המרה מחשמל תלותי (AC) לחשמל יציב (DC) לצורך תאורה רחובית: מדריך הנדסי

פורסם על ידיצוות מערכת OSD, מהנדסי מפעל עם 15 שנות ניסיון בייצור ובשירות בשטח בהכי פופולרי, פתרונות

המרת מעגל תאורה רחובית שעובד על חשמל תלותי (AC) למעגל תאורה רחובית שעובד על חשמל יציב (DC) היא שינוי בארכיטקטורת המערכת, ולא רק החלפת חלקים. הגרסה המקורית של דף זה תיארה את התהליך כפעילות הקשורה לאלקטרוניקה ולטכנולוגיות כוח – כלומר, שימוש במתקנים כמו מתקני יישור זרם (רקטיפיירים), מסננים ומתקני הפיכת זרם (אינברטרים). בפועל, השאלה החשובה היא אחרת: אנו מפסיקים להשתמש בחשמל מהרשת הציבורית ומחליפים אותו במקור חשמל יציב המספק את האנרגיה לכל עמוד של גוף התאורה בנפרד. מדריך זה מסביר מה כוללת ההמרה זו, באילו מקרים היא מתאימה, ואת ההיבטים הכלכליים שיש להביא בחשבון.

מה בדיוק מתבצע במהלך ההמרה

מעגל תאורה רחובית שעובד על חשמל תלותי (AC) מורכב משלושה חלקים: מקור האנרגיה מהרשת, מערכת השליטה (דרייבר או בלאסט), וגוף התאורה עצמו. מעגל תאורה רחובית שעובד על חשמל יציב (DC) מחליף את כל שלושת החלקים הללו. הפאנל הסולרי מייצר חשמל יציב (DC) ישירות; מתקן שליטה בטעינה מבצע את השליטה בזרימת האנרגיה אל סוללת ליתיום-ברזל-פוספט (LiFePO4) – סוללה שמתאימה במיוחד לשימוש בתנאי טעינה חלקית ושומרת את קיבולתה לאורך זמן ארוך יותר מאשר סוללות על בסיס חומר פחם-אסיד; גוף התאורה מבוסס על נורות LED מקבל את האנרגיה מהסוללה. במקרה זה, אין צורך בשימוש במתקני יישור זרם (רקטיפיירים).

ההסבר בדף המקורי על מתקן התיקון והסינון מתייחס למקור כוח חשמלי מסוג AC/DC המסתמך על רשת חשמל. מתקן זה מבצע תפקיד אחד בלבד במערכת התאורה: הוא מזין מכשירים שצריכים כוח חשמלי מסוג DC (כמו מצלמות אבטחה, תצוגות מידע או מודולי תקשורת), ממקור חשמלי מסוג AC, ללא צורך בבטריה. אם זו השימוש שלכם, אתם צריכים מתקן תיקון (רקטיפייר – rectifier), ולא מערכת סולרית.

הבעיות הארבע שמובילות לצורך בשדרוגים (Retrofits)

רוב הבקשות לשדרוגים שאנו מקבלים נוצרות עקב אחת מארבע בעיות במערכת החשמל הקיימת. בעיות אלו אינן חמורות באופן שווה, ומשתלם להגדיר את חשיבותן לפני השקת כספים:

מתקני תאורה ישנים ופלוט חלש: גוף תאורה ישנים המבוססים על נתריום בלחץ גבוה או גופי תאורה מהדור הראשון של סורות LED אינם עומדים במסגרת סטנדרטי התאורה הנוכחיים. גוף תאורה LED עם זרם יציב (DC) יכול לשפר את פלוט האור, אך השלב הראשון החשוב הוא ביצוע חישובים מתאימים לצרכים המקומיים (בהתאם לתקנים כמו EN 13201 באירופה או הנחיות IES בצפון אמריקה) לפני ביצוע הזמנת הציוד.
מעגלים חשמליים מורכבים ולא מתועדים: כאשר אזורים שונים חוברו בשנים שונות על ידי קבלנים שונים, איתור בעיות חשמליות עשוי להיות יקר יותר מהחיסכון באנרגיה שניתן להשיג. יחידות סולאריות עצמאיות מפטרות את הצורך במעגלים המסובכים האלה – כשיחדות אחת נפגעת, הבעיות אינן מתפשטות לשאר המערכת.
החלפת ראשי נורות: שימוש במודלים שונים של נורות ודרייברים לא תואמים הופך את פעילות ההחלפה הפשוטה (20 דקות) לתהליך מורכב ומייגע. הסטנדרטיזציה על משפחה אחת של גופי תאורה LED עם דרייברים מתאימים יכולה לפתור בעיה זו. זו פתרון לוגיסטי, ולא טכנולוגי.
שליטה באמצעות מצביע או באופן ידני: שליטה באמצעות תאורה באמצעות תאורה פוטואלקטרית או לוח זמן היא סטנדרט בכל גוף תאורה DC שאנו מייצרים. זו הבעיה הקלה ביותר מבין הארבע, ולא צריכה להיות הסיבה העיקרית לביצוע שינויים במערכת התאורה.

המקרים שבהם ההמרה מתאימה – והמקרים שבהם היא אינה מתאימה

הדבר הראשון שאנו דורשים במסגרת בדיקה לשדרוג מערכת התאורה הקיימת הוא מיפוי הגדות העמודים, תמונות שמציגות את רמת הצללה, ופרטי התעריף של ספקי השירותים הציבוריים. באמצעות נתונים אלו אנו מספקים חישובים בנוגע לצורכי התאורה ולטווח הזמן שבו יכולה המערכת לפעול באופן עצמאי (בלי חיבור לרשת). הטבלה שאנו משתמשים בה לקבלת החלטות היא הבאה:

קריטריון	המרה למערכת סולארית עם חשמל ישר (DC) מתאימה	שימוש במערכת עם חשמל חלולי (AC)
זמינות חיבור לרשת	אין חיבור לרשת, או שהקמת כבלים לצורך חיבור היא העלות העיקרית של הפרויקט	חיבור לרשת זמין על הגדות העמודים, והתעריף נמוך
רמת הצללה על הגדות העמודים	הצללה ניתנת לניהול או ניתן לפתור באמצעות מודולי תאורה ממוקמים במרחק	כיסוי כבד של הגדות העמודים – ראו את המדריך שלנו לניהול בעיות צללה (/solutions-shaded-areas-solution)
מצב הגדות העמודים	הגדות במצב טוב, או ניתנות לשימוש מחדש לאחר בדיקה	הגדות עמודים פגועות באופן קשה – יש להקציב עבור גדות חדשות בכל מקרה
רמת האור	רמת האור הנדרשת מתקיימת על ידי מודולי תאורה בעלי עוצמת פליטה של 20–100 ואט	כבישים בעלי גובה רב או רחבים מאוד, שבהם מערכות סולאריות עם חשמל ישר אינן כלכליות מספיק

אתר שכבר מספק זרימת חשמל ממערכת מיזוג אוויר (AC), יש בו עמודי קול והתעריפי השימוש בו נמוכים, עדיין יכול להיות מצדיק חידוש – על ידי החלפת המנורות הקיימות במנורות טובות יותר, ולא באמצעות מערכות סולאריות. לומר זאת עשוי לגרום לאבדן ההזמנה מצדנו, אך לחסוך ללקוח את הצורך להחליף בטריות כל עשור שנים.

פרמטרים טיפוסיים של מערכות תאורה חשמלית עצמאיות (DC)

הערכים המפורטים למטה משקפים את המגבלות הטיפוסיות של מוצרינו, אך אינם מהווים הצעות מסופקות. הגודל הסופי של המערכת נקבע בהתבסס על חישובי התאורה והיכולות העצמאית שלה:

פרמטר	טווח טיפוסי	ציון
מתח המערכת	12 V או 24 V DC	24 V מומלץ למרחקים גדולים יותר מ-15 מטר או למטענים בעלי עוצמת חשמל של מעל 60 ואט
עוצמת המנורות LED	20–60 ואט (לדרכים צרות), 30–100 ואט (לדרכים רחבות)	מוגדרת בהתבסס על חישובי התאורה, ולא על עוצמת המנורות הקודמות
מודולים סולאריים (PV)	60–150 ואט (מודולים כול-באחד); 100–400 ואט (מודולים מורכבים)	מערכות מורכבות מאפשרות התקנת המודולים במקומות רחוקים יותר ממקורות צל
בטריות	30–100 אמפירים (Ah) מסוג LiFePO4, במתח של 12 V	מתוכננות להספקת אנרגיה לפרק זמן של 3–5 לילות ללא שמש, בתנאי מטען מרבי
מפקח טעילה (Charge Controller)	סוג MPPT, עוצמת זרימה 10–20 אמפירים	מפקח טעילה מסוג MPPT משתלם את עצמו כשמתח הפלטה המרבי (Vmp) גבוה משמעת הבטריה

חוק ירידת המתח שהדף המקורי מפסיק לציין

(The voltage-drop rule that the original page omits)

הטענה המקורית היא שהעברת חשמל בזרם ישר (DC) מביאה להפסדי אנרגיה נמוכים יותר מאשר העברת חשמל בזרם חלקי (AC). ברמת העמודים החשמליים, זה נכון – מעגל חשמלי בזרם ישר אינו מכיל טרנספורמטורים ואין הפסדים נוספים – אך לטענה זו יש תנאי שהמקור לא מציין אותו אף פעם: במתח של 12 וולט, הזרם החשמלי הוא גבוה, וההפסדים הנגרמים על ידי התנגדות הכספת הנחוצה לזרים גדלים ביחס לריבוע הזרם. מטען בכוח של 60 וואט במתח של 12 וולט צריך זרם של 5 אמפרים. אם נשלח זרם זה דרך כבל בעל חוסר בגודל המתאים (לאורך 30 מטרים), עוצמת האור של המטען תפחת באופן מורגש.

דוגמה מחושבת, בהשימוש בערכי התנגדות הכספת הנחוצה של הכספת הנחוצה לכבלי פלדה: זרם של 5 אמפרים דרך כבל בעל רוחב של 4 ממ² לאורך 30 מטרים יגרום לירידה במתח של כ-1.3 וולט – כ-11% מהמתח הכולל של 12 וולט – וזה מספיק כדי שהמטען יגיע למגבלות התפקוד שלו.

כללים אלה אנו מיישמים בכל הציטוטים שאנו מפרסמים…

הקפידו שהמסלולים של הכבלים בגובה 12 וולט יהיו באורך לא יותר מ-15 מטרים; אם לא, השתמשו במערכת בגובה 24 וולט.
בצעו את החישובים הנדרשים לגבי הפרש הגובה בכבלים לפני הזמנתם, ולא לאחר מכן.
במקרים שהמסלולים ארוכים, השתמשו בטכנולוגיה MPPT (Maximum Power Point Tracking) – היא מאפשרת לפאנלים לעבוד בגובה וולט גבוה יותר ומנתבת את הזרם בצורה יעילה קרוב לסוללה, מה שמקטין את הצריכה בכבלים. מחשבון הגדלת השליט (Controller Sizing Calculator) שלנו (/app-a7-controller-sizing) מבצע את החישובים הנדרשים לפי פאנל, סוללה ואורך המסלול.

כאשר באמת נדרש המנוע ההפוך (DC → AC)

בחלק מהמקרים של חידוש מערכות קיימות, נדרש זרם חשמלי מסוג AC באתרים מסוימים (כמו מצלמות, תצוגות, חיישנים שמחוברים לאדפטורי AC). במקרים כאלה, יש להוסיף מנוע הפוך בין הסוללה למכשירים המקבלים את החשמל; המנוע מתאים את תדירות וגובה הזרם היוצא בהתאם לדרישות המכשירים. כמה כללים חשובים בהרכבת מערכות כאלה:

גל סינוס נקי לשימוש באלקטרוניקה: מהפכי חשמל מסוג “מרובע מתוקן” (modified-square inverters) עלולים לגרום לבעיות בחלק מהמנועים ובמקורות כוח מסוג “switch-mode”.
גודל המהפך צריך להתאים למטען המתמיד, ולא לפקיד המרבי: מהפך שמותאם לפקידים חריגים שלא מתרחשים בפועל, הוא בזבוז כסף.
התחשבו בצריכת האנרגיה במצב של מנוחה (idle consumption): מהפך בעל עוצמת פליטה של 200 ואט שצורך 5–10 ואט במצב ללא מטען יכול להזין את הבטריה באופן משמעותי לאורך הלילה. במערכות אוטונומיות בעלות מקום מוגבל, צריכת האנרגיה במצב של מנוחה יכולה להשפיע על משך הפעולה של המערכת (3 לילות לעומת 4 לילות).

היתרון האמיתי של חשמל חלופי (AC) הוא היכולת להועבר למרחקים ארוכים במתח גבוה, אך יתרון זה לא חשוב במקרים בהם יש רשת חשמל יציבה. במקרים כאלה, הזרקת חשמל חלופי ישירות לציוד טובה יותר מאשר הוספת הפסדי אנרגיה הנגרמים על ידי המהפך, בנוסף להפסדים הנגרמים במעבר בין הבטריה למקורות הכוח.

ההיבטים הכלכליים האמיתיים

יש שלושה גורמים שמשפיעים על בחירת מהפך החשמל המתאים, וכל אחד מהם מבוסס על הנחות מסוימות…

אין חשבון חשמל חודשי עבור התאורה. זה נכון עבור יחידות סולאריות עצמאיות (DC). האספקה הנוספת הנדרשת היא בצורת בטריות חלופיות: בטריות מסוג LiFePO4 המשמשות בתנאי חוץ צריכות בדרך כלל להחליף בגיל 5–8 שנים, בהתאם לאקלים ולעומק השחיקה. יש לכלול את עלות החלפת הבטריות בהוצאות התפעוליות, ולא להתפלא מזה.
החיסכון בהשוואה לשימוש בחשמל חשמלי (AC) תלוי בתעריפי החשמל ובדרכי הפינוי של הכבלים. במקומות שהרשת החשמלית מגיעה ישירות לעמוד, החיסכון מתקבל בתוך פחות מעשור שנים. במקרים שנדרש לחפור תעלות בשבילים מרוצפים (לאורך 300 מטרים), היחידה הסולארית מנצחת בקלות. אין סמך מספיק כדי להשוות בין האפשרויות ללא ידע מדויק על תעריפי החשמל ומסלולי הכבלים.
טענות בנוגע לאורך החיים של המערכות צריכות להיות מבוססות על נתונים מדויקים. מערכות LED עם חשמל סולארי נמשכות זמן ארוך יותר מאשר מערכות עם חשמל חשמלי, בעיקר מכיוון שמקורות האורות בטכנולוגיה LED מתפגרות באיטיות יותר; אך החלקים המוגבלים באורך החיים הם המנועים והבטריות – שניהם ניתנים להחלפה, בניגוד למערכות קבועות שאינן ניתנות להחלפה.

מה הדף הזה אינו מכסה:

(הדף אינו מספק מידע בנוגע להשפעות סביבתיות של השימוש במערכות סולאריות, עלות התקינה והתחזוקה, או היתרים הנדרשים להתקנתן.)

הדף זה מספק מידע על ארכיטקטורת מערכות התאורה לדרכים ופארקים, בהקשר של חידוש (רטרופיט) של מערכות התאורה הקיימות. הוא אינו מכסה גורמים כגון מתבצעי המרת חשמל מסולריים (PV inverters) המחוברים לרשת החשמלית, גוף תאורה היברידיים המסתמכים על מקור חשמלי חילופי מסוג AC, מתקני רכיבה למתח של -48 וולט לשימוש בתקשורת (telecom), או מערכות ספקי חשמל חילופי (UPS) לשימוש תעשייתי. כדי לקבוע את המידות המתאימות לחידוש מסוים, התחילו במחשבון לבחירת גודל השליט; לראות את המכשירים הפיזיים המשמשים, בדקו את סדרת גופי התאורה הסולריים המוכלים הכול באחד המוכלים הכול באחד. אם הבעיה האמיתית באתרכם היא צל ולא הספקת החשמל מסוג AC, השיטה שלנו להתקנת פאנלים סולריים היא בדרך כלל הפתרון הזול יותר הפתרון הזול יותר. מידע נוסף על ההבדלה בין טכנולוגיות MPPT ל-PWM לשימוש בשליטים נמצא בMPPT vs PWM: כיצד לבחור.