מערכת האחיזה הסולארית

כבר עמדנו על כך כי המערכת הסולארית בנויה משני מרכיבים עיקריים, הפאנלים והממירים. אבל פאנלים וממירים לבדם לא יכולים לייסד מערכת סולארית מייצרת, מתפקדת ובטיחותית. סביב שני אלה יש מערכת שלמה של חלקים וחומרים שבלעדיהם לא תיתכן עבודת המערכת. הפאנלים הסולאריים אינם צפים באוויר. הם מוחזקים ע"י מערכת חכמה שיש לה תפקידים רבים וחשובים. בפרק זה נעמוד על חשיבותה ותכונותיה של מערכת האחיזה.

מהי מערכת האחיזה

מערכת האחיזה הינה קונסטרוקציה (מסבך) של מתכת הנושא, מעגן ומכוון את הפאנלים הסולאריים.

תפקידי המערכת האחיזה

1. לשאת את הפאנלים ולהגן עליהם מפני שברים.

2. לעגן אותם את הגג או הקרקע כדי שהרוח לא תעיף אותם ממקומם.

3. לכוון אותם בזווית ההגבהה המדויקת שתכננו עבורם.

4. לכוון אותם בזווית הצידוד המדויקת שתכננו עבורם.

מי שלא זוכר מה זו זווית הגבהה וזווית צידוד יכול לחזור למילון המונחים, אבל כדי לחסוך לכם עבודה (בשביל זה אנחנו כאן, כן?), נחזור בקצרה: זווית הגבהה (באנגלית Tilt angle) היא זווית הגבהת הפאנל מעל לקו האופק, ואילו זווית הצידוד (באנגלית – Azimuth) היא זווית הצידוד מהדרום. עבור פאנל סטטי (לא עוקב שמש – עוד נדון בזה בהמשך) הזוויות האופטימליות כדי ליצור מקסימום קציר אנרגיה שנתי הן זווית צידוד 0 מעלות (קרי, פניה מדויקת לדרום. בעולם הסולאר האזימוט של הדרום הוא 0), וזווית הגבהה של 23 מעלות מעל לאופק. לא תמיד אנחנו יכולים להגיע לזוויות המושלמות הללו בגלל משתנים שונים כגון זווית המבנה עצמו, פריסת הפאנלים והמרחקים ביניהם, וכו'.

כפי שאנחנו רואים, מלבד כיוון הפאנלים בזוויות המתוכננות, יש למערכת האחיזה עוד תפקידים, ובראשם התפקיד החשוב של לעגון את הפאנלים למקומם לבל יעופו מהגג עם הרוח. זה תפקיד בטיחותי מאין כמוהו ואחריות גדולה מוטלת על הקבלן שמתכנן ובונה את מערכת האחיזה.

אילו סוגי מערכות אחיזה ישנן בנמצא

אפשר לחלק את מערכות האחיזה לפי כל מיני קטגוריות, ובהן סוג המצע עליו הן בנויות, סטטיות/דינמיות, סוג החומר מהן הן עשויות, ועוד. נתחיל בסוגי המצעים.

חלוקת מערכות אחיזה לפי סוג המצע עליו הן מותקנות

1. מערכות אחיזה על גגות – נאחזות מלמטה בגג ומלמעלה אוחזות בפאנל. עשויות אלומיניום. אלו מערכות מתוחכמות, כיוון שהן צריכות לפצות על זוויות הצידוד והגבהה המשתנות של הגגות (ז"א, גם לגג עצמו יש זווית צידוד וזווית הגבהה), כדי לתת לפאנלים את זוויות הצידוד וההגבהה שתוכננו עבורם.

מערכות אחיזה על גגות מורכבות מ- 3 רכיבים עיקריים:

1. הפרופיל התחתון – זה שנאחז בגג.

2. הפרופיל העליון – זה שנאחז בפאנלים (נקרא גם "קושרת").

3. המשולשים – משולשי אלומיניום הנאחזים מלמטה בפרופיל התחתון ומלמעלה בפרופיל העליון. משולשים אלה הם המפצים בין זווית ההגבהה של הגג לזווית ההגבהה של הפאנלים.

יש למערכות אחיזה על גגות עוד חלקים ותכונות – נדון בהם בהמשך.

המערכות הללו הן כמעט תמיד סטטיות, למרות שיש גם מערכות עוקבות שמש המותאמות לגגות. גם בזה נדון בהמשך.

2. מערכות אחיזה על קרקעות - נאחזות מלמטה בקרקע ומלמעלה אוחזות בפאנל. עשויות ברזל מגלוון. האחיזה בקרקע נעשית ע"י עמודים התקועים בקרקע ע"י דפיקות או סיבוב או שקועים ביציקת בטון. לכן מערכת אחיזה קרקעית לא מושפעת (כמעט) מתוואי פני הקרקע.

רוב המערכות הקרקעיות המודרניות הן עוקבות שמש (נסביר את המושג הזה בהמשך). הן בנויות בשורות ישרות וארוכות לכן גם נוח להתקין עליהן מערכות ניקוי רובוטיות.

3. מערכות אחיזה על גבי מאגרי מים – כנראה המערכות הכי קוליות 😊 אלו מערכות מצופים עשויות מפלסטיק (ליתר דיוק פולי-אתילן דחוס) המאפשרות להציף פאנלים על גבי גופי מים גדולים כמו מאגרים ואגמים. עיגון הפאנל עצמו נעשה בדרך מקובלת, אבל מערכת האחיזה כשלעצמה בנויה מאלפי (לפעמים עשרות אלפי) מצופים. מחזה מרהיב.

המערכות הללו הן תמיד סטטיות, למרות שממש לאחרונה חברה ישראלית הגתה רעיון מחוכם לבנות מערכת צפה עוקבת שמש. אנחנו נעקוב אחר התקדמותה ונאחל לה הצלחה.

אנחנו נתמקד יותר במערכות אחיזה של גגות, שזהו פלח השוק שמתעניין במערכת שלנו.

סוגי מערכות אחיזה לגגות

1. גגות רעפים – אלו מערכות שמותקנות לרוב על בתים פרטיים, ומיעוטן על מבני ציבור שנבנו עם גג רעפים. מערכות אחיזה על גגות רעפים הן הפשוטות ביותר, וזאת כיוון שהן אינן מכוונות את זוויות ההגבהה והאזימוט. מטעמים של אסתטיקה בגגות רעפים הפאנלים צמודים למישור הגג ולכן אין להם פרופיל תחתון ומשולשים. הפרופיל היחיד הינו הקושרת שעליה מהודקים הפאנלים. הפרופיל הזה מוצמד לגג באמצעות "אומגות" שנכנסות תחת הרעפים ומוברגות לקורות העץ האופקיות התומכות ברעפים ("לטות").

2. גגות קלים – בעיקר גגות איסכורית. הפרופיל התחתון נעגן לגג בעזרת "ברגי איסכורית" – אלה ברגים קודחים בעלי טבעת אטם מתחת לראש הבורג שנילחץ לגג ויוצר אטימה של החור שהבורג קודח. חשוב מאוד "לפגוע" במריש (פרופילי הברזל התומכים את גג האיסכורית, נקראים בשפת המקצוע "פטה" או ברבים "פטות"). אם הבורג לא נקדח לתוך מריש הוא לא יעגן את הפרופיל התחתון וטבעת האטם לא תילחץ לגג האיסכורית ולא תאטום את החור שקדח הבורג.

מעל הפרופילים התחתונים מחוברים המשולשים, ומעליהם מחוברים פרופילי הקושרות.

יש שני סוגים של משולשים: כאלה שעשויים מפרופילי L פשוטים אשר מחוברים בזווית הראש ע"י ברגים, ופרופילים יוקרתיים יותר אשר עשויים מפרופיל מתוחכם יותר (פרופיל T או פרופיל מלבני חלול), ושזווית הראש שלהם מכופפת בלחץ וחום לזווית הרצויה ללא ברגים. מערכות אלו יקרות יותר לרכישה, אולם הן קלות יותר, חזקות יותר, מצריכות פחות שעות הרכבה על הגג, וגם "יוקרתיות" יותר. יעשה כל לקוח את חשבונותיו.

דבר נוסף שכדאי לציין ביחס להתקנת מערכות סולאריות על גגות איסכורית, היא החובה לבדוק את מצב האיסכורית והמרישים טרם התקנת המערכת הסולארית. לאיסכורית ולמרישים יש בלאי, שנוצר בעיקר מחלודה, ולעיתים נוצר הצורך להחליף אותם. צריך לזכור שלאחר התקנת המערכת הסולארית החלפה כזו תדרוש גם את פירוק המערכת הסולארית והרכבתה מחדש לאחר תום עבודות ההחלפה. לכן חשוב מאוד להכין את הגג לפני ההתקנה מבחינת מצב האיסכורית והמרישים.

3. גגות בטון שטוח – גגות אלה מאפיינים בעיקר גגות פרטיים וגגות מבני ציבור. יש גם גגות מסחריים כאלה, אולם ככל שטרם מוצו זכויות הבניה בנכס בדר"כ בעל הנכס ימנע מהתקנת מערכת סולארית ל- 25 שנה. התקנה על גגות בטון היא אתגר, כיוון שאסור לקדוח חורים בגג בטון כדי שלא לפצוע את האיטום (אשר בדר"כ עשוי מיריעות ביטומניות). לפיכך, העיגון נעשה באמצעים של הכבדה. לפני הקמת הקונסטרוקציה מועלות לגג אבני בטון כבדות (מזכירות אבני שפה של מדרכות) והן מפוזרות באופן אחיד על הגג. הפרופיל התחתון של מערכת האחיזה מוברג לאבני ההכבדה ומעליו נבנית מערכת האחיזה והמערכת הסולארית כרגיל.

מערכת אחיזה זו יקרה יותר ממערכות האחיזה האחרות בגלל תוספת העלות של רכש, הובלת, הנפת והתקנת אבני השפה.

דבר נוסף שכדאי לציין לגבי גגות בטון הוא החובה לבדוק את מצב איטום הגג טרם הרכבת המערכת הסולארית. איטום גגות בטון נעשה ע"י יריעות ביטומניות שיש להן שחיקה עם השנים, בעיקר כתוצאה מהתייבשות וקרינת השמש. ניתן לבצע חידוש ליריעות כאשר המערכת כבר מותקנת על הגג, אבל זה תמיד כרוך בנזקים וממש לא מומלץ. לכן חשוב לבחון את מצב היריעות טרם התקנת המערכת הסולארית וככל שנדרש לבצע איטום מחדש טרם התקנת המערכת הסולארית.

מערכות אחיזה עוקבות שמש

מטרת המערכת הסולארית הינה להמיר את אור השמש לחשמל אותו נוכל למכור עבור כסף או שווה כסף. מכאן ברור שיש לנו אינטרס מובהק שהמערכת הסולארית שנבנה תהיה יעילה ככל האפשר ותפיק כמות גדולה ביותר של חשמל מכל כמות נתונה של אור.

אבן היסוד של הפקת החשמל במערכת הסולארית הינו הפאנל הסולארי – הרכיב שמייצר את החשמל מהאור בפועל. הפאנל הסולארי מפיק את מקסימום החשמל כאשר השמש ניצבת מעליו במאונך (זווית של 90 מעלות). כידוע, השמש אינה סטטית אלא נעה בשמיים (למען האמת אנחנו אלה שנעים סביבה, אבל לצורך הדיון נתמקד בנקודת מבטנו), לכן נרצה שהפאנל

יעקוב אחר תנועת השמש כך שמישור הפאנל יהיה תמיד מאונך לשמש.

השמש נעה בשמים ממזרח (בבוקר) למערב (בערב), וגם מלמטה (בבוקר) למעלה (בצהריים) ובחזרה למטה (בערב). בקיצור, היא נעה בשני צירים. לכן, כדי לעקוב אחריה נזדקק ל- 4 דברים:

1. ציר המאפשר לפאנל לנוע ימינה ושמאלה כדי לעקוב אחר תנועת השמש בשמים ממזרח למערב.

2. ציר נוסף המאפשר לפאנל לנוע למטה ולמעלה כדי לעקוב אחר הגובה המשתנה של השמש בשמים.

3. מנוע (או שני מנועים) ומאפשר להניע את הפאנל בשני הצירים.

4. יחידת בקרה המכוונת את הפאנל בכל רגע נתון בזוויות ההגבהה והצידוד הנכונות כדי שיפנה מול השמש.

למערכת שבה הפאנל אינו סטטי אלא דינמי, קרי בעל יכולת לנוע כדי לעקוב אחר השמש, קוראים מערכת אחיזה עוקבת שמש, או טרקר בלעז (Tracker). מפאת החיסכון במקום נשתמש במושג הלועזי.

לטרקר שמסוגל לעקוב אחר השמש בשני צירים קוראים טרקר דו צירי. אם תחשבו על העניין היטב תגיעו למסקנה שטרקר כזה חייב להיות מותקן על עמוד.

טרקרים דו ציריים משפרים את תפוקת האנרגיה של הפאנלים בשיעור דרמטי של כ- 40%. יחד עם זאת, יש להם בעיות קשות שלא באו על פתרונן עד היום. כדי להפוך את ההשקעה בטרקר (ביסוס, עמוד, צירים, מנועים, יחידת בקרת ניווט) לכדאית, יש לבנות מטריצה גדולה של פאנלים על כל עמוד. הפאנלים הללו יוצרים מפרש רוח שמפעיל לחצים אדירים על הצירים בנקודה אחת. המפרש הזה גורם לכשלים תדירים בפעולת הטרקר ונדרשים תיקונים חוזרים ורבים כדי לשמור עליו בפעולה. בפועל, טרם נמצא פתרון טכני וכלכלי לבעיה הזו ומהטעם הזה הפופולאריות שלו דעכה והבנקים כיום רואים בטרקר הדו צירי טכנולוגיה לא בנקבילית (ז"א כזו שלא ניתן לממן בהלוואות נון ריקורס).

בעיה נוספת של הטרקר הזה היא הגובה של המתקן, שיוצר צל ארוך ומחייב שטח גדול כדי לבנות את המערכת, וכן מקשה על הטיפול השוטף בו. בקיצור, הרבה בעיות.

המהנדסים חיפשו פתרון לבעיה, והגיעו לעיצוב של טרקר חד צירי. הסיבה לכך הינה שבעוד שטרקר דו צירי חייב להיות מותקן על עמוד עם נקודה אחת שמרכזת אליה את כל המאמצים שיוצר מפרש הרוח, טרקר חד צירי יכול להיות מורכב על ציר ארוך שמפזר את המאמצים לכל אורכו. המערכות הללו הרבה יותר אמינות מטרקר דו צירי.

כשמתכננים טרקר חד צירי, צריך לקבל החלטה על איזה ציר מהשניים לוותר. לאחר בדיקות שונות שנערכו, יש עדיפות מוחלטת לטרקר חד צירי הנע ממזרח למערב. קרי, טרקר כזה פונה למזרח בבוקר, נע באיטיות בעקבות השמש עד למצב אופקי בצהריים, וממשיך לנוע לכיוון מערב עד שקיעת השמש. הטרקר לא מאפשר לעקוב אחר תנועת השמש מעלה ומטה לאורך היום, לכן הוא מסוגל להוסיף לתפוקת מערכת אחיזה קבועה כ- 25% (ולא 40% כפי שיכול טרקר דו צירי). מעבר לעובדה שטרקר חד צירי הוא הרבה יותר אמין מטרקר דו צירי, יש לו יתרון נוסף והוא בעבודה יעילה מאוד עם פאנלים דו צדדיים (Bi-facial. אם את/ה לא זוכר מהם תחזור למאמר על הפאנלים). פאנלים דו צדדיים מגיעים לשיא התפוקה שלהם כאשר זווית הפאנל גבוהה (והצד האחורי שלהם חשוף ליותר אור). כיוון שבטרקר חד צירי זוויות השיא (מוקדם בבוקר ומאוחר בערב) הינן גבוהות מאוד – 60 מעלות למזרח (בוקר) ו- 60 מעלות למערב (ערב), אז התפוקה בשילוב פאנלים דו צדדיים הינה גבוהה מאוד. למעשה, השילוב של טרקר חד צירי ופאנלים דו צדדיים הפכה כמעט לסטנדרט של מערכות סולאריות קרקעיות בימינו.

טרקרים על גגות הינם עניין שנוי במחלוקת. חברות הטרקרים הגדולות לא נוטות לייצר טרקרים על גגות. לעומת זאת, בישראל קמו 2-3 חברות שפיתחו טרקרים עצמאיים עבור גגות ויש גם התקנות של טרקרים על גגות. אלו חברות קטנות שאין להם תקציבי מו"פ ובקרת איכות כמו לגדולות, אבל הן בהחלט פעילות. שווה בדיקה.