לאחרונה הציג משרד האנרגיה יעד חדש ושאפתני לעשור הקרוב לייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות [1]. מהלך זה מצטרף למגמה הולכת וגוברת בעולם למעבר לייצור חשמל מאנרגיות חלופיות ובראשן- אנרגיית השמש. בפוסט זה נתאר את המנגנון המאפשר לנו להפיק אנרגיה מהשמש באמצעות פאנלים סולאריים (פוטו-וולטאיים) והמסלול עד לשקע החשמל.

מרבית האנרגיה הנפלטת מהשמש שלנו מגיעה בצורת קרינה אלקטרומגנטית, אור וחום, הנישאים על ידי חלקיקים הנקראים פוטונים. בדרכם לכדור הארץ, הפוטונים הללו עוברים דרך האטמוספירה שלנו, נבלעים או מתפזרים בה, ופוגעים בקרקע. בתחילת המאה ה-20 הבין אלברט איינשטיין שהאנרגיה שנושאים עימם פוטונים אלו יכולה להפוך לחשמל; כאשר קרינה אלקטרומגנטית פוגעת בחומרים מסויימים, הפוטונים משחררים חלקיקי חומר טעונים שלילית בשם אלקטרונים היוצרים זרם חשמלי. תוכלו להתעמק באפקט זה, הנקרא האפקט הפוטואלקטרי, בפוסט שכתבנו בעבר [2].

נציין כי קיימות שיטות שונות להפקת אנרגיה מהשמש, למשל, חימום בעזרת קרינת השמש מים או שמן שיניעו טורבינה וייצרו חשמל באופן דומה לייצור חשמל המסורתי. שיטה זו נקראת הפקת חשמל תרמו-סולארית, בניגוד לשיטה הפוטו-וולטאית שמצליחה לייצר אנרגייה חשמלית באופן ישיר.

בבסיסם, תאים סולאריים (פוטו-וולטאיים) מנצלים את האפקט הפוטו-אלקטרי ליצירת אנרגיה חשמלית. הם מיוצרים מחומרים מיוחדים המתאימים בצורה מיטבית כך שיצליחו להפיק את מירב האנרגיה האפשרית.  למרות שרעיון זה נראה על פניו מצויין - יש איתו כמה בעיות, הגדולה מכולן היא שניתן להפיק אנרגיה מהשמש, ובכן, רק כשיש שמש. אם נבחן את שעות האור בנקודה מסוימת בכדור הארץ על פני שנה שלמה, נקבל כי הרבה מהזמן הוא לילה, חורף, מזג אוויר קיצוני (ערפל, אובך). גם כאשר ישנה שמש המאירה את התא צריך לוודא שהתא נקי ושלא הצטבר עליו אבק ואין איזה עצם שמצל על התא (עץ או בניין שכן). 

בעיה נוספת היא שניתן להוכיח באופן תיאורטי שקיימת אנרגיה מקסימלית אותה ניתן להפיק מהתא המשמעות של נצילות נמוכה היא שמאותו שטח ניתן להפיק פחות אנרגיה וכדי להצליח לייצר מספיק חשמל לכל הצריכה הנדרשת נצטרך להסב הרבה מאוד שטחים לתחנות כוח פוטו-וולטאיות. בנוסף, גם בתנאי מעבדה אידיאליים, מגיעים תאים סולאריים לנצילות של כ-25 אחוזים בלבד, כאשר קיים חסם עליון פיזיקלי של כ-40% [3]. גורמים נוספים המשפיעים על נצילות התא הסולארי יכולים להיות הטמפרטורה שלו, אבק המצטבר עליו, התנגדות חשמלית ואחרים. אפשר להשוות לנצילות של תחנות כוח פחמיות (שנצילות יותר מפוטו-וולטאי) אבל קיים שוני מהותי כי בתא סולארי חומר הגלם- קרינת השמש- הוא מתחדש לעומת חומרי בעירה.

תא סולארי אחד לא יכול לייצר הרבה מאוד מתח - בערך כמו סוללת אצבע (AA) אחת. לכן, נהוג לחבר תאים סולאריים בטור זה לזה. חיבור זה של תאים סולאריים נקרא פאנל סולארי. חיסרון בחיבור תאים סולאריים לפאנל הוא שבכל התאים חייב לזרום אותו זרם ואם אחד מהתאים לא מואר (מהצללה או לכלוך) ולכן, לא יכול להעביר זרם כל הפאנל ייפגע וכמו הפתגם המוכר גם כאן חוזק השרשרת כחוזק החוליה החלשה ביותר. לבסוף, על מנת שמערכת סולארית תוכל להתחבר לרשת החשמל יש צורך להמיר את המתח למתח חילופין- כמו שקיים לנו בשקע הביתי, רכיב זה נקרא ממיר מתח והוא החוליה האחרונה בשרשרת ייצור החשמל במערכת הסולארית.

על מנת שנוכל יום אחד להתבסס בייצור החשמל על אנרגיה מהשמש יש צורך באגירת האנרגיה החשמלית- מכיוון שאנו צורכים אנרגיה בכל שעות היום, גם כאשר אין קרינת שמש. כיום חזית המחקר והפיתוח מנסה לשפר עוד ועוד את יכולת האגירה, החל מסוללות ועד מאגרי מים (קיימים כאלה מודלים פעילים כבר בארץ)

השימוש ההולך וגובר באנרגיות מתחדשות, ובראשן אנרגיה פוטו-וולטאית, משפיע את שוק ייצור והולכת החשמל בארץ ובעולם וככל שעובר הזמן והטכנולוגיות משתפרות נראה יותר מערכות משולבות פאנלים ואמצעי אגירה ונצילותן תעלה. הכדאיות הכלכלית של שדות פוטו-וולטאים עולה בהתמדה וצפויה להמשיך במגמה זו בשנים הקרובות. וככל הנראה נזכה לראות בימי חיינו מעבר מסיבי לייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות ושחרור מהצורך בשימוש בדלקי מאובנים.  

מקורות:

[1] - הודעת משרד האנרגיה בנוגע ליעד האנרגיות המתחדשות

[2] - על אור, חלקיקים ואיינשטיין

[3] - מאמר המתאר את חסמי הנצילות של תא סולארי (אנגלית)

לקריאה נוספת:

הסבר על אופן הפעולה של תא סולארי (אנגלית)