פאנלים סולאריים -  מה זה פאנל סולארי?

בישראל ובעולם ניתן להבחין בפאנלים סולאריים המותקנים על גגות, ובמקרים מסוימים גם על גבי הקרקע, כאשר המטרה היא לנצל את אנרגיית השמש כדי לייצר חשמל. מה הם הפאנלים הסולאריים? מהי היעילות שלהם? האם אפשר למחזר אותם בסוף השימוש? על שאלות אלה ואחרות נענה כאן.

פאנלים סולאריים – מה זה אומר?

פאנלים סולאריים הם חלק ממערכת פוטו-וולטאית השייכת למודול פוטו-וולטאי - PV (Photo-Voltaic), המנצלת את אנרגיית האור כדי לייצר חשמל. מודול פוטו-וולטאי הוא אוסף של תאים פוטו-וולטאיים אשר משתמשים באנרגיית השמש כדי לייצר זרם חשמלי ישיר. מספר מודולים פוטו-וולטאיים המחוברים יחד יכולים ליצור מערך שלם של פאנלים סולאריים.

המודולים הפוטו-וולטאים משתמשים באנרגיית האור (פוטונים) המגיעה מן השמש כדי לייצר אנרגיה חשמלית באמצעות תהליך מיוחד שנקרא אפקט פוטו-וולטאי. כלומר, תהליך שבו נוצרת אנרגיה חשמלית לאחר חשיפה לאור. מרבית המודלים של הפאנלים הסולאריים מבוססים על אחת משתי הטכנולוגיות: תאים הבנויים משתי שכבות של סיליקון, או תאים המיוצרים על בסיס מודול סרט דק שעליו נדבר בהמשך. התאים הפוטו-וולטאים מחוברים אחד לשני ויוצרים סדרות, וזאת במטרה לייצר את הפלט הרצוי (וולטז', כלומר אנרגיה הנמדדת בוולטים) או כדי לייצר זרם חשמלי עבור הפאנלים הסולאריים או עבור מערכת סולארית פוטו-וולטאית.

התאים הפוטו-וולטאיים מחוברים באמצעות כבלים שנועדו להעביר את הזרם החשמלי לפאנלים הסולאריים, והם עשויים מכסף, נחושת ומתכות אחרות. כדי שהפאנלים הסולאריים יפיקו את מירב האנרגיה, חשוב להגן על התאים הפוטו-וולטאים מפני לחות ונזקים.

מעבר לכך, מודולים פוטו-וולטאים מסוימים נבנים על גבי מגדלי שמש, שבהם האור מרוכז אל תוך תאים באמצעות מראות או עדשות. שיטה זו נחשבת ליעילה ומשתלמת, שכן היא מאפשרת לקלוט את עוצמת אנרגיית השמש בכמויות גדולות יותר.

מודול פוטו-וולטאי – עד כמה הוא יעיל?

כל מודול פוטו-וולטאי נמדד באמצעות עוצמת הפלט של הזרם הישיר שהוא מסוגל לספק, כאשר עוצמה זו נעה בין 100 ל-365 ואט. מידת היעילות של המודול קובעת את שטחו של המודול שיש לו פלט זהה. לדוגמה, מודול המייצר זרם חשמלי בעוצמה של 230 ואט ובעל יעילות של 8% יהיה בעל שטח כפול מזה של מודול בעל יעילות של 16% המייצר את אותה הכמות של הזרם החשמלי: 230 ואט. זאת ועוד, קיימים גם מודולים סולאריים המסוגלים להגיע ליעילות של 24%.

חשוב להבין שמודול סולארי בודד יכול לייצר כוח חשמלי מוגבל, ולכן משתמשים במערך שלם של מודולים לייצור כמויות אנרגיה גדולות. למעשה, מערכת פוטו-וולטאית טיפוסית כוללת מערך שלם של מודולים פוטו-וולטאים המגיעים עם התקנים שונים דוגמת ממיר, סוללת אנרגיה, קישוריות חיווט מנגנונים שנועדו לעקוב אחר קרני השמש וכדומה. הציוד המלווה את המודולים נבחר בקפידה במטרה להעלות את מידת יעילותם של הפאנלים הסולאריים. אך גם בדרך זו לא מצליחים להגיע לניצול אנרגיה מירבי. המודולים הפוטו-וולטאים מסוגלים לייצר זרם חשמלי בעוצמה מסוימת בהתאם למבנה שלהם, אך הם אינם יכולים לנצל את כל האנרגייה של השמש, וכתוצאה מכך אנרגיית שמש רבה הולכת לטמיון. תכנון חדש של מודולים פוטו-וולטאים מיועד להתגבר על בעיית הבזבוז הזו על ידי חלוקת קרני האור ל-6 או 8 אורכי גל, כשכל אחד מהם יופיע בצבע אחר. את אורכי הגל האלה יכוונו למערכי תאים פוטו-וולטאים שונים, וכך ניתן יהיה להגיע ליעילות של 50% בייצור הזרם החשמלי. עם זאת, היעילות הגבוהה ביותר שהושגה עד עכשיו היא של 21.5%.

מחקר שבוצע על ידי אימפריאל קולג' בלונדון הראה שניתן לשפר את יעילותם של הפאנלים הסולאריים באמצעות שימוש באלומיניום. כאשר קרן האור באה במגע עם חומר האלומיניום, היא עוברת מסלול ארוך יותר באמצעות המוליך, ובזמן הזה יותר ויותר פוטונים נקלטים בפאנלים הסולאריים ומאפשרים לייצר יותר אנרגיה חשמלית. במחקר נמצא גם שחומר האלומיניום קולט במיוחד את האור האולטרה-סגול המגיע מן השמש. תגלית זו של האימפריאל קולג' עשויה להוזיל באופן משמעותי את מחירם של הפאנלים הסולאריים בשוק.

נוסף על כך, גילו במחקר כי הגברת הזרם החשמלי מאפשרת ליישם את טכנולוגיית הסרט הדק מבלי לצמצם את יעילותם של הפאנלים הסולאריים. עקב גילוי זה, כדאי לשים לב לארבעה דברים עיקריים המתייחסים לפאנלים הסולאריים:

• יעילותם של הפאנלים הסולאריים מחושבת לפי נקודת הכוח המקסימלית שלהם.
• ממירי מתח סולאריים ממירים את הזרם הישיר לזרם חילופין. כלומר, הם הופכים את כיוונו של הזרם החשמלי וממירים אותו לזרם שבו משתמשים היום בבתים.
• נקודת הכוח המקסימלית של הפאנלים הסולאריים מגיעה לשיאה, ובאמצעותה ניתן לספק חשמל ביעילות רבה יותר.
• פאנלים סולאריים בעלי חיווט מקביל מסוגלים לייצר אנרגיה חשמלית רבה יותר מאשר פאנלים בעלי חיווט רגיל. בעזרת שיטת חיווט זו ניתן למקסם את יעילותם של הפאנלים.

מעבר לכך, לצד ממיר המחליף זרם ישיר בזרם חילופין, קיימות גם טכנולוגיות אשר ממירות זרם ישיר אחד בשני, וכך ממקסמות את כמות הזרם החשמלי שניתן להפיק מהמערכות הסולאריות.

הטכנולוגיה של הפאנלים הסולאריים ומודול סרט דק

טכנולוגיות המבוססות על מודול פוטו-וולטאי נמצאות בשוק החל משנת 1990. מרבית המודולים מבוססים על סיליקון, וב-2013 השימוש בחומר זה הגיע ל-90% מכלל הייצור של מודולים פוטו-וולטאיים ברחבי העולם, בעוד שאר המודולים נבנים על בסיס טכנולוגיית סרט דק. כלומר, סידור שכבות של חומר ברצועות דקות שהעובי שלהן נע בין ננומטר אחד עד לכמה מיקרומטרים בלבד. על כל פנים, במסגרת טכנולוגיות סולאריות בנות הדור השלישי חל שימוש בתאי סרט דק מתקדמים, ובהשוואה לטכנולוגיות אחרות, מדובר באחת הטכנולוגיות הזולות יותר המצויות בשוק.

במסגרת ייצור מודולים של סרט דק, תאי הפאנלים הסולאריים והמודול עצמו מיוצרים באותו פס ייצור. התאים מיוצרים על גבי מצע זכוכית, ולצדם מיוצרים גם חיבורי חשמל תואמים. לצד זאת, קיים שימוש בטכנולוגיות מתקדמות שונות לייצור התאים.

הביצועים של המודולים הפוטו-וולטאים

ביצועי מודול פוטו-וולטאי מוערכים בדרך כלל בעמידה בתנאים סטנדרטיים דוגמת טמפרטורה של 25 מעלות צלסיוס. הכוח המניע של המודלים (וולטז') וכמות הזרם שהם מספקים תלויה בעוצמת האור המגיע מהשמש, הטמפרטורה השוררת בחוץ ותנאים נוספים. כמו כן, ביצועי המודולים משתנים בהתאם לנתונים שונים דוגמת שעה מסוימת ביום, רמת חשיפת המודולים לאנרגיה הסולארית, המצאותם של עננים המסננים את מעבר קרני השמש, מיקום גיאורגפי, עונות השנה ועוד.

כדי למקסם את הביצועים של הפאנלים הסולאריים, חשוב להפנות את כל הפאנלים הנמצאים במערך אחד לאותו הכיוון, כך שייפנו ישירות אל השמש או בניצב לה, בהתאם למיקומה המשתנה בעונות השנה. מסיבה זו, חשוב למדוד את מסלולה של השמש לאורך כל השנה, כדי לדעת איך לכוון את הפאנלים הסולאריים.

נוסף על כך, כושר עמידותם של הפאנלים הסולאריים בפני תנאי מזג האוויר תלויה ביצרן. פאנלים חזקים במיוחד מסוגלים לעמוד היטב בפני פגעים כמו גשם, ברד, גלי חום או קור, שלג וכדומה.

ועדיין נשאר עניין המחיר

אף על פני שמדובר באנרגיה שמקורה מהשמש, אחד האתגרים הגדולים ביותר של הפאנלים הסולאריים המבוססים על טכנולוגיה פוטו-וולטאית הוא המחיר היקר שהלקוח צריך לשלם בתמורה לכל ואט של אנרגיה חשמלית. לאורך השנים מנסים היצרנים לשפר את הפאנלים הסולאריים באמצעות שימוש בחומרים חדשים וטכנולוגיות מתקדמות, במטרה להוזיל עלויות. כיום, הבעיה נעוצה בכמויות האנרגיה הגדולות שיש להשקיע כדי שפוטון אחד ייצר אנרגייה חשמלית. שיפור בביצוען של הטכנולוגיות הפוטו-וולטאיות נועד לנסות לצמצם עלויות מצד אחד, ולמקסם את כמות האנרגייה החשמלית המופקת מהפאנלים הסולאריים מן הצד השני.

מחיר הפאנלים הסולאריים ממשיך לרדת במדינות רבות. כך למשל, ב-1970 העלות עבור כל וואט שייצרו הפאנלים הוערכה בכ-150 דולרים, בעוד עד 2012 ירד המחיר לכ- 0.60 דולר. למעשה, המחיר נחלק ל-3 קטגוריות עיקריות, בהתאם לסוג הרכישה: רכישות בכמויות קטנות, בינוניות וגדולות. המחיר תמורת השימוש בפוטונים יורד ככל שמדובר ברכישה גדולה יותר.

מטבע הדברים, מחיר החשמל פר ואט שמייצרים הפאנלים הסולאריים משתנה ממדינה למדינה. כך, בבריטניה הגשומה ומרובת העננים עשוי המחיר להיות גבוה יותר מאשר בישראל שטופת שמש.

מתחזקים את הפאנלים הסולאריים: לנקות או להשאיר כפי שהם?

מלבד המחיר היקר, אחד האתגרים הנוספים שמציבים הפאנלים הסולאריים בפני היצרנים והמשתמשים הוא התחזוקה שלהם. הצטברויות של לכלוך, חול, אבק וזיהומים נוספים עלולות לפגוע ברמת הביצוע של הפאנלים ב-20% ואף יותר מכך. מנגד, ניקוי הפאנלים הסולאריים אינו זול ולא תמיד משתלם עבור הלקוחות. כך למשל, חוקרים גילו כי פאנלים סולאריים שהוצבו בקליפורניה ולא נוקו במשך כל הקיץ, איבדו כ-7.4% בלבד מיעילותם, בעוד ניקוי פאנלים אלה בתום הקיץ עשוי לעלות כ-20 דולר. גם עבור צרכני אנרגיה גדולים, ניקוי הפאנלים הסולאריים עשוי להתגלות כהוצאה יקרה, והם מעדיפים לספוג את הפגיעה ביעילותם של פאנלים סולאריים מאובקים ומלוכלכים. בעוד שבממוצע, פאנלים מלוכלכים מאבדים את יעילותם בפחות מ-0.05%, ועדיין מסוגלים לקלוט את האנרגיה המופקת מקרני השמש בצורה טובה למדיי.

דואגים לאיכות הסביבה: האם הפאנלים הסולאריים ניתנים למיחזור?

אחת השאלות הבוערות יותר שנשאלות בנוגע לפאנלים הסולאריים היא האם קיימת אפשרות למחזר אותם לאחר שהם יוצאים מכלל שימוש. אחרי הכול, מדובר במבנים מורכבים שעלולים לפגוע באיכות הסביבה, אם לא ידאגו להשמיד את החומרים שמהם הם עשויים בצורה נכונה ומבוקרת. ואכן, את מרבית חלקי הפאנלים הסולאריים והחומרים שמהם הם עשויים ניתן למחזר, כאשר תוצאות המחזור יכולות להגיע עד ל-95%.

אפשרויות המיחזור של הפאנלים תלויות בחומרים שמהם הם עשויים. כך, אם מדובר בפאנלים סולאריים העשויים מסיליקון, ממחזרים תחילה את מסגרות האלומיניום ואת תיבות הצומת באופן ידני. לאחר מכן, מפרידים בין החומרים השונים שמהם עשויים הפאנלים – פסטיק, מתכות, זכוכית - וממחזרים כל אחד מהם בנפרד. בדרך כלל, ניתן לשחזר כ-80% ממשקלם של החומרים האלה. את החומרים שהופרדו כתוצאה מהמיחזור מעבירים לרשותה של התעשייה. כך למשל, הזכוכית המופרדת מהפאנלים מועברת לאחר מכן לזגגים או לתעשיות זכוכית.

פאנלים סולאריים שאינם מורכבים מסיליקון, לעומת זאת, עוברים טכנולוגיות מחזור שונות דוגמת אמבטיות כימיות, במטרה ליצור הפרדה בין החומרים השונים. מודולים מסוימים של פאנלים סולאריים אף עוברים תהליך של פירוק מאסיבי שנועד להפריד את החומרים שמהם הם הורכבו מלכתחילה. תהליך מיחזורם של פאנלים סולאריים אלה מסוגל לשחזר כ-90% ממשקל הזכוכית וכ-95% ממשקלם של שאר החומרים שממנו הם הורכבו.

נושא המיחזור של הפאנלים הסולאריים חשוב עד כדי כך שמשנת 2010 מתקיימת באירופה ועדה שנתית המאגדת אנשי מקצוע רבים העוסקים בתחום המיחזור. חוקרים ואנשי מקצוע אחרים העוסקים בעולם המיחזור מתייעצים יחדיו כדי לשכלל לעתיד לבוא את שיטות המיחזור של מודולים פוטו-וולטאים.

פאנלים סולאריים: על הגג ועל הקרקע

נכון להיום ניתן להתקין פאנלים סולאריים על הגג או על הקרקע. אם עד עכשיו התייחסנו יותר למודולים המותקנים על הגג, נדבר על פאנלים סולאריים המותקנים על גבי הקרקע. מערכות פוטו-וולטאיות שנועדו להרכבה על הקרקע הן בדרך כלל מערכות גדולות יותר המקובעות לאדמה באמצעות מסגרות מיוחדות. כמו כן, על מנת לקבע כראוי את הפאנלים הסולאריים אל הקרקע, יש צורך בשימוש ברכיבים שונים: מוטות הרכבה הנטועים בקרקע, מוטות בסיס העשויים מפלדה וכדומה.

על מנת להרכיב פאנלים סולאריים על הגג, נדרשים רכיבים שונים מעט: רכיבים המיועדים למעקות (מוטות אלה מתחברים ישירות לגג כדי לקבע את הפאנלים), בסיסים שנועדו לחזק את הפאנלים, חיווט מתאים לגג ועוד. זאת ועוד, הרכיבים שמהם עשויים אמצעי החיזוק לפאנלים הסולאריים, בין אם הם נמצאים על הקרקע או מותקנים על הגג, צריכים להתאים לתנאי מזג האוויר השוררים בחוץ.

בעקבות השמש: טרקרים סולאריים וטכנולוגיות אחרות

טרקרים סולאריים (Solar Trackers) הם פיתוח שנועד "לעקוב" אחרי כיוון השמש, כדי למקסם את כמויות האנרגיה שניתן להפיק ממנה ולחשוף את הפאנלים הסולאריים לכמה שיותר אור. הטרקרים "מרגישים" את עוצמת השמש וכיוונה ברגע נתון ומסובבים את המודולים הסולאריים בהתאם לצורך, כך שייחשפו לשמש במידה הרבה ביותר. לצד הטרקרים, קיימות טכנולוגיות אחרות המותקנות על גבי הפאנלים הסולאריים. כך למשל, ישנם התקנים אשר "מחזיקים" את המודולים הסולאריים במשך יום שלם בשיפוע נתון ובכיוון שהוגדר מראש. מערכות מסוימות אף מתאימות את זווית השיפוע של המודולים בהסתמך על עונת השנה. כמו כן, כדי למקסם את כמות האנרגיה המופקת מהפאנלים, מרבית המודולים מופנים לכיוון דרום, בהנחה שהם ממוקמים במדינות המצויות בחצי הכדור הצפוני, ולכיוון צפון, אם הם ממוקמים במדינות המצויות בחצי הכדור הדרומי. באותה המידה, ניתן לסובב את הפאנלים הסולאריים לכיוון מזרח או מערב (בהתאם למיקום הגג). אמנם בדרך זו לא ניתן לקלוט את קרני השמש באופן מירבי, אך קיימת אפשרות לשמור על עקביות בקליטת קרני השמש במהלך תקופת הביקוש לאנרגיה סולארית המומרת לחשמל.

מגבלות הפאנלים הסולאריים: זרם ישיר וכימקלים המשתחררים לאוויר

ראינו את התועלת הרבה שיכולים להביא הפאנלים הסולאריים ואת החיסכון המשמעותי במשאבים כמו זמן וכסף, תוך ניצולה של האנרגיה המגיעה מן השמש. למרות זאת, לפאנלים האלה ישנן כמה מגבלות. דבר ראשון, אף על פי שהם מייצרים אנרגיה חשמלית בחינם, החשמל מיוצר בזרם ישיר שאינו נמצא בשימוש בבתים, בבתי עסק או בתעשיות בדרך כלל. שנית, תהליך הייצור של תאים פוטו-וולטאים מערב רעלים וכימיקלים הפוגעים באיכות הסביבה, וזאת בניגוד לחזון השימוש בפאנלים הסולאריים שנועד לצמצם את הנזק הסביבתי. עם זאת, ישנן תעשיות בודדות ברחבי העולם המייצרות מודולים פוטו-וולטאים בעזרת שימוש באנרגיה פוטו-וולטאית, כלומר באמצעות המרת פוטונים לחשמל. השימוש באנרגיה פוטו-וולטאית מצמצם את אפקט החממה ומאפשר ליצרנים להשיג שליטה על פליטת הכימיקלים המופקים במהלך ייצור הפאנלים הסולאריים.

מערכת סולארית ומערכת החשמל – התלכנה שתיהן יחדיו?

ולסיום, אי אפשר להתייחס למערכת הסולארית מבלי להזכיר את מערכת החשמל הרגילה שבה משתמשים רובנו. כאשר משתמשים במערכות פוטו-וולטאיות המותקנות על גגות הבתים, זרם החשמל עובר בשני כיוונים. עם זאת, מערכת החשמל הסטנדרטית לא תוכננה לעבוד עם ממיר דו-כיווני, ולכן ייתכנו כמה בעיות טכניות. לדוגמה, במקרים של עלייה במתח החשמל, זרם החשמל המופק ממודול פוטו-וולטאי עלול לחזור למערכת החשמל הרגילה. נעשים ניסיונות לפתור את בעיית עליית המתח באמצעות פתרונות כמו ויסות הממיר הפוטו-וולטאי או שימוש בציוד מתקדם שנועד לשלוט בעוצמת האנרגיה המופקת מהפאנלים הסולאריים.