אנרגיה מתחדשת היא אנרגיה שמקורה בתהליכים טבעיים מתמשכים שאינם מתכלים כתוצאה מרתימת האנרגיה האצורה בהם. מקורות אנרגיה מתחדשים נבדלים ממקורות אנרגיה מתכלים כגון דלק מאובנים (נפט, פחם וגז טבעי), ואנרגיה גרעינית, שהשימוש בהם כרוך בהקטנה משמעותית של מאגר האנרגיה הזמינה האצורה בהם.
מקורות אנרגיה אלה כוללים את האנרגיה הסולארית, אנרגיית רוח, אנרגיית מים, אנרגיה גיאוטרמית (אנרגיה גאותרמית שמקורה במאגר החום הפנימי של כדור הארץ) ואנרגיית גאות ושפל כתוצאה מכוחות המשיכה של הירח והשמש. (אנרגיה מתחדשת, ח”ת) חשוב להדגיש, כי היתרון מצד אחד, והקושי מצד שני היא העובדה שלא ניתן להשתמש בכל סוגי האנרגיות המתחדשות בכל מקום. שימוש באנרגיות מתחדשות חייב להיות מותאם גיאוגרפית למקום בו מייצרים אותם.
אנרגיה סולארית היא מקור של אנרגיה חלופית ומתחדשת שמקורה בקרינת השמש. עקב ההספק הגבוה של קרינת השמש על פני כדור הארץ, יש לשיטה זו פוטנציאל להפוך למרכיב משמעותי בשוק האנרגיה העולמי. בנוסף, קיימות אפשרויות להשתמש בקרינת השמש באופן בה הן מייתרות את השימוש בצריכת חשמל כמו: חימום, אידוי, קירור וייבוש.
תא פוטו-וולטאי (PV) או תא סולארי
המילה פוטו-וולטאי היא שילוב של המילה פוטו (Photo) במובן של אור והמילה וולט (Volt) במשמעות של חשמל (יחידת המתח החשמלי). מערכת סולארית הופכת את קרינת השמש לאנרגיה חשמלית (ראה איור). המרכיב העיקרי של כל מערכת סולארית הוא התאים הפוטו-וולטאים. תאים פוטו-וולטאים, הנקראים גם תאי שמש או תאים סולארים, בנויים מחומרים מוליכים למחצה. החומרים המוליכים למחצה הם חומרים אשר איכות ההולכה שלהם מושפעת מהקרנה של אור עליהם. הנצילות של שיטה זו היא היכולת לנצל בצורה מרבית את אנרגיית השמש להפקת חשמל– וערכה נמדד באחוזים. פנל סולארי הוא הרכבה של תאים סולארים ליחידה אחת. התאים הסולארים מחוברים בטור ביניהם בקבוצה (חיבור בטור מגדיל את המתח). חיבור של מספר שרשראות במקביל יוצר את הפנל הסולארי (חיבור במקביל מגדיל את הזרם). התאים בפנל מצופים בחומר מגן, ממוסגרים במסגרת אלומיניום ומכוסים בזכוכית שקופה. הפנל הסולארי נבנה כך שיהיה פעיל ויעיל במשך עשרות שנים. הפנל עמיד בפני גשם, רוח וברד. בדרך כלל ניתנת אחריות על הביצועים לתקופה של 25 שנה. הפנלים הסולארים הם הרכיב העיקרי והיקר של כל מערכת סולארית. השמש מספקת לנו בשעות הצהריים ביום בהיר כ-1 קילוואט (1000 וואט) למטר מרובע, והנצילות של פנלים פוטו-וולטאיים מסחריים כיום היא בין 17%-20%.
ריכוז שמש Concentrated PV
ריכוז שמש או CPV הוא טכנולוגית פוטו שמייצרת חשמל מאור השמש. המערכת מבוססת על עיקרון של ריכוז קרני השמש בשיעור של פי 500 מעל תא סולארי מיוחד. תאים אלו משמשים בדרך כלל כמקור הפקת אנרגיה ללוויינים בחלל, וכיום הם מותאמים לשימוש קרקעי במערכות אנרגיה סולארית (ראה איור). בניגוד למערכות PV, הטכנולוגיה הזאת משתמשת בעדשות ומראות עקומות בכדי למקד את אור שמש אל מקום קטן, בעל נצילות גבוהה מאוד של כ- 37%. בנוסף, מערכות CPV משתמשות בטכנולוגיה שבה המערכות עוקבות אחר השמש, ולפעמים ישנן מערכות קירור כדי להגביר את היעילות שלהם עוד יותר. (Concentrator photovoltaics, Wikipedia, n.d.)
אנרגיה תרמו סולארית
שיטה העושה שימוש ישיר בחום הנוצר מפגיעת קרני השמש. בשיטה זו ישנן דרכים מגוונות לרכז את קרינת השמש כך שהריכוז שלה יצליח לחמם בטמפ’ גבוהות גז, אויר או נוזל, ובכך לייצר קיטור להפעלת טורבינות המפיקות חשמל. ישנן מספר שיטות לרכז את קרני השמש כמו: הליוסטטיים (מראות) מתכווננות המרכזות את הקרינה לנקודה מוגדרת בראש מגדל שמש או שקתות פרבוליות המרכזות את קרינת השמש לצינור מרכזי הרץ במרכז השוקת שגם היא עוקבת אחר השמש ממזרח למערב. נצילות של מערכות אלו מגיעה ל-33%, והיתרון הגדול שבה שניתן לאגור חום לשעות החשיכה ולהפעיל טורבינה בשעות הערב.
מערכות עקיבה פאנלים סולארים
כדי להתמודד עם ירידת התעריף ועדיין לשמור על כדאיות כלכלית, היזמים חייבים להעלות את נצילות המערכת עד כמה שאפשר. הפתרון הטבעי להגדלת הנצילות הוא השימוש במערכות עקיבה. מערכות אלו אמנם מייקרות את עלות הקנייה של המערכת, אבל תורמות לשיפור ניכר בתפוקת המערכת של עד 20%-30%, והן מחזירות את ההשקעה בזמן יחסית קצר. המטרה של שימוש במערכות עקיבה היא לאפס את הפרש הזוויות בין קרני השמש למשטח הפאנלים ול”רבע” (מלשון ריבוע) את עקומת הייצור, כלומר להגיע להספק גבוה במשך יותר שעות. סוגי מערכות עקיבה:
סוג א’ – מערכת עקיבה חד צירית עונתית
במערכת זו, זווית ההטיה של הפאנל מן הקרקע משתנה במהלך השנה לפי גובה השמש בשמיים. השיפור המתקבל בתפוקת המערכת הוא עד כ- 6% בחישוב שנתי. מערכות אילו אינן פופולאריות.
סוג ב’ – מערכת עקיבה חד צירית יומית
במערכת זו הפאנלים מתכווננים לכיוון השמש במהלך היום ממזרח למערב, כאשר זווית ההטיה שלהם כלפי דרום נשארת קבועה. מערכות אלו בד”כ מונעות ע”י בוכנה המסובבת את הפאנלים על ציר במהלך היום כך שיעקבו אחר מיקום השמש. השיפור המתקבל בתפוקת המערכת הוא עד 25% בחישוב שנתי. מערכות עקיבה אלו הן הפופלריות ביותר.
סוג ג’ – מערכת עקיבה דו צירית
במערכת זו הפאנלים עוקבים אחר השמש במהלך היום ומשנים גם את זווית ההטיה שלהם ואת האזימוט שלהם. משטח הפאנל תמיד נמצא מאונך לקרני השמש. מערכות אלו בד”כ מונעות ע”י שני מנועים, בוכנה המשנה את זווית ההטיה ומנוע סיבובי המשנה את האזימוט. השיפור המתקבל בתפוקת המערכת הוא עד 45% בחישוב שנתי. מערכות עקיבה יקרות ומסובכות יותר מהמערכות החד ציריות.
טכנולוגיות המשתמשות בשמש כתחליף לצריכת חשמל
שימוש בחום וקרינה טבעיים באופן ישיר, כתחליף לחשמל: ייבוש כביסה, ייבוש כל חומר ביולוגי אחר המיועד לתעשייה או חקלאות ומיזוג.
מערכות חימום מים ביתית ותעשייתית
המערכת מורכבת משני חלקים עיקריים: קולט תרמו-סולארי שמטרתו לחמם את המים, ודוד מים מבודד שמטרתו לאגור את המים החמים. קולט השמש צבוע בצבע כהה ומתחמם מקרני השמש. המים הנמצאים בצינורות הקולט מתחממים, צפיפותם יורדת, והם נודדים במעלה הקולט ומשם דרך צינור לחלקו העליון של הדוד. המים הקרים שוקעים לתחתית הדוד ומשם לתחתית הקולט, וכך המים מתחממים וממלאים את הדוד במים חמים. כאשר אנו פותחים את ברז המים החמים, המים שהטמפרטורה שלהם מגיעה לכ- 60 מעלות צלזיוס, נלקחים מהחלק העליון של הדוד ומוזרמים אלינו לברז. (הגן הסולארי, ח”ת) שימוש זה בארץ גרם לחיסכון ב 4% בייצור חשמל. במידה ורוצים להגיע לטמפ’ גבוהות יותר הנדרשות לתעשייה – בין 150 ל 300 מעלות צלזיוס, ניתן לשלב טכנולוגיות המרכזות קרינה ובכך מעלות את הטמפ’ של המים במיכל עד 300 מעלות צלזיוס.
מערכת מיזוג סולארית
מיזוג אוויר הן למגורים והן למבני תעשיה וציבור הפך לצרכן האנרגיה הכבד ביותר בארץ בחודשי הקיץ. מערכת מיזוג האוויר מונעת באנרגיה סולארית כתחליף למערכת קונבנציונלית, שמונעת בחשמל. היישום המסחרי מיועד לצרכן בגודל 70 טון קירור ומעלה עבור מבנים תעשייתיים, מסחריים וציבוריים (בעתיד יוכל להתאים גם למבני מגורים – בתים משותפים). הטכנולוגיה מבוססת על ייצור קיטור באנרגיה סולארית, הפעלת מכונת קירור ספיגה בקיץ, ניצול ישיר של החום התרמי בחורף ואגירת חום למספר שעות (ראה איור 15). מערכות ספיגה קיימות כיום באופן מסחרי ובגדלים שונים. הסוג הנפוץ ביותר הוא מערכות חד- שלביות המשמשות בעיקר לייצור קור תוך שימוש בחום שיורי או מקור חום אחר בטמפרטורות של כ- 85 מ”צ. מערכות כאלה ניתנות לשימוש מיידי לקירור סולארי, ללא צורך בפיתוח נוסף, ע”י שילובן עם מערכת קולטי שמש לאספקת החום.