מידול, סימולציה ואופטימיזציה של מערכות אגרו וולטאיות- סיכום מאמר סקירה מקיף

עומר ירושלים | 11/2026

בחיבור זה אביא את סיכום הקריאה הסלקטיבי שלי במאמר המקיף:

Zainali, S. et al. Modelling, simulation, and optimisation of agrivoltaic systems: a comprehensive review. Appl. Energy (2025).

המאמר מחלק את מידול השדה האגרו וולטאי ל-5 כותרות:

1. קרינה
2. פוטו-וולטאי
3. מיקרו-אקלים
4. יבול
5. אופטימיזציה

(במפת הרכבת, כאשר שני קווים נפגשים, הפלט של המודל הראשון הופך לקלט של המודל העוקב)

אגע בחיבור זה בהרחבה רק בשלב הראשון- קרינה, על חמשת מרכיביו המפורטים במאמר. לאחר מכן ארחיב מעט על מודל האינטגרציה LER ואציין דווקא את המגרעות בשימוש יחידני בו. בתקווה שקריאה זו תעודד אתכם להעמיק בשאר הטקסט. מפת החשיבה האינטראקטיבית מכסה את כל חלקי המאמר ומסייעת לכוון אתכם למוקד העניין בו אתם מבקשים להעמיק.

קרינה

קרינת השמש היא מקור האנרגיה המניע (כמעט) הכל. מהאסימילציה הפוטוסינטטית ועד לתחנת הכח הפחמית, דרך טורבינות הרוח וגלי הים- הכל התחיל בחמה. אם נבחן אותה לעומק, נבין שהקרינה איננה תופעה גנרית שמגיעה מנקודה א' לנקודה ב' אלא רכיב בעל מאפיינים הניתנים לקטלוג והפרדה מהותיים. בסיס הפירמידה של המערכת המסתמכת על מקור האנרגיה הבלתי נדלה.

דה-קומפוזיציה: הקרינה הכוללת (GHI) מורכבת מקרינה ישירה (BHI או DNI) שהיא הקרן הנמשכת בקו ישיר מדיסק השמש, דרך האטמוספירה עד למד הקרינה. וקרינה מפוזרת (DHI)- הקרינה המפוזרת אל מד הקרינה מחלקיקים בשכבות האטמוספירה העליונות, חלקיקי אבק בשכבות תחתונות, ועננים. בשלב הדה- קומפוזיציה לבדו מצויינים במאמר 9 מודלים שונים (בפועל, יש למעלה מ-140). המודלים נבדלים זה מזה ברמת הדיוק שלהם וברמת המורכבות וה"משקל" החישובי. בהמשך נבין מדוע שלב זה קריטי כל כך.

טרנס-פוזיציה: אחרי שפירקנו את האור המגיע מהשמש לשני רכיביו, הוא פוגע בפנלים ובגידול. המודלים בשלב זה מחשבים איזה חלק מהאור מגיע לאן- האור הישיר והאור המפוזר. קרינה ישירה פוגעת בפנלים ונבלעת, קרינה מפוזרת מגיעה גם לגידולים המוצללים. כאן יש שתי משפחות של מודלים- איזוטרופים (2 מודלים במאמר) ואנאיזוטרופים (4 מודלים במאמר) המדמים שמיים אחידים או קרינה שמתפלגת שונה כתלות במרחק הזויתי מהשמש.

הצללה: אולי הנושא הכאוב ביותר כאשר מדברים על PV בכלל ועל דו-שימוש בפרט. המודלים שמגיעים ממתקני ה-PV הקרקעיים מחשבים הצללה הדדית של הפנלים שיכולה להביא לירידה משמעותית בתפוקת היחידות. גם כאן יש שתי גישות מידול עם אותו טרייד אוף מוכר- פשטות ויעילות מול דיוק ואמינות. מודלי 2D/3D view factor הם בעלי עומס חישובי נמוך ומאפשרים הרצת אלפי סימולציות במהירות רבה, לצורך כך הם משתמשים בהנחות יסוד מקלות כגון שורות אינסופיות (התעלמות מאפקט סוף השורה), הנחת החזר קרינה אחיד מהקרקע (גם שם יש הצללה) ופישוט מבני הצמחים. הגישה השניה נקראת Ray- Tracing. בגישה זו המודל מקים סביבה וירטואלית מפורטת של מבנה המערכת, אלבדו הקרקע וטופוגרפיה כולל מקדמי בליעה,העברה והחזרה של רכיבי המערכת השונים. לאחר מכן המערכת משגרת ומחשבת את מסלולן של קרני האור מהמקור (השמש והשמים) ועד למשטח היעד. בקרינה ישירה לפנלים, שתי הגישות מגיעות לתוצאות יחסית דומות. ההבדל המשמעותי בהקשר ייצור החשמל הוא במערכות פנלים דו צדדיות (Bifacial), שם, בצידו התחתון של הפנל המקבל החזר קרינה מהקרקע ומהגידולים, גישת מעקב הקרניים מדייקת בלמעלה מ-8% ביחס לגישת ה-View factor.

PAR: הקרינה הפוטוסינטטית באורכי גל 400-700 ננומטר. את זה למדנו בשנה א'. אז למה זה חשוב כאן? זוכרים את הדה-קומפוזיציה מלמעלה? ההרכב של האור הישיר והאור המפוזר הוא לא אותו הרכב מבחינת אורך הגל. סידור הפנלים משפיע ומשנה גם את הרכב האור שמגיע לגידולים מתחת לפנלים. וזה ישפיע על כמות היבול שנקבל בסוף העונה מהחלקה. המאמר מצטט 8 מודלים שעוסקים בנושא הספציפי הזה בלבד.

ולידציה: פירטנו את קווי המתאר של עשרות המודלים הפועלים רק על התפלגות הקרינה החודרת את האטמוספירה, מתפזרת ופוגעת בפנלים ובצמחים. הולידציה היא הבדיקה בשטח- כמה המודל תואם את המדידות שמבוצעות ע"י חיישנים בשטח? גם כאן- התמונה מורכבת. מודלים שמתרכזים בכמות האנרגיה המגיעה לפנלים (דה-קומפוזיציה, טרנספוזיציה והצללה) לרוב מגיעים לתוצאות יפות. בחיזוי כמות והרכב האור המגיע לצמחים- פה המצב פחות מבטיח. נדרשים כיולים והשוואות למדידות בשטח על מנת להגיע לתוצאות מספקות. בתנאי מזג אוויר משתנים הפיצול בין קרינה ישירה וקרינה מוחזרת מורכב מאד לחיזוי ומצריך קליברציה בשטח.

עד כאן סיכום קצר שנוגע רק לחלק הראשון של סקירת המאמר. מנקודה זו אפשר להתחיל לגזור- את פיזור כמות הקרינה שתגיע לפנלים, לגידול, ומשם- למיקרו-אקלים ששורר בתווך שבין הגידול לפנלים. שהוא בתורו משפיע בחזרה על תפוקת החשמל ותפוקת היבול.

ועוד פרט "קטן"- כל הבלגאן הזה לא אומר שום דבר לאף אחד אם לא מחברים את כל המספרים בסוף לכסף. וכאן אקפוץ בזריזות לחלק החמישי והאחרון של הסקירה- אופטימיזציה ואינטגרציה.

בפועל, מדובר בשילוב ורטיקלי של מודלים בשלבים השונים כדי לקבל סימולציה סופית להערכת כמות האנרגיה וכמות היבול. רק אז ניתן להסתכל על השורה התחתונה והמשמעותית ביותר- שורת הרווח.

LER- מה זה ולמה הוא בעייתי

כשמנסים להעריך ניצולת שטח של מתקן משולב, הKPI הנפוץ והמוכר ביותר הוא LER= Land Equivalent Ratio. ה-LER מחשב את תפוקת המערכת הסולארית המשולבת ביחס לתפוקה של מתקן סולארי קרקעי בעל אותם מאפיינים ואת תפוקת השדה המוצל ביחס לשדה חקלאי רגיל. את שני החלקים הוא מחבר. כאשר סך שני החלקים גבוה מ-1 השדה הסולארי שלנו כביכול יעיל יותר בניצול השטח מהחלופות הנורמטיביות.

• Land Reduction Factor הוא פקטור המתקנן את יחס שטח העמודים של מתקן הPV.

המאמר מצטט מחקר מוקדם יותר של P.E. Campana et al. שמתאר את הבעייתיות בהסתמכות על מדד זה בלבד. עקב המבנה של המשוואה, כאשר מבקשים ממודל לתכנן מערכת משולבת ע"פ ה-LER, התוצאה תהיה שדה בעל מרווח שורות קטן מאד היות שאגף ה-PV במשוואה יזנק באופן קיצוני ביחס לפחיתת האגף החקלאי. LER לבדו יעדיף למקסם ייצור חשמל על פני תוצרת חקלאית.

מעבר לכך, צפיפות הפנלים תביא להצללה הדדית ולפגיעה בכושר ייצור החשמל ביחס להספק מותקן (PVw). ככל שנרחיק בין השורות- יגדל האגף החקלאי של המשוואה- יותר קרינה ליבולים. ככל שנקרב את השורות נגדיל את פקטור ההצללה ההדדית בין הפנלים. כושר ייצור החשמל פר יחידת שטח שדה יגדל ובעקבותיו יגדל הLER, אך פר מ"ר פנל כושר הייצור יקטן.

לסיכום, חיבור זה אינו מכסה אפילו חלק קטן מעבודת הסקירה הנרחבת שבוצעה ע"י צוות הכותבים.

המאמר מציין 5 שלבים במידול אופרציה אגרו וולטאית. בכל אחד עשרות מודלים אפשריים וכולם נופלים לאחת משתי קטגוריות- מודלים אמפיריים ומודלים מכניסטיים. הTrade off תמיד נראה דומה. המודלים האמפיריים פשוטים להבנה, זולים ומהירים לחישוב אך מתפשרים על דיוק. המכניסטיים מדוייקים להפליא, אך כבדים, יקרים ומורכבים. כמו בכל מערכת מורכבת אין כאן One silver bullet שיתן מענה גורף לכל מקרה ודרך הזהב ככל הנראה תעבור באמצע- באינטגרציה של הסוגים השונים על פי מאפייני השטח והגידולים.

לבסוף, יש לזכור כי שרשרת המודלים המתוארת, ההתעמקות הפיזיקלית- אגרונומית לא תהיה כלי תומך החלטה אם לא נמיר את התובנות שהתקבלו דרך פילטר הLCOE, נכניס לאקסל את תעריף החשמל ונגזור את התובנות העסקיות הנדרשות. אבל זה כבר נושא למאמר אחר.

אז מה המשמעות בפועל? הקמת מתקן אגרו וולטאי היא אופרציה מורכבת, סבוכה ויקרה.

ברמת התכנון:

• החלטות ל-25 שנה. בהקמת פרוייקט, נעדיף להשקיע במודלים דינמיים וכבדים יותר, כדי להקטין ככל הניתן את השגיאה.
• מתקן בנגב המערבי אינו דומה למתקן בגליל או למתקן בגולן. Copy- paste לא יעבוד כאן. התכנון חייב להתאים לתנאי האקלים, הטופוגרפיה, הקרקע, סוג הגידול וכן הלאה. טעויות נגררות ישאו מחירים כבדים.
• מודל לא יהיה מדוייק ב-100% לעולם, אבל הוא כן יכול לתת קריאת כיוון. להסביר מה הם הגורמים האקוטיים בתא השטח הספציפי אותו אנחנו מתכננים. תגדירו לעצמכם את הסטייה שתהיו מוכנים לסבול. זה יבוא לידי ביטוי בROI. הדבר נכון יתר על שאת בסביבה של ירידת מחיר קוט"ש.
• יבול- אין ספק שהוא ממלא תפקיד שולי בשורת הרווח, עד שמגיעים לסף שנקבע ע"י משרד החקלאות. לא נרצה להמר על מתקן שעלות ההקמה שלו מסתכמת בעשרות או מאות מליונים בשביל עוד כמה מגה וואט בשנה. שוב חזרנו לדיון על רמות הסטיה הנסבלת.

ברמת התפעול:

• הפעלת הטרקרים נעשית באופן אוטומטי, אבל המוח מאחורי האוטומציה הזאת תמיד יהיה מודל אינטגרטיבי המשלב תתי-מודלים המוזנים מהחיישנים בשטח. והפלט יהיה זוית. השליטה לעולם תהיה אוטומטית, להוציא אירועי תחזוקה ופעולות חקלאיות.
• ככל שנדע לאסוף מידע חקלאי, מטאורולוגי ומיקרו אקלימי נכון, נדע לחסוך בעלויות התשומות. רק לשים לב שאנחנו לא מציפים את עצמנו לדעת בחיישנים, רגשים וגרפים, שיסתירו את היער, הלכה למעשה.
• ממשקים משולבים (דשבורדים) שנוכל להתאים על פי העדפות המגדל וצוות התפעול ימלאו פה תפקיד מכריע. גרף שקבור בתיקייה לא יציג את עצמו בהתנדבות. חשיבות רבה לדינמיות ויכולת התאמה (אדפטיביות)

בסוף, השאלה שצריכה להישאל היא- עד כמה המודל הוא קופסה שחורה הפולטת החלטות מוגמרות, וכמה אנחנו באמת מבינים על סמך מה, ומדוע הוא מקבל את ההחלטות שהוא מקבל.

כי את המחיר או את הרווח- אנחנו משלמים (או מקבלים) ולא המודל.

רפרנס:

1. Zainali S, Ma Lu S, Fernández-Solas Á, Cruz-Escabias A, Fernández EF, Zidane TEK, et al. Modelling, simulation, and optimisation of agrivoltaic systems: a comprehensive review. Appl Energy 2025;386:125558. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2025.125558.
2. Campana PE, Stridh B, Amaducci S, Colauzzi M. Optimisation of vertically mounted agrivoltaic systems. J Clean Prod 2021;325:129091. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.129091.