מדידת ביצועי שדות סולאריים – כלי הכרחי בניהול החזר ההשקעה
הפקת אנרגיה חשמלית באמצעות שדות סולאריים צוברת תאוצה בעולם וגם בישראל. לאחרונה הוקטנה רמת העידוד הממשלתית בחלק מהמדינות המובילות באירופה בתחום האנרגיה הסולארית ואף על פי כן הביקושים לציוד לשדות סולאריים (פנלים וממירים) גדולים מקצב הייצור העולמי. החזר ההשקעה בשדה סולארי מבוסס על התקבולים בגין מכירת החשמל, משמע קיימת חשיבות עליונה למשקיעים לודא שהשדה הסולארי מפיק עבורם את כמות האנרגיה המקסימאלית האפשרית בכל נקודת זמן.
מקור האנרגיה של שדות סולאריים הוא קרינה אלקטרומגנטית המגיעה מהשמש. מטרת רשימה זו לספק רקע כללי, על קצה המזלג, של תחום מדידת אנרגיית השמש בכלל ובשדות פוטו-וולטאיים בפרט.
פני השמש נקראים פוטו-ספירה (photosphere) והטמפרטורה על פניהם היא כ-6000K. ניתן להתייחס לשמש בקירוב כגוף שחור (Blackbody) ולפיכך ניתן לחשב בקירוב את הספק הקרינה הכולל של השמש. ההספק המחושב שווה בערך ל- 9.5 x 10^25 W.
קרינת השמש מורכבת מספקטרום רחב של אורכי גל וחלק ממנה מגיע לכדור הארץ.
האנרגיה המוקרנת ע"י השמש, ביחידת זמן, על משטח מאונך אחיד המוצב מחוץ לאטמוספירה, נקראת קבוע סולארי (Solar Constant) וערכו הממוצע הוא 1353 W/m^2.
האטמוספירה של כדור הארץ משפיעה ומשנה את הקרינה הפוגעת בפני כדור הארץ.
עוצמת הקרינה נחלשת בגלל ספיגה, פיזור והחזרות בתוך האטמוספירה. מבנה אורכי הגל של הקרינה משתנה גם הוא בגלל עוצמת ספיגה ופיזור לא אחידים באטמוספירה לאורכי הגל השונים של הקרינה. בליעה וקרינה לא ישירה כתוצאה מהחזרות מוסיפים את חלקם ולבסוף עוצמת הקרינה שמגיעה לפני כדור הארץ שווה בערך ל- 1000W/m^2 והיא בעלת מבנה אורכי גל שונה מזה של הקרינה מחוץ לאטמוספירה.
נצילות של תא סולארי פוטו-וולטאי תלויה במספר גורמים.
- תא סולארי פוטו-וולטאי אינו מגיב בצורה אחידה לכל אורכי הגל. היעילות של תא סולארי סיליקוני מקסימאלית בתחום האור הנראה.
- היעילות של תא סולארי וכפועל יוצא של המערכת הסולארית תלויה בכמות הקרינה הפוגעת בתאים הסולארים.
- הטמפרטורה משפיעה על היעילות של המערכת הסולארית. תאים סולאריים כמו כל מוליך למחצה, רגישים לטמפרטורה. עלייה בטמפרטורה מקטינה את הנצילות של התאים הפוטו-וולטאיים ואיתם את הנצילות של המערכת כולה.
מדי-שמש (Solarmeter) הם מכשירים למדידת קרינה סולארית. בהמשך יוצגו שני סוגים של מדי שמש. פיראנומטרים (Pyranometers) ומודדים סולארים (PV Solarmeters) המבוססים על האפקט הפוטו-וולטאי.
מד השמש המבוסס על האפקט הפוטו-וולטאי הוא בעל התנהגות דומה לזו של מערכת הקולטים הפוטו-וולטאית. מד שמש זה מייצר אות חשמלי כפונקציה של הקרינה הפוגעת בו, ומטבע הדברים מגיב בעיקר לקרינה בתחום האור הנראה ורגיש לשינויים בטמפרטורה כמו השדה הסולארי.
רצוי לשקלל את נתונים הנמדדים ע"י מד השמש הפוטו-וולטאי בהתאם לטמפרטורה הנמדדת על הפנלים הסולאריים. מדידת הטמפרטורה מבוצעת באמצעות תרמוקפל המוצמד אל הפנל מצידו האחורי ומודד את הטמפרטורה באיזור התאים הסולאריים. שילוב של נתונים אלו מאפשר לדעת את פוטנציאל הייצור של השדה ולהשוותו לייצור בפועל.
פיראנומטר (Pyranometer) הוא מכשיר למדידת קרינה סולארית הפוגעת במשטח מישורי (קרינה ישירה וקרינה מפוזרת). עיקרון הפעולה מבוסס על השוואת הטמפרטורה של משטח לבן מוקרן לזו של משטח שחור מוקרן. משטח שחור סופג את רוב הקרינה הסולארית בעוד משטח לבן נוטה להחזיר את הקרינה וע"י כך מתחמם פחות. הפרש הטמפרטורות נמדד ע"י תרמופייל (Thermopile). הפרש הפוטנציאלים שנוצר בתרמופייל כתוצאה מהפרשי הטמפרטורה במשטחים מאפשר לדעת את ערך הקרינה הסולארית הרגעית. (התרמופייל בנוי מתרמוקפלים המחוברים בטור).
פיראנומטרים מכסים את תחום הספקטרום הסולארי בערך מ- 300nm עד 2800nm.
תרמוקפל (Thermocouple) הוא צומת של שתי מתכות הנבדלות בעוצמת הפוטנציאל החשמלי הנוצר בהן בחשיפה לטמפרטורות שונות. הפרש המתח הנבנה בין שתי המתכות בתרמוקפל פרופורציאונלי לטמפרטורה וניתן להמיר את הערך הנמדד לטמפרטורה בה מצוי התרמוקפל.
חשוב לציין שטווח כיסוי אורכי הגל הנמדדים על-ידי הפיראנומטר גדול מזה של מד שמש פוטו-וולטאי, מאידך אם מטרת המיכשור היא מדידה של קרינה לצורך בקרת שדה סולארי הרי שהספקטרום הרלוונטי הוא תחום האור הנראה וזה בדיוק התחום בו פועל מד השמש המבוסס על העקרון הפוטו-וולטאי.
מהירות התגובה של פיראנומטר היא מסדר גודל של עשרות שניות עד לקבלת מדידה מיוצבת בעוד שמד שמש פוטו-וולטאי נותן נתוני מדידה תוך חלקי שניה.
רדיון חברה להנדסה החלה לשווק מדי-שמש למדידה ובקרת ביצועים של שדות פוטו-וולטאיים. הסנסורים תוכננו במיוחד עבור שדות פוטו-וולטאיים, הם קומפקטיים, בעלי עמידות ושרידות בתנאי חוץ, קלים להתקנה וניתן לחברם למגוון מערכות לקליטת, צבירת וניתוח הנתונים.
מדידה רציפה ומדוייקת של הקרינה הסולארית ופוטנציאל הייצור של השדה, מול הביצועים בפועל של השדה הסולארי הינה בעלת משמעות מכרעת על בקרת השדה וכפועל יוצא על החזר ההשקעה המתקבל ממנו. שקלול נתוני מד שמש וטמפרטורה מאפשרים לנהל בצורה יעילה מחזורים של ניקיון ותחזוקה בשדות. בשדות גדולים ניתן לשלב מספר נקודות מדידה וע"י כך לשפר את איכות הנתונים הנמדדים.
