלת תמונה עדכנית למתקן הפוטו-וולטאי.

השלב הבא הוא תכנון תצורת המערכת. לשם כך יש לבצע סימולציה של המערכת. סימולציה מאפשרת את בדיקת עבודת רכיבי המערכת בתצורה אופטימאלית בהתחשב בתנאי ההתקנה. תוכנות נפוצות לביצוע סימולציות הינן תוכנת PV*SOL ותוכנת PVSYST, התכונות של התוכנות דומות אך האלגוריתם לביצוע הסימולציה מעט שונה. תוכנות אלו בודקות את תנאי הסביבה על פי נתוני אקלים אשר מתאימים למקום ההתקנה עד לרמת אבחנה של מרווחי שעה על פני כל השנה. במידה ומיקום גיאוגרפי מסוים אינו נמצא במסד הנתונים ניתן להכניס את הנתונים בצורה פרטנית למקום ההתקנה. את הנתונים האקלימיים ניתן לקבל מספקי התוכנה או ממסדים מקוונים כמו PVGIS או NASA. במסד הנתונים אחר של התוכנה נמצאים נתוני הרכיבים כפי שהתקבלו מהיצרן. נתונים אלו כוללים את ערכי העבודה הבסיסיים, הסטיות על פי השינויים בתנאי הסביבה, תנאי ההתקנה האופטימליים לכל רכיב ורכיב ומגבלותיו. לכל ממיר קיים טווח MPP שונה מצד ה-DC ומגבלות מתח וזרם מינימאליות ומקסימאליות אשר מגדירות את טווח העבודה שלו ומצד שני לכל פאנל התכונות שלו. התאמת התכונות של הפאנלים כגנרטור חייבת להתאים לטווחי הפעולה של הממיר. גם אז בדרך כלל קיימות מספר דרכים לחיווט הפאנלים אל הממיר וכל דרך תשפיע בצורה שונה על כמות הייצור השנתית. תוכנת סימולציה תוכל להשוות בין מצבים שונים של תצורה וחיווט ולתת אומדן ייצור שנתי בעבור כל מצב. על ידי כך ניתן יהיה למצוא את התצורה האופטימלית בעבור המערכת.

אם נחזור לשלב הראשון, תוכנות אלו גם מסוגלות לבצע חישובי אופטימיזציה של הצבת פאנלים על הגג על פי מיקום ההתקנה, תוך כדי בחירת הזווית האופטימאלית להעמדת הפאנל, זווית ההתקנה לדרום, מרווחי השורות, התחשבות במעברי תחזוקה ועוד. ניתן להגיע עד להדמיה תלת מימדית מלאה כאשר לכל אלמנט במודל התלת מימדי יהיה השלכה על תפקוד המערכת מבחינת ההצללה שתהיה על המערכת ולכל אלמנט ששייך למערכת יהיה שיוך למערכת מבחינת תכנונה והתקנתה.

אחרי הכנסת כל רכיבי המערכת, סידור התצורה של עבודת הפאנלים מול הממיר (סידור סטרינגים) והתאמתם לתנאי הסביבה במיקום הגיאוגרפי הייחודי נוכל לבצע את בדיקת המערכת כדי לוודא כי לא צפויות אי התאמות בין רכיבים או הפסדים גדולים מדי כתוצאה משימוש לא נכון ברכיבים.

בנוסף, על ידי סקירה מדויקת יותר של האתר וההתקנה נוכל לכוון את המשתנים אשר משפיעים על ההפסדים כך שהתוצאה תוכל להיות אף יותר מדויקת: משתנים אשר משפיעים על הקרינה כגון החזרות מהקרקע (ידוע גם כתופעת האלבדו), הפסדים כתוצאה מזיהום אוויר, משתנים ברכיבי המערכת כגון אי התאמה בסדרת הפאנלים (על פי נתוני היצרן), הפסדים בדיודות, חתכי כבלים ומרחקי החיווט ועוד. היתרון בבחינת הנתונים והשפעתם על התוצאות של הייצור בשלב מוקדם זה של תכנון הוא כי ניתן לעלות על בעיות הנדסיות ולתת להם פתרון כבר בשלב התכנון ולהימנע מבעיות אלו בשלב ההפעלה של המערכת, לעיתים אף בשנת התפעול הראשונה והשנייה.

לאחר סיכום תצורת המערכת ובדיקה כי אכן כל רכיביה מתאימים והתוצאות משביעות רצון, ללא חריגות, יש להביא את כל המערכת לידי תוכנית עבודה בתוכנת השרטוט, באוטוקאד. תוכנית כזו תכלול את מערך ה DC עם ההגנות המתאימות, את מערך הממירים כולל החיווט וההגנות, צד DC וצד AC, את לוחות החשמל עם ההגנות המתאימות. כל זאת על פי חוק החשמל, דרישות חברת החשמל והידע שנרכש עם השנים אצל המתכנן.

חלק מתוכנות הסימולציה כוללת גם מודול כלכלי. על ידי הזנת נתונים כגון עלות המערכת, תעריפי המכירה לרשת, אחוז המימון ועלותו נוכל לקבל תמונה מלאה של החזר ההשקעה המבוסס על סימולציית אומדן הייצור השנתי.

יצרני הממירים המובילים מספקים למשתמשים שימוש בתוכנות סימולציה בסיסיות הכוללות את הרכיבים שלהם. SMA לדוגמא מאפשרת להוריד מהאתר שלה את ה Sunny Design, KACO מאפשרת שימוש בתוכנת  KacoCalc  וחברת Fronius בתוכנת Solar.configurator. תוכנות אלו מאפשרות את קביעת תצורת המערכת על פי רכיבי היצרן והנפקת דו"ח למשתמש על פי אותה תצורה. הגמישות בהן מוגבלת, בעיקר בנושא מסד הנתונים האקלימי ובמיוחד כאשר יש צורך במערכות המורכבות ממספר מערכים שונים. בנוסף, התוכנות שנקנות ברישיון מאפשרות את הכנסת לוגו התוכנה ופרטי המתכנן.

בכל מקרה ולא משנה באיזו תוכנה מחליטים להשתמש, יש לבדוק את התוצאות לסתירות ואי-התאמות. חשוב לזכור כי התוצאות תלויות בנתונים אותם הכניס המשתמש, במסדי נתונים שגם בהם יכולה להיות סטייה לא מכוונת ואלגוריתם הבדיקה. חשוב להפעיל שיקול דעת בבדיקת התוצאות ולהתייחס לתוצאות כאל פלט מחשב שגם בו יכולה ליפול טעות.

הכותב הוא מהנדס חשמל וסמנכ"ל חברת ד.בר-עקיבא מהנדסים יועצים.

המאמר התפרסם בגיליון 02, אוקטובר 2010 של מגזין "תשתיות סביבה ואנרגיה"