בחינת קורלציה בין קרינת שמש לתפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים

PEIC 2.0

פרויקט המחקר PEIC 2.0 יצא לפועל במהלך המחצית השנייה של 2014 ושם למטרה לבצע בחינה כמותית מקיפה של ייצור אנרגיה סולארית בטכנולוגיה פוטו-וולטאית בישראל, לבדוק את הקורלציה בין קרינת שמש לבין ביצועי מתקנים פוטו-וולטאיים ולייצר מודל מתקדם לחיזוי תפוקה של מערכות סולאריות פוטו-וולטאיות לטווח קצר ובינוני, תוך התחשבות בסיכונים האקלימיים. כאמור, במסגרת השלב השני בפרויקט בוצעה בדיקת מתאם (קורלציה) בין תוחלת תפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים במהלך השנים 2010-2014 לבין קרינת השמש הגלובאלית ברזולוציה חודשית במספר אזורים אקלימיים בישראל. תוצאות מבחן הקורלציה הראו קשר חיובי חזק, מה שאומר שקרינת השמש הגלובאלית היא הגורם העיקרי לאפיון תפוקת רב המתקנים הפוטו-וולטאיים - ז"א שההשפעה הממוצעת של תנאי מיקרו-אקלים על תפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים ברזולוציה חודשית היא נמוכה וגם שרוב המתקנים בישראל נבנים בתצורה, הקרובה לאופטימלית. יחד עם זאת, התברר שקרינת השמש הגלובאלית אינה משליכה באופן מוחלט על תפוקת מתקן סולארי ספציפי באזור גאוגרפי מסוים ברזולוציה החודשית, מה שאומר שניתן לזהות באופן מובהק תקלות במתקנים פוטו-וולטאיים ספציפיים, כן ידי השוואת ביצועיהם לתוחלת תפוקה אזורית וכן על ידי קורלציה עם קרינת השמש הגלובאלית באותו אזור גאוגרפי בפרק הזמן המתאים.

במסגרת פרויקט המחקר נדגמו נתוני תפוקה בחמישה אזורים גיאו-אקלימיים בישראל. איסוף הנתונים של תפוקת מערכות סולאריות ברחבי הארץ בוצע בהתאם לפריסתן הגאוגרפית: הערבה ואילת; צפון הנגב; מישור החוף (עד 400 מטר גובה); הרי הצפון (הרי גליל וגולן מעל 200 מטר גובה) והגליל המערבי; עמקי הצפון (יזרעאל, החולה, בית שאן, כנרת - עד 200 מטר גובה). סיווג מערכות פוטו-וולטאיות בוצע לפי גודל מערכת וסוג ממיר (ממיר מרכזי או ממיר המשלב טכנולוגית קצירה מבוזרת). איסוף נתוני התפוקה התבצע מתוך מאגרי מידע פתוחים של מערכות SMA ומערכות Solaredge מחוברות רשת בישראל או ממערכות פרטיות באישור הבעלים. סה"כ במהלך המחקר נדגמו 77 מערכות ממיר מרכזי (מתוכן 13 נפסלו מסיבות שונות), ו-40 מערכות ממיר בטכנולוגית קצירה מבוזרת (מתוכן 8 נפסלו מסיבות שונות). תיעוד ורישום המערכות התבצעה בצורה שרירותית, ללא התייחסות לחברת התקנה או אופי הבעלות על המתקן. כמו כן, נבחרו מערכות בעלות איכות וכמות נתונים סבירה בהתאם לשיקולי המחקר, כך שקריאות של מערכות בעלות סטייה מובהקת בנתונים או חוסר נתונים עקבי נזנחו במהלך עיבוד המידע. מבחני קורלציה בוצעו באזורים גאוגרפיים בהם נדגמו לפחות 6 מערכות פוטו-וולטאיות, וכאשר לכל חודש שנדגם היו לפחות 2 מערכות עובדות.

איסוף נתוני קרינת השמש הגלובלית בוצע מתחנות מטאורולוגיות באזורי האקלים המתאימים. התחנות המטאורולוגיות ששימשו במחקר PEIC 2.0 לצורך מציאת מתאם: 

* יטבתה 9227 שרות מטאורולוגי (ערבה ואילת) - ממוצע מחושב בין השנים 1990-2014;

* באר שבע בן-גוריון 7839 שרות מטאורולוגי (צפון הנגב) - ממוצע נתון בין השנים 1982-2012;

* בית דגן 2524 שרות מטאורולוגי (מישור החוף) - ממוצע נתון בין השנים 1965-2012;

* גורן - תחנת משרד החקלאות (הרי הצפון) - ממוצע מחושב בין השנים 2008-2014 (מנורמל לפי נתוני תחנת טכניון);

* איכסאל - תחנת משרד החקלאות (עמקי הצפון) - ממוצע מחושב בין השנים 2007-2014 (מנורמל לפי נתוני תחנת טכניון).

מניתוח הנתונים נמצא מקדם קשר חיובי חזק בין נתונים חודשיים של קרינת שמש גלובאלית בפועל לבין תוחלת ביצועי מתקנים פוטו-וולטאיים באותו אזור גאוגרפי (טבלאות מטה - מקדמי קורלציה עבור מערכות ממיר מרכזי ומערכות בטכנולוגית קצירה מבוזרת בגדלים מוגדרים לפי אזורים). הקשר החזק נמצא כן עבור מערכות עם ממיר מסוג ממיר מרכזי (נבחנו מערכות 50 קו"ט בכל חמשת האזורים שנבדקו בארץ, ומערכות 15 קו"ט ו-4 קו"ט באזור מישור החוף המרכזי) וכן למערכות ממיר בטכנולוגית קצירה מבוזרת (נבחנו מערכות 50 קו"ט באזור הרי הצפון ומערכות 4 קו"ט באזור מישור החוף המרכזי). במערכות ממיר מרכזי נמצאה קורלציה מעט נמוכה 0.950-0.973 ביחס לתוצאות קורלציה של מערכות עם ממיר בטכנולוגית קצירה מבוזרת 0.973-0.980, מה שמאוד סביר בהתחשב שקצירה מבוזרת אמורה להקטין את השפעת ההפרעות המקומיות במערכת, אך ההבדל לא היה מובהק עקב מיעוט נתונים של מערכות בטכנולוגית קצירה מבוזרת.

טבלה 1: קורלציה בין קרינת השמש לבין תוחלת תפוקה של מתקנים פוטו-וולטאיים עם ממיר מרכזי (SMA) באזורים השונים בישראל לפי גודל מערכת בקו"ט.

טבלה 2: קורלציה בין קרינת השמש לבין תוחלת תפוקה של מתקנים פוטו-וולטאיים עם ממיר מסוג קצירה מבוזרת (SolarEdge) באזורים השונים בישראל לפי גודל מערכת בקו"ט.

הקשר החיובי החזק כאמור מוכיח שקרינת השמש הגלובאלית היא הגורם העיקרי לאפיון תפוקת רב המתקנים הפוטו-וולטאיים - ז"א שההשפעה הממוצעת של תנאי מיקרו-אקלים באתר על תפוקת מתקנים פוטו-וולטאיים ברזולוציה חודשית היא נמוכה למדיי וגם שרוב המתקנים בישראל נבנים בתצורה הקרובה לאופטימלית. יחד עם זאת, התברר שקרינת השמש הגלובאלית אינה משליכה באופן מוחלט על תפוקת מתקן סולארי ספציפי ברזולוציה החודשית, מה שאומר שניתן לזהות באופן מובהק תקלות במתקן פוטו-וולטאי ספציפי, כן על ידי השוואת ביצועיו לתוחלת תפוקה אזורית וכן על ידי קורלציה עם קרינת השמש הגלובאלית באותו אזור גאוגרפי בפרק הזמן המתאים.