השפעת הצללה על תפוקת המערכת הסולארית: מדריך פשוט
האם אי פעם חשבתם איך השמש הופכת לחשמל? זה קורה בזכות מערכות סולאריות, אותן לוחות מיוחדים שאנו רואים לפעמים על גגות של בתים או בחוות סולאריות גדולות בשדות. לוחות אלו, הנקראים פאנלים סולאריים, הם כמו קסם שהופך את אור השמש לאנרגיה חשמלית שבה אנו יכולים להשתמש כדי להאיר את הבית, להפעיל מכשירים ואפילו לטעון טלפונים. זהו דרך נהדרת להשתמש באנרגיה נקייה וירוקה, וגם יכולה לעזור לחסוך כסף בטווח הארוך או אפילו לייצר הכנסה.
אבל מה קורה אם משהו מפריע לשמש להגיע לפאנלים? בדיוק כמו שאם נסתיר את העיניים שלנו, לא נוכל לראות, אם משהו מסתיר את הפאנל הסולארי, הוא לא יכול "לראות" את השמש כמו שצריך, וזה משפיע על כמות החשמל שהוא מייצר. ההסתרה הזו נקראת הצללה, והיא אחד הדברים החשובים ביותר שיש להבין כשמדברים על מערכות סולאריות. במאמר הזה, נצלול לעומק עולם ההצללה ונבין למה היא חשובה כל כך ואיך היא משפיעה על תפוקת החשמל של המערכת שלנו.
מהי הצללה במערכת סולארית?
במילים פשוטות, הצללה היא כל מצב שבו משהו חוסם את אור השמש מלהגיע לפני הפאנל הסולארי. זה יכול להיות משהו גדול כמו בניין גבוה או עץ גדול, או משהו קטן יותר כמו עלה שנופל על הפאנל, לשלשת ציפורים, או אפילו אבק ואבקנים שמצטברים עליו.
ישנם סוגים שונים של הצללה, וחשוב להבדיל ביניהם כי ההשפעה שלהם על המערכת יכולה להיות שונה:
- הצללה קשה: זוהי הצללה שנגרמת על ידי עצמים מוצקים שחוסמים לחלוטין את אור השמש מלהגיע לחלק מסוים של הפאנל או הפאנל כולו. דוגמאות לכך הן בניינים סמוכים, עצים, עמודי חשמל, אנטנות, ארובות, ואפילו עלים גדולים או שלג שמצטברים על הפאנל. הצללה קשה נחשבת לרוב לבעייתית ביותר.
- הצללה רכה: זוהי הצללה שנגרמת על ידי עצמים או תופעות שמפחיתות את כמות אור השמש המגיעה לפאנל, אך לא חוסמות אותה לחלוטין. הדוגמה הנפוצה ביותר היא עננים, שמפחיתים את עוצמת השמש ומפזרים את האור. גם אובך כבד או ערפל יכולים לגרום להצללה רכה. הצללה רכה משפיעה על כל הפאנלים באזור בערך באותה מידה, והיא פשוט מפחיתה את התפוקה הכוללת של המערכת בזמן שהיא קיימת.
- הצללה חלקית: מצב שבו רק חלק מהפאנל מוצל, או שרק חלק מהפאנלים במערכת מוצלים. למשל, ענף עץ שמטיל צל צר וארוך על פאנל אחד או שניים. הצללה חלקית, במיוחד אם היא קשה, יכולה להיות בעלת השפעה גדולה יותר ממה שהייתם חושבים, כפי שנראה בהמשך.
- הצללה מלאה: מצב שבו פאנל שלם או קבוצת פאנלים מוצלים לחלוטין.
חשוב גם לזכור שההצללה אינה תמיד קבועה. הצללים משתנים במהלך היום כשהשמש נעה בשמיים, והם משתנים גם במהלך השנה בגלל השינוי בזווית השמש. עץ שקטן ולא מטיל צל בחורף יכול להיות עתיר עלווה ולהטיל צל גדול בקיץ. בניין קרוב עשוי להטיל צל רק בשעות הבוקר המוקדמות או הערב המאוחרות. לכן, כאשר בודקים את נושא ההצללה, חשוב להסתכל על התמונה המלאה – מה מטיל צל, מתי ובאיזו מידה, לאורך כל שעות האור וכל עונות השנה.
למה הצללה היא בעיה כל כך גדולה?
אז הבנו מהי הצללה. אבל למה זה כזה עניין גדול? הרי אם חצי פאנל מוצל, היינו מצפים שהוא פשוט ייצר חצי מהחשמל שהוא אמור לייצר, נכון? ובכן, לצערנו, זה לא עובד ככה בדיוק. ההשפעה של הצללה, במיוחד הצללה חלקית קשה, יכולה להיות גדולה בהרבה מהשטח המוצל עצמו.
כדי להבין את זה, צריך להבין איך פאנל סולארי בנוי. פאנל מורכב מהרבה תאים סולאריים קטנים, כמו לבנים קטנות שמחוברות יחד. כל תא כזה מייצר כמות קטנה של חשמל כשהוא נחשף לאור שמש. התאים האלו מחוברים יחד בתוך הפאנל, לרוב בסדרות. חשבו על זה כמו על צוות של רצים בתחרות שליחים. אם כל הרצים רצים מהר, כל הקבוצה תגיע ראשונה. אבל אם רץ אחד בקבוצה פתאום מאט או אפילו עוצר, זה ישפיע על כל הקבוצה כולה, כי כולם מחוברים. הם לא יכולים להמשיך לרוץ קדימה אם הרץ הקודם לא העביר להם את ה"שרביט".
בפאנל סולארי, התאים שמקבלים הרבה אור שמש "רצים מהר" ומייצרים חשמל. התאים שמוצלים "מאטים" או אפילו "עוצרים". מכיוון שהם מחוברים יחד בסדרה, התאים האיטיים או העצורים האלו יוצרים "פקק" או "צוואר בקבוק" שמאט את זרם החשמל של כל סדרת התאים שבה הם נמצאים. במקום פשוט לא לייצר חשמל, התאים המוצלים יכולים אפילו להפוך למכשול אקטיבי שצורכים חשמל מהתאים האחרים שמייצרים חשמל, ואף עלולים להתחמם יתר על המידה.
כדי למנוע נזק ולנסות לצמצם את ההשפעה, בפאנלים סולאריים מודרניים מותקנים רכיבים מיוחדים הנקראים דיודות מעקף (Bypass Diodes). דיודות אלו הן כמו "נתיבי עוקף" קטנים. אם חלק מסוים של הפאנל (או קבוצת תאים בתוך הפאנל) מוצל באופן משמעותי, דיודת המעקף פועלת ומאפשרת לזרם החשמל לזרום מסביב לחלק המוצל, במקום לעבור דרכו. זה עוזר למנוע את העצירה המוחלטת של הפקת החשמל וגם מגן על התאים המוצלים מפני התחממות יתר.
עם זאת, גם עם דיודות מעקף, הצללה עדיין מפחיתה את התפוקה. הסיבה היא שאמנם החשמל זורם מסביב לחלק המוצל, אבל החלק המוצל עדיין לא מייצר חשמל. בנוסף, הפעלת דיודת המעקף גורמת לעיתים לירידה קטנה במתח של הפאנל כולו. אם פאנל אחד בתוך שורה של פאנלים (מה שנקרא "סטרינג" או מחרוזת) מוצל ומפעיל את הדיודות שלו, זה יכול להשפיע על כל הסטרינג כולו.
השפעת סוג ההצללה על התפוקה – דוגמאות
ההשפעה של הצללה תלויה בסוג ההצללה, עוצמתה, משך הזמן שלה, והיכן בדיוק היא ממוקמת על הפאנל או במערכת. הנה כמה דוגמאות פשוטות:
- צל קטן וצר: צל מענף דק או כבל חשמל שנמצא ממש קרוב לפני הפאנל יכול להיות בעל השפעה גדולה יחסית לגודלו. אם הצל עובר לרוחב שורה של תאים בתוך הפאנל, הוא עלול להשפיע על כל אותה שורה, גם אם רוב התאים באותה שורה אינם מוצלים.
- צל רחב וחלקי: צל מחלק מבניין גבוה שמכסה רבע מהפאנל בצד אחד. אם הצל מכסה קבוצת תאים שלמה המוגנת על ידי דיודת מעקף, ההשפעה תהיה שהחלק המוצל לא מייצר חשמל, והשאר ממשיך לייצר, אך עם ירידה קטנה ביעילות הכללית של הפאנל.
- צל מלא על פאנל אחד: אם פאנל שלם מוצל (למשל, בגלל אנטנה שממוקמת מעליו), הפאנל הזה לא ייצר חשמל. אם הפאנל הזה מחובר בסדרה (בסטרינג) עם פאנלים אחרים, הוא עלול להפחית משמעותית את התפוקה של כל הסטרינג, אלא אם כן המערכת כוללת פתרונות מיוחדים.
- אבק ולכלוך: הצטברות עדינה של אבק או אבקה על פני כל הפאנלים גורמת להצללה רכה ואחידה יחסית שמפחיתה את כמות האור המגיעה לפאנלים כולם. זה כמו לשים משקפי שמש – עדיין רואים, אבל פחות טוב. הצטברות כזו יכולה להפחית את התפוקה הכוללת בכמה אחוזים, ולעיתים אף יותר, במיוחד באזורים מאובקים.
- שלג: שלג שמצטבר על הפאנלים יכול לחסום לחלוטין את אור השמש. אם השלג מכסה את כל הפאנלים, המערכת לא תייצר חשמל כלל. גם הצללה חלקית משלג (למשל, אם רק החלק התחתון של הפאנל מכוסה) יכולה להשפיע משמעותית.
בסך הכל, הצללה, גם אם היא קטנה, יכולה לפגוע באופן משמעותי ביכולת המערכת הסולארית להפוך אור שמש לחשמל. לכן, מומחים המתכננים מערכות סולאריות מקדישים תשומת לב רבה לנושא ההצללה עוד לפני שהפאנלים מותקנים.
כיצד מזהים ומודדים הצללה פוטנציאלית?
זיהוי הצללה פוטנציאלית הוא חלק קריטי בתכנון ובהתקנה של מערכת סולארית יעילה. לפני שמתקינים את הפאנלים, בודקים היטב את המקום שבו רוצים להתקין אותם. הנה כמה דרכים שבהן עושים זאת:
- סקירת אתר פיזית: איש מקצוע שמגיע למקום בודק את הגג או השטח המיועד. הוא מחפש אחר עצמים שיכולים להטיל צל כמו עצים, בניינים שכנים, ארובות, גופי אוורור, דודי שמש, אנטנות וכל דבר אחר שנמצא בסביבה או על הגג עצמו.
- שימוש בכלי מדידה וניתוח: ישנם כלים מיוחדים שיכולים לעזור. לדוגמה, ישנם מכשירים שמכניסים את המיקום הגאוגרפי ואת התאריך והשעה, והם מראים היכן השמש תהיה בשמיים בכל שעה נתונה של היום ובכל עונה. מודדים את הגובה והמרחק של עצמים שעלולים להטיל צל, ומשתמשים בנתונים אלו כדי לחשב את הצל שהם יטילו על מיקום הפאנלים המוצע.
- צילום ותוכנות מחשב: מצלמים את אזור ההתקנה ומזינים את התמונות לתוכנות מחשב מיוחדות. תוכנות אלו יכולות לדמות את תנועת השמש בשמיים ולהראות בדיוק היכן וכיצד יופיעו הצללים על הפאנלים המוצעים לאורך כל שעות היום וכל השנה.
- בדיקת צילומים אוויריים או לווייניים: לפעמים, תמונה מהאוויר יכולה לעזור לזהות מכשולים גדולים בסביבה כמו עצים ענקיים או בניינים גבוהים במרחק.
המטרה של כל הבדיקות האלו היא להבין מראש כמה אור שמש הפאנלים באמת יקבלו, ולא רק כמה שמש "יש" באזור באופן כללי. על בסיס המידע הזה, אפשר לתכנן את מיקום הפאנלים בצורה הטובה ביותר כדי למנוע הצללה כמה שאפשר. אם אי אפשר להימנע לחלוטין מהצללה בחלק מהזמן, התכנון יאפשר להבין כמה תפוקה צפויה המערכת תייצר בפועל.
פתרונות לצמצום השפעת ההצללה
למרבה המזל, יש דרכים להתמודד עם הצללה ולצמצם את ההשפעה השלילית שלה. חלק מהפתרונות קשורים לתכנון המערכת לפני ההתקנה, ואחרים קשורים לתחזוקה שוטפת.
פתרונות תכנון והתקנה:
- בחירת המיקום הטוב ביותר: זהו הצעד החשוב ביותר. לאחר שמבצעים את בדיקות ההצללה שתוארו קודם, בוחרים את המקום על הגג או בשטח שיש בו הכי פחות הצללה לאורך רוב שעות היום ורוב ימות השנה. לפעמים, עדיף להתקין פחות פאנלים במקום מצוין מאשר יותר פאנלים במקום שבו יש הצללה משמעותית.
- הטיה וכיוון נכונים: את הפאנלים מתקינים בזווית הטיה מסוימת ובכיוון מסוים (לרוב דרומה בישראל) כדי לקלוט את מרב אור השמש הישיר לאורך היום והשנה. תכנון נכון של ההטיה והכיוון יכול לעזור גם למזער הצללה מעצמים קבועים כמו ארובות או גגות שכנים.
- שימוש בטכנולוגיות אלקטרוניקה הספק (Power Electronics):
- אופטימייזרים (Optimizers): אלו מכשירים קטנים שמתקינים מתחת לכל פאנל או מתחת לקבוצה קטנה של פאנלים. כל אופטימייזר עוקב אחר נקודת ההספק המקסימלי של הפאנל שלו באופן עצמאי. אם פאנל אחד מוצל, האופטימייזר שלו דואג שהפאנל הזה ייצר את המקסימום האפשרי בתנאי ההצללה שלו, מבלי להשפיע על פאנלים אחרים בסטרינג שאינם מוצלים. זה כמו לתת לכל רץ בצוות מאמן אישי שדואג שהוא ירוץ הכי טוב שהוא יכול, גם אם הוא קצת פצוע או עייף.
- מיקרו-אינוורטרים (Microinverters): אלו מכשירים שמחוברים גם כן מתחת לכל פאנל (או לזוג פאנלים). ההבדל העיקרי מאינוורטרים רגילים (שאליהם מחוברים מספר רב של פאנלים יחד) הוא שכל מיקרו-אינוורטר ממיר את זרם החשמל של הפאנל שלו מזרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC) באופן עצמאי. המשמעות היא שכל פאנל פועל לחלוטין באופן עצמאי. אם פאנל אחד מוצל, זה משפיע רק עליו ורק על המיקרו-אינוורטר שלו, ולא על הפאנלים האחרים במערכת. זה כמו שלכל רץ בקבוצת השליחים יש מסלול משלו והוא מגיע ליעד באופן עצמאי לחלוטין, בלי קשר למהירות של הרצים האחרים. פתרונות אלו (אופטימייזרים ומיקרו-אינוורטרים) נחשבים ליעילים מאוד בהתמודדות עם הצללה חלקית, אך הם בדרך כלל מייקרים את עלות המערכת הראשונית.
- התקנה גבוהה יותר: במקרים מסוימים, ניתן להרים את הפאנלים מעל הגג או מעל מכשולים קטנים באמצעות מבני התקנה מיוחדים כדי למנוע מהם להיות מוצלים על ידי עצמים נמוכים יותר על הגג (כמו ארובות קטנות או דודי שמש ישנים).
פתרונות תחזוקה שוטפת:
- גיזום עצים וצמחייה: אם מקור ההצללה הוא עצים או צמחייה שצומחים בסביבה, גיזום קבוע שלהם יכול למנוע מהם להטיל צל על הפאנלים, במיוחד בעונות בהן העלווה צפופה.
- ניקיון הפאנלים: כפי שהוזכר קודם, אבק, לכלוך, לשלשת ציפורים ועלים יכולים לגרום להצללה משמעותית. ניקיון תקופתי של הפאנלים, במיוחד באזורים מאובקים או בתקופות יבשות, חיוני כדי לשמור על תפוקה מקסימלית. גשם יכול לעזור בניקוי, אך לרוב אינו מספיק כדי להסיר הצטברות קשה.
- הסרת שלג: באזורים קרים שבהם יורד שלג, יש להקפיד על הסרת השלג מהפאנלים כדי לאפשר להם לייצר חשמל. יש לעשות זאת בזהירות כדי לא לפגוע בפאנלים.
- ניטור המערכת: מערכות סולאריות רבות כיום כוללות מערכות ניטור שמראות בזמן אמת כמה חשמל כל פאנל (או קבוצת פאנלים) מייצר. אם מזהים שפאנל מסוים מייצר פחות חשמל באופן עקבי, זה יכול להיות סימן שהוא מוצל (או שיש לו בעיה אחרת), ואז אפשר לבדוק ולטפל בבעיה.
ניהול נכון של הצללה, הן בשלב התכנון והן בשלב התחזוקה, הוא המפתח להבטחת שהמערכת הסולארית תעבוד ביעילות ותייצר את כמות החשמל המירבית האפשרית.
למה כל זה חשוב מההיבט הכלכלי?
מערכות סולאריות הן השקעה לטווח ארוך. אנשים וגופים שמתקינים מערכות כאלה עושים זאת מסיבות רבות, ביניהן הרצון להשתמש באנרגיה נקייה וגם כדי לחסוך בהוצאות חשמל, או במקרים מסוימים אף לייצר הכנסה ממכירת חשמל לחברת החשמל. האנרגיה שהמערכת מייצרת שווה כסף. פחות אנרגיה מיוצרת משמעותה פחות כסף נחסך או פחות כסף נכנס.
הצללה, כאמור, מפחיתה את כמות החשמל שהמערכת יכולה לייצר. אפילו הצללה קלה שנמשכת רק חלק קטן מהיום יכולה להצטבר להפסד משמעותי באנרגיה לאורך שבוע, חודש, ושנה. לאורך 20 או 25 שנה, שהיא לרוב תקופת הפעילות של מערכת סולארית, ההשפעה המצטברת של הצללה לא מטופלת יכולה להיות גדולה מאוד ולפגוע באופן משמעותי בתשואה מההשקעה במערכת.
לכן, הבנה של נושא ההצללה, בדיקה יסודית לפני ההתקנה, בחירת פתרונות טכנולוגיים מתאימים (כמו אופטימייזרים או מיקרו-אינוורטרים אם יש צורך) ותחזוקה שוטפת (ניקיון, גיזום) הם צעדים חיוניים כדי להבטיח שהמערכת הסולארית תספק את הביצועים הטובים ביותר האפשריים. זה כמו לנהל כל השקעה כלכלית אחרת – צריך לוודא שהנכס עובד בצורה הכי יעילה שהוא יכול כדי למקסם את התועלת ממנו.
אם המערכת מייצרת יותר חשמל, אתם משתמשים ביותר חשמל "חינם" מהשמש (או מוכרים אותו), וחוסכים או מרוויחים יותר כסף. טיפול נכון בהצללה הוא חלק בלתי נפרד מהבטחת הרווחיות והכדאיות הכלכלית של המערכת הסולארית שלכם לאורך שנים רבות.
סיכום
ראינו שהשמש היא המנוע של המערכת הסולארית, ושכל דבר שמפריע לאור השמש להגיע לפאנלים – כלומר, הצללה – עלול לפגוע משמעותית בתפוקת החשמל שלה. הבנו שהצללה חלקית יכולה להיות בעייתית במיוחד בגלל האופן שבו תאים סולאריים מחוברים יחד.
למדנו גם שקיימות דרכים רבות להתמודד עם ההצללה: החל מתכנון חכם לפני ההתקנה שכולל בחירת המיקום הטוב ביותר ובדיקה יסודית של כל גורמי ההצללה הפוטנציאליים, דרך שימוש בטכנולוגיות מתקדמות כמו אופטימייזרים ומיקרו-אינוורטרים שמסייעים לכל פאנל לעבוד באופן עצמאי, וכלה בתחזוקה שוטפת כמו ניקיון הפאנלים וגיזום צמחייה.
הצלחה של פרויקט סולארי, הן מבחינה טכנית והן מבחינה כלכלית, תלויה במידה רבה בהבנה וטיפול בנושא ההצללה. דאגה לנושא זה מבטיחה שהמערכת תמשיך לייצר חשמל בצורה מיטבית, ותספק את מלוא הפוטנציאל שלה לחסוך כסף או לייצר הכנסה לאורך שנים רבות. כמו בכל השקעה, תכנון נכון ותחזוקה שוטפת הם המפתח להצלחה.