מטרתו של מאמר זה להסביר את האופן שבו עובדת המערכת הסולארית, וכדי לעשות זאת, הבה נתחיל ונסביר על אופן פעולתו של הלב של המערכת הסולארית – התא הסולארי. התא הסולארי הוא הרכיב שמתמיר את אור השמש לחשמל. בעצם, זה הרכיב היחיד במערכת שבאמת מייצר חשמל. כל שאר המרכיבים רק נותנים לו שירותים שונים, כגון הגנה, הצבה בזווית נכונה, איסוף חשמל והמרה לזרם חילופין.
תא חשמלי הינו התקן הבנוי משתי פרוסות של סיליקון הנמצאות זו על זו. פרוסה אחת הינה של סיליקון הטעון במטען חשמלי חיובי ופרוסה שניה הינה של סיליקון הטעון במטען חשמלי שלילי. בין שתי השכבות נוצרת צומת של מטען חיובי-שלילי (P-N Junction), שבה קורה הקסם: בעת שנופל עליה אור היא פולטת אלקטרונים. כיוון שזרם חשמלי הינו זרם של אלקטרונים הרי שמדובר בייצור של חשמל.
להלן שרטוט עקרוני של תא סולארי בפעולה:
הסבר קצר לחובבי הפיזיקה (לא נעיק על האחרים):
שכבת הסיליקון התחתונה הינה מסוג של P-Type, זאת אומרת היא נוטה להיות מוליך, קרי יש בה אלקטרונים חופשיים בקליפת האלקטרונים החיצונית. סוג זה של סיליקון מושג ע"י אילוח בחומר בורון (B).
שכבת הסיליקון העליונה הינה מסוג של N-Type, זאת אומרת היא נוטה להיות מבודד, קרי יש בה "חורים" אליהם נמשכים האלקטרונים החופשיים. סוג זה של סיליקון מושג ע"י אילוח בחומר זרחן (Ph).
כשפוטון מאור השמש (חלקיק תת אטומי חסר מסה ונושא אנרגיה) פוגע באלקטרון חופשי הוא מוסר לו את האנרגיה שלו ומעורר אותו לעלות לקליפה גבוהה יותר. האלקטרון אז נמשך אל עבר שכבת ה- N-Type ומשם "נתפס" בשכבת האלקטרודה הקדמית, שאנו מכנים פסי הולכה (Bus Bar). פס ההולכה עשוי מחומר בעל מוליכות גבוהה מאוד – כסף או סגסוגת שמבוססת על כסף – והוא "שואב" אליו את האלקטרון (אלקטרונים מעדיפים תמיד לנוע בתוך חומרים בעלי מוליכות גבוהה ככל האפשר).
וזהו זה – זרם של אלקטרונים בתוך פס ההולכה מהווה זרם חשמלי, וכך מותמר אור השמש לזרם לחשמלי.
כמובן שלא ניתן להבין את האפקט הפוטו-וולטאי ע"י תיאוריית הגלים של האור, אלא רק ע"י תיאוריית החלקיקים (הפוטונים), וזו הסיבה שבני הדורות שלפני איינשטיין לא יכלו להבין את האפקט הזה.
התא הסולארי הינו אכן הלב של המערכת הסולארית, אבל כמו לב אמיתי הוא לא יכול לחיות מחוץ לגוף. התא
הסולארי זקוק להגנה מפני החמצן והלחות שבאוויר. הוא גם
זקוק להגנה מכאנית (התא הסולארי דק ושביר מאוד) וגם זקוק לקרבת התאים האחרים אליהם הוא מולחם כדי ליצור זרם חשמלי משמעותי. לשם כך התא ארוז בלוח סולארי, הקרוי בדר"כ פאנל סולארי (Solar Panel או Solar Module).
הפאנל הסולארי הוא לוח במידות של בערך 2 מטר על 1 מטר (זו המידה הנפוצה בישראל) ובו 72 תאים סולאריים (במטריצה של 6*12) המולחמים זה לזה כדי ליצור רצף של ייצור חשמל. מלמטה הפאנל עשוי מחומר פלסטי לבן, ומלמעלה הוא מכוסה זכוכית מיוחדת ושקופה מאוד. כל המבנה הזה של הגב הפלסטי (המכונה Back Sheet), התאים הסולאריים והזכוכית מודבק יחדיו מבפנים ע"י דבק מיוחד, והוא אמור לשמור על התאים לתקופת הפעלה של 25 שנה. מסביב לפאנל יש מסגרת אלומיניום שתפקידה להקנות לפאנל חוזק ויציבות, וכן לאפשר לדפון אותו למערכת האחיזה ע"י אוחזנים המכונים קלאמפים (Clamps).
הפאנלים הסולאריים מחוברים זה לזה במחרוזות המכונות סטרינגים כדי לייצר זרמי חשמל משמעותיים.
הפאנלים המשורשרים זה לזה אינם צפים באוויר, וגם אינם מונחים סתם על הגג. כדי להשיג תפוקת חשמל אופטימלית, הם צריכים להיות מונחים בזווית ובכיוון מסוימים, ללא קשר לזוויות ולכיוונים של הגג. כמו כן הם צריכים להיות מעוגנים היטב לגג כדי שמשב רוח לא יעיף אותם משם ויגרום לנזק כספי וחו"ח לנזקי גוף ונפש.
לשם כך אנו בונים מערכת אחיזה אשר אוחזת היטב את הגג מחד, ואת הפאנלים הסולאריים מאידך. מערכת האחיזה בנויה מפרופילים של אלומיניום אשר יוצרים משולשים שמאפשרים לנו לשלוט בזווית ובכיוון הפאנלים. בחלק העליון של בזוויות מתחברים פרופילי קושרות שיש להם חתך מיוחד, בדר"כ המזכיר את האות H או X. על הפרופילים הללו מונחים הפאנלים ואליהם מתחברים הקלאמפים שמצמידים את הפאנלים לקושרות.
המבנה הזה מאפשר להציב את הפאנלים בבטחה לגג ולהפנות אותם לכיוון ובזווית הנכונים לשם הפקת מקסימום אנרגיה.
כאמור, הפאנל הסולארי מייצר חשמל בזרם ישר כיוון שאין בו כל אלמנט מסתובב. עם כל הכבוד, אין לנו מה לעשות עם חשמל בזרם ישר. כדי שנוכל להזרים אותו לרשת החשמל, או כדי שנוכל להשתמש בו בשימוש עצמי, יש להפוך אותו קודם כל לחשמל בזרם חילופין.
היפוך החשמל מזרם ישר לזרם חילופין מבוצע ע"י התקן הנקרא ממיר או מהפך (Inverter). לממיר יש כניסות שאליהן נכנס החשמל בזרם ישר מהפאנלים, ויציאה שממנה יוצא החשמל בזרם חילופין למונה.
חוץ מאשר להפוך את הזרם החשמלי מזרם ישר לזרם חילופין, יש לממיר עוד מספר תפקידים והם:
לבצע אופטימיזצייה של עבודת הפאנלים ולכוון אותם לייצר חשמל באופן מיטבי.
להפיק זרם חשמלי תקני שחברת החשמל יכולה לשלב ברשת החשמל ללא חשש.
לאפשר לנו, הבעלים או המתחזקים, לקבל תמונת ניטור של ביצועי המערכת במחשב (SCADA).
ניתן לומר כי הממיר הוא "המוח" של המערכת הסולארית והוא נושא באחריות חשובה על תפקודה השוטף והתקין.
על מנת לנטר את ביצועי המערכת ולמדוד את התפוקות החשמליות ואת ההכנסות הכספיות הצפויות, אנו זקוקים למערכת בקרה ומדידה שתתריע בפנינו על תקלות במערכת הסולארית ושתרשום במדויק את סך החשמל המיוצר (קוט"ש) של החשמל הפוטו-וולטאי המיוצר על ידי הפאנלים הסולאריים.
כאמור בהסבר על הממיר הסולארי, זו פונקציה שקיימת בפורטל האינטרנט של היצרן וניתנת לנו כשירות על ידו (לעיתים בחינם ולעיתים בתשלום). יחד עם זאת, המוצר הזה קיים גם כמוצר של יצרני צד ג' וזאת המטרה שנוכל לראות במערכת ניטור אחת מערכות רבות שיש בהן ממירים של יצרנים שונים.
שאר רכיבי המערכת
אמנם, המערכת עומדת על הרכיבים העיקריים: פאנלים, ממירים, מערכת אחיזה ומערכת הניטור והמדידה. אבל כדי לתפקד בעולם האמיתי המערכת זקוקה לעוד רכיבים וחלקים שמאפשרים לה תפקוד ממשי. חלקים אלה נקראים בלשון מקצועית BOS (ר"ת של Balance Of System), כיוון שהם מאפשרים למערכת להיות "שלמה". בעגת המתקינים חלקים אלה נקראים "חומר שחור".
להלן רשימה של "החומר השחור". נא ראה את מילון המונחים כדי לקבל פירוט של כל אחד מהרכיבים:
כבלי DC
כבלי AC
קופסאות אטומות למים
ממסרי עומס יתר
ממסר פחת
מפסקים
תעלות רשת
סולמות כבלים
מוני אנרגיה פרטיים
וכן כל פריט ציוד אחר הנדרש להשלמת המערכת וחיבורה לרשת ע"י חח"י
לסיכום – המערכת הסולארית מייצרת חשמל בתהליך שבו הפאנלים הסולאריים, הרתומים למערכת האחיזה, מייצרים חשמל בזרם ישר, המותמר בממיר הסולארי לחשמל בזרם חילופין, אשר נמסר לרשת החשמל בתשלום או נצרך על ידינו כאלטרנטיבה לצריכת חשמל מהרשת. על התהליך מפקחת מערכת ניטור וניהול אשר מהווה חלק מהממיר או מסופקת על ידי יצרן צד ג'. רכיבי המערכת העיקריים מחוברים ביניהם בציוד המשני (שהוא משני מבחינה תקציבית, אך הכרחי מבחינה תפקודית) הכולל כבלים, תעלות, מפסקים וקופסאות חשמל.