יום רביעי, 1 ביולי 2009

המהפכה הסולארית - נספחים

החלק השלישי של המאמר "המהפכה הסולארית" שפורסם בגליליאו  
לאינדקס

האפקט הפוטו-וולטאי

מוליכים-למחצה מאולחים נחלקים לשני סוגים: מוליכים-למחצה מסוג n ומוליכים-למחצה מסוג p. החלוקה היא בהתאם לחומר המאלח, הקובע את סוג נושאי המטען במוליך-למחצה. כך, למשל, אם נאלח צורן בזרחן, שיש לו נטייה לאבד אלקטרון, נקבל מוליך-למחצה מסוג n, כלומר מוליך-למחצה שיש לו עודף של אלקטרונים חופשיים. לעומת זאת, אם נאלח את הצורן בבורון, שיש לו נטייה למשוך אלקטרונים, נקבל מוליך-למחצה מסוג p, כלומר מוליך-למחצה שיש לו מחסור באלקטרונים, או בעגה המקובלת, עודף של "חורים". כדאי לשים לב שבמתכת נושאי המטען הם אלקטרונים חופשיים בלבד, ואילו במוליך-למחצה תיתכן גם "זרימה של חורים". זרימה זו מתבטאת בפועל כהתקדמות מהירה של המקום הריק לאורך החומר, התקדמות שמקורה בתנועות קצרות של אלקטרונים הממלאים בכל פעם את החור.

כאשר מצמידים מוליך-למחצה מסוג n למוליך-למחצה מסוג p, אזי בקרבת מישור המגע מקבלים אזור נקי מנושאי מטען. באזור זה, הקרוי אזור הצומת, נושאי המטען משני הצדדים מנטרלים זה את זה ונותרים בו יונים בלבד, היוצרים מחסום חשמלי. ניתן לעורר זרימה דרך הצומת באמצעות מה שקרוי ממתח קדמי חיצוני, כלומר חיבור צד p לפוטנציאל (קוטב) חשמלי חיובי וחיבור צד n לפוטנציאל שלילי. המתח החשמלי המופעל מעודד את נושאי המטען בשני צדי הצומת להתגבר על המחסום החשמלי ולעבור לצד האחר בפעפוע (דיפוזיה); לזרימה זו קוראים זרימת נושאי הרוב.

קיים עוד סוג של זרימה בדיודה, זרימה כתוצאה ממשיכה חשמלית של היונים באזור הצומת. הזרימה הזאת חלשה, בדרך-כלל, משום שהיא נובעת מזרימה של "נושאי המיעוט": חורים במוליך-למחצה מסוג n ואלקטרונים חופשיים במוליך-למחצה מסוג p. זוגות של נושאי מטען (חור ואלקטרון חופשי) נוצרים באופן ספונטני בכמויות קטנות מאוד כאשר אלקטרון "בורח" מהאטום שלו, הופך לאלקטרון חופשי ומותיר מאחוריו חור. יצירה זו של זוגות היא יצירה תרמית, והיא תלויה בעיקר בטמפרטורה. דרך נוספת לגרום ליצירתם של זוגות נושאי מטען היא להאיר דיודה מתאימה באור. כך יכול אור לעורר זרם חשמלי, שאותו מספק התא הפוטו-וולטאי.

תכונות התא נקבעות בהתאם לסוג החומר המרכיב אותו, והתכונה החשובה ביותר היא רגישותו לאור. הרעיון שעומד מאחורי תא רב-צומתי (multijunction) הוא לבנות את התא מכמה שכבות של מוליכים-למחצה שונים. כל זוג שכבות צמודות יוצרות דיודה, ולכל דיודה כזו יש רגישות גבוהה לתחום אחר בספקטרום האור. בצורה זו, כל דיודה מנצלת היטב תחום תדרים מסוים באור השמש, והנצילות הכוללת של התא עולה מאוד.












מימין דיודה המשמשת כתא פוטו-וולטאי. משמאל תא רב-צומתי.


אנרגיית שמש מהחלל

איסוף קרינת שמש בחלל יכול להיות אפילו פשוט יותר מאשר על פני כדור-הארץ. המרחב במערכת השמש הוא עצום, ויהיה אפשר להשתמש ברשת של לוויינים סביב כדור-הארץ, שכל אחד מהם ירכז את אור השמש בעזרת עדשה או מראה לעבר פאנל של תאים פוטו-וולטאיים. האנרגיה תומר לקרינה אלקטרומגנטית בתחום המיקרוגל, ותשוגר בצורת קרן צרה לכיוון אנטנות המיועדות לקליטתה על פני כדור-הארץ. את הרעיון הזה, שהוצע לראשונה לפני 40 שנה, בחנה נאס"א כבר בשנת 1979, ומצאה אותו יקר מדי ליישום. בשנים האחרונות שבו נאס"א, וכן סוכנויות חלל אחרות, לבחון את הרעיון, והוא נראה כעת קרוב יותר למימוש. היפנים, למשל, מתכננים לשגר בשנת 2010 לוויין ניסוי, שיצויד במערכת המסוגלת להעביר הספק של 100 קילו-ואט לעבר כדור-הארץ.

אפשרות נוספת הנבחנת בהקשר זה היא המרה של האנרגיה הנקלטת בחלל לקרן לייזר רבת-עוצמה, שתשוגר לעבר כדור-הארץ.

אמנם, שתי הטכנולוגיות עדיין רחוקות ממימוש רווחי, אך אין זה מן הנמנע שההתפתחויות הצפויות בתחום התאים הפוטו-וולטאיים ישפרו את ההיתכנות הכלכלית של שוק עתידי זה. פרק זמן של 25 שנה נראה סביר לצורך הקמת רשת של מתקנים כאלה בחלל, שכל אחד מהם יוכל לספק מאות מגה-ואט ואף למעלה מכך. יתרון בולט של הקמת מתקנים בחלל הוא היכולת לקבוע את מסלולם כך שיהיו חשופים לאור השמש במשך רוב הזמן. כך, למשל, לוויין הנמצא במסלול גאוסטציונרי ישהה בצל כדור-הארץ במשך כ-5% מהזמן בלבד (לוויין הנע במסלול גאוסטציונרי מקיף את כדור-הארץ פעם ביממה, ולכן הוא נראה נייח יחסית לנקודה על פני כדור-הארץ. המסלול הוא מעגלי ומקיף את קו המשווה במרחק של 35,786 קילומטר מעל פני כדור-הארץ). כן נחסכת בעיית ירידת ההספק בימים מעוננים, משום שמסלולם של הלוויינים הוא מחוץ לאטמוספרה.

רעיון שאפתני עוד יותר, אם כי פחות בר-יישום בשלב זה, הציע הפיזיקאי פרימן דייסון (Dyson) כבר בשנת 1959 . דייסון הציע לבנות שכבה כדורית סביב השמש, מעבר למסלול כדור-הארץ, שתקלוט את כל הקרינה האלקטרומגנטית היוצאת מהשמש. רעיון זה, המכונה "כדור דייסון" (Dyson Sphere), יביא לניצול מרבי של אנרגיית השמש, והוא אף הוצע כציון דרך עתידי בהתפתחות האנושות. בשלב זה, איננו יודעים עדיין אם מבחינה מכנית ניתן לבנות שכבה כדורית מלאה סביב השמש, אך בניית רשת צפופה של לוויינים שיחוגו סביב השמש תהיה בוודאי אפשרית, וגם אם ניצול אנרגיית השמש בעזרתה לא יהיה מלא, הרי שיהיה זה צעד משמעותי בכיוון זה.

2 comments:

אלעד מח"ץ אמר/ה...

באמת חבל שממשלת ישראל לא רואה את האוצר שבארץ שטופת שמש...
אני בעד האנרגיה הסולארית, ובכלל באנרגיה ירוקה, אך בישראל אין רוחות חזקות שאפשר לנצלן או נהרות עם זרימה חזקה, אבל שמש, יש! וצריך לנצל.
אולי עד שהממשלה תתפוס יוזמה, אנחנו צריכים, ואפשר להתקין מערכת סולארית ביתית להפקת אנרגיה. ואפילו בנק הפועלים הרים את הכפפה ומעניק "אשראי לרכישת מערכות סולאריות ביתיות"
http://www.calcalist.co.il/money/articles/0,7340,L-3086784,00.html

אריה תמשיך לכתוב בבלוג שלך דברים מעניינים, ישר כוח!!!
 

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אני מסכים בהחלט.

היתרון במערכות ביתיות הוא שזה שטח שכבר בנוי (לא מדובר בניצול שטחים פתוחים) ויש מי ששומר על התאים (הדיירים).

כרגע הבעיה העיקרית במימוש הרעיון היא מחירם הגבוה של התאים והזמן הארוך שלוקח להחזיר את ההשקעה. מדובר ביותר מ-10 שנים ועבור אזרחים רגילים זה הרבה.

הצעד של הבנק הוא חיובי והייתי רוצה שגם הממשלה תנקוט צעדים דומים. בסופו של דבר מדובר באינטרנס לאומי.