מערכות הספק – עבר, הווה, עתיד

יוסי גורן, גמאטרוניק

מערכות הספק הינן התשתית של כל המכשירים החשמליים והאלקטרוניים והן נמצאות בכל מתקן חשמלי ובד”כ מיועדות לספק מתח רצוף מיוצב כנדרש.
לרוב מדובר באספקת מתחי רשת שונים וביניהם מתחי ז”י:
3 X 400V/50HZ ; 1 X 230V/50HZ
3 X 208V60HZ ; 1 X 115V/60HZ
3 X 208V/50HZ ; 1 X 115V/50HZ
3 X 208V/400HZ
וכמובן ז”י 12V, 24V, 48V, 72V, 220V , אספקות לתקשורת, בקרה וכו’.
בד”כ חברות החשמל מייצרות את המתחי ז”ח בתחנות כח במתח גבוה ומשם החשמל מולך דרך חוטי חשמל ושנאים להורדת המתח לצרכנים הסופיים, לשימושים ביתיים, תעשייתיים, ציבוריים,
ביטחוניים וכו’.
החשמל ז”ח משמש למכונות חשמל ביתיות, תעשייתיות, תאורה וכו’, מחשוב, תעשיות המידע.
בעשרות השנים האחרונות התפתח מאוד השימוש במחשבים לצורך איסוף, אחסון וניתוח מידע, שליטה, ניהול, מעקב, פיקוח. הצורך באספקה מיוצבת, סדירה, ובלתי מופסקת גרם להכנסת מערכת אל פסק שמיועדת לספק למערכות קריטיות אספקת חשמל יציבה ובלתי מופסקת.
כל מערכת מנוהלת וממוחשבת נזקקת להפעלתה באל פסק. ככל שרשת החשמל אינה יציבה הצורך במערכת אל פסק גדל וחשיבותו כמובן גדלה.
הצורך בחשמל ז”י ובעיקר 48V הינו לנושא התקשורת הטלפונית שהתפתחה בשנים האחרונות בקצב מהיר למדי בשל התפתחות התקשורת הסלולארית והאינטרנט.
מטוסים וכלי טיס מוזנים ממתח חלופי 115V/400HZ הנוצר במטוס עצמו, והוא גורר אחריו מכשור ענף לאספקת מתח זו.
בשל אפשרות פגיעה במקור אנרגיה ראשי ובשל התייעלות ודרישות חמורות לאספקה יציבה הנדרשת להגדלת האמינות, נוצר הצורך להבטיח אספקת חשמל סדירה על ידי מקור אנרגיה נוסף לחברת חשמל והוא ברוב המקרים הסוללה הכימית.
דיזל גנרטור הינו מקום נוסף אך יקר, רועש וכניסתו לעבודה איטית מידי.
במערכות מחשוב, בעת תקלה ברשת החשמל הסוללות ממשיכות לספק החשמל לפי הדרישה של הספק וזמן.
התפתחות הטכנולוגיות בנושא רכיבים וטופולוגיות מאפשרים הגדלת איכות המערכות הספק והדרישות לכך מתבטאות בכמה היבטים: שיפור הביצועים, הקטנת מימדים , פיוזים, שטח רצפה, משקל, רעש אקוסטי, יעילות המרת האנרגיה והורדת עלויות ואמינות המרת האנרגיה.
מערכות אל-פסק ז”ח וז”י מכילות מצברים שהינם ז”י במקור חלופי בשעת הפסקת מקור האנרגיה הראשית שהינה בדרך כלל חברת חשמל.
שיפור הטכנולוגיות אפשר לקבל נצילות של UPS הכוללת 2 המרות אנרגיה כנצילות של 96%.
ו-2 המרות אנרגיה לאספקת ז”י בנצילות 96%. הביטוי לכך נפח קטן ושטח רצפה קטן כך שגודל ועלות המצברים משתווה למערכות האל-פסק.
מזה שנים התפתחה הנטייה לאנרגיה ירוקה (שמשמעותה פחות בזבוז אנרגיה, נצילות גבוהה ושימוש פוחת במקורות מזוהמים) כמו שמש ורוח וגלי ים, ואפילו ניצול אנרגיה של מכוניות על כבישים בעזרת ממירי לחץ לחשמל ותאי דלק המבוססים על הפיכת מימן למקום אנרגיה בהליך כימי ועוד היד נטויה.
טכנולוגיות חדשות לבקרים מאפשרות הגדלת הביצועים וכן שליטה ובקרה וניהול של מקורות אלה בצורה ממוחשבת ויעילה.
צעד גדול בהמרת אנרגיה היה המעבר לתדר גבוה שאיפשר מזעור הרכיבים והגדלת הנצילות. התפתחו טכנולוגיות המאפשרות יצירת אל-פסק ללא בידוד.
דרישות בידוד גלווני שמולאו ע”י שנאים בתדר נמוך שאופיינו בעלויות גבוהות, נפחים ומשקל גדולים וכן נצילות נמוכה ובזבוז הספק הוחלפו ע”י שנאים בתדר גבוה בעזרת ממירי ז”י – ז”ח ובתדר גבוה, וע”י שימוש ברכיבים אלקטרוניים לתדר גבוה וחומרים מגנטיים המיועדים לעבודה בתדר גבוה וכך מושגים מדי יום הישגים חדשים בנושא זה.
תעשיית המוליכים למחצה התבססה בעיקר על רכיבי סיליקון. בשנים האחרונות אנו עומדים בפני מהפכות ברכיבים שהתבטאו ברכיבי SIC ותוך זמן קצר ברכיבים המבוססים על GA-NI שיאפשרו מיתוג יעיל, מהיר יותר ואמין וכך תושג נצילות המרה בכל מערכות ההספק, וכמובן הקטנת גודל פיזי.
מהפך זה מתבצע בימים אלו בצד התפתחות של בקרים ממוחשבים המאפשרים המרת אנרגיה בתדירויות גבוהות שמשמעותן מזעור רכיבי הספק. כך מאפשרים הקטנת משקל, גודל פיסי ועלויות.
רכיב משמעותי הינה הסוללה האוגרת אנרגיה והאמורה לספק אנרגיה בשעה של הפסקות חשמל. מדובר בסוללת עופרת רטובה שלימים נעשתה אטומה ושאינה דורשת מילוי נוזלים כקודמותיה.
נראה שטכנולוגיית הסוללות לא הביאה לפריצת דרך ביכולת צבירת אנרגיה לנפח – עלות – הספק.
לאחרונה יש סוללות ליתיום האמורות לאגור אנרגיה רבה יותר למשקל ובמקביל תאי דלק אמורים לתפוס את מקומם עדיין ללא הצלחה משמעותית.
פרויקט עולמי פורץ דרך בשנים אלה והוא המכונית החשמלית המכילה מנוע חשמלי יחיד או שילוב של דלק + מנוע עם מצבר כמקור אנרגיה. ידועה חברת BETTER PLACE המפעילה רשת של תחנות טעינה למצברים עבור המכוניות החשמליות הנעות כבר בכבישי הארץ.
מכונית חשמלית נמצאת על הכביש מזה שנה ומאפשרת נסיעה של 160 ק”מ בין טעינה לטעינה כאשר עלות הנסיעה זולה לעומת הדלק המזהם וכמובן מדובר באיכות ובניקיון המכונית כלפי הסביבה.
המכונית החשמלית הינה פרויקט גלובלי האמור לתפוס מקומם של הרכבים המזהמים וכך להפחית התלות בדלק המתייקר שכן מקורותיו מדלדלים.
פריצות דרך נוספות הינן העברת אנרגיה ללא חוטים לטעינה של סוללות קטנות ועם הזמן ההספק יגדל.
התקדמות הטכנולוגיה של מיתוג בחדש גבוהה מאפשרת כיום המרת אנרגיה מכל מתח ותדר לכל מתח ותדר ע”י טופולוגיות מתקדמות ובאמצעות רכיבים חדשניים.
יש כמה אילוצים בנושא העברת הספק והם מוליכי זרם שמזה שנים רבות על ידי מוליכי נחושת טהורה וכרגע אין תחליף להם. מוליכי נחושת מצטיינים בהולכה יעילה של זרם אך הינם יקרים עקב עלות מחירם בשוק העולמי אבל עדיין אין להם תחליף כלכלי.
מזעור המכשירים והוזלתם מצריכים הקטנת השימוש במוליכים והקטנת המרחקים בתוך המכשיר עד כדי הימנעות מחוטים.
מזעור המכשירים וצפיפות הזרם מצריכים תכנונים יעילים של עזרים כמו קונטקטורים, מעגלים מודפסים שמחליפים את חוטי החשמל במכשיר ומורידים עלויות של כ”א. כמו כן נדרשים מאבטחים יעילים, ויציבים למקרה של תקלה אפשרית שיהיו בלתי תלויים בטמפ’ ושיהיו מסוגלים לנתק ולאבטח המכשיר ומפעיליו בעת תקלה כאשר הכל נעשה בצפיפות הספק גדולה ומעת לעת יש היצע של רכיבים המסוגלים לבצע פעילות של העברת זרם ביעילות רבה ובעלות קטנה.
נושא ה-POWER בהיותו עתיר אנרגיה מקבל התייחסות של מכוני המחקר התיאורטיים והמעשיים, כך שהפסדים הכרוכים ביצירת האנרגיה יהיו קטנים ונקיים והמטרה מוגת מידי יום.
בל נשכח כי מקורות האנרגיה המזהמת דלק ונפט אוזלים, ומחירם מאמיר ועלול לחסל את כלכלת העולם.
אנרגית השמש שאינה מנוצלת כלל עשויה לספק את כל התצרוכת הנדרשת אבל ניצולה זעיר והפיכתה לאנרגיה זמינה אינה כלכלית כיום וכל המאמצים מוכוונים לניצולה בטכנולוגיות שעדיין לא יעילות ואינן כלכליות.

יוסי גורן הינו מנכל ומהנדס ראשי בחברת גמאטרוניק