תכנון מערכת סולארית להטענת מצברים – מאמר של אסף צ’רטקוף

הערות

הערות:
בעצה של שניים שמבינים החלטתי לשלם מעט יותר כדי להקים מערכת שיש לה יכולת צמיחה. הגורמים המגבילים את צמיחת המערכת הם בקר סולארי, ממיר מתח ומצבר, לעומת זאת פנלים תמיד אפשר להוסיף למערכת (ראו הבהרות לכך בשלבים 1 ו-2).על מנת לכתוב מדריך קריא ולעניין, השתדלתי לצמצם בכמות ההרחבות. אי לכך יש סיכוי שהמדריך הזה הוא בסינית בשבילכם. אם כך הדבר, אנא חפשו חבר או מכר שיש לו ידיים טובות וקצת ניסיון בחשמל. אם אתם לא מבינים הערה מסוימת, או מעוניינים לדון על שלב מסוים במדריך, אנא הגיבו למדריך באתר, וננסה לפתור את הבעיה On-line לרווחת כולנו.

מלבד העובדה שהכל כאן על אחריות המשתמש (קראו את התקנון אם זה לא ברור), אני מזכיר: אני לא חשמלאי, וגם האנשים שהתייעצתי אתם הם לא חשמלאים במובן המלא של המילה. אמנם המערכת הזאת עובדת, ועובדת יפה, אבל אני לא בטוח שאני יכול לענות על כל השאלות שיתעוררו מסביב לה (אם כי אשמח לנסות).

התנצלות – המערכת הזאת נבנתה לפני שחשבתי לצלם תמונות לצורכי כתיבת מדריכי “עשה-זאת-בעצמך”, על כן יש לי רק תמונות של המערכת בדיעבד, ובזה אשתמש.

ספרות רלוונטית:
ספר אלקטרוני שעזר לי מעט (באנגלית) נמכר כאן במחיר של 20 דולר, ואולי יכול קצת לעזור (הכותב עזר לי קצת גם בהתכתבות בדואר האלקטרוני). לעומת זאת, כשתחפשו תוכן בעברית תגיעו אל ספר אלקטרוני בעברית לקנייה בשם “המדריך לבניית מערכת סולארית ביתית“. אני מפציר בכם, המדריך כתוב ברמה נמוכה מאוד, ואני בספק אם מישהו שממש מעוניין להקים מערכת סולארית בעצמו יוכל להעזר בו. אני יודע זאת, כי רכשתי אותו בעצמי, והתאכזבתי. אותה ההערכה תופסת גם לגבי המדריך “בניית טורבינת רוח“. על אחריותכם.

ציוד

הכנות

הכנות:
צריך לדעת לכל הפחות תאורטית איך עובדים מעגלים חשמליים בכלל, ואיך באופן תאורטי עובד המעגל החשמלי הספציפי של מערכת סולארית מנותקת רשת. אם אין לכם מושג בזה, אז כנראה שהמדריך הזה לא בשבילכם.כדאי להעריך את צריכת החשמל שלכם לפני התחלת העבודה על המערכת. ניתן כמובן לתכנן מערכת חשמל שתענה רק על חלק מהצריכה שלכם. למדריך כיצד להעריך את צריכת החשמל שלכם, לחצו כאן קישור.

צריכת החשמל שהמערכת המסוימת הזאת תתמודד אתה היא פשוטה מאוד לחישוב וכדלקמן: 6 שעות אור נורה אחת של 20W = צריכה של 200Wh~(עם עיגול כלפי מעלה) + עשר שעות מחשב נייד המדורג כ-80W = צריכה של 800Wh. סה”כ = 1000Wh.

אם כן, 1500Wh (שזה 1.5KWh) נותנים קצת אקסטרה לימי החורף. אחרי כמעט שנה שלמה של שימוש אפשר לומר שדי קלענו בהערכת הצריכה ובבחירת הרכיבים. רוב השנה אנחנו ממלאים במהלך היום בלי קושי את מה שחסר במצבר, ובחורף היו בערך 15-20 יום בהם היינו צריכים לצמצם בצריכה לכדי נורה אחת בלבד, כדי לא לפגוע בטעינה של המצבר.

שלב 1

שלב 1: תכנון המערכת – כלליעכשיו, כשאנחנו יודעים את הצריכה שלנו, יש להבין עקרונית איך עובדת מערכת סולארית מנותקת רשת. מה שנקרא, crash course או בעברית “קורס בָזָק”. כל מערכת מנותקת רשת צריכה להכיל את הרכיבים הבאים: פנל/ים, בקר סולארי, סוללה, ממיר מתח, ארון נתיכים והארקה. בשרטוט אנחנו יכולים לראות את כל הרכיבים והחיבורים החשמליים הסכמטיים ביניהם.

• השרטוט מתייחס לכל הדרך שבה “נוסע” החשמל, מהפנלים ועד השקע בבית. חשוב להבדיל בין החלק במערכת שהינו בזרם ישיר (DC) ובמתח של 24V, הווה אומר – פנלים, בקר סולארי, מצבר ועד לממיר המתח, כולל כל המפסקים שביניהם, לבין החלק במערכת שהינו בזרם חילופין (AC) ובמתח של 220V, מהממיר ועד השקע הסופי, כולל כל המפסקים שביניהם.
• סימונים – הארקה מסומנת בירוק. בזרם ישיר – שחור ואדום מסמנים מינוס ופלוס בהתאמה. בזרם החילופין – כחול וחום מסמנים “0” (אפס, גם N) ו-“~” (מופע, פאזה) בהתאמה.
• המספרים מסמנים את המפסקים. בשרטוט הסכמטי המפסקים נראים רחוקים אחד מהשני, אך בפועל הם כולם נכנסים לתוך אותו ארון נתיכים (הכוונה לארון החשמל שגם אותו רואים בתמונות שבשרטוט).

חשוב לדעת – אנחנו בחרנו להקים מערכת במתח של 24V, למרות שרבים מקימים מערכות של 12V, וזאת מכמה סיבות:

1. ככל שמתח המערכת גבוה יותר, הזרם יהיה קטן יותר, ועקב כך עובי הכבלים הנדרש הוא קטן יותר. עובי הכבלים של מערכת 12V יהיה כפול מעובי הכבלים של מערכת 24V אם כל שאר המשתנים נשארים אותו הדבר. ההבדל במחיר בין הכבלים הוא יותר מכפול.
2. כפועל יוצא, ככל שזרם המערכת קטן יותר, כך אבדן האנרגיה על חום שמתבזבז על הכבלים קטן יותר.
3. שתי הסיבות לעיל (ואפשר שעוד סיבות שנעלמו מעיני), גורמות לבוני טורבינות רוח להעדיף מערכות עם מתח גבוה. מכיוון שיש לי עדיין חלום לבנות יום אחד טורבינה, החלטתי שהמערכת לא תהיה הגורם שיגביל אותי, ומראש הכנתי אותה ל-24V.

כפי שציינתי לעיל, אנחנו רכשנו את כל הרכיבים מאינטרדן, לאחר בירור ארוך וליווי יד ביד מחבר. זאת כיוון שאצל אינטרדן אפשר לקנות רק רכיבים בעלות נמוכה, וללא תלות בספק. אם קנית פנלים לא מתאימים, או ששרפת את הבקר בהתקנה, זאת כבר הבעיה שלך.

בשלבים הבאים נפרט את סוגיות התכנון שכל רכיב דורש, ומה בסופו של דבר אנחנו רכשנו.

שלב 2

שלב 2: תכנון המערכת – פנלים
הפנלים הם מייצרי האנרגיה. לצורך הבנת המעגל החשמלי הם מתפקדים כמו מקור מתח בזרם ישר – סוללה פשוטה עם פלוס ומינוס (רק שכאן אחרי ממיר המתח אנחנו מתחילים לעבוד בזרם חילופין).ניתן להסביר את מתח הייצור של הפנלים באנלוגיה הבאה. על מנת למלא בריכה בגובה 10 מטרים, ללא לחץ מלאכותי, נזדקק לבריכה בגובה של יותר מ – 10 מטרים. לעולם לא נוכל למלא את הבריכה הריקה באמצעות בריכה באותו הגובה (10 מטרים), או באמצעות בריכה נמוכה ממנה. באותו האופן, לעולם לא נוכל למלא מצבר בעל מתח של 24v עם מקור כוח בעל מתח של 24v או בעל מתח נמוך ממנו. על סמך העיקרון התאורטי הזה, הגדרות היצרן לפנלים ולבקר הסולארי הן כי מתח הייצור של הפנלים יהיה בסביבות 35-40V במערכת בעלת 24v.

הבקר הסולארי יודע להמיר את המתח הריאלי (35-40V) למתח המתאים לטעינת הסוללה. בנוסף, צריך לבחור כמות פנלים שתספק את הצריכה שלנו (1.5KWh ביום), כשאנחנו מעריכים כ-6 שעות של שמש מלאה ביום (08:30-14:30).

אנחנו רכשנו שני פנלים של 180W ברגע שיא (SW 180 mono – מיוצרים על ידי חברת sunmodule). מה שאומר שבפוטנציאל, הפנלים יכולים לייצר 180x2x6 (שני פנלים כפול שש שעות שמש) = 2160Wh. בפועל, ההספק אינו מגיע לפוטנציאל, לפחות לא לאורך זמן (ובטח שלא במהלך שש שעות רצופות).

אנחנו תכננו מערכת שתנצל רק 70% מהפוטנציאל (מה שמביא אותנו ל-1512Wh – שזה בדיוק הייצור היומי המשוער).

שימו לב, הזרם שכל פנל מייצר הוא סביב ה-5A. בשרטוט של החיווט (שעוד נדבר עליו) תוכלו לראות שהפנלים מחוברים בחיבור מקביל, מה שאומר שהזרם שיגיע מהפנלים הוא סביב ה-10A. זכרו זאת בסוף כשנדבר על טעינת הסוללה.

קוריוז – פעמיים, בימים הכי קשים בחורף, המערכת שלנו הגיעה לשיאים של 430W (לרגעים קלים). זה הרבה יותר מהמקסימום! הסיבות לתופעה הן שתיים: האחת, העננים מחזירים קרינה שמגבירה את הקליטה של הפנלים, והשנייה היא העובדה שטמפרטורה מעל ערך מסוים מפריעה לקליטת הפנלים.

אם כן, נראה שיש עדיפות מסוימת דווקא לעונות המעבר בהן הטמפרטורה נוחה יותר ועדיין זווית השמש גבוהה.

שלב 3

שלב 3: תכנון המערכת – בקר סולארי
הבקר הסולארי מקבל זרם ממערך של פנלים, ויודע כיצד להזרים אותו לסוללה בצורה כזאת שישמר אורך חיי הסוללה לאורך זמן. בקר MPPT, כמו שאנחנו בחרנו, בתיאוריה יכול להוציא בין 20%-30% יותר אנרגיה מהפנלים. חשוב לציין כי כשקונים בקר סולארי, יש להתחשב במתח והזרם המקסימלי שהוא יכול לקבל מהפנלים ולהתאימו לתכנון.הבקר שרכשנו הוא XANTREX XW-MPPT 60-150 . הmppt פירושו: Maximum Power Point Tracking – כלומר מכשיר המספק את האנרגיה המקסימלית האפשרית בכל רגע נתון מהפנלים לסוללה. הבקר יכול לקבל עד 60A זרם כניסה מקסימלי מהפנלים, ועד 60V מתח מערכת מקסימלי.

אם כך, מבחינת המתח המערכת היא באזור הבטוח. מבחינת הזרם, אנחנו מנצלים במצב הנוכחי (10A זרם הכניסה לבקר) רק שישית(!) מהמקסימום של הבקר. זאת כיוון שהבקר הזה יכול להחזיק גם מערכת של 9KWh, או במילים אחרות מערכת של 12 פנלים כמו אלו שחיברנו כאן.

האקסטרה המשמעותי הלז ביכולתו של הבקר הוא בכוונה, ומתוך הסתכלות קדימה על ימים בהם נרצה להגדיל את המערכת.

כשנדבר על חיווט ארון החשמל זכרו שעלינו להגן על הבקר עם מאמ”תים של 60A.

שלב 4

שלב 4: תכנון המערכת – מצבר
ישנם שני סוגי מצברים רלוונטיים למערכות סולאריות מנותקות רשת. אטומים (sealed), או בשם השני שלהם “ללא תחזוקה” (maintenance free), ו”רטובים” או “מוצפים” (wet, flooded). האטומים (מכל הסוגים – ג’ל, AGM וכו’) קלים יותר לתפעול, אך בעלי רק כרבע ממספר מחזורי טעינה של מצבר “רטוב” אמתי, כזה שמוגדר כמצבר “פריקה עמוקה” (deep cycle). משמעות הפריקה העמוקה היא שלמצבר יש יכולת להתפרק עד ל50% אחוז מהקיבולת שלו, ולהיטען מחדש ללא נזק לאורך חייו. תכונה זו מאוד חשובה במערכות סולאריות מנותקות רשת, שכן יהיו ימים שללא מקור כוח נוסף (נניח גנרטור) לא יוזן כמעט זרם למערכת בשל עננות כבדה.אם כן, אנו כבר יודעים שיקול אחד בבחירת קיבולת המצבר (האמפר-שעה) שהוא מכיל. לצורך העניין, מצבר בעל קיבולת של 240Ah במתח של 24v (כמו זה שאנחנו רכשנו), מכיל 24*240 = 5760Wh. במבט ראשון זה נראה הרבה מעל צרכי המערכת, אך בחישוב של צריכת 1.5Kw ליום, המערכת יכולה להתמודד עם צריכה של יותר מיום וחצי לפחות ללא שמש, לפני שנגיע ל-50% פריקה של הסוללה. וכמובן, שאפשר פשוט להקטין צריכה בימים אלו, ובכך להקל על המצבר.

יחד עם יתרונותיו חשוב לדעת שמצבר פריקה עמוקה לא מחזיק טוב טעינה לאורך זמן (זאת אומרת שהוא מתרוקן לאט לאט לאורך ימים ושבועות). אולם, זאת אינה בעיה גדולה כאשר גרים בישראל שטופת השמש. למשל, בשנה שעברה, כאן בישראל, לא היו יותר מיומיים וחצי רצופים ללא שמש. בנוסף, מצבר פריקה עמוקה דורש הוספת מים כשהם הולכים ואוזלים.

המצבר היה הרכיב היחידי שלא קנינו מאינטרדן, אלא ישירות מהיצרן (מצברי תעשייה לישראל), בעלות של 30% פחות מהמחיר של אינטרדן למצבר באותו סדר גודל.