מה זה חשמל סולארי? מהי אנרגיה סולארית?

ליאורה לוקאץ' - גבעון

ממשלת ישראל באחת מהחלטותיה הכריזה על קמפיין עידוד אנרגיה סולארית בישראל.
באופן "מפתיע" זה לא קרה. האחריות להסבר התהליך נפלה על כתפי חברות האנרגיה הירוקות כמו גרינטופס. מדי יום אני מסבירה לקהל המתעניינים איך רותמים את השמש לחקלאות שמש לייצר חשמל סולארי נקי וירוק, איך ניתן להפחית או להפסיק לשלם חשבונות חשמל וליצור מקור הכנסה חדש ופסיבי, שאינו תלוי בהעסקת עובדים, חומרי גלם, תנודות שוק וכו`. לאור זאת, החלטתי לרכז כמה שיותר מידע, בשפה קלילה ובהירה, בתקווה לתת תשובות לתהיות.

ייצור אנרגיה סולארית הוא תהליך הפקת אנרגיה לייצור חשמל מקרינת מהשמש.

האנרגיה המופקת מהשמש היא אנרגיה פוטו-וולטאית. המילה פוטו-וולטאי היא שילוב של המילה פוטו (Photo) במובן של אור והמילה וולט (Volt) במשמעות של חשמל (יחידת המתח החשמלי - למעשה זה שמו של הפיסיקאי האיטלקי - וולטה שעל שמו קרויה יחידת המתח).

מערכת סולארית הופכת את קרינת השמש לאנרגיה חשמלית (פוטו-וולטאית). 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.

רוב התאים הסולארים מיוצרים מסיליקון (צורן)– חומר המצוי בשפע, אינו מתכלה וכרייתו אינה מזיקה לסביבה.

כדי ליצור תא סולארי יש לטעון שכבה אחת של הסיליקון במטען חיובי (מסוג P) ושכבה נוספת במטען שלילי (מסוג N). חיבור בין השכבות יוצר צומת (P-N). בצומת הזו נוצר שדה חשמלי.

השמש מקרינה על הסיליקון ואז נוצרת תנועת אלקטרונים, ובשדה החשמלי נוצר זרם חשמלי – זרם ישר (DC).

הטכנולוגיות לייצור תאים סולארים, או בשמם הנפוץ פוטו-וולטאים, או על פי האקדמיה ללשון העברית :תָּא-שֶׁמֶשׁ, תָּא פוֹטוֹבוֹלְטָאִי

סיליקון (צורן) גבישי: הטכנולוגיה הנפוצה ביותר (כ 90% מההתקנות) והוותיקה ביותר (כבר 50 שנה) לייצור תא סולארי היא באמצעות סיליקון גבישי. יש שני סוגים של שימוש בסיליקון גבישי:

חומר גבישי טהור – סיליקון חד גבישי (monocrystalline) וסיליקון רב גבישי (polycrystalline). הסיליקון הגבישי יעיל יותר מהרב גבישי אך עלותו בתהליך יקרה.

תהליך הייצור של התאים מסיליקון גבישי יקר יחסית עקב עלויות החומר ושיטת הפקתו, אך הטכנולוגיה וותיקה ומוכרת, וחשוב יותר – הנצילות גבוהה (בין 14-17 אחוזים לסיליקון גבישי ו 13-15 אחוזים לסיליקון רב גבישי).

הנצילות - היא היכולת לנצל בצורה מרבית את אנרגיית השמש להפקת חשמל– וערכה נמדד באחוזים. לדוגמא, אם לפנל סולארי יש 10% נצילות, אז 1000 וואט למטר מרובע שמספקת קרינת השמש יהפכו רק ל 100 וואט של אנרגיה חשמלית שניתן להשתמש בה, וזאת ממטר מרובע של פנל סולארי.

תא סולארי - סרטון

פנלים סולארים, או בשמם המקצועי מודולים סולארים

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.

יעילות (ניצולת) המערכת

השמש מספקת לנו בממוצע כ 1 קילוואט (1000 וואט) למטר מרובע.

נניח שיש לנו מערכת עם נצילות של 10%, זאת אומרת שכל מטר מרובע במערכת יספק לנו 100 וואט.

ולכן – כדי לייצר 1 קילוואט יש צורך ב 10 מטרים רבועים.

מערכת כזו מתוארת כמערכת עם הספק של 1 קילוואט מותקן.

קילוואט מותקן (או קילוואט לפיק=שיא) מייצג את ההספק החשמלי של המערכת בתנאים אידיאלים של אור ישיר (תנאי מעבדה). לכאורה היינו אמורים לקבל ממערכת כזו 8760 קוט"ש בחישוב שנתי

(1 קילוואט שמוכפל ב 24 שעות שמוכפל ב 365 ימים בשנה). אבל התנאים האמיתיים שונים מתנאי המעבדה. בעולם האמיתי יש לילה, עננות, אובך וחורף שמורידים את ההספק ולכן יש למדוד את הצריכה לפי שעות השמש הישירה ביום ממוצע בישראל (פחות מ 6) ולעשות חישוב שנתי שיתחשב גם בהבדלים בין הקיץ לחורף. ולכן, מערכת כפי שתיארנו תספק כ 1600 קוט"ש (קילוואט לשעה) בשנה, ולכן, נתוני מערכת סולארית הניתנים ע"י החברות המייצרות, ו/או ע"י מוסדות אקדמאים הם הממוצע השנתי. מערכות עם מתקני עקיבה אחר תנועת השמש עשויות להגיע ל 2150 קוט"ש.

ישנן שתי אפשרויות להפעיל מערכת סולארית

מערכת סולארית המחוברת לרשת החשמל הארצית – (On Grid) המערכת משמשת את הצרכן וכמו כן מחוברת לרשת של חברת החשמל ומזינה אותה בעודפי החשמל הלא מנוצלים. כאשר הצריכה גדולה מכושר היצור של המערכת אז רשת החשמל משלימה את ההפרשים (לדוגמה בימים מעוננים או בלילה). זו סוג ההפעלה הנפוצה ביותר המאפשרת לקבל זיכויים מחברת החשמל על ייצור עודף של חשמל שמועבר לרשת הארצית (ראו הסבר בהמשך).

מערכת סולארית עצמאית (שאינה מחוברת לרשת - Off Grid) – מערכת שמותקנת בד"כ במקומות מרוחקים שאינם מחוברים לרשת החשמל אלא משתמשים בגנרטורים. המערכת העצמאית, ברוב המקרים, נעזרת במצברים לאגירת החשמל העודף (במשך היום) ומאפשרת שימוש בו במהלך הלילה.

מערכת סולארית מורכבת לא רק מהפנלים אלא גם מרכיבים נוספים

פנלים סולארים – הרכיב האחראי להפוך את אנרגיית השמש לזרם חשמלי ישר (DC)

ממיר מתח, או בשמו מהפך (Inverter) – הרכיב האחראי להפוך את הזרם הישר (DC) לזרם חילופין (AC). רשת החשמל כמו גם רוב מכשירי החשמל הגדולים בבית עובדים בזרם AC. חברת החשמל דורשת ממיר מתח כדי לחבר את המערכת לרשת החשמל. ממיר יכול לשמש גם כצג תצוגה המציג את נתוני ייצור החשמל.

מונים – מונה צריכת חשמל ומונה ייצור חשמל. לפי מונים אלו תימדד ותקוזז הצריכה לעומת הייצור.

מתקן עקיבה – מתקן שעוקב אחרי תנועת השמש. נועד לייצב את הפנלים בניצב לשמש במשך כל שעות היום וכך להגיע לנצילות מרבית של המערכת.(זווית השמש משתנה במהלך היום ממזרח למערב. זווית השמש משתנה גם בין הקיץ לחורף למעלה ולמטה) . מתקני עקיבה הם מתקנים מכאניים, ולכן זקוקים לתחזוקה לאורך השנים. מתקן כזה מגדיל את ההשקעה הראשונית במערכת.

מצבר ובקר טעינה – השימוש במצברים נעשה במערכות עצמאיות כדי לשמור את אנרגית החשמל שנוצרה ביום לשימוש בלילה. מצברים יכולים להינזק במצבי קיצון של התרוקנות המצבר או של טעינת יתר שלו ולכן יש צורך בבקר הטעינה שמגן על המצבר.

תחזוקה

התחזוקה היחידה הנדרשת היא ניקיון הפנלים מאבק ולכלוך. חוסר ניקיון והצטברות אבק ולכלוך תוריד מניצולת המערכת. בעיתות גשמים אין צורך כלל לנקות, הפנלים מותקנים בזוית, כך שמי הגשם שוטפים אותם מהאבק. באזורים בהם יש יותר אבק, רצוי לשטוף יותר פעמים.

שיקולים סביבתיים

יתרונות

איכות הסביבה – ייצור נקי של חשמל

אנרגיה לא מתכלה – משאב השמש אינו מתכלה כמו פחם ונפט

התקנה על גגות – חיסכון במשאבי קרקע

כל החשמל המיוצר מועבר לרשת החשמל הארצית

הפחתת התלות במדינות (בד"כ עוינות) בעלות מקורות דלק מתכלים

טכנולוגיה אמינה – עמידות: הפנלים עמידים לאורך זמן בפני תנאי מז"א קשים כמו גשם וברק. בפנלים הסולארים אין חלקים נעים המסבכים את תחזוקת המערכת.

פסולת ומחזור מרכיבי המערכת הסולארית בתום השימוש

פסולת של פנלים סולארים נמצאת בכמות מועטה בעולם (כ 2000 טון בשנה), אבל החל משנת 2020 ואילך צפוי גל פסולת שילך ויגדל של פנלים סולארים בכמות הגדולה לפחות פי 10 מהכמות היום. רוב המרכיבים של הפנל הם חומרים שאינם מזיקים לסביבה . לחברות המובילות בייצור המודולים הסולארים יש מדיניות החזרה ומחזור. חברות אלה מודעות איכות הסביבה ומתחייבות לקבל חזרה את הפנלים בסוף דרכם ולדאוג לטיפול בפסולת. יש להעדיף ייצרן/ספק המתחייב לקחת את המוצר בסוף דרכו.

התקנת המערכת הסולארית

את הפנלים הסולארים מתקינים על גגות .

שטח גג ממוצע הנדרש להתקנה של 1 קילוואט הוא כ 10 מטרים.ההתקנה נעשית גם על גבי גגות שטוחים וגם על גבי גגות רעפים.

לנצילות אופטימלית יש להמנע מהצללה של בניינים או עצים, הפנלים יופנו לכיוון דרום בזוית של כשלושים מעלות ע"י קונסטרוקציה שתביאם לזוית המתאימה על גג שטוח. על גג רעפים משופע, ניתן להתקין רק על הקטע הפונה לכוון דרום.

תכנון מבנים חדשים

עדיף לתכנן את מבנה חדש כך שיותאם מראש לתשתיות המערכת הסולארית.

תכנון נכון של גג המבנה (גודל, מיקום, כיוון) כמו גם הימנעות מהצללה לא רצויה של בנינים או עצים.

אפשר להתקין מודולים סולארים כך שישתלבו בגג בצורה אינטגראלית ולא יותקנו מעליו.

כדאי גם לתכנן את תשתית החשמל כך שתשתיות הכבלים, המונה וממיר המתח ישתלבו נכון ואסטטי במבנה החדש, המונה יהיה נגיש לחברת החשמל, והממיר יהיו בגובה תפעולי.

חשבון כלכלי, תכנית התעריפים (FEED IN TAARIF)

מאז חודש אוגוסט 2008, חברת חשמל התחייבה לקנות את החשמל הסולארי במחיר גבוה פי 4 מהמחיר החשמל הרגיל. וזאת כדי לעודד את השימוש באנרגיות מתחדשות ובמיוחד את השימוש באנרגיה הסולארית. ההסדר מיועד למתקנים סולארים במגזר הפרטי והעסקי. לקוחות ביתיים בעלי מתקנים פוטו-וולטאים עד 15 קילו-וואט יקבלו זיכוי לכל קוט"ש מיוצר. המחיר מוצמד למדד, ומובטח ללקוח במשך 20 שנה – על זה לפי החוק והסכם חתום בין בעל המערכת לחברת החשמל! לקוחות עסקיים יכולים להקים מערכת של עד 50 קילוואט. חברת החשמל מתקינה שני מונים – מונה צריכה ומונה ייצור. אחרי חישוב הצריכה אל מול הייצור, אם יימצא שהלקוח זכאי להחזרים הוא יזוכה כספית. בעל המערכת מורה לחברת החשמל על אופן התשלום, בין בשיק, או העברה לחשבון הבנק שברצונו לקבל בו את הכסף. מערכת עד 4 קילוואט פטורה ממסים. מערכת גדולה יותר, בעל המערכת יפיק חשבונית מס לחברת החשמל, ועל כן עליו להיות עוסק מורשה או חברה.

למרות שחברת החשמל מתחשבנת עם הלקוח על חשמל שנצרך וחשמל מיוצר, יש לעשות הפרדה בין השניים כאשר המבט הוא כלכלי. בראייה הכלכלית אנו בוחנים את ההשקעה במערכת לעומת התשואה שנקבל עליה כמו גם את הזמן בו נחזיר את ההשקעה הראשונית. ניקח לדוגמא מערכת סולארית שההחזר על ההשקעה בה עומד על 10 שנים. זאת אומרת תשואה ממוצעת של 10% על ההשקעה. כך שאם השקענו 100,000 ₪ במערכת סולארית, הרווח הצפוי בשנה הוא של 10,000 ₪ ואחרי 10 שנים נחזיר את ההשקעה ונתחיל להרוויח רווח נקי לפחות עוד 10 שנים (לאור ההסכם של 20 שנה קדימה עם חברת החשמל)

הלוואות - למי שלא מעוניין להוציא מכיסו סכום כסף נכבד להשקעה במערכת הסולארית יש אפשרויות שונות לקבל הלוואה לטווח ארוך, לחלק מחברות האינטגרציה המתקינות את המערכות סולאריות יש הסכמים יחודיים עם בנקים, למתן אשראי בתנאים מועדפים ללקוחות החברה.

שותפות - ניתן לצרף משקיעים אשר יתחלקו בעלות ורווחי המערכת הסולארית. ניתן גם להשכיר גגות למשקיעים וחברות.

ליאורה לוקאץ' - גבעון

מנהלת פיתוח עסקי גרינטופס מערכות