מהי אנרגיה סולארית? ואיך עובדים הלוחות הסולאריים?

השמש, אותו כדור אש עצום ומרוחק, מהווה מקור אנרגיה כמעט בלתי נדלה. במשך מיליארדי שנים, הקרינה הסולארית מניעה את החיים על פני כדור הארץ. כיום, הטכנולוגיה המודרנית מאפשרת לנו לרתום את העוצמה הזו לצרכים האנושיים שלנו – הפקת חשמל מאנרגיית השמש. אנרגיה סולארית היא משאב מתחדש, נקי, וזמין, ההופך במהירות לאחד מעמודי התווך של עולם האנרגיה. בישראל שטופת השמש, הפוטנציאל עצום. במאמר זה נצלול לעומק ונבין מהי אנרגיה סולארית, איך היא עובדת, ומה היתרונות – הכלכליים והסביבתיים – שהיא מציעה.

האם ידעת? על פי נתוני רשות החשמל, בשנת 2023 ישראל הגיעה לכ-13% הפקת חשמל מאנרגיה סולארית – עלייה דרמטית לעומת שנים קודמות.

הבנת יסודות האנרגיה הסולארית 

אנרגיה מהשמש

המסע של האנרגיה הסולארית מתחיל בלב השמש, שם תגובות גרעיניות אדירות מייצרות כמויות עצומות של אנרגיה. אנרגיה זו משתחררת בצורת קרינה אלקטרומגנטית, שכוללת אור נראה, גלי רדיו, קרינת אולטרה סגולה, ועוד. הקרינה הסולארית נושאת עימה "חבילות" קטנטנות של אנרגיה המכונות פוטונים. מסעם של פוטונים אלו לחלל אורך כ-8 דקות בלבד, ומשם הם ממשיכים במסע אל כדור הארץ.

האפקט הפוטו-וולטאי

כאן נכנסת לתמונה ההמצאה שהפכה את אנרגיית השמש לחשמל שמיש: התא הסולארי. האפקט הפוטו-וולטאי (Photovoltaic) מתאר את היכולת של חומרים מסוימים, כמו סיליקון, להמיר אור ישירות לחשמל. בתוך התא הסולארי, כשהפוטונים נבלעים בסיליקון, הם משחררים אלקטרונים ומייצרים זרם חשמלי (זרם ישר, DC).

תאים סולאריים

התא הסולארי הוא לב ליבה של כל מערכת סולארית. תאים מיוצרים מפרוסות דקיקות של סיליקון, חומר מוליך-למחצה השכיח בחול. בתאים סולאריים מודרניים מוסיפים לסיליקון חומרים נוספים בכמויות מזעריות כדי לשפר את המוליכות שלו ולהפוך אותו לרגיש יותר לאור. התאים עצמם ארוזים ביחידות מוגנות הנקראות לוחות (או פאנלים) סולאריים, אותם מתקינים בדרך כלל על גגות או בשטחים פתוחים.

נקודה מעניינת: המדענים הראשונים הבחינו באפקט הפוטו-וולטאי עוד במאה ה-19, אבל רק בשנות ה-50 של המאה ה-20 פותחו תאים סולאריים בעלי יעילות שיכלה להניע יישומים מעשיים.

סוגי לוחות (פאנלים) סולאריים 

הפאנלים הסולאריים שכולנו מכירים הם לא מקשה אחת. ישנם מספר סוגים עיקריים של פאנלים, כאשר הבחירה ביניהם יכולה להשפיע על היעילות, העלות, ואפילו המראה האסתטי של המערכת.

פאנלים פולי-קריסטליים

סוג הפאנלים הנפוץ ביותר בשוק. הם מיוצרים מסיליקון מותך שמתגבש למספר רב של גבישים קטנים, ומכאן שמם (פולי = הרבה). הפאנלים הפולי-קריסטליים נחשבים לאמינים, בעלי תוחלת חיים ארוכה, ויעילותם בינונית-גבוהה. מבחינה ויזואלית, הם בעלי מראה כחלחל וגבישי. בשל היחס הנפלא בין עלות ליעילות, הם מהווים פתרון פופולרי למערכות סולאריות ביתיות ועסקיות.

פאנלים מונו-קריסטליים

פאנלים אלו מיוצרים מגביש יחיד של סיליקון (מונו = אחד). בזכות המבנה האחיד, פאנלים מונו-קריסטליים מתאפיינים ביעילות הגבוהה ביותר מבין הפאנלים הנפוצים, מה שמאפשר להפיק יותר חשמל משטח גג נתון. הם עמידים לאורך זמן, אולם גם יקרים יותר מייצור בהשוואה לפאנלים פולי-קריסטליים. הפאנלים המונו-קריסטליים בעלי צבע שחור אחיד ומראה אלגנטי שנחשב אסתטי בעיני רבים.

פאנלים דקים (Film Solar Panels)

טכנולוגיה זו קצת שונה: במקום פרוסות סיליקון גבישי, בשיטה זו מניחים שכבה דקיקה מאוד של חומר פוטו-וולטאי (סיליקון אמורפי, קדמיום טלוריד, ועוד) על גבי מצע כמו זכוכית או פלסטיק. היתרונות הבולטים של פאנלים דקים הם הגמישות שלהם, המשקל הנמוך, והעובדה שהם מתפקדים טוב יותר בתנאי תאורה חלקית (למשל, בימים מעוננים). עם זאת, היעילות שלהם נוטה להיות נמוכה יותר משל הפאנלים הגבישיים, והם מתאימים בעיקר ליישומים שבהם המרחב מוגבל או שיקולי המשקל קריטיים.

טכנולוגיות מתפתחות: המחקר בתחום האנרגיה הסולארית לא עוצר! מדענים ברחבי העולם עובדים על דור חדש של פאנלים סולאריים שיהיו יעילים יותר, זולים יותר, ואולי אפילו שקופים. ישנן טכנולוגיות מעניינות כמו פאנלים סולאריים מרוכזים (CPV) המשתמשים בעדשות ומראות כדי למקד כמויות גדולות של אור שמש, או תאים סולאריים המבוססים על חומרים אורגניים.

מערכת סולארית שלמה ורכיביה 

פאנלים: הלב הפועם

הפאנלים, כמובן, מהווים את הבסיס למערכת. הם אלה שאחראים על קליטת אור השמש והמרתו לזרם חשמלי ישר (DC). הגודל של המערכת הסולארית הביתית נקבע במידה רבה לפי כמות הפאנלים: ככל שמותקנים יותר פאנלים, כך המערכת מסוגלת לייצר יותר חשמל. בישראל, פאנל סולארי טיפוסי מייצר כ-300-400 וואט. פאנלים מודרניים מגיעים במספר גדלים סטנדרטיים, שילוב של כמה פאנלים יוצר "מערך סולארי".

ממיר (Inverter)

הממיר הוא רכיב קריטי שאולי פחות מוכר, אבל חשוב מאוד לתפקוד המערכת. רוב מכשירי החשמל שלנו משתמשים בזרם חילופין (AC), אבל הפאנלים הסולאריים מייצרים זרם ישר (DC). תפקידו של הממיר הוא להפוך את הזרם הישר לזרם חילופין, וכן להתאים את המתח והתדר של החשמל המיוצר על ידי הפאנלים לרשת החשמל. יש סוגים שונים של ממירי מתח, ביניהם ממירי מיתר (String inverters) ומיקרו-ממירים (Microinverters).

סוללות (אופציונלי)

סוללות לאחסון אנרגיה סולארית הופכות לשכיחות יותר ויותר במערכות ביתיות. הסיבה לכך היא שאנרגיה סולארית מיוצרת בשעות האור, אבל שיא צריכת החשמל שלנו מתרחש בד"כ בשעות הערב או הלילה. סוללה (או מערך סוללות) מאפשרות לאגור את החשמל שמיוצר עוד בשעות היום המשופעות בשמש, ולעשות בו שימוש בשעות בהן אין ייצור סולארי ישיר. כך ניתן להגדיל את העצמאות האנרגטית ולנצל את האנרגיה הנקייה מהשמש בצורה מרבית.

מערכת בקרה ובטיחות

מערכת סולארית כוללת רכיבים חשמליים ורכיבים אלקטרוניים נוספים המאפשרים בקרה, ניתוב, ניתור, והגנה על המערכת. מערכת הבקרה עוזרת למקסם את ייצור החשמל הסולארי ולהתריע במקרה של תקלות, בעוד מערכות הבטיחות כוללות מפסקים, ממסרי פחת, הארקות ומנגנונים אחרים להבטחת הפעלה בטוחה ואמינה של המערכת הסולארית לאורך זמן.

נקודה טכנית: כדאי להזכיר שמלבד הרכיבים שצוינו, מערכת סולארית שלמה דורשת גם ציוד מכאני (מתקני עיגון, שלד אלומיניום וכו') וחיווט מתאים המחבר את כל החלקים יחדיו.

יישומי אנרגיה סולארית

השימושים באנרגיה סולארית מגוונים להפליא, וככל שהטכנולוגיה מתקדמת ומחירי המערכות יורדים, היישומים מתרחבים עוד יותר. בואו נסקור כמה מהשימושים הנפוצים והמעניינים ביותר, תוך כדי דגש על היתרונות שהם מביאים:

שימושים ביתיים

התקנת מערכת סולארית על הגג הפכה לנפוצה ומשתלמת יותר ויותר עבור בעלי בתים בישראל. מערכות כאלו מאפשרות להפחית משמעותית, ואפילו לאפס, את חשבון החשמל. בעידן של עליות מחירים, זו דרך מצוינת לחסוך בהוצאות משק הבית לטווח הארוך. מערכת סולארית ביתית גם מגדילה את העצמאות האנרגטית, מפחיתה את התלות בחברת החשמל, ומהווה השקעה "ירוקה" שמסייעת לצמצם את טביעת הרגל הפחמנית של משקי הבית.

עסקים ומסחר

עבור עסקים, גדולים כקטנים, ההוצאות על חשמל הן נטל משמעותי. מערכות סולאריות מסחריות מאפשרות לחתוך בעלויות האנרגיה, לשפר את הרווחיות, ובמקביל לקדם מיתוג של אחריות סביבתית, שמעניין לקוחות ושותפים רבים. חברות ומפעלים מסוימים יכולים למנף שטחי גג נרחבים או שטחים קרקעיים פנויים להקמת מערכות סולאריות שיספקו חלק ניכר (או אפילו את כל) צריכת החשמל שלהם.

תעשייה וחקלאות

תהליכי ייצור תעשייתיים רבים עתירי אנרגיה. השימוש באנרגיה סולארית בתעשייה יכול לקדם הפחתת עלויות, ומאפשר למפעלים להתייעל ולהגדיל תחרותיות. גם בענף החקלאות יש יישומים נפלאים לאנרגיה סולארית: הפעלה של מערכות השקיה, שאיבת מים, מערכות חימום וקירור לחממות ולולים, ועוד. החקלאי מרוויח מכך עצמאות אנרגטית, יכול לייעל את הפעילות, ולצמצם את התלות בתנודות במחירי הדלקים והחשמל.

מערכות סולאריות ציבוריות

רשויות מקומיות, מוסדות ציבור, וגופים אחרים מתחילים להכיר ביתרונות. ניתן לראות מערכות סולאריות על גגות בתי ספר, ספריות, ומתקני עירייה. אנרגיה סולארית משמשת גם להפעלת תאורת רחוב חכמה, תחנות הסעה עם הצללה סולארית, מערכות טעינה לכלי רכב חשמליים, ועוד פתרונות חדשניים. כל אלו מסייעים לרשויות להפחית את עלויות התפעול ולעמוד ביעדי הקיימות שלהן.

רשת החשמל

לאנרגיה סולארית יש תפקיד חשוב (והולך וגדל) במערכת החשמל הארצית. בנוסף למערכות הסולאריות הביתיות והמסחריות, בישראל (ובעולם) נבנות חוות סולאריות – מערכים גדולים מאוד המשתרעים על פני שטחים נרחבים (בנגב, למשל), ומייצרים כמויות משמעותיות של חשמל המוזרם ישירות לרשת. אנרגיה סולארית עוזרת לגוון את מקורות החשמל בישראל, וכך מקטינה את התלות בדלקים מאובנים מזהמים, ותורמת להגברת אמינות אספקת החשמל.

נתונים סטטיסטיים

כדאי להוסיף כאן נתונים מעודכנים לגבי ההספק המותקן של אנרגיה סולארית בישראל, והשאיפה להגדלת הנתח של אנרגיות מתחדשות בתמהיל ייצור החשמל. אפשר לציין פרויקטים סולאריים גדולים כמו חוות "אשלים" בנגב.

טכנולוגיה משלימה: חשוב להדגיש שבגלל התלות של אנרגיה סולארית באור השמש, נדרשות טכנולוגיות משלימות לאגירת אנרגיה ולהבטחת זמינות של חשמל גם בשעות ללא שמש. פתרונות אגירה כמו סוללות ענק וטכנולוגיות אחרות נמצאים בשלבי פיתוח שונים ויהוו נדבך חשוב במערכת החשמל של העתיד.

אנרגיה סולארית: כלכלה וסביבה 

כדאיות כלכלית

בעבר, אנרגיה סולארית נחשבה לפתרון יקר. אבל בשנים האחרונות, חלה ירידה משמעותית בעלות רכישה והתקנה של מערכות סולאריות, לצד עלייה ביעילות הפאנלים עצמם. הפחתת העלויות, בשילוב עם תמריצים ממשלתיים (כמו תעריפים מובטחים שמשולמים לבעלי מערכות סולאריות ביתיות) הופכים את ההשקעה באנרגיה סולארית לאטרקטיבית מבחינה כלכלית. עבור משקי בית ועסקים, החיסכון הכספי המצטבר לאורך השנים יכול להיות עצום.

זמן ההחזר על ההשקעה (ROI) תלוי בגודל המערכת, מיקומה, ותנאים נוספים, אך מערכות סולאריות רבות מחזירות את ההשקעה בתוך פרק זמן של כ-5-10 שנים. לאחר מכן, המערכת ממשיכה לייצר חשמל "בחינם" (בהתאם לתנאי האחריות) למשך שנים רבות נוספות (פאנל סולארי איכותי יכול לפעול ביעילות טובה במשך 25 שנים ויותר).

ישראל בשוק הסולארי

מדינת ישראל, עם ימי השמש הרבים, בעלת פוטנציאל עצום לאנרגיה סולארית. בשנים האחרונות ישנה עלייה מתמדת בהיקף ההתקנות של מערכות סולאריות בבתים פרטיים, עסקים, ומוסדות. רשות החשמל מפרסמת תוכניות שמטרתן לעודד את הצמיחה, וכיום קיימות הסדרות ומסלולים שמאפשרים גם לבעלי גגות קטנים יחסית ליהנות מאנרגיית השמש.

יתרונות אקולוגיים

אולי היתרון המשמעותי ביותר של אנרגיה סולארית הוא תרומתה למאבק במשבר האקלים. ייצור חשמל מאנרגיה סולארית אינו כרוך בשריפת דלק מאובנים, ולכן הוא נקי מפליטות של גזי חממה וזיהום אוויר. ככל שחלקה של האנרגיה הסולארית (ושאר מקורות מתחדשים) בתמהיל ייצור החשמל גדל, כך ישראל תוכל לצמצם משמעותית את פליטות המזהמים, לשפר את איכות האוויר, ולעמוד ביעדים של הפחתת פליטות שהתחייבה אליהם.

מעבר לזיהום, יש היבטים נוספים: ייצור פאנלים סולאריים אכן צורך אנרגיה ומייצר פליטות מסוימות, אבל לאורך כל מחזור החיים שלהם, פאנלים סולאריים "מחזירים" את האנרגיה הזו פי כמה וכמה. גם נושא המחזור חשוב, ויש טכנולוגיות ותהליכים שמאפשרים למחזר אחוז גבוה מאוד מהחומרים של פאנלים שיצאו משימוש.

עתיד האנרגיה הסולארית

טכנולוגיות חדשות

קצב ההתקדמות הטכנולוגית בתחום האנרגיה הסולארית הוא מסחרר. מדענים וחוקרים מסביב לעולם עובדים ללא הרף על שיפור היעילות של תאים סולאריים, מה שאומר שמקבלים יותר חשמל מאותה יחידת שטח. במקביל, מתפתחות טכניקות ייצור חדשות להוזלת עלויות הפאנלים, מה שיהפוך את האנרגיה הסולארית לנגישה עבור עוד ועוד אנשים ועסקים. תחום אגירת האנרגיה גם כן רואה פריצות דרך מלהיבות, וסוללות בעלות קיבולת גדולה, חיי מדף ארוכים, ומחירים משתלמים יאפשרו הסתמכות מוחלטת על שמש (ואנרגיות מתחדשות אחרות) 24 שעות ביממה.

מגמות עולמיות

שוק האנרגיה הסולארית העולמי צומח בקצב אדיר. על פי נתונים של הסוכנות הבינלאומית לאנרגיה (IEA), מדינות כמו סין, ארה"ב, הודו ואירופה משקיעות סכומי עתק בהגדלת ההספק המותקן של אנרגיה סולארית ומתחדשות אחרות. ככל שעלויות הטכנולוגיה יורדות, גם מדינות מתפתחות יוכלו לרתום את כוח השמש לצרכי האנרגיה שלהן. אנרגיה סולארית היא מרכיב חיוני בתוכניות להפחתת פליטות גזי חממה ולהתמודדות עם משבר האקלים.

עתיד בר-קיימא

תפקידה של אנרגיה סולארית במערכת החשמל של העתיד יהיה מכריע. השילוב בין אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח, טכנולוגיות אגירה, ורשתות חשמל חכמות יובילו למערכת נקייה, גמישה, ואמינה יותר. אנרגיה סולארית תעזור לנו להבטיח עצמאות אנרגטית, להילחם בזיהום אוויר, ולהותיר לילדינו כוכב לכת בריא ומתפקד.

נקודה מעניינת: מערכות סולאריות מבוזרות (על גגות של בתים ועסקים), בנוסף לתרומתן לייצור חשמל נקי, גם עוזרות להפחית עומסים על רשת החשמל ובכך משפרות את האמינות והיציבות שלה.

סיכום

לאורך המאמר סקרנו את היסודות של אנרגיה סולארית – מהאופן שבו היא פועלת ועד ליתרונות הרבים שהיא מציעה. ראינו שאנרגיה סולארית היא טכנולוגיה בוגרת, בעלת פוטנציאל עצום לשנות את האופן שבו אנו מייצרים וצורכים אנרגיה. בישראל קיימים כל התנאים כדי להפוך אנרגיית שמש למקור אנרגיה מרכזי: שמש בשפע, מדיניות ממשלתית תומכת, וחדשנות טכנולוגית. המעבר לאנרגיה סולארית הוא לא רק אפשרי – הוא הכרחי. זו השקעה נקייה ומשתלמת שתעזור לנו להבטיח עתיד טוב יותר לכולנו.

קריאה לפעולה

אם אתם שוקלים להתקין מערכת סולארית בבית או בעסק, יש שפע של מידע זמין, ואפשר לקבוע ייעוץ עם חברות מתמחות. אם אין לכם גג מתאים, אפשר לבדוק אפשרות להשקיע בפרויקטים סולאריים קהילתיים או לרכוש "חשמל ירוק". כולנו יכולים לתמוך במדיניות ממשלתית המעודדת אנרגיות מתחדשות, ולהפיץ מודעות להטבות שמציעה אנרגיה סולארית. השמש היא מקור אנרגיה אינסופי העומד לרשותנו – הגיע הזמן שננצל אותה במלואה!