עליית מתח והפרעות ברשת החשמל: הסיבה הנסתרת לכך שמערכת סולארית מתנתקת ועלולה לאבד עד כדי 50% מהתפוקה

אין זה סוד שמערכות סולאריות מבוזרות תלויות באופן מוחלט ביציבות רשת החשמל. רוב הדיונים בעניין ביצועים סולאריים עוסקים בפאנלים, הצטברות לכלוך, הצללה או יעילות הממירים, אך למעשה אחד הגורמים המשפיעים ביותר על הביצועים בפועל הוא דווקא מצב הרשת המקומית. מתח רשת, איכות הפאזות ואפילו התדר קובעים האם ממיר סולארי יוכל לפעול ברציפות או ייאלץ להתנתק מטעמי בטיחות. הפרעות קלות ברשת החשמל מצטברות עם הזמן וגורמות לאובדן תפוקה הדרגתי אך משמעותי ביותר במערכות פוטו־וולטאיות. מאמר זה מסביר את הרגישויות העיקריות של מערכת סולארית מבוזרת כלפי רשת החשמל, מדוע הן כל כך חשובות, ואיך סטיות קטנות לכאורה עלולות לגרום לכך שמערכת מתנתקת ועלול להיווצר אובדן גדול בייצור אנרגיה אם לא מטפלים בבזמן.

איור 1. מערכת סולארית על גג עם קווי רשת חשמל ברקע.

איור 2. סכמה של מערכת פוטו־וולטאית ביתית המחוברת לרשת החשמל.

מגבלות מתח וניתוק אוטומטי של הממיר

ממירים סולאריים מתוכננים לפעול אך ורק בטווח מתח בטוח. כאשר מתח הרשת עולה מעל או יורד מתחת לספי הגבול המותרים, הממיר מבצע כיבוי מהיר כדי למנוע הזנה של רשת לא יציבה. טווח הפעלה אופייני: באירופה ובארץ גבול עליון 253 וולט, גבול תחתון 195.5 וולט (רשת 230 וולט עם סטייה של ±10%). בארה״ב טווח עבודה 106.0-132 וולט (ברשת 120 וולט L-N) או טווח 111.8-139.7 וולט (ברשת 127 וולט L-N). עליית מתח ספורדית ברשת היא אחת הבעיות הנפוצות ביותר במערכות סולאריות באזורים מסחריים ומגורים.

רגישות להפרשי פאזות בחיבורים תלת-פאזיים

במערכות סולאריות תלת-פאזיות על גגות, המתח הוא רק חלק מהתמונה. הממיר עוקב גם אחר זווית הפאזה בין שלושת שלבי הרשת, ואם חוסר האיזון בין הפאזות חורג מהסף המותר - הוא יכבה את המערכת גם כאשר המתח עצמו תקין לחלוטין. חוסר איזון כזה נובע לרוב מעומס לא אחיד על השלבים, שנאי חלוקה שאינם מאוזנים כראוי, ציוד תעשייתי סמוך או שינויי תצורה ועבודות תחזוקה ברשת. מאחר שתקלות פאזה פחות מובנות מאליהן מאשר תנודות מתח, הן נוטות להישאר מתחת לרדאר למרות שהן אחד הגורמים הנפוצים ביותר לכיבויים לסירוגין ולירידה משמעותית בתפוקה.

סטיות תדר והגנת הממיר

תדר הרשת הוא פרמטר חשוב נוסף. באירופה ובארץ הרשת פועלת ב-50 הרץ, בארצות הברית ב-60 הרץ, וממירים סולאריים מצפים שהתדר יישאר קרוב מאוד לערכים הנומינליים הללו - בדרך כלל בסטייה של עד ±0.5 הרץ בלבד. לכן, גם סטייה קטנה יחסית עלולה לגרום לממיר לעצור את פעולתו.תקלות תדר מתרחשות בעיקר במקרים של אירועי חוסר יציבות ברשת, שינויים פתאומיים בעומס או בייצור, הפעלה או כיבוי של מכונות תעשייתיות גדולות, והפרעות אזוריות ברשת ההולכה או החלוקה. אמנם הן נדירות בהרבה מבעיות מתח, אך כאשר הן כן מתרחשות - הן גורמות להשבתות מדידות ומורגשות בתפוקה.

השפעות הרשת המקומית והאזורית על ביצועי מערכות סולאריות

מערכות סולאריות על גגות מושפעות יותר ויותר ממאפייני הרשת המקומית. ככל שפריסת הסולארי גדלה, רשת החלוקה נאלצת להתמודד עם יותר ייצור מבוזר, דבר שיוצר מספר תופעות מקומיות:

• עליית מתח כתוצאה ממערכות סולאריות סמוכות - כאשר מספר אתרים פוטו-וולטאיים מזרימים חשמל לאותו קו חלוקה, המתח המקומי עלול לעלות באופן משמעותי, בעיקר באזורים שבהם קיבולת הרשת חלשה. התופעה מתגברת בשעות שמש חזקה.

• רגישות לתצורת הרשת האזורית - סוג השנאי, אורך הקו, חתך המוליך ורמת החיזוק של הרשת - כולם משפיעים על יציבות המתח בנקודת החיבור של המערכת. מערכות שנמצאות בקצה של קווי חלוקה ארוכים רגישות במיוחד לעליית מתח.

• השפעות הארקה בסביבת נקודת החיבור - למרות שהמערכת הסולארית עצמה אינה מושפעת ישירות משינויים בהארקה מחוץ לאתר, איכות הארקה ירודה בסביבה הקרובה עלולה לגרום להפעלת ממסרי הגנה מיותרים או כיבויי תקלות הארקה מטרידים, אם כי תופעה זו משפיעה לעיתים רחוקות ישירות על המתח או התדר בטרמינלים של הממיר.

לדוגמה, במקרה אמיתי שאירע באזור השפלה, הוספת אתרים סולאריים חדשים באזור גרמה בהדרגה לעליית מתח מקומי במשך מספר חודשים. באמצע הקיץ הגיע המתח במערכת סולארית על גג מסוימת ליותר מ-260 וולט בשעות הצהריים. הממיר נאלץ להתנתק שוב ושוב, דבר שקיצץ את התפוקה בפועל בעד 50%. רק לאחר זיהוי וכימות התופעה וביצוע התאמות באתר נפתרה הבעיה בעיקרה.

פונקציות תמיכה מתקדמות ברשת בממירים חדשים

ממירים מודרניים רבים כבר אינם פשוט נכבים בעת עליית מתח. באזורים עם חדירה גבוהה של סולאר - כמו קליפורניה, הוואי ומספר גדל של מדינות ומדינות נוספות - פונקציות "ממיר חכם" הן כיום חובה. במקום להתנתק מיד, הממיר קודם כל סופג או מזרים כוח תגובתי (מצב volt–var) כדי לייצב את המתח המקומי, ואם זה לא מספיק – הוא מקטין בהדרגה את ההספק הפעיל (מצב volt–watt) במקום לכבות בבת-אחת. ניתן גם לקבוע מקדם הספק קבוע מראש. כאשר הפונקציות הללו מוגדרות נכון ומאושרות על-ידי חברת החשמל, הן מצמצמות באופן דרמטי או אפילו מבטלות לחלוטין את אובדן האנרגיה השנתי של 10-50% שפגע בעבר בקווים מוגבלי מתח. באזורים שעדיין פועלים לפי הכללים הישנים של "חייב להתנתק", לעומת זאת, נותרת התנהגות הכיבוי המיידי והקשיח כפי שהייתה בעבר.

מדוע זיהוי מוקדם של תקלות רשת הוא קריטי

תקלות רשת מתפתחות לרוב באופן הדרגתי. רמת המתח עשויה לזחול כלפי מעלה חודש אחר חודש עם חיבור מערכות חדשות, חוסר איזון פאזות עלול להחמיר ככל שהעומסים משתנים, וחריגות תדר עשויות להיות קשורות לשעות ספציפיות ביום או למחזורי פעילות תעשייתיים. מאחר שהשינויים האלה מתרחשים לאט, מפעילים רבים כלל לא שמים לב לירידה המתמשכת בתפוקה. לכן ניטור רציף של פרמטרי הרשת הוא הכרחי לזיהוי מוקדם ולטיפול בזמן.

זיהוי מוקדם יעיל מבוסס על מספר גישות משלימות: ניטור בזמן אמת של מתח ופאזה בממיר מספק את האינדיקציה הראשונה לחוסר יציבות מקומי; זיהוי חריגות אוטומטי בכלי ניתוח ביצועים חושף דפוסים שלא נראים בבדיקות נקודתיות; השוואה תקופתית של התפוקה בפועל מול מודל הייצור הצפוי מגלה סחיפות עדינות וארוכות טווח בתנאי הרשת; ולבסוף - מערכות מדידת ביצועים ללא חיישנים, שמסיקות תקלות רשת ישירות מהתנהגות הייצור, מוסיפות שכבת תובנה נוספת, במיוחד כאשר אין נתוני חשמל ברזולוציה גבוהה.

זיהוי מוקדם של בעיות הרשת מאפשר למפעילים לתאם עם חברת החשמל לפני שאובדן התפוקה מצטבר לממדים משמעותיים. ביצועי מערכות סולאריות על גגות תלויים באיכות הרשת המקומית הרבה יותר ממה שרוב המפעילים מבינים. מגבלות מתח, חוסר איזון פאזות וסטיות תדר - כולם משפיעים על היכולת של הממיר להישאר מחובר ופרודוקטיבי. ככל שחדירת הסולאר המבוזר גדלה, התקלות הללו הופכות נפוצות יותר ויותר. לכן אבחון יזום, זיהוי מוקדם וכימות מדויק של תקלות הרשת לצורך תחזוקה חזויה הם הכרחיים. מערכת סולארית שמותאמת בזמן יכולה לשמור על תפוקה גבוהה ולמנוע את ההפסדים השקטים והמצטברים שמתרחשים כאשר תנאי הרשת יוצאים מטווח הפעולה של הממיר.

די לנחש מדוע המערכת הסולארית מייצרת פחות מהצפוי

רוב ההפסדים שתוארו לעיל נמצאים מחוץ לטווח הראייה של מערכות ניטור מסורתיות שמסתמכות על נתוני הממיר ועל כושר שיפוט אנושי. התקנת חיישני מזג אוויר באתר יקרה ביותר ובפועל כמעט אף פעם לא מבוצעת.

נכסים סולאריים מבוזרים על גגות זקוקים להערכת ביצועים מדויקת וללא חיישנים, שמאפשרת כימות אוטומטי של ההפסדים הנובעים מעליית מתח, חוסר איזון פאזות, קיצוץ הספק ותקלות נסתרות נוספות.

מתעניינים בפתרונות ניתוח ביצועים למערכות פוטו-וולטאיות בקנה מידה ביתי, מסחרי ותעשייתי? מלאו פרטים לקבלת הדגמה או כתבו לנו לקבלת פרטים נוספים.