תופסים שמש

תופסים שמש

נצילות התאים הסולאריים תלויה בחומר ממנו הם עשויים, במבנה הגבישי ובתהליך הייצור שלהם

דר' אמיר בן שלום
תאים סולאריים או תאים פוטו-וולטאים הם מתקן הממיר את אור השמש ישירות לאנרגיה חשמלית (ללא מעברי ביניים של אנרגיה). מהנדסים משתמשים בביטוי "התקן מצב מוצק", כלומר התקן שמעברי האלקטרונים שבו נעשים בחומר במצב מוצק ולא במצב גזי.
כל תא סולארי מאופיין במתח וזרם. המתח שמוציא תא בודד נמוך יחסית (מחלקי וולט עד קצת יותר מוולט אחד, תלוי בסוג/חומר התא) והזרם המקסימאלי שהוא מסוגל לספק תלוי בשטחו ובעצמת האור הפוגעת בו. כדי לקבל מתח גדול יש לחבר מספר תאים סולאריים בטור (כמו שמחברים רכיבים חשמליים) או להעלות את המתח בעזרת מעגל אלקטרוני. כדי להגדיל את הזרם ניתן להגדיל את שטח התא או לחבר מספר תאים סולאריים במקביל. מערכות מסחריות בנויות מלוחות סולאריים, כלומר משטחים המכילים, כל אחד, מספר תאים מחוברים בטור ובמקביל בהתאם למתח ולזרם אותו הם אמורים להפיק.
נצילותם של תאים סולאריים (היחס בין האנרגיה החשמלית שהם יכולים להפיק לאנרגית האור הפוגעת בהם) תלויה בחומר ממנו עשוי התא, במבנהו הגבישי (גביש יחיד, רב גביש, אמורפי) ובתהליך היצור שלו. במעבדות מחקר מגיעים היום לתאים בנצילות של 30% ואף יותר כשמדובר על תאים עם שכלולים חדשים (תאים מרובי צמתים או מרובי שכבות ו"פטנטים" נוספים) אך במערכות מסחריות נצילות התא הבודד קטנה מ 20% ונצילות פנל סולארי נעה בין 10 ל-15% בלבד. הפסדי הנצילות נובעים מהחיבורים שבין התאים ומהיחס (הקטן תמיד מ 100%) בין השטח האפקטיבי של התאים לשטח הכולל של הלוח. כדי להגדיל את הנצילות משתמשים במערכות עקיבה שהן מערכות המאפשרות כוונון של התאים בהתאם למיקום השמש, כך שיעקבו אחריה מערכות כאלה מסתובבות כך שתמיד חזית התא מופנית לכיוון השמש.
כמות האנרגיה החשמלית שניתן להפיק מלוח סולארי בשטח נתון (נניח 1מ"ר) תלויה בעצמת קרינת השמש הפוגעת, וזו תלויה במיקום הגיאוגרפי, בעונת השנה, ביום, בשעה ובזווית הפגיעה.
את עוצמת קרינת השמש המגיעה למקום מסוים נהוג למדוד ביחידות של וואט למ"ר. בישראל (בפרט בדרום) עצמת קרינת השמש עשויה להגיע בשיאה ל 1,000 וואט למ"ר ואף קצת יותר. כך שלוחות סולאריים המותקנים על מערכות עקיבה יכולים לספק הספק שיא של יותר מ 150 וואט למ"ר. זה נחשב להרבה בהשוואה למקומות שונים בעולם.
אבל הנתון הזה מתייחס, כמובן, לחודשי הקיץ, בשעות הצהריים (עם שמים נקיים ללא עננים), כאשר הקולטים מכוונים לשמש, בעיקר בנגב. במקומות/שעות/ועונות שנה אחרות המספרים כמובן נמוכים יותר (בלילה למשל ההספק הוא אפס). לצורך חישוב כדאיות השימוש במערכות סולאריות יש להתחשב באנרגיה הממוצעת או הכוללת שניתן להפיק מהן במשך יממה, חודש או שנה.
ממחקרים ומדידות רב שנתיות שנעשו בשנים האחרונות מקובל להניח שמדובר בכ- 5.5-6.5 קילווט שעה ליממה למ"ר (2,000-2,400 קילוואט שעה לשנה למ"ר). ושוב להזכיר מדובר בסך כל האנרגיה "ברוטו" המגיעה לפני הקרקע בתנאים אידיאלים (לא הצללות/הסתרות למשל). שימוש מעשי במערכות פוטו-וולטאיות כמקור לאנרגיה חשמלית דורש התחשבות בגורמים רבים המשפיעים גם על הנצילות הסופית/מעשית של מערכות אלו. בפרט כאשר מעוניינים לשלב את אותן מערכות ברשת החשמל.
הגורם הראשון שיש להתחשב בו הוא התלות באור השמש המשתנה משעה לשעה ומיום ליום ואינה בהכרח תואמת את הביקוש לחשמל. במערכות קטנות (למשל לתאורה במקומות מבודדים) ניתן להשתמש במצברים. אך אלו אלמנטים יקרים יחסית, בעלי אורך חיים קצר ותהליך הטענתם ופריקתם גוזל גם אנרגיה כך שהנצילות האמיתית יורדת משמעותית.
הגורם השני הוא העובדה שתאים פוטו-וולטאים מפיקים מתח ישר (ונמוך יחסית) – כדי לשלבם ברשת החשמל (שזו האפשרות המעשית יותר לנצלם באופן יעיל) יש צורך להמיר את המתח הזה בעזרת ממירים אלקטרונים. נצילות ממירים אלו גבוהה אמנם (מגיעה ל96-98%) אך עדיין גורמת להפסדים נוספים ומקטינה את הנצילות הכללית. ממירים אלו גם יקרים יחסית ומהווים אלמנט נוסף העלול להתקלקל.
והגורם השלישי שהיא כנראה הבעייתי מכולם הוא כלכלי. מחיר לוח סולארי מסחרי מגיע למאות דולרים למטר רבוע (המחיר המדויק תלוי בסוג, במערכת עליה הוא מותקן, הציוד המחובר אליו ועוד), אורך חייו מוגבל, נצילותו יורדת עם הזמן והפעלתו דורשת תחזוקה וטיפול. משמעות עלות גבוהה זו, יחד עם גורמים אחרים כמו עלויות ההתקנה ועלות השטח שהיא תופסת – גורמים לכך שכדי להחזיר את ההשקעה במערכות אלו נדרשים 20 עד 30 שנה. המספר המדויק קשה מאד להערכה ותלוי לא רק בעלות הטכנולוגיה והתקנתה ובעלויות התפעול והתחזוקה אלא גם בגורמים נוספים כמו עלויות מימון, ביטוח וכמובן מחיר החשמל המופק מהמערכת. שגם הוא תלוי במספר רב של גורמים וקשה מאד לניבוי.

דרכים להתמודד עם השינויים באור השמש

 - מערכות עקיבה "חכמות" המכוונות את התאים לכיוון השמש ומשפרות הן את נצילותם והן את משכי הזמן בו התאים אפקטיביים. חסרונן של מערכות אלו הוא במחירן, בתחזוקה שהן דורשות ובאורך חייהן. יש לקחת בחשבון שהן צורכות חשמל לצורך הפעלתן וגורם זה מוריד מעט את הנצילות הכוללת.
-  חיבור מערכות התאים הפוטו-וולטאים לרשת החשמל הארצית. בצורה זו מנתקים את הקשר בין מיקום המערכות הפוטו-וולטאיות למיקום צרכנים פוטנציאלים וניתן לנצל את החשמל המופק מהן כמעט באופן רצוף. כדי לצמצם את הפסדי ההולכה וליעל את משטר העבודה של הרשת ושל המערכות הפוטו-וולטאיות רצוי שהרשת תהיה רשת חכמה. ככל שמספר המערכות הפוטו-וולטאיות גדל – גדלה החשיבות של "חכמת הרשת".
-  גישה נוספת לנצל את האנרגיה המופקת מהתאים הפוטו-וולטאים גם בשעות/תקופות "חשוכות" היא לפתח טכנולוגיות לאגירת האנרגיה המופקת מהם. בתחום הסוללות נעשים מחקרים ופיתוחים גם ברמה תשתיתית של שימוש בחומרים חדשים (שיאפשרו הגדלת צפיפות האנרגיה ואורך החיים/מספר מחזורי טעינה יחד עם מחיר סביר ובטיחות/איכות סביבה) וגם ברמה הנדסית טכנולוגית של פיתוח מעגלים אלקטרוניים לבקרת טעינה ופריקה, טכניקות ייצור, מארזים המאפשרים ניצול אופטימאלי של חומר הסוללה ועוד.
אך במקביל נעשים ניסיונות לפיתוח טכנולוגיות אחרות לאגירת האנרגיה. דחיסת אוויר או גזים אחרים, העלאת מים, הפקת/פירוק מימן שיוכל לשמש כחומר דלק ועוד.
הבעיה השנייה של המרת הזרם הישר שמייצרים התאים הסולאריים לזרם חילופין המתאים להעברה ברשת החשמל נפתרת על יד שיפור מתמיד במעגלים האלקטרונים וברכיבים המשמשים בממירים, יחד עם בניה אופטימאלית של הפנלים הסולאריים (מבחינת מספר/שטח התאים וצורת חיבורם בטור ו/או במקביל) כך שהמתח והזרם שהם מספקים יתאים לאותם הממירים ונצילותם תהיה מרבית. במקרה של אגירת האנרגיה בסוללות או בשיטה אחרת אין כמובן צורך בהמרה לזרם חילופין.
נושא המחיר הוא "דינאמי"  –כדאיות השימוש בתאים ומערכות סולאריות עולה כאשר מחירן יורד ו/או נצילותם ואורך חייהם עולים. מבחינה טכנולוגית השיטות להורדת עלות התאים מבוססות על:
-  הקטנת שטח הסיליקון היקר ושימוש באופטיקה זולה לריכוז קרני השמש על שטח הסיליקון. בצורה זו רוב שטח התא הסולארי (שבפועל קולט את אור השמש) עשוי מחומר זול יחסית (עדשות מחומרים פלסטיים או מראות מבוססות ציפוי מתכתי דק) וכמות הסיליקון ה"אקטיבי" קטנה יחסית. המגבלות הטכנולוגיות של שיטה זו הן ברגישות לכיוונון הפנל ביחס לכיוון קרינת השמש ובבעיות הנובעות מהגדלת כמות הקרינה הפוגעת בשטח קטן (חימום הסיליקון, הצורך בפיזור חום וכולי).
-  החלפת הסיליקון בחומרים אחרים זולים יותר. מדובר בעיקר במחקרי תשתית כי במרביתם הנצילויות המתקבלות מאותם תחליפים נמוכה מאד. כיוון מעניין במיוחד הוא חיפוש חומרים אורגניים המסוגלים להמיר את אור השמש לאנרגיה חשמלית ו"גידולם" כחלק ממערכת "חיה" (חיידקים, אצות).
-  פיתוח תאים בעלי נצילות גבוהה במיוחד המבוססים על שימוש במספר שכבות המנצלות כל אחת תחום אחר של אורכי גל.
-  שילוב תאים ומערכות סולאריות במערכות אחרות המנצלות את אור השמש להפקת אנרגיה. הכיוון המבטיח ביותר בתחום זה הוא ניצול האנרגיה השיורית של חום השמש (אותה אנרגיית קרינה שאינה מומרת לאנרגיה חשמלית בתאים). הצורה הפשוטה לנצל אנרגיה זו היא לחימום (מים, מערכות מיזוג אוויר וכולי) אך ניתן גם להמירה לאנרגיה מכאנית ולחשמל בעזרת טורבינות. שילוש שתי הטכנולוגית תאים סולאריים וניצול חום שיורי) מגדיל את נצילות המערכת ומוריד את עלות האנרגיה הכללית המופקת ממנה. גם בתחום זה פועלת לפחות חברת הזנק ישראלית אחת.
-  הדרך האחרונה להתמודד עם בעיית העלות הגבוהה של חשמל "סולארי" ופתרון בעיית ה"ביצה והתרנגולת" (כל זמן שכמות המערכות/שימוש קטנה יחסית – עלות הטכנולוגיה גבוהה וכי שעלות זו תרד יש צורך בייצור מערכות בכמויות גדולות) היא סבסוד ממשלתי ותמיכה "פוליטית" בתחום (תקינה, הקלות רגולטוריות וכולי) דבר זה נעשה בארץ כמו במקומות רבים בעולם.

נתונים וחומר נוסף אפשר למצוא ברשת (חשוב להבחין מי עומד מאחוריהם)

-  קיימים עשרות אתרים מסחריים של חברות המפתחות/מייבאות/מוכרות ציוד ומערכות סולאריות ו/או מספקות שירותי ייעוץ/השקעה/ניהול בתחום. חלק גדול מחברות אלו "נולדו" בעקבות ההחלטה הממשלתית מיולי 2008 לסבסד ייצור החשמל עצמי. כלומר לרכוש אותו במחיר גבוה (בהרבה.) ממחיר השוק שלו.
פרטים נוספים באתר של הרשות לשירותים ציבוריים וספציפית בהחלטה מס' 1 - הסדרה לייצור חשמל מבוזר לצריכה עצמית והעברת עודפים לרשת, באמצאות מיתקנים קטנים בטכנולוגיה פוטו וולטאית
מטרת סבסוד זה להקטין את זמן החזר ההשקעה של הקמת מערכות סלולאריות ולהפכן לכלכליות יותר. בפועל נוצרה "כלכלה" שלמה של השכרת/החכרת שטחים לטובת התקנת מערכות סולאריות, ייעוץ בהתקנת מערכות כאלו (כולל התעסקות אינסופית בנושאי רגולציה שונים) וגם מכירת המערכות עצמן. האינטרס של החברות העוסקות בכך (ומפרסמות את עצמן ברשת) הוא כמובן לשכנע את מי שמבקר באתרים להם שהתקנת מערכות סולאריות היא עסק כדאי כלכלית (בנוסף לתרומה לאיכות הסביבה), אך רצוי להתייחס בזהירות לנתונים המופיעים בהן.
-  אתרים רשמיים של משרדים ממשלתיים וגופים "ממלכתיים/ציבוריים" (האנרגיה, התשתיות, המדע, הרשות לשירותים ציבוריים, מוסד שמואל נאמן ועוד) שבהם אפשר למצוא נתונים ומחקרים אקדמיים בתחום האנרגיה הסולארית. אבל לא תמיד המידע פשוט ומובן.
המחקרים המקיפים מהם נלקחים הנתונים לכמעט לכל פרסום ברשת הם אלו של פרופסור דויד פימן מאוניברסיטת בן-גוריון המרכז הלאומי לאנרגית השמש.
המחקרים התפרסמו בתחילת שנות ה 2000 (אך סביר שעצמת השמש לא השתנתה משמעותית מאז) והנתונים בהם מבוססים על מדידות שנמשכו כ-14 שנה שנים במספר רב של נקודות ברחבי הנגב.
-  תחום שלישי הם אתרים פופולאריים כדוגמת וויקפדיה, מט"ח, רשתות חינוך ואף עבודות גמר של תלמידים. החומר באתרים אלו כתוב בצורה ברורה ופופולארית אך הנתונים שבו מבוססים על אתרים אחרים שאינם תמיד מהימנים.

מה קורה בחו"ל?

מי שחושב שכמות החומר המתפרסמת בארץ והעיסוק באנרגיה סולארית גדול - מוזמן להיכנס לאתר הענק של המעבדה הלאומית האמריקאית לאנרגיה מתחדשת (National Renewal Energy Laboratory NREL) .http://www.nrel.gov/, המכיל כמויות אינסופיות של מידע ומחקרים בכל תחומי האנרגיה. הכל באנגלית כמובן, גם לגבי מקורות אנרגיה מתחדשים (שמש, רוח, גיאותרמי.) ומכלול ההיבטים הקשורים בהם וגם לגבי אנרגיה בכלל. החל מתאי דלק וביו מסה ועד מערכות תשתית ורשת חכמה. מתברר שנושא האנרגיה ומציאת פתרון למשברים הכלכליים/פוליטיים הקשורים בה מעסיק את האמריקאים לא פחות מאשר אותנו.
ספציפית בהקשר של אנרגיה סולארית יש באתר של NREL בנק עצום של מפות אנרגיית שמש (המבוססות גם על מדידות וגם על מודלים מתמטיים) המראות את אנרגיית השמש הממוצעת ברמה חודשית או שנתית בכל נקודה בארצות הברית, בהתאם לסוג מערכת הקליטה (קבועה מקבילה לקרקע, קבועה מכוונת לזווית קו הרוחב, מסתובבת/עוקבת אחר השמש בציר אחד או בשני צירים).
קיימות מפות המראות את מיקום האזורים עתירי קרינת השמש יחד עם מיקום תחנות הכוח ביבשת ומיקום קווי המתח הגבוה. מפות אלו מאפשרות להעריך את עלויות/משמעות הוספת/חיבור מערכות סולאריות לרשת החשמל הקיימת. לדוגמה בעזרת המפות ונתונים נוספים הנמצאים באתר, ניתן להעריך את כמות אנרגיית השמש הממוצעת שתגיע למערכות הסולאריות (בהתאם לצורת התקנתן) ולהעריך את הכדאיות הכלכלית של התקנת מערכות אלו ואת זמן החזר ההשקעה בכל מקום בארצות הברית.
 
 
הכותב הנו ממייסדי חברת powermat . באדיבות מוזיאון המדע ע"ש בלומפילד, ירושלים וחנן כהן מנהל אתר www.mada.org.il
 










פי.סי.חץ