איך פאנלים סולאריים ממירים אור לחשמל

אנרגיה היא מרכיב חיוני בכל פינה של החיים שלנו, אך ידיעת מאיפה האנרגיה מגיעה ואיך אנחנו משנים אותה לצורות שונות היא לא פחות חשובה.

מקורות אנרגיה עיקריים: המקורות העיקריים של האנרגיה הם השמש, המינרלים של הארץ, והתנודות של הארץ עצמה. השמש היא מקור האנרגיה הגדול והמגוון ביותר שלנו, כולל משאבים ביוגניים שנוצרים באמצעות פוטוסינתזה, כמו עצים וחומרים צמחיים אחרים, ומוצרים נגזרים כמו אתנול וביודיזל.

המרות אנרגיה: האנרגיה יכולה להשתנות מצורה אחת לאחרת. דוגמאות לכך כוללות המרות בין חום, אור, מרכיבים כימיים, מכאניים, תרמיים, ואנרגיה כבידתית. במעשה, השריפה של עץ או ביומסה היא דוגמה להמרת אנרגיה כימית לחום ואור.

אנרגיה מתחדשת לעומת אנרגיה לא מתחדשת: המקורות המתחדשים של אנרגיה הם אלה שיכולים להתחדש באופן טבעי ומתמשך, כמו אנרגיה סולארית, רוח, אנרגיה מימית, וגיאותרמית. אנרגיה לא מתחדשת מתייחסת למקורות כמו פחם ונפט, שלא יכולים להתחדש בקצב שאנחנו משתמשים בהם.

מהם מקורות אנרגיה ראשוניים?  מה ההבדל בין צורות אנרגיה מתחדשות ובלתי מתחדשות? וכיצד טכנולוגיית הפוטו-וולטאים, ממירה אנרגיית שמש לחשמל.

צורות של אנרגיה והמרות

אנרגיה קיימת בצורות שונות וניתן להמירה מצורה אחת לאחרת. כמה דוגמאות כוללות אנרגיה חום, אור, כימית, מכנית, תרמית וכבידה. לדוגמה, כאשר שורפים עץ, האנרגיה הכימית האצורה בו מומרת לאנרגיית חום ואור. דוגמה נוספת היא פוטוסינתזה, שבה צמחים סופגים אנרגיית שמש וממירים אותה לאנרגיה כימית.

מקורות אנרגיה ראשוניים

לכל המרות האנרגיה יש נקודת התחלה המכונה מקור האנרגיה העיקרי. על פני כדור הארץ, יש רק כמה מקורות אנרגיה ראשוניים זמינים. השמש היא מקור האנרגיה הגדול ביותר ומציעה שפע של אפשרויות המרה. משאבים ביוגנים, שמקורם בפוטוסינתזה, כוללים עץ, חומר צמחי, אתנול וביו-דיזל. בתנאים ספציפיים, ניתן להמיר מוצרים פוטוסינתטיים אלה לדלקים מאובנים כגון פחם, נפט גולמי וגז טבעי. מקורות אנרגיה ראשוניים אחרים כוללים את כדור הארץ עצמו, המכיל מינרלים כמו אורניום לאנרגיה גרעינית, ואנרגיה גיאותרמית המופקת מחום כדור הארץ. בנוסף, התנועה של כדור הארץ והלוויינים בתוך מערכת השמש תורמת לייצור אנרגיה באמצעות תופעות כמו גאות ושפל ואנרגיית גאות ושפל.

המרת אנרגיה לייצור חשמל

אנרגיה מסופקת בדרך כלל כחום או חשמל, כאשר חשמל הוא צורה איכותית יותר של אנרגיה. ניתן להמיר חשמל לצורות שונות אחרות, כגון חום, אור או אנרגיה כימית. ייצור חשמל מסורתי כולל שימוש בגנרטור, הממיר צורה אחת של אנרגיה לאנרגיה חשמלית. על ידי חיבור גנרטור למכשיר בעל תנועה מכנית, כמו טורבינה, ניתן לייצר כמות משמעותית של חשמל. טורבינות לוכדות תנועה מנוזלים – אוויר, מים או קיטור, וסוג האנרגיה המופקת תלוי לרוב בסוג הנוזל בו משתמשים. לדוגמה, במחולל קיטור, מים מורתחים ליצירת קיטור בלחץ גבוה, שניתן להפיק באמצעות מקורות דלק מאובנים, ביקוע גרעיני או חום גיאותרמי.

אנרגיה סולארית, המיוצרת באמצעות אנרגיה פוטו-וולטאית, ממלאת תפקיד מכריע בתמהיל האנרגיה. הפוטו-וולטאים ממירים ישירות את אנרגיית השמש לחשמל ללא צורך בטורבינות. בתהליך זה, השמש פולטת קרינה אלקטרומגנטית, כאשר הספקטרום הנראה מכיל את רמות האנרגיה הגבוהות ביותר. הפוטו-וולטאים מנצלים את המשאב הסולארי הזה וממירים אותו לחשמל. בעוד המרה סולרית לתרמית ישירה מתאימה למיקומים ספציפיים עם אור שמש בשפע, הפוטו-וולטאים מספקים גישה מגוונת יותר. תאים פוטו-וולטאיים הומצאו בשנות ה-50 ומאז עברו התקדמות משמעותית, מה שהופך אותם לטכנולוגיה בוגרת עם אימוץ נרחב ברחבי העולם. לאנרגיה סולארית יש פוטנציאל לעמוד בדרישות האנרגיה הגוברות שלנו בשל השפע והזמינות הגלובלית שלה.

פאנאור הסולארי לחשמל

פאנלים סולאריים והתהליך שבו הם ממירים את האור הסולארי לחשמל

ראשית נבין את רכיבי העיקר של פאנל סולארי. תא סולארי אחד מייצר בערך חצי וולט של חשמל ועד כשמונה אמפרים, תלוי בסוג התא. התא הסולארי מורכב מפלטת סיליקון עם אלקטרודות או מגעים שמונחים על המשטח ובצד האחורי של התא. בדרך כלל, רואים כמה מגעים קטנים מחוברים יחד על ידי מגעים גדולים יותר על פני התא.

עם חצי וולט לא ניתן לעשות הרבה. לכן, מתאים לחבר תאים בסדרה כדי ליצור מה שנקרא “מחרוזת סדרתית” שמגבירה את המתח. זה דומה לאופן בו סוללות מחוברות יחד במכשירים אלקטרוניים, הפוכות אחת לשניה, כך שהן ממייצרות יחד מתח גבוה יותר. לדוגמה, ניתן לשים שתי סוללות AA בפנס כדי להגביר את המתח הכולל לשלושה וולט. מתח המחרוזת היא סכום החצי וולט של כל התאים ובדוגמה המופיעה בכתבה זו של שמונה תאים, המתח הוא ארבעה וולט. המחרוזת מצופה בחומר אחורי, מוצק ומאוחסן בציפוי פלסטיק מתאים למזג האוויר. מעל המחרוזת מנוחם זכוכית הגן ולעיתים קרובות יש מסגרת אלומיניום מסביב לקצוות. האסמבליה הזו נקראת “מודול סולארי” ולעיתים נקראת גם “פאנל סולארי”. הפאנלים הסולאריים הנפוצים שאנו רואים על בתים או בניין מסחרי נראים גדולים יותר מהדוגמה הפשוטה שלנו ועשויים לכלול מחרוזות סדרתיות של 60 או אפילו 72 תאים לכל מודול.

בזמן התכנון של מערכת פוטובולטאית, המודולים הסולאריים (שגם נקראים פאנלים) מתחברים יחד במה שנקרא “מערך פוטובולטאי”. בדיוק כמו המחרוזות הסדרתיות של התאים מחוברות יחד כדי ליצור את המודול, גם מודולים יכולים להתחבר יחד בסדרה כדי להגביר את המתח של המערכת כולה. בדוגמה המופיעה בכתבה זו, ארבעה מודולים בגודל שלארכם של 4 וולט, כאשר מחוברים בסדרה יחד מקבלים 16 וולט.

המודולים סולאריים המסחריים המקובלים היום מיוצרים מהיסוד השימושי סיליקון. ישנם מספר סוגים שונים של סיליקון וכיצד הם מעשים קרוב לחלוף הייצור וליעילות ההמרה מאור לחשמל של המודול. הסיליקון המעורב הפחות אפיל אך יותר זול לייצור הוא סיליקון אמורפי. יש לו יעילות של כ 5-7% ולרוב אינו בשימוש נרחב בפוטובולטאיקה מסחרית. אף על פי שיכולים הייתם לראות סיליקון אמורפי במחשבונים כיס ובמכשירים אלקטרוניים קטנים נוספים. רוב המודולים הסולאריים המסחריים הנמכרים עשויים מסיליקון מונוקריסטלי או פוליקריסטלי. סיליקון פוליקריסטלי, המכונה לפעמים גם סיליקון מרובע, נראה דמוי קרטון. הוא מעט פחות יעיל בהמרת אור לחשמל מסיליקון מונוקריסטלי ומתחום של 15-17%, אך יותר זול לייצור מכיוון שאינו טהור ואינו מצריך הרבה אנרגיה לייצורו. הסיליקון מסודר כימית בתהליך בפוגה אזובי שמייצר גרגרים מרובים שמעניקים לו את המראה הדמוי-קרטון. ניתן לחתוך את הקבלה כדי ליצור טבעות דקות ליצירת תאי פוטובולטאי או לשימוש כגלגולות בייצור סיליקון מונוקריסטלי.

סיליקון מונוקריסטלי או סיליקון חד-גרעיני הוא הרבה יותר יעיל בהמרת אור לחשמל בטווח של כ 15-22%, אך הוא גם הכי יקר לייצור. כדי לייצר סיליקון זה יש להמסיס את הסיליקון ולחבר גרעינים זרעים יחד על חוט או חוטן סובב. לאחר מכן, הסיליקון מתרבה מסביב לזרע ומתגרד באופן איטי למה שקוראים “קערה”, שהיא קערת סיליקון חדה. צורת הקערה המעוגלת מחתוכה לחתיכות דקות והצורה המעוגלת לעיתים ניכרת בתאי המודולים המונוקריסטליים. המראה הכללי של הסיליקון הוא אחיד, שטוח, שחור ולא מעוגל. הסיליקון יכולת להמיר אור לחשמל מתקיימת מכיוון שהוא מולל. פעמים רבות, גם בייצור הסיליקון מונוקריסטלי או פוליקריסטלי, התקנות חדשות מתקיימות על ידי קיפול של הקבלה של כדי ליצור מודולים דקיקים יותר ובכך לחסוך חומר ועלויות תעשייתיות נוספות.

בתחום הגגות הסולאריים, קיימים מספר רכיבים מכריעים שיש להבין ולהתעקש עליהם. הרכיב המרכזי ביותר הוא מודול הסולארי, או הפאנל הסולארי, שהוא אוסף של תאי פוטובולטאי המייצרים חשמל מאנרגית השמש. הפאנלים מחוברים יחד ומותקנים על גג הבניין.

החשמל שמייצרים על ידי הפאנלים הוא זרם ישיר (DC), אבל ברוב המקרים, הצרכים של הבניין מבוססים על זרם חילופי (AC). בשביל להשתמש בחשמל המיוצר על ידי הפאנלים, נדרש ממצא (inverter) שממיר את החשמל מזרם ישיר לזרם חילופי ומתאים אותו לשימוש במבנה. סוגים שונים של ממצאים זמינים, כאשר הממצאים הגדולים יכולים לקבל ולהמיר חשמל ממספר רב של פאנלים, ויש גם אפשרות לממצאים קטנים יותר שמכילים מספר פאנלים נמוכים יותר. חשוב להתקין מערכת ניטור המאפשרת לקבוע את כמות החשמל המיוצרת ולנטר את חיבור הרשת החשמלית.

לעיתים, במקרים בהם יש צורך בהתקנה תומכת, מותקנות סוללות. סוללות אלה אינן חובה אם המערכת מחוברת לרשת החשמל, אך הן נדרשות במקרים בהם נדרשת עבודה עצמאית מחוץ לרשת או במקרים בהם יש צורך בגיבוי במקרי תקלה ברשת החשמל. סוללות מגוונות זמינות בשוק, וניתן לבחור בין סוגי סוללות מוצקות או ממולאות באזור צפיפות חומצה. על פי דרישות הקוד החשמלי, סוללות חייבות להיות מותקנות במרחק של עד 20 רגלים (כ-6 מטרים) מהממצא.

חלק נוסף של מערכת החשמל הוא בקר הטעינה (charge controller) שמבטיח כי הסוללות לא ייטענו יתר או ייעלמו, ובכך מונע את הסיכון לתקלות או לשריפות. בקר הטעינה משמש כחלק חשוב במערכת ומתייחס לתהליכי טעינה ופרעון של הסוללות.

חלק החשמל בבניין כולל גם את הפאנל החשמלי ומערכת החשמל הקיימת. בשלב ההתקנה, יש לחבר את כניסת החשמל של הפאנל הסולארי לתוך הפאנל החשמלי הראשי של הבניין, כולל חיבור לרשת החשמל ולמנוע בקרת החשמל הכללית של הבניין. חשוב לציית למגבלות הקוד החשמלי הנדרשות עבור התקנת מערכות סולאריות, ובמיוחד לשילוב הכניסה החשמלית של הפאנל הסולארי עם הפאנל החשמלי הראשי של הבניין. הקוד החשמלי המרכזי בארצות הברית הוא קוד החשמל הלאומי (NEC), שמגדיר את דרישות החוטים, המרחקים המותרים והאמצעים האישיים לשימוש במערכות סולאריות. חשוב לציית לדרישות הקוד כדי להבטיח שההתקנה תתבצע בצורה בטוחה וחוקית.

בנוסף, למערכת סולארית יש רכיבים מכניים שמקשרים את מערכת הסולאריים לבניין. ישנם רגליות מתכתיות המחברות את הפאנלים הסולאריים באמצעות קליפסים מיוחדים, והרגליות מחוברות לנקודות התקנה על הגג באמצעות מסמרי קישור או קלמפים. חשוב להתעקש על חיבור מותאם אישית בין הפאנלים לרגליות ובין הרגליות לגג כדי להבטיח שהמערכת תהיה מותאמת למבנה ותיהיה מבוטחת ויציבה. גם מערכות המחזיקות את הפאנלים על גגות שטוחים דורשות פתרונות מכניים מתאימים, כמו מערכת הכוח המאזן (ballasting), שמאפשרת תמיכה במערכת על גג שטוח באמצעות משקולות כדי למנוע פניית הפאנלים מהגג במצבי רוח חזקים.