תחנת כוח פוטו-וולטאית
תחנת כוח פוטו וולטאית, הידועה גם בשם חווה סולארית, היא בעצם מערכת פוטו-וולטאית בקנה מידה גדול, המאפשרת המרה של אנרגיה המסופקת על ידי השמש לאנרגיה חשמלית, שמועמסת אל רשת החשמל. החווה הסולארית בעצם דומה מאד לפאנלים הסולאריים המוכרים לנו ממחשבונים או שעונים, ונבדלת מהם בעיקר בקנה המידה שלה ומטרתה: לספק חשמל למספר גדול של משקי בית או מפעלים על ידי רשת החשמל הארצית.
החווה הסולארית שייכת לסוג תחנות הכוח המשתמשות באנרגיות מתחדשות. משמעות הדבר היא, שתחנת הכוח מנצלת משאבים שאינם מתכלים – במקרה שלנו, אור השמש. דוגמה נוספת לתחנת כוח המשתמשת באנרגיות מתחדשות היא תחנת כוח הידרו-אלקטרית, המשתמשת באנרגיה הפוטנציאלית של מים זורמים כדי להפיק חשמל (תחנות כוח כאלה אינן קיימות בישראל[1]). זאת בניגוד לתחנות הכוח המסורתיות המשתמשות באנרגיית חום הנפלטת משריפת חומרים שונים (נפט, פחם ועוד) כדי להפיק חשמל.
היסטוריה
בשנת 1982 נבנתה החווה הסולארית הראשונה בלוגו שבקליפורניה, על ידי חברת "ארקו סולאר" (Arco Solar)[2]. חווה זו סיפקה 1MWp (צריך קישור ליחידות). שנתיים אחריה, ב-1984, הקימה חברת topaz את החווה הסולארית ב Carizzo plains שבקליפורניה[3], שסיפקה 5.2MWp. חוות אלה היו החלוצות אך הוצאו מכלל שימוש[4] עקב חוסר יעילות – התחנות לא סיפקו את האנרגיה שהתחייבו לספק, ולא תוכננו להיות עמידות לאורך זמן כך שהתפוקה שלהן הלכה וירדה. ההתעוררות הבאה להקמת חוות סולאריות הגיעה רק בשנת 2004, כאשר בגרמניה הוקמו שורה של חוות סולאריות במהלך שנקרא "Feed-in traiff" - מהלך כלכלי של מתן הטבות שונות והבטחת ערך ליצרני חשמל באמצעות אנרגיות מתחדשות. מאז, בגרמניה הוקמו יותר מ50 חוות סולאריות שמספקות יותר מ10MWp[5]. השיטה הזו נוסתה גם בספרד, ב-2008, ובעקבותיה הפכה ספרד למובילה בייצור חשמל על ידי אנרגיות מתחדשות עם מעל 60 חוות סולאריות שמספקות יותר מ10MWp[6]. בהמשך נפתחו פרויקטים כאלה בארצות הברית, סין, הודו, צרפת, קנדה, איטליה ואחרים. החוות הגדולות ביותר מספקות מאות MWp, ומתוכננים פרויקטים ברמה של GWp.
בישראל
החווה הסולארית הראשונה בישראל נבנתה ליד קיבוץ קטורה בנגב בשנת 2011, על ידי חברת ערבה פאוור קומפני (Arava Power Company), ונקראת "קטורה סאן"[7]. השדה מורכב מכ-18,500 פאנלים פוטו-וולטאים על פני 80 דונם. תפוקת החווה היא 4.95 MWp. בממוצע לאורך השנה ההספק הוא כ-1 מגה-וואט.
הפרויקט הגדול ביותר כרגע בישראל בתחום האנרגיה הסולארית, הוא מתחם אשלים שבנגב, שכולל 4 תחנות כוח בהספק כולל של 250MWp[8]. שלוש מהתחנות נבנו כבר, ומתוכן אחת היא חווה סולארית (פועלת בשיטה פוטו-וולטאית) - תחנת "אשלים סאן פי וי" שנחנכה בינואר 2018[9]. התחנה הרביעית שצפויה להיבנות פועלת גם היא בטכנולוגיה זו.
בהמשך צפויות להיבנות חוות נוספות בקיבוץ שדה בוקר בנגב[10].
מלבד זאת קיימות חברות ישראליות לייצור חשמל באנרגיות מתחדשות, הפועלות בחו"ל. אחת מחברות אלה - חברת "לוז", אחראית להקמת כמה תחנות תרמו סולאריות בקליפורניה שבארצות הברית[11]. תחנות אלו נבנו בין 1984 ל-1991, בהספק כולל של כ-350 מגה-וואט.
יחידות מידה לתפוקת חשמל
בשיטה הסולארית, תפוקת החשמל נמדדת ב"יחידות" מעט שונות: MWp - מגה וואט בשיא (Megah-Watt peak). בעצם מודדים כמה הספק חשמלי (הנמדד ביחידות של וואט, קילו-וואט, מגה-וואט וכן הלאה) מיוצר על ידי החווה הסולארית בתנאים אופטימליים - אוויר נקי, ללא עננים, הארה מקסימלית של השמש, קליטה מקסימלית של הקולט וכו'. ההספק הממוצע בפועל נמוך יותר מההספק הנמדד בMWp, ושקול לפחות או יותר שליש מערך השיא.
יתרונות וחסרונות השיטה הסולארית אל מול השיטות המסורתיות להפקת חשמל
בתור דרך חדשה יחסית להפקת חשמל, נמדדת השיטה הסולארית להפקת החשמל אל מול השיטות המוכרות – שכוללות שריפת חומרים מתכלים ושימוש באנרגיית החום המתקבלת, כדי לחמם מים וליצור קיטור, שבתורו מניע טורבינות המכילות סליל נחושת ומגנט רב עוצמה – וכך יוצרות זרימה חשמלית.
יתרונות השיטה הסולארית
- תחנות הכוח מנצלות משאב זמין שאינו מתכלה – אור השמש. בשונה מנפט, פחם או דלקים אחרים – אור השמש תמיד זמין ומהווה מקור אנרגיה יציב, שאין לחשוש שייגמר.
- אור השמש אינו עולה כסף, כך שעלויות התפעול של תחנת הכוח מצטמצמות אך ורק לעלויות תחזוקה, בניגוד לתחנות הכוח המסורתיות בהן יש עלות קבועה של קניית ושינוע הדלקים.
- תחנות סולאריות אינן מזהמות את הסביבה, בניגוד לתחנות המסורתיות שפולטות גזים רעילים אל האוויר כתוצאה משריפת הדלקים, ובדרך כלל מזהמות מקורות מים כדי לקרר את מערכת הקיטור בין מחזורי שימוש.
- התבססות על אנרגיה סולארית מפחיתה את התלות הכלכלית במדינות אחרות, שמהן רוכשים גז, נפט או דלקים אחרים.
חסרונות
- כדי להפיק כמות מספקת של אנרגיה חשמלית נדרש שטח מאד גדול של פאנלים סולאריים פרוסים, מאחר שכל הפאנלים צריכים להיות חשופים לשמש. כדי להגיע לכמות האנרגיה שמספקת תחנת כוח מסורתית – יידרש שטח גדול פי כמה וכמה משטחה של התחנה הרגילה.
- אור השמש אמנם זמין, אך לעיתים הוא מוסתר חלקית או לגמרי בעקבות תנאי מזג אוויר, מה שהופך את מקור האנרגיה של התחנה ליציב פחות.
- במשך שעות הלילה אין לתחנה שום יכולת להפיק אנרגיה חשמלית, מה שמקטין מאד את תפוקת האנרגיה שלה.
- באופן כללי תחנות סולאריות מפיקות משמעותית פחות אנרגיה חשמלית מתחנות כוח מסורתיות. כדוגמה נביא את תחנת הכוח "אשלים sun-pv", תחנה פוטו וולטאית שנחנכה בינואר 2018 באשלים שבישראל, ומפיקה כ 30 מגה-וואט בשנה. לעומת זאת, תחנת הכוח "אורות רבין" שבחדרה, ישראל, הפועלת על שריפת פחם – מפיקה כ-2590 מגה-וואט בשנה – בערך פי 85.
- עלות ההקמה של תחנות סולאריות תלויה בהרבה גורמים, בראשן מיקום גאוגרפי. כיום בישראל החוות האחרונות של 2018 זכו במכרז כשהן מוכרות קוט״ש ב-19.9 אג׳, מחיר נמוך יותר מהמחיר של יצור חשמל מפחם או גז.
סוגים שונים של תחנות כוח סולאריות
תחנת הכוח המכונה "חווה סולארית", פועלת על אמצעים פוטו-וולטאיים, כלומר ניצול של האפקט הפוטו אלקטרי על ידי חומרים מוליכים למחצה כדי ליצור זרימה חשמלית כתגובה לאור. זהו הסוג הנפוץ של תחנות כוח סולאריות, המוכר כאמור גם מחפצים יומיומיים – כגון שעון יד עם פאנל סולארי. החווה הסולארית מורכבת ממספר גדול של פאנלים סולאריים רחבים בעלי נצילות אנרגיה גבוהה, המוצבים באזור אחד.
נוסף לכך ישנו עוד סוג נפוץ יחסית של תחנת כוח סולארית, המכונה תחנת כוח תרמו-סולארית. תחנות אלו מנצלות את החום של אור השמש, ולא את תכונותיו הפוטוניות (ההארה). בתחנות אלו ממקדים את אור השמש על ידי מראות מסוגים שונים, כדי ליצור מוקד חום שיומר בתורו לאנרגיה חשמלית.
ניתן לראות מס' הבדלים מהותיים בין סוגי התחנות:
- החווה הסולארית מנצלת את ההארה של השמש, והחום הוא תוצר לוואי. בתחנה התרמו-סולארית חום השמש הוא העיקר, וההארה מיותרת.
- החווה הסולארית מפיקה את החשמל בטכנולוגיה שונה משאר תחנות הכוח: יצירת זרם חשמלי מהארה על ידי שימוש באפקט הפוטו-אלקטרי. לעומת זאת התחנה התרמו-סולארית מפיקה אנרגיה בדיוק באותה צורה כמו תחנות הכוח המסורתיות, המשתמשות באנרגיית חום כדי להפוך מים לקיטור, ולהזרים אותו כך שיסובב טורבינות מפיקות חשמל. החידוש שבהן הוא הדרך ליצירת מוקד החום – באמצעות השמש במקום שריפת חומרים מתכלים.
- החווה הסולארית בנויה רובה ככולה מפאנלים סולאריים, לעומת התחנה התרמו-סולארית שבנויה בדר"כ ממראות, ולפעמים מצינורות המכילים שמנים ומלחים כמוליכי חום.
- החווה הסולארית יוצרת את הזרם החשמלי בצורה ישירה – הפקת החשמל מתבצעת בלוחות עצמם, כתגובה ישירה להארת השמש. התחנה התרמו-סולארית לעומתה מפיקה את החשמל ב2 שלבים: ראשית, יצירת מוקד של אנרגיית חום על ידי חום השמש. שנית, המרת אנרגיית החום לאנרגיה חשמלית.
יתרונות השיטה הפוטו-וולטאית
- עלות הקמה נמוכה יותר, ועלויות תפעול ותחזוק נמוכות יותר.
- אין צורך בכוונון של הלוחות הסולאריים, בניגוד למראות בחלק מהתחנות התרמו-סולאריות שצריכות לעקוב אחרי מסלול השמש כדי ליצור חימום יעיל במוקד החום.
- מאחר שאור השמש מומר ישירות לאנרגיה חשמלית, יש פחות מקום להפסדי אנרגיה בתהליך הייצור.
יתרונות השיטה התרמו-סולארית
- יכולת לאגור אנרגיה על ידי חומרים מקבלי חום, וכך לספק אנרגיה גם בחלק משעות החשיכה.
- במרבית המקרים – נצילות אנרגיה גבוהה יותר מתחנות פוטו-וולטאיות. כלומר – יותר אחוזים מאור השמש הופכים לאנרגיה חשמלית בשיטה זו.
- תחנה תרמו-סולארית יכולה בשעת הצורך להיות מופעלת גם ללא אור שמש – על ידי שריפת דלקים, הודות לדמיון מנגנון ההפעלה שלה לתחנות הכוח המסורתיות.
אגירת אנרגיה
כאמור, אחד החסרונות הבולטים של ייצור חשמל בשיטה הסולארית הוא חוסר תפקוד בשעות הלילה. זהו חסרון עוד יותר משמעותי עבור תחנת כוח, כיוון ששעות הלילה הן השעות בהן צריכת החשמל בשיאה – תאורה ברחובות ובבתים, חימום מים וכו'. הפתרון הסולארי לבעיה זו הוא – ייצור כמות גבוהה של אנרגיה ביום, ואגירתה לצורך שימוש עתידי בלילה. אמנם, הפתרון הטריוויאלי של אגירת האנרגיה במצברים - אינו ישים לכמויות אנרגיה גבוהות במיוחד, לכן אי אפשר להשתמש בו בתחנות כוח, אלא דרושים פתרונות לאגירת אנרגיה רבה מאוד, למשך מספר שעות.
קיימות מספר שיטות:
דרך אחת לאגור אנרגיה היא בנוזל עם קיבול חום גבוה (משמר חום) – בדרך כלל שמן סינתטי מסוג מסוים: להזרים את הנוזל החם (בשעות הצהריים) סביב חומר שגם הוא בעל קיבול חום גבוה (למשל: גרפיט או בטון). עם פחיתת הקרינה, הנוזל יחל להתקרר, והגוף שקיבל את החום יפלוט אותו לאיטו ויאט את ירידת הטמפרטורה של נוזל שינוע החום. כך הנוזל יישאר חם גם לאחר כמה שעות אל תוך הלילה.
דרך אחרת שמשתמשת בעקרון נוזל משמר חום היא, להזרים את הנוזל בקרבת חומר העובר התכה בעקבות החום. למשל - תערובת של מלחים. נוזל שינוע החום החם (בשעות הצהריים) מוזרם סביב מכלי מלח גדולים. התכת המלחים צורכת חום המגיע מהנוזל החם. בערב, כשהנוזל מתקרר, המלחים מתמצקים, פולטים את החום הכמוס, ומאטים את התקררות הנוזל.
בנוסף קיימות דרכים לאגירת אנרגיה באמצעות שאיבת מים. משתמשים באנרגיה המיוצרת מתחנת הכוח כדי לשאוב מים ממאגר תחתון למאגר עליון. בשעות הלילה, ניתן להשתמש באנרגיה הפוטנציאלית של המים כדי להניע טורבינה ולייצר חשמל בשיטה המסורתית (בעצם – ליצור מפל מים שייצר חשמל בטכנולוגיה הידרו-אלקטרית). שיטה זו אמנם מסורבלת אך יתרונה הוא באגירת האנרגיה למשך זמן בלתי-מוגבל.
תהליך ייצור החשמל בשיטה פוטו – וולטאית
הטכנולוגיה עליה מבוסס ייצור החשמל בחווה הסולארית, היא טכנולוגיה של פאנלים סולאריים[12], המבוססים על האפקט הפוטו-אלקטרי. אלו פאנלים דומים מאד ל"קולטי השמש" הניצבים על גגות רבים בישראל, שאחראיים לחימום דוד מים. הפאנל הסולארי בנוי מחומרים מוליכים למחצה, בדרך כלל סיליקון שעבר עיבוד מסוים. מחומרים אלה ניתן לייצר מבנה אלקטרוני שנקרא צומת PN, שמתאפיין ביכולתו ליצור זרם חשמלי על ידי תכונות כימיות של החומר. כאשר מעוררים את החומר, על ידי הפעלת מתח חשמלי על הצומת, או חימום, או הארה - האנרגיה מפרידה בין יונים בחומר לבין אלקטרונים חופשיים שנעים במוליך למחצה ויוצרים זרם חשמלי. במילים יותר פשוטות - האור נקלט בפאנל הסולארי, מקנה אנרגיה לחלקיקים המעובדים בחומר המוליך למחצה, והאנרגיה הזו מומרת לזרם חשמלי שזורם במוליך.
נצילות האנרגיה בשיטה זו אינה מיטבית - כ-15% מאנרגיית ההארה שנקלטת בפאנל הסולארי מומרת לזרם חשמלי הלכה למעשה[12]. אך עדיין - מאחר שאנרגיית אור השמש גבוהה מאוד, גם נצילות כזו מספקת הרבה חשמל.
אחת מהדרכים לייעל את הספק התחנה, מלבד הצבת כמות גדולה יותר של פאנלים סולאריים, היא יצירת מנגנון שמכוון את הפאנלים לאורך היום כך שתמיד יהיו בזווית מיטבית לקליטה מקסימלית של הארת השמש. החסרון במנגנון כזה הוא תוספת משמעותית לעלות ההקמה והתפעול השוטף של החווה הסולארית. חלק ממקימי החוות מעדיפים למקם את החווה באזור חשוף לשמש (בישראל המועמד האידיאלי הוא הנגב), כך שבכל זווית תתקבל הארה משמעותית וכמעט מיטבית, וכך נחסכת עלות המעקב השוטף של הפאנלים.
"חוות סולאריות" פרטיות
מעבר לתחנות הכוח בהן עוסק הערך, קיימת בישראל אפשרות לכל צרכן פרטי להפוך ליצרן חשמל קטן, באמצעות פאנלים סולאריים המותקנים על גג הבית, אסם, או בשטח פרטי אחר. חברת החשמל בישראל מעודדת שימוש באנרגיות מתחדשות על ידי מכרזים ליצרנים פרטיים[13], ופטור מתשלום עבור רכיב הייצור ליצרנים פרטיים המשתמשים באנרגיות מתחדשות[14]. החשמל המסופק מהיצרן הפרטי משמש קודם כל לאותו משק בית - וכך הוא נהנה מאספקת חשמל חינם, ובמקרה שמיוצרים עודפים - החשמל מתחבר לרשת הארצית ומתורגם להחזר מחברת החשמל עבור היצרן הפרטי, במחיר של פי 4 בערך ממחיר רגיל לכל קוט"ש.
לקריאה נוספת
פרק זה טעון עריכה. אנא אנרגיה סולארית ברחבי העולם
http://energyinformative.org/where-is-solar-power-used-the-most/
אנרגיה סולארית בישראל - גלובס
אנרגיה סולארית בישראל
סיכום והמלצות דיון פורום האנרגיה מס' 30
https://www.neaman.org.il/Files/Energy%20Forum%2030.pdf
קישורים חיצוניים
הערות שוליים
- ^ אנרגיות מתחדשות בישראל
- ^ Arnett, J.C.; Schaffer, L. A.; Rumberg, J. P.; Tolbert, R. E. L, Design, installation and performance of the ARCO Solar one-megawatt power plant, Proceedings of the Fifth International Conference
- ^ "Topaz Solar Farm"
- ^ Wenger, H.J., Decline of the Carrisa Plains PV power plant
- ^ "Solar parks map - Germany"
- ^ "Solar parks map - Spain"
- ^ קטורה סאן, ערבה פאוור קומפני
- ^ תחנת הכוח התרמו-סולארית באשלים, באתר Negev Energy
- ^ אורה קורן, [www.themarker.com/1.5765504 תחנת הכוח הסולארית באשלים תיחנך היום בהשקעה של 280 מיליון שקל], באתר דה-מארקר, ינואר 2018
- ^ הקמת תחנות כוח סולאריות בשדה-בוקר
- ^ Solar Electric Generating Station I
- ^ 12.0 12.1 מהו פאנל סולארי ואיך הוא עובד?
- ^ חברת החשמל - אנרגיות מתחדשות
- ^ חברת החשמל - יצרנים רגילים
