מאמר: תקינה בתחום התאים הפוטו-וולטאים

תאריך: 27/12/2010

מיכל פילוסוף

מיכאל שיינגרט

מכון התקנים הישראלי


נושא הפקת אנרגיה חשמלית ממקורות מתחדשים בכלל וממקור סולארי בפרט הפך זה מכבר לסיסמא השגורה בפי אנשי ציבור, תעשייה, אקדמיה, ממשל וחוק. מחד, הדרישה לאנרגיה ברמה העולמית הולכת וגדלה ועל פי נתוני ה- US Energy Information Administration התחזית היא שהדרישה תגדל בלמעלה מ- 40% ב- 25 השנים הקרובות. מאידך, מדינות העולם שואפות להקטנת ההשפעות הסביבתיות השליליות הנובעות מיצירת אנרגיה ממקורות מתכלים, וזאת במסגרת המחויבות לקיימות (sustainability).

במאמר זה נתייחס לטכנולוגיית ייצור חשמל ממקור סולארי במערכות פוטו- וולטאיות (PV) מנקודת מבט של התקינה, נציג את מצב התקינה בארץ ובעולם בתחום זה וננסה להראות עד כמה היא משמעותית בכל הנוגע למינוף ושווק של טכנולוגיה זו בפרט ושל חדשנות בכלל.

תקינה מהווה בסיס לשת"פ וולונטרי בין גורמים בתעשייה, צרכנים, מחוקקים ובעלי עניין כאשר לנגד עיניה ניצבים שני עקרונות מנחים: שקיפות וקונצנזוס. טכנולוגיות חדשניות שמקורן במחקר ופיתוח מדעיים, יקודמו ולא יישארו בגדר רעיונות כתובים על הנייר, אם יקבלו את הסיוע המתאים לצורך הפצתן בהצלחה אל השוק. תקינה היא אחד האמצעים החשובים ביותר שקיימים לצורך הגשמת מטרה זו. למעשה, התקינה היא כמו חמצן לנשימה עבור קידום חדשנות; תקנים מהווים אמצעי להפצת מידע ותשתית לשיטות בדיקה של מוצרים. תקנים מבטיחים אמינות של מוצרים ומאפשרים עבודה אפקטיבית של השוק, מעודדים סחר ומקלים על הכניסה לשוק הגלובלי. מעבר לכך, עמידה בתקנים בינלאומיים מהווה תנאי הכרחי לשיווק טכנולוגיות בעולם, ובמקביל תורמת לשיפור הביצועים הטכנולוגיים הלאומיים.

פיתוחים רבים בתחום ייצור אנרגיה חשמלית ממקור סולארי קיימים בארץ ובעולם. מדובר על תחום שנמצא בתנופה אדירה במרבית הארצות המתועשות ועומד בחזית המחקר והטכנולוגיה וקיום תקינה בתחום זה הינו הכרחי. התקינה הזרה בתחום נחלקת בעיקר בין גופי התקינה הבאים:

 

  1. תקינה בינ"ל - קיימים שני ארגוני תקינה בינ"ל. האחד, ISO, עוסק בתקינה למדידת קרינה סולארית והשני, IEC, מספק התייחסות להיבטים החשמליים של המערכות הפוטו-וולטאיות.
  2. תקינה אמריקנית - בארה"ב פועלים מספר גופי תקינה, כאשר כל אחד מתמקד ב"נישה" הייחודית לו: UL עוסק בהיבטי בטיחות אש של המערכות, IEEE עוסק בדרישות חיבור מערכות לרשת החשמל, ASTM מתמקד בשיטות בדיקה.

 

בכל הקשור לנושאי בטיחות, התקן המוביל בעולם הוא תקן IEC 61730 שמתאר דרישות בסיסיות (בחלקו הראשון) ושיטות בדיקה (בחלקו השני) לבניית מודולי PV בצורה שתבטיח פעולה בטוחה שלהם לאורך חיי המודול, הן מבחינה חשמלית והן מבחינה מכאנית. בנושא זה התקינה האמריקנית לא נותרה מאחור; התקן שנמצא בתוקף בארה"ב הוא UL 1703. ההבדל המהותי בין שני תקנים אלה הוא בדרישה לביצועים מערכתיים בתקן ה- IEC לעומת דרישה לבדיקות פרטניות של רכיבי המערכת, טרם אישורה כמכלול, בתקן האמריקני. בנושא ממירים, שני התקנים הנפוצים הם התקן האמריקני UL 1741 והתקן האירופי EN 50178 . קיים גם תקן בינ"ל, 62103IEC.

בולטת בהעדרה בעולם היא תקינה לנצילות פאנלים או לנצילות מערכתית. קיימים תקני IEC, 61215 ו- 61646 שאומנם מפרטים שיטות לבדיקת נצילות וביצועים, אך אינם כוללים דרישות מינימאליות לנצילות ודרישות למשך בלייה והזדקנות של הקולטים.בעיה נוספת (וככל הנראה מהותית אף יותר) היא שרוב התקינה הזרה הקיימת בתחום התאים הפוטו-וולטאים, מתקדמת ככל שתהיה, עדיין אינה מספקת התייחסות הולמת לנושא ההתקנה המכאנית של אותם מודולים. די ברור שמדובר בנושא קריטי, ומקרה של הינתקות פאנל זה או אחר מהגג עליו הותקן הוא בהחלט מצב שרצוי להימנע ממנו מראש לצורך הבטחה מלאה של בטיחות הציבור.

החלוצים בתחום ההתקנה המכאנית משתייכים לגוף התקינה האמריקני, ASTM, שהחל בכתיבת טיוטה ראשונית להתקנה מכאנית של מערכים פוטו-וולטאים ע"ג גגות משופעים (WK 21327). התקן העתידי יפרט את הדרישות המינימאליות לגביי התקנת מערכים מסוג זה (כאלה שאינם "built-in" במבנה אלא מוספים אליו) על גגות משופעים של מבנים, תוך התייחסות לשני ממשקים: האחד בין המערכת עצמה למבנה התומך והשני בין המבנה התומך לגג. דרישות אלה יכללו למעשה עקרונות לגביי ניקוז המים בגג הקיים, מאפייני החומרים, איטום הגג מפני חדירת מים ועיגון מספק בהתאם לדרישות העומס הישימות. מטבע הדברים, תהיה כמובן התייחסות לשיקולי בטיחות כגון הגנת עובדים מפני נפילה, הנגישות למודולים עצמם וסוגיית מרווח הביטחון ההיקפי בגג מסביב למערכת.

שתי טיוטות תקנים נוספות נמצאות כעת בהכנה במסגרת הפעילות המבוצעת בתחום ב- ASTM ועוסקות בשיטות למדידת ביצועים, בלייה והזדקנות של מודולים פוטו- וולטאים (WK 22010) ובשיטות לאילוץ בלייה מואצת והערכת אורך החיים של מודולים אלה בהסתמך על תוצאות האנליזה (WK 25362). בשתי טיוטות אלה קיימת התייחסות הן לבלייה מכאנית (תוצאה של עייפות החומר, פגעי מזג האוויר וכו") והן לבלייה חשמלית, ולהשפעות על אורך חיי המודול ולמידת הדגרדציה בביצועיו כתוצאה מסוגי בלייה אלה. ההערכה היא שעבודת הכנת התקנים האמריקניים שנמצאים בשלב טיוטה ראשוני (WK) תושלם בשלוש השנים הקרובות.

במכון התקנים הישראלי החלה לאחרונה עבודת ההכנה של תקן ישראלי חדש העוסק בהתקנת מערכות פוטו- וולטאיות. פורסמו זה מכבר שני תקנים ישראליים העוסקים בדרישות תכן (כאשר העיקריות הן עמידות מכאנית, בטיחות חשמלית ועמידות בתנאי סביבה) עבור מודולים פוטו-וולטאים, האחד, ת"י 61646 עבור תאים מסוג שכבה דקה של חומר פעיל, והשני, ת"י 61215, עבור תאים מסוג סיליקון גבישי, המאמצים את שני תקני ה- IEC, 61646 ו- 61215, בהתאמה שהוזכרו קודם לכן.
נוסף על כך, פורסמה סדרת תקנים בעלת שלושה חלקים, ת"י 4777, העוסקת בדרישות לחיבור מערכות אנרגיה לרשת החשמל באמצעות ממירים, והמאמצת את סדרת התקנים האוסטרלית AS/NZS 4777.

מתוך ההכרה שיש לתת את הדעת כאמור, לנושאי בטיחות בכל הקשור להתקנה המכאנית של המערכות המדוברות, הוחלט להקדיש בתקן הישראלי החדש פרק ייחודי לנושא ההתקנה המכאנית, נוסף על הסוגיות החשמליות בהן יעסוק התקן. להבדיל מהתקן האמריקני, התקן שלנו יכלול דרישות להתקנת מערכות על גביי כל סוגי הגגות. התקן צפוי להתפרסם במהלך שנת 2011. תקנים ישראליים נוספים שמתוכננים להיכנס לתכנית העבודה של שנת 2011 הם ת"י 61683 שיאמץ את התקן IEC 61683 ועוסק בפרוצדורה למדידת יעילות של מערכות פוטו-וולטאיות ות"י 61730 שיאמץ את התקן IEC 61730, בכל הקשור לדרישות בסיסיות ושיטות בדיקה.

הכנת התקנים הישראליים נעשתה ביוזמת אגף ניהול משאבי תשתיות במשרד התשתיות הלאומיות ובמימונו. התקנים הישראליים שיצאו לאור הוכנו במסגרת וועדת המומחים 250.08 בראשות פרופ' דוד פיימן (יו"ר המחלקה לאנרגיית השמש ולפיסיקה סביבתית במרכז הלאומי לאנרגיית שמש) וזה שעוסק בהתקנה (חשמלית ומכאנית), נמצא בהכנה במסגרת וועדת המומחים 250.10 בראשות איגור סטפנסקי (מנהל תחום ענייני חשמל במנהל החשמל של משרד התשתיות הלאומיות).

עפ"י חוק התקנים, התשי"ג 1953, תקינה ישראלית תאמץ ככלל, תקינה זרה. במילים אחרות, תקן בינ"ל של היום יהיה התקן הישראלי "מחר". התקינה הישראלית הקיימת בתחום התאים הפוטו- וולטאים וזו העתידית, מתבססות ברובן על תקינה זרה. זו למעשה אחת הסיבות לכך שלהשתתפות ישראלית בפעילות תקינה בינ"ל ישנה חשיבות רבה. בתחום התקינה למערכות פוטו-וולטאיות משתתפים פעילים בישיבות וועדת התקינה הרלוונטית בארגון התקינה הבינ"ל, IEC, שני נציגי תעשייה ישראלית. מתוכננת הרחבת הפעילות הישראלית בזירת התקינה הבינ"ל ונעשים מאמצים לגיוס נציגים נוספים להשתתפות בוועדת תקינה זו ובוועדת תקינה מקבילה של ארגון התקינה האמריקני, ASTM.

בנושא בדיקות מעבדתיות, נכון להיום, מבצעת המעבדה לחשמל של מכון התקנים הישראלי בדיקות ממירים בלבד. מכון התקנים הישראלי מעוניין לבצע שת"פ עם NREL (National Renewable Energy Laboratory) (המעבדה הרשמית לאנרגיות מתחדשות ולמחקר ופיתוח בנושא התייעלות אנרגטית בארה"ב, העוסקת בין היתר במחקר תאי PV ורכיביהם) ועם מעבדות SANDIA (מעבדות מחקר של משרד האנרגיה האמריקני, העוסקות בהתקנה ובאינטגרציה של רכיבי המערכת) לצורך הקמה עתידית של מעבדות לבדיקת מערכות פוטו-וולטאיות בארץ. המערכות ייבדקו עפ"י התקינה הקיימת (הן עבור יצואנים בתחום והן לצורך אימות נתוני יעילות אנרגטית, על בסיסם מתקבלות החלטות של בנקים ומשקיעים אחרים לגביי השקעה בהקמת מערכות) ובהתאם תינתן הכרה של אותם גופים אמריקניים בתוצאות הבדיקות שיבוצעו במעבדות בארץ.

עפ"י מחקרים בעולם, "מספר הקסם" עבור מערכות פוטו-וולטאיות הוא 8 שנים; מחד, תפוקת המערכת בפרק זמן זה לא אמורה להשתנות משמעותית, אולם ניתן להבחין בדגרדציה חדה בביצועיה, עם הגיעה לגיל זה. מאידך, עפ"י רוב ההערכות, 8 שנים זהו בדיוק פרק הזמן הממוצע שאמור לחלוף עד שמבחינה כלכלית, תכסה המערכת את עלות ההשקעה בה ותתחיל לספק רווחים למשקיע.

אחת הבדיקות מתוך סט בדיקות מעבדה שתערכנה בארץ תאפשר קבלת מענה למשקיעים פוטנציאלים בכל הקשור להערכת זמן החזר השקעתם במערכת: מדובר בבדיקה בתנאי סביבה קיצוניים שונים, שתעזור לחזות את מידת הירידה הצפויה בתפוקה של המערכת עם הזמן. בעקבות החלטת ממשלה מיום 20.2.2008 בדבר התייעלות אנרגטית, נכנסה לתוקפה ביום 1.7.2008 הסדרה של רשות החשמל לייצור חשמל לצריכה עצמית באמצעות מתקנים פוטו- וולטאים או באמצעות טורבינות רוח ולהעברת העודפים לרשת הציבורית במחיר מסובסד. הסדרה זאת חלה על צרכנים ביתיים (המשלמים תעריף ביתי למגורים) בעלי מתקנים בהספק מותקן בודד של עד 15 kW ועל צרכנים אחרים בעלי הספק מותקן של עד kW 50. תנאי ההסדרה תקפים עד למילוי מכסה ארצית כוללת של 50 MW או עד לשנת 2014 . כיום נמצאת בהכנה הסדרה חדשה עבור מתקנים בעלי הספק מותקן הגבוה מ- 50 kW.

עד סוף 2008 הותקנו במדינת ישראל מתקנים פוטו-וולטאים בהספק מותקן כולל של כ- 3MW. אנו תקווה שהתקינה הקיימת וזו המתהווה, בשילוב עם ההסדרה החדשה של רשות החשמל, יהוו קרקע פורייה לצמיחה והתעצמות של טכנולוגיית התאים הפוטו-וולטאים בישראל.

 

* מיכל פילוסוף, ממונה על פרויקטים בתחום אנרגיה ואיכות הסביבה, מכון התקנים הישראלי


* מיכאל שיינגרט, ממונה על פרויקטים בתחום חשמל, מכון התקנים הישראלי

 

* המאמר פורסם במגזין תשתיות