יום רביעי, 1 ביולי 2009

המהפכה הסולארית - חלק שני

החלק השני של המאמר "המהפכה הסולארית" שפורסם בגליליאו
לאינדקס

חשמל ישיר

דרך נוספת להשתמש באנרגיה סולארית היא בעזרת המרה ישירה שלה לחשמל. האפקט הפוטו-וולטאי, כשמו כן הוא, פירושו ייצור של מתח חשמלי (הנמדד בוולטים) בעקבות הארה, כלומר בעקבות פגיעת פוטונים בחומר. הצורה הנוכחית של תאים פוטו-וולטאיים (תאי PV) התגבשה במעבדות חברת AT&T בארצות-הברית בשנות החמישים של המאה ה-20. תאים אלו בנויים מדיודה עשויה מוליך-למחצה, והם מפיקים מתח חשמלי כאשר מאירים אותם. ההספק שתא בודד מספק לצרכן (מכפלת המתח החשמלי בזרם החשמלי) תלוי כמובן בעוצמת ההארה, ונהוג להגדיר יעילות או נצילות של תא פוטו-וולטאי כהספק המקסימלי המיוצר חלקי ההספק של קרינת האור הפוגע.

מוליך-למחצה, כמו היסוד צורן (סיליקון), הוא חומר שאיננו מוליך חשמל במצבו הטבעי. על מנת להשתמש בו בהתקנים אלקטרוניים מוסיפים לו חומר אחר, או בשפה מקצועית - מאלחים אותו. הרכיב האלקטרוני המוכר בשם דיודה מורכב ,בעצם, משני מוליכים למחצה מאולחים המחוברים זה לזה. לדיודה יש יכולת להמיר אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית בתהליך קוונטי המתרחש בתוכה. אם כך, תא פוטו-וולטאי, שבצורתו הבסיסית בנוי מדיודה פשוטה, יודע לייצר מתח ישר (מתח DC) כאשר מקרינים עליו אור. אמנם, אפשר להשתמש במתח ישר עבור מכשירים ביתיים פשוטים, אבל כדי לספק חשמל לצרכנים, על חברת החשמל להמיר את המתח הישר למתח חילופין (מתח AC) בטרם תעביר אותו לרשת החשמל. ההמרה ממתח ישר למתח חילופין כרוכה בהפסדי הספק, וזהו אחד החסרונות של השיטה הפוטו-וולטאית.

שני גורמים קובעים את יעילות התא: סוג החומר וצורת התא. צורן הוא עדיין החומר הנפוץ ביותר בתעשייה הפוטו-וולטאית, אלא שלצורן הגבישי הוותיק הצטרף בשנות השבעים צורן אמורפי, שאין לו מבנה מסודר. מחירם של תאים עשויים מהצורה האמורפית של צורן נמוך באופן ניכר מאלו העשויים מצורן גבישי, ועל כן הם תופסים כיום נתח נכבד מהשוק, במיוחד במדינות עניות, אף שנצילותם החשמלית נמוכה למדי. בד בבד, בשנים האחרונות נכנסים לשוק הפוטו-וולטאי חומרים יקרים ויעילים, וביניהם ראוי לציין תרכובות של גליום כמו גליום ארסניד (GaAs) וגליום אינדיום פוספיד (GaInP). חומרים כאלו צפויים למצוא את מקומם במדינות מפותחות בכלל ובתחנות כוח סולאריות בפרט.

ניתן להגדיל את יעילות התא הפוטו-וולטאי באמצעות אילוח גבוה יותר של החומר המוליך-למחצה ובאמצעות פיזור אחיד יותר של האילוח בשני חלקי הדיודה. נוסף על כך, לחיבור של המוליך-למחצה לתילי המתכת הנושאים את הזרם מחוץ לדיודה יש השפעה גדולה על הנצילות הכללית.

רעיון חדש למדי, בכיוון אחר, שתפס תאוצה בשנים האחרונות, הוא בניית תא פוטו-וולטאי המורכב מכמה שכבות של מוליכים למחצה, כלומר תא רב-צומתי (multijunction), שבו כל זוג שכבות מהווה דיודה בפני עצמה. הבה נזכור שאור השמש מורכב מאורכי גל שונים. באופן כללי ניתן לומר שהספקטרום שלו כולל אור בתחום התת-אדום, בתחום הנראה, ובתחום העל-סגול. הדיודה העליונה, בתא הרב-צומתי, רגישה לאורכי גל קצרים יותר, כלומר לאור על-סגול (UV), וחלק ניכר מהפוטונים בתחום זה נבלעים שם והופכים לחשמל. השכבה הבאה רגישה לאורכי גל ארוכים יותר, ואור סגול וכחול נבלעים בה, וכן הלאה עד לשכבה התחתונה הרגישה לאור תת-אדום. בדרך זו, מצליחים להגיע לנצילות גבוהה יותר משום שיש סיכוי גדול למדי שפוטון באורך גל כלשהו יבלע בשכבה המתאימה לו.


התמונה צולמה על ידי בשדה בוקר. נראים בה פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים בבדיקה.


כשאור דולק בחלונך

תאים פוטו-וולטאיים מהווים פתרון אידאלי עבור מכשירים שצריכת החשמל שלהם נמוכה, כמו מחשבונים ושעונים; ועבור מקומות מבודדים שקשה לספק להם חשמל באופן אחר. ומהו המקום המבודד ביותר אם לא החלל? למעשה, המירוץ לחלל במחצית השנייה של המאה ה-20 הוא האחראי לזינוק המשמעותי ביותר של תעשיית התאים הפוטו-וולטאיים. עקב ההספק הנמוך שהתאים יכולים להפיק, נהוג לצרף לחלליות המחקר מקור אנרגיה נוסף, כגון גנרטור תרמו-אלקטרי גרעיני (RTG), שבניגוד לתאים פוטו-וולטאיים, יש פולמוס רב סביב השימוש בו.

ובחזרה לכדור-הארץ – תאים פוטו-וולטאיים מותקנים במדחנים, בתחנות אוטובוס, במכמונות מהירות ובמתקנים נוספים שצריכת ההספק שלהם נמוכה ושחיבורם לרשת החשמל מסובך. תחום המכוניות הסולאריות נמצא גם הוא בפיתוח מואץ. בעזרת 8 מ"ר של תאים יעילים המוצבים על גבי המכונית, ניתן לייצר כיום הספק של 2 קילו-ואט, שאמנם לא די בו להנעת מכונית משפחתית, אבל הוא בכל זאת תורם אנרגיה בחינם וחוסך בזיהום האוויר. אגב, מכונית חשמלית, שההנעה שלה מבוססת על מצברים, היא כלי רכב ששילוב תאים פוטו-וולטאיים בו יהיה טבעי ופשוט. מכוניות אלה, שחלק מטעינת המצברים שלהן יתבצע בעזרת אנרגיית השמש, צפוי שיצאו לשוק כבר בשנים הקרובות. מאחר שהשימוש בתאים פוטו-וולטאיים ילך ויגבר, מעניינת מאוד השאלה לגבי העתיד הצפוי לפאנלים של תאים אשר כבר מתחילים לבצבץ פה ושם על גגות הבתים, אפילו בישראל.

כמה מדינות בעולם, ובראשן גרמניה, מעודדות את הצרכנים להתקין תאים פוטו-וולטאיים על גג ביתם על-ידי מתן תמיכה נדיבה. חברות החשמל במדינות אלו מחויבות לקנות מהצרכן את עודף החשמל שמייצרים התאים, שכמובן פעילים במשך כל שעות האור, במחיר גבוה מערכו האמיתי. מדיניות כזו אפשרית רק במדינות עשירות, וספק אם היא תחזיק מעמד לאורך זמן. מקורה של המדיניות לא רק בהתעוררות אקולוגית עולמית, אלא גם בצורך ליצור תשתית שתסייע בהתמודדות עם משבר אנרגיה עתידי. ניתוח שוק התאים הפוטו-וולטאיים לצריכה ביתית מרמז, כי במדינות מסוימות אנו נמצאים כבר ב"נקודת אל-חזור" והשימוש בתאים לא ייעלם גם אם התמיכה תיפסק. לא מן הנמנע כי בתוך שנים אחדות, כל בית חדש שייבנה במדינות המתועשות, וגם בישראל, יחויב לשאת על גגו לא רק דוד שמש, אלא גם פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים.

יש מדינות שעבור תושביהן תאים אלו הם הרבה יותר מעוד גורם במאזן האנרגיה הביתי. מצב כזה מאפיין את מדינות העולם השלישי, שחלק ניכר מתושביהן עדיין אינם מחוברים לרשת החשמל, ועבורם אספקת חשמל היא עדיין בחזקת מותרות. מעניין במיוחד לבחון את המצב בקניה, שבשנים האחרונות מתרחשת בה מהפכה של ממש, וכבר נטבע מטבע הלשון "המודל הקנייתי". במשך 15 השנים האחרונות, מאות אלפי משפחות קנייתיות רכשו פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים, רובם עשויים מצורן אמורפי ובעלי צומת אחד, כלומר התאים הפשוטים והזולים ביותר. פאנל אחד יכול לספק בין 12 ל-25 ואט בלבד, ומחירו נע בין 50 ל-100 דולר. מבחינת התושבים שרכשו את הפאנלים, מדובר בשינוי משמעותי ברמת החיים. במשך היום הם נוהגים לטעון בעזרת התאים מצבר מכונית פשוט, ובערב להשתמש בחשמל על מנת להאיר מנורה או שתיים ולצפות שעות אחדות בטלוויזיה. זאת אכן קפיצת מדרגה עבור תושבים שעד כה יכלו להאיר את ביתם רק בעזרת מנורות קרוסין (נפט). מעניין יהיה לעקוב אחר התפשטותו של "המודל הקנייתי" במדינות עולם שלישי נוספות, שרובן המכריע נמצא באזורי קרינה חזקה שבהם ניתן לנצל את אור השמש לצורך הפקת אנרגיה.

אולי דווקא בסיפור ההצלחה הקנייתי מתגלה גם החיסרון העיקרי של תאים פוטו-וולטאיים – תפוקת החשמל שלהם נמוכה. פאנל ביתי של תאים יכול אולי לספק את הדרישות הנמוכות של אוכלוסיית העולם השלישי, אבל בוודאי לא את הדרישות של חברת השפע המערבית המפונקת. נוסף על כך, כמות החשמל האדירה שצורך המגזר התעשייתי במדינות אלה דורשת פתרון אחר.


קרדיט לתמונה: Thayer School of Engineering at Dartmouth באתר flickr. פאנלים של תאים פוטו-וולטאיים בכפר מרוחק בקניה המשמשים לאספקת אנרגיה למשאבת מים.


וגם הנגב עוד יהיה זורח

ההֶספק שתא פוטו-וולטאי יכול לספק לצרכן יחסי לרמת הקרינה המגיעה אליו, והוא אינו גבוה גם בעוצמת שמש מרבית. הרעיון שעומד מאחורי תחנות כוח מבוססות תאים פוטו-וולטאיים הוא ריכוז אור השמש, כלומר הצבת לוח של תאים פוטו-וולטאיים, שגודלו האופייני 10 על 10 ס"מ, במוקד של מראת צלחת פרבולית. השימוש בעדשה במקום במראה ייתן תוצאה זהה של ריכוז אור השמש, וההחלטה לגבי האופטיקה המתאימה קשורה יותר לשאלות עלות ולחישובי פיזור חום על גבי התאים. אחד הגורמים המרכזיים במערכת כזו הוא יכולת ריכוז האור של המראה או העדשה, והמגבלה אינה הרכיב האופטי אלא התא עצמו. לכל תא פוטו-וולטאי מוגדרת עוצמת אור מרבית, שאם עוברים אותה יורדת יעילותו. כך, למשל, יעילות מרבית של תאי צורן מתקבלת כאשר מאירים עליהם בעוצמה גבוהה פי 100 מאור שמש רגיל, והיעילות המרבית של תאי גליום-ארסניד מתקבלת כאשר מאירים עליהם באור חזק פי 500 מאור שמש רגיל. צופים, שכבר בשנים הקרובות ניתן יהיה לרכז פי 1,000 את אור השמש על תאים אלו מבלי לרדת ביעילות, ולפי הערכות אופטימיות, עוצמת האור המרבית תגדל באופן ניכר עם הכנסתם לשוק של סוגי תאים חדשים הנמצאים בפיתוח ותגיע עד פי 10,000.

יש לציין, שיעילות התאים צפויה לגדול גם היא בעשור הקרוב. כיום עדיין משתמשים בתאים בעלי נצילות המרת אור לחשמל של 15%, אבל כבר עתה נבדקים בכמה מעבדות בעולם תאים בעלי נצילות של 40%. אגב, מחיר התאים קטן יחסית למחיר זכוכית המראה והברזל התומך בה, ומהווה רק עשירית ממחירו הכולל של המתקן.

רעיון זה ורעיונות נוספים נבחנים זה שנים אחדות במכון לחקר המדבר של אוניברסיטת בן-גוריון. הדרמנו לשדה בוקר על מנת לפגוש את פרופ' דוד פיימן, מנהל המרכז הלאומי לאנרגיית השמש. פיימן, שאינו מסתפק בבחינה ניסויית של מערכות פוטו-וולטאיות, אלא עוסק גם בחישובים כלכליים, טוען כי ניתן לספק את כל הצריכה של מדינת ישראל בעזרת 15 שדות של קולטים שייבנו תוך 20 שנה. הוא סבור שכבר לאחר 12 שנה של תפעול, פרויקט ענק זה, שאותו הגה יחד עם דב רביב, ממציא טיל החץ, יהיה רווחי ויחזיר את ההשקעה ההתחלתית, הכוללת הקמת מפעלים לייצור הרכיבים. לפי התכנית, כל שדה, שישתרע על שטח של 12 קמ"ר, יכלול מראות (או עדשות) שבמוקדיהן תאים פוטו-וולטאיים. תחנת כוח כזו תוכל לספק 1,500 מגה-ואט בשעות הצהריים, ובעיית חוסר הקרינה בלילה תיפתר על-ידי טעינת מצברי ונדיום. פיימן מעריך שגם אם מחירו של החשמל לצרכן יהיה רק 0.04 דולר לקוט"ש, כחצי ממחיר החשמל בישראל כיום, עדיין יישאר כסף להחליף מתקנים ישנים כל 30 שנה, זמן חייהם המשוער.

תכנון של פרויקט כזה מציב כמה אתגרים מכיוונים לא-צפויים. למשל, בעיית התחממות התאים בעוצמות קרינה כה גבוהות, או ניקוי המראות מאבק העלול להוריד באופן דרסטי את יעילות המתקן. בהקשר זה, ד"ר סרגיי בריוקוב מאוניברסיטת בן-גוריון פיתח התקן המנקה את המראות לאחר סופות האבק, השכיחות במדבריות, בעזרת שדה אלקטרומגנטי. המתקן המרכזי במעבדת הניסוי בשדה בוקר הוא מראת הצלחת הפרבולית ששטחה 400 מ"ר. הצבה של תאים שונים במוקד המראה מאפשר את בדיקתם. הייחוד במעבדה זו הוא ספקטרום אור השמש בשדה בוקר, שנמצא באופן מפתיע קרוב מאוד לספקטרום הסטנדרטי הבינלאומי לבדיקות תאים פוטו-וולטאיים. זוהי אחת הסיבות לפופולריות של המתקן בשדה בוקר בקרב יצרני תאים, הבודקים בו תאים מחומרים שונים בספקטרום סטנדרטי ובתנאי שטח.

החוקרים ואנשי התעשייה בישראל נמצאים היום בעמדת המתנה. הטכנולוגיה והידע כבר קיימים, והתכניות מחכות במגירה. אולם כדי לממשן יש לזכות בתמיכה ממשלתית, לפחות בשלב הראשון. במדינה שטופת שמש כמו ישראל חבל שלא לנצל את הפוטנציאל הגלום באנרגיה סולארית. גם אם משק האנרגיה העתידי יהיה מבוזר למדי, הרי שכל מדינה תתמחה במקור אנרגיה עיקרי, ובמצב זה האנרגיה הסולארית תתפוס בסופו של דבר נתח מרכזי בשוק האנרגיה המקומי. אם בעתיד תיבנה רשת חשמל בינלאומית, מבוססת על קווי מתח עשויים ממוליכי-על, מדינת ישראל תוכל לתרום לקהילה הבינלאומית חשמל שיופק מאנרגיה סולארית. סביר להניח שהמגמה של השקעת כספי מחקר ופיתוח עצומים באנרגיה חלופית, שמקורה באירופה, תתפשט לעולם כולו. יפן היא המובילה העולמית בהספק החשמל המיוצר מאנרגיה סולארית, גרמניה נמצאת במרחק קצר אחריה, ארצות-הברית משתרכת במקום השלישי, ואילו ישראל עדיין נמצאת הרבה מאחור. וחבל.


התמונה צולמה על ידי בשדה בוקר. מראת צלחת פרבולית המרכזת את אור השמש לעבר לוח של תאים פוטו-וולטאיים המוצב במוקד המראה.

לחלק הראשון של המאמר
לנספחים

לקריאה נוספת:
תאים פוטו-וולטאיים באתר "אנרגיה בהיבט רב-תחומי" מאת רמי אריאלי
הסבר על סוגים שונים של תאים פוטו-וולטאיים
"מכניסים את השמש למעבדה" מאת דוד פיימן

5 תגובות:

אמיר אמר/ה...

מאמר מרתק. תודה.

אנונימי אמר/ה...

בתור Newbie, אני תמיד בחיפוש מקוון של מאמרים שיכולים לעזור לי. תודה וואו! תודה! תמיד רציתי לכתוב משהו באתר שלי ככה. אני יכול לקחת חלק של ההודעה שלך בבלוג שלי?

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

שלום, רשמתי בתחתית הבלוג את תנאי הרשיון - ניתן להשתמש בחומרים שמתפרסמים כאן בתנאי שמציינים את המקור:
אריה מלמד-כץ
http://arie-science.blogspot.com

אנונימי אמר/ה...

יש ליש שאלה, האם הקמת קולטנים לצורך שימוש בייתי על הגג, זה יכול לסרטן? או אם הממיר עצמו מסרטן?
תודה.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

למיטב ידיעתי אין בקולטי השמש הללו שום סכנה.