איך למקסם את נצילות המערכת הסולארית באמצעות תוכנת PVSYST? ניתוח מאפיינים שונים בתוכנה המקובלת לתכנון מערכות סולאריות יכול להביא לנתוני ביצוע מדויקים יותר.
מאת שמשון רפפורט · פורסם בכתב העת "חשמל ואנרגיה", גיליון 96, מרץ 2023
כיום, לרוב, כדי לקבל הלוואה מהבנק להקמת מערכת סולארית יש להגיש דו"ח PVSYST המתעד נצילות וחיזוי תפוקות עתידיים של המערכת הסולארית, כתנאי לקבלת מימון. התוכנה התקבלה עם השנים ככלי הסימולציה הדרוש לחיזוי תפוקות סולאריות על ידי מוסדות הבנקים, וככלי הסימולציה הנחוץ וה־BENCHMARK לנצילות מערכת בכל חוזה התחייבות בין קבלן ללקוח.
חברת PVSYST, אשר יוסדה ב־1992, פותחה בשוויצריה על ידי הפיזיקאי אנדראי מרמוד והמהנדס מישל וילוז, במטרה לחקור ולסמלץ התנהגות של מערכות סולאריות שאינן מחוברות לרשת החשמל ומערכות שאיבה המחושמלות על ידי פאנלים פוטו־וולטאיים. התוכנה הוותיקה, שפותחה בהמשכיות ב־30 השנים האחרונות, מספקת תוצאות מדויקות מאוד ויש לה שימושים רבים נוספים: כלי מחקרי, כלי לסקרי כדאיות, כלי לתכנון מערכת סולארית אופטימלית, ושימושים לסיוע בניטור מערכות סולאריות.
שימוש מחקרי
מחקרית, תוכנת PVSYST שימושית ממגוון סיבות: התוכנה מציעה 122 נתונים ברזולוציה שעתית לאורך שנה, הכוללים נתונים המגדירים את גיאומטריית השמש, נתונים מטרולוגיים, נתוני משני טרנספוזיציה המיושמים בסימולציה, נתוני התנהגות קרינה, פקטורים לנצילות מערכת סולארית, נתוני התנהגות חשמלית של המערכת בצד ה־DC, פירוט הפסדי ממירים, תפוקות סופיות, נצילות רכיבי המערכת, ונתונים המיושמים לשיקולים כלכליים. מגוון אנשי מקצוע צורכים נתונים מסוגים אלה, ותוכנת PVSYST היא תוכנה שימושית לקבלתם.
הערכת טיב תפוקה
דוח ה־PVSYST נחשב כאחד המסמכים הטכניים החשובים שבין החברה היזמית והחברה המבצעת – לא רק בגלל שהדו"ח קריטי בתכנון המערכת ומכיוון שהוא שימושי ליזם לחיזוי החזר ההשקעה, אלא גם בגלל הגדרת ערך יחס הביצועים שדרוש שהקבלן המבצע יעמוד בו כדי למסור את האתר.
לפני מסירת האתר נהוג לבדוק יחס ביצועים בין 5 ימים ל־14 ימים רציפים, ולוודא שיחס ביצועי המערכת הממשיים גדול מיחס הביצועים המפורט בדו"ח ה־PVSYST, באמצעות השוואת יחס הביצועים הממשי ביחס לדוח PVSYST שהורץ על נתונים עכשוויים מחיישני טמפרטורה וסביבה המותקנים באתר. אם אין חיישן קרינה באתר שבו דרוש לבדוק יחס ביצועים, אך יש חיישן יחסית קרוב באוריינטציה שונה, אפשר להמיר את תוצאות סימולציית PVSYST עם נתוני הקרינה מהאתר השכן.
בדיקת כדאיות
תוכנת PVSYST מאפשרת בדיקת כדאיות, משום שהיא מספקת נתוני תפוקה ויחסי ביצועים תחת היבטי תכנון שונים כגון זווית הפאנל, אזימוט המערכת, מרחק בין שתי שורות של שולחנות פאנלים (המכונה פיטצ'), וגובה הפאנל מהקרקע (כשהמערכת מתוכננת עם פאנל bifacial המייצר חשמל גם מקרינה חוזרת מהקרקע). לתוכנה עוד משתנים רבים שישנו את תוצאות הסימולציה, הנמצאים בשליטת המתכנן.
כלי שימושי בפיויסיסט מאפשר לברר את ההטיה האופטימלית. ניתן לראות שלאתר המוגדר בבקעת הירדן, בין מושב מחולה למורדות מעלה גלבוע, הזווית האופטימלית לנצילות מערכת הגבוהה ביותר דורשת כ־30 מעלות הטיה לפאנל ואזימוט של אפס מעלות. בנוסף, בהזנת נתוני הטיה של 15 מעלות ואזימוט 25 מעלות, התוכנה מספקת את יחס הקרינה המתקבלת במישור הפאנל לעומת קרינה הוריזונטלית, אחוז ההפסד מהאוריינטציה האופטימלית, והתפוקה השנתית למטר רבוע במישור הפאנל. כך שאם תתוכנן מערכת סולארית ב־15 מעלות ואזימוט 25 מעלות במקום ב־30 מעלות ואפס אזימוט, כמות הקרינה המישורית המגיעה לפאנל תופחת ב־3.2%.
הנתונים המטרולוגיים (METEO)
הנתונים המטרולוגיים המיובאים לתוכנת PVSYST בקבצי METEO יכולים להגיע ממספר מקורות:
| מקור הנתונים | פירוט |
|---|---|
| Meteonorm 8.0 | נתונים המסופקים ל־PVSYST על ידי חברת Meteonorm ברזולוציה חודשית, שהתוכנה ממירה לנתונים סינתטיים שעתיים באמצעות אלגוריתם Meteonorm 8.1. הגרסה הראשונה יצאה ב־1997 עם PVSYST V3.0, והגרסאות האחרונות כוללות את V7.2 מ־2017, V7.3 מ־2019, V8.0 מ־2020, ונכון להיום V8.1 מאז 2021. הנתונים כוללים קרינה, כמות הקרינה המתפזרת באטמוספרה, טמפרטורת סביבה, מהירות רוח, עכירות קישור ולחות יחסית. מהווים את מאגר המידע השכיח ביותר למתכננים ב־PVSYST. |
| PVGIS TMY | נתונים המבוססים על הנתונים העדכניים ביותר של מרכז המחקר המשותף של הנציבות האירופית (JRC), המשקפים שנה מטרולוגית טיפוסית לאחר אינטרפולציה של כל השנים במאגר. ב־PVSYST זמינות שתי גרסאות, 5.1 ו־5.2. גרסה 5.1 כוללת קרינה מישורית, קרינה מתפזרת, טמפרטורת סביבה, מהירות רוח ולחות יחסית. |
| NASA-SSE | נתונים שאינם תמיד מדויקים (במיוחד באזורים הרריים) אך זמינים בכל העולם. כוללים קרינה, קרינה מתפזרת וטמפרטורת סביבה. |
| NSRDB | נתונים המוצעים על ידי מרכז המחקר NREL. זמינים רק לצפון אמריקה, לחלק ממרכז ודרום אמריקה, ולחלק מהמזרח הרחוק (חלקים מהודו, בנגלדש, מיאנמר, פקיסטן ואפגניסטן). |
| SOLCAST | נתונים המוצעים דרך API ישירות לתוכנת PVSYST, לאחר תשלום. |
| SolarAnywhere | נתונים המוצעים דרך API ישירות לתוכנת PVSYST, לאחר תשלום. |
| SolarGIS | נתונים המוצעים על ידי חברת SOLARGIS, אך ללא API ישיר ל־PVSYST. SolarGIS היא המקור הנפוץ לרכישת נתונים מטרולוגיים בתחום הסולארי בישראל. |
| Custom file – imported | הרצת סימולציה עם נתונים מותאמים אישית שהתקבלו מהאתר. השימוש הנפוץ הוא בבדיקת יחס הביצועים: בתהליך מסירת אתר ליזם נהוג להריץ את הסימולציה המקורית שעליה נחתם ההסכם עם נתונים עכשוויים למשך ימי הבדיקה. |
מקור הנתונים המטרולוגיים משפיע משמעותית על כמות הקרינה ועל תפוקת המערכת בסימולציה. למשל, נתוני PVGIS 5.1 מראים שבסימולציה לצד מושב מחולה שבבקעה הקרינה גדולה ב־11% מנתוני Meteonorm 8.0. משמע, הנתונים המטרולוגיים של PVGIS 5.1 מספקים את נתוני הקרינה הגבוהים ביותר, ונתוני Meteonorm 8.0 מספקים את הנתונים השמרניים ביותר מכל הנתונים הזמינים בחינם ב־PVSYST. עם זאת, כשמביטים בתוצאות חישוב יחס הביצועים (Performance Ratio) רואים שלנתוני NASA-SSE ול־PVGIS 5.1 יחסי הביצוע הנמוכים ביותר.
בנוסף להבדלים בקרינה, נתוני טמפרטורת הסביבה בין המקורות המטרולוגיים שונים אף הם משמעותית, ולא בקשר ישיר לכמות הקרינה. אף שנתוני Meteonorm 8.0 מספקים את נתוני הקרינה הנמוכים ביותר, נתוני טמפרטורת הסביבה שלהם גבוהים מנתוני NASA-SSE ומנתוני PVGIS 5.2.
מודל הטרנספוזיציה
ישנם שני מודלים לחישוב הקרינה במישור מוטה מנתוני הקרינה האופקיים: מודל Hay ומודל Perez. ההבדל בסימולציה מתבטא בחישוב הקרינה המפוזרת באטמוספירה עקב נתוני הקרינה האופקיים. מודל Hay עדיף כשנתוני הקרינה אינם שלמים, ומודל Perez עדיף כשיש מדידות טובות של נתוני קרינה אופקיים. סוג המודל הנבחר משפיע על תרומת אוריינטציית המערכת ועל נצילות הצד האחורי של הפאנל (אם מסומלץ פאנל bifacial).
כש־PVsyst סימלצו את שתי שיטות המידול במספר אתרים בשוויצריה, נמצא שהשוואת השגיאות הממוצעות של שני המודלים (MBE) מראה הבדל שיטתי של 1.8%–2.2%. מאז גרסה 6 של PVSYST (כיום אנחנו בגרסה 7) ברירת המחדל היא מידול Perez, לאחר שנקבע כמדויק יותר יחסית ונותן תפוקות גבוהות ב־0%–2% ממודל ה־Hay. בהשוואת תפוקות של מודל Hay לעומת מודל Perez לאתר במחולה שבבקעה נמצאה תפוקה גבוהה ב־0.92% לטובת מודל Perez, ויחס ביצועים גבוה ב־0.21% לטובת מודל Hay.
מערכות Bifacial: מה קובע את נצילות הצד האחורי
תוכנת PVSYST היא כלי מצוין להבנת השפעות שונות על מאפיינים שונים של הפאנל הסולארי, כמו השפעת גובה, הטיה, PITCH ואלבידו על נצילות הצד האחורי של הפאנל (Bifacial). מספר רב של מאפיינים משפיעים על נצילות הצד האחורי, והמשמעותיים שבהם הם:
| מאפיין | השפעה על תפוקת הצד האחורי |
|---|---|
| Pitch | המרחק בין שורות הקונסטרוקציה. ככל שהמרחק גדול יותר, כך יותר אור מגיע לצד האחורי. שינוי בין 8 מטר פיטצ' ל־9 מטר פיטצ' הגדיל את תפוקת הפאנל מ־1.93% ל־2.64%. |
| Bifaciality factor | יחס נצילות הצד האחורי ביחס לצד הקדמי. ערך זה מוגדר על ידי יצרן הפאנלים בקובץ PAN ולא מומלץ לשנותו. ברירת המחדל ב־PVsyst נלקחת אוטומטית מקובץ ה־PAN של הפאנל. |
| Height above ground | גובה הפאנל מהקרקע. שינוי גובה הפאנל מ־0.6 מטר ל־2 מטר הגדיל את תפוקת הצד האחורי מ־2.64% ל־3.90% – גדילה של 15%. |
| Ground albedo | אחוז הקרינה החוזרת מהקרקע. שינוי מ־20% אלבידו ל־30% אלבידו הגדיל את תפוקת הצד האחורי מ־1.88% ל־2.64% – עלייה של 78%. |
| Rear shading factor | מקדם הצללה אחורית. ככל שההצללות גבוהות יותר, כך יורדות תפוקות הצד האחורי. |
| Mismatch loss factor | מקדם הפסדים עקב חוסר התאמה באיכות התאים הסולאריים בצד האחורי של הפאנל. |
| Shed transparent fraction | מעבר קרינה דרך הצד הקדמי לצד האחורי ולקרקע, וחזרה לצד האחורי – יגדיל את תפוקת הצד האחורי. |
בחקר השפעת גובה הפאנל והאלבידו על תפוקות המערכת בוצעו תשע סימולציות, שבהן נבדקה השפעת גובה תחתית הפאנל בגבהים 0.5 מטר, 2 מטר ו־4 מטר, ואחוז אלבידו (הקרינה החוזרת) מהקרקע של 30%, 60% ו־90%. בנוסף בוצעו שלוש סימולציות לבדיקת השפעת הגדלת המרווח בין שורות הפאנלים, כאשר אחוז האלבידו 30% וגובה הפאנלים 4 מטר.
הגדלת המרווח בין שורות הפאנלים משמעותית להגדלת תפוקות הצד האחורי. הגדלת המרווח מ־2 מטר ל־4 מטר תשפר את תפוקות המערכת ב־3.66%, בעוד שהגדלה נוספת מ־4 מטר ל־6 מטר תשפר את התפוקות באחוז נוסף בלבד.
תוצאות בדיקת תפוקת הצד האחורי של הפאנל, כתלות בגובה תחתית הפאנל, אחוז האלבידו והמרווח בין השורות, מעידות שהשינוי המשמעותי ביותר בתפוקת הפאנל נגרם מהגדלת המרווח בין שורות הפאנלים מ־2 מטר ל־4 מטר, ומהגדלת האלבידו כשגובה תחתית הפאנל 2 מטר. תוצאות אלה מעידות שפיתוח אגרו־וולטאי בשילוב מערכות PV, המאפשר קונסטרוקציית פאנלים גבוהה, מרווח גדול בין שורות, ופוטנציאל לשימוש בקרקע עם ערך אלבידו גבוה, יכול להגדיל את תפוקות המערכת בכ־4%–5%.
סיכום
דוח ה־PVSYST הוא אחד המסמכים החשובים בהשקעה במערכת סולארית, עקב התחייבות היזם לבנק והתחייבות הקבלן המבצע ליזם, אשר מסתמכות על תוצאות הדוח כחלק מההסכם. הבנה של ההבדלים בין סוגי הנתונים המטרולוגיים בתוכנת PVSYST מאפשרת למתכנן וליזם לקבל החלטות נכונות ולהבין מהן השלכות תוצאות הסימולציה. במאמר זה הוצגו גם תוצאות אופטימיזציה למערכת BIFACIAL, המעידות על פוטנציאל להגדיל תפוקות של מערכת סולארית משמעותית באתרים שבהם גובה הפאנל גבוה, המרווח בין השורות גדול והאלבידו גבוה.
שמשון רפפורט הוא מהנדס חשמל, בעל תואר B.Sc. בהנדסת חשמל ו־B.A. במתמטיקה מאוניברסיטת קולורדו, עם ניסיון רב בתכנון, פיקוח, ניטור, ניתוח ואינטגרציית תוכנה וחומרה בתחום האנרגיה הסולארית. שותף במשרד מורן מהנדסים לתחום התכנון המתקדם.
© כל הזכויות על המאמר שמורות לשמשון רפפורט. פורסם לראשונה בכתב העת "חשמל ואנרגיה", גיליון 96, מרץ 2023. מובא כאן באישור המחבר. התרשימים שורטטו מחדש על בסיס הנתונים שבמאמר המקורי.
← חזרה לכל המאמרים בתכנון מערכות ייצור חשמל
תכנון מערכת ייצור חשמל למתקן שלכם
מגנרטורים ועד תחנת כוח, מהבדיקה הראשונית ועד ההכנסה לניצול. פנו למשרד לתיאום פגישת ייעוץ.
