מהו לוח סולארי? וכיצד הוא פועל?

האנרגיה הסולארית הפכה בשנים האחרונות לאחד הפתרונות המובילים להפקת חשמל נקי ומתחדש. בלב המערכת הסולארית עומד לוח סולארי – התקן המרכזי האחראי להמרת אנרגיית השמש לחשמל. הבנת מהותו של לוח סולארי והתהליך הפיזיקלי שבבסיסו הפך להיות חיוני בעידן בו האנרגיה הסולארית תופסת תאוצה והולכת ומחליפה את מקורות האנרגיה המזהמים והמתכלים.

במאמר זה, נעמיק בהסבר על מבנה וטכנולוגיית הלוח הסולארי, נלמד על עקרונות הפעולה שלו והיבטים טכנולוגיים מרכזיים. נסקור את הסוגים השונים של מערכות סולאריות ואת השימושים המגוונים בהם הן משמשות. בנוסף, נציג נתונים סטטיסטיים עדכניים המדגימים את הפוטנציאל העצום של האנרגיה הסולארית והתרומה הסביבתית החשובה שלה.

הבנה יסודית של מהו לוח סולארי וכיצד הוא פועל היא בעלת חשיבות הולכת וגוברת, הן עבור צרכני חשמל המעוניינים להפחית את החשבונות ולתרום לסביבה, והן עבור מקבלי ההחלטות והמובילים בתחום האנרגיה המתחדשת. מאמר זה נועד לספק תשובות מקיפות לשאלות אלו ולהעמיק את הידע בתחום מהפכן זה.

מבנה והרכב של לוח סולארי 

במרכזו של כל לוח סולארי נמצא התא הפוטו-וולטאי – היחידה הבסיסית האחראית להמרת אנרגיית השמש לחשמל. התאים הפוטו-וולטאיים מורכבים בעיקר מחומרים напւматיים מסוג סיליקון, ארסניד גאליום או טלורי קדמיום. בעת חשיפת התא לקרינת השמש, האנרגיה הפוטונית של הקרניים נספגת בחומר הнапւמטי, גורמת להפרדה של נושאי המטענים החשמליים (אלקטרונים וחורים) ויצירת זרם חשמלי.

התא הפוטו-וולטאי עצמו מורכב ממספר שכבות: שכבה עליונה בעלת ציפוי דק של חומר n-type, שכבה תחתונה מסוג p-type והאזור ביניהן, הנקרא אזור ההפרדה (depletion region), בו נוצר שדה חשמלי המפריד בין האלקטרונים והחורים. האלקטרונים זורמים אל האלקטרודה החיובית והחורים אל האלקטרודה השלילית, יוצרים בכך זרם חשמלי ישר (DC).

על מנת להשיג עוצמת חשמל גבוהה יותר, התאים הפרטניים מחוברים בסידור של טורים ומקבילים ליצירת מודול סולארי שלם. המודול מוגן על ידי מסגרת מתכתית או פלסטית, זכוכית קדמית ורשת של חוטי חשמל המחברים בין התאים. בנוסף, מותקנים בתוך המודול גם חומרי אינקפסולציה על מנת להגן על התאים מפני רטיבות ופגעי מזג אוויר.

נתונים סטטיסטיים מעידים על הירידה המתמשכת בעלויות ייצור של לוחות סולאריים, כאשר בעשור האחרון הצטמצמו העלויות בכ-80%. בשנת 2022 עלות ממוצעת של מודול סולארי עמדה על כ-0.25$ לוואט, לעומת כ-0.75$ בשנת 2012. הירידה החדה בעלויות נובעת בעיקר מהתפתחות טכנולוגיות הייצור, ייעול תהליכים ועלייה בהיקפי הייצור.

בישראל, מחירי התקנה של מערכות סולאריות ביתיות נעים בטווח של 10,000-20,000 ₪ (כ 2.5-5 ₪ לוואט), בהתאם להספק המערכת. ההשקעה הכרוכה בהתקנה מוחזרת בדרך כלל בתוך 7-10 שנים, בזכות התמיכה הממשלתית ונתוני ייצור החשמל המעודדים. נכון לסוף 2022, ההספק הסולארי המותקן בישראל הגיע ליותר מ-4.5 גיגה-וואט, עם פוטנציאל עצום לעוד מאות אלפי מערכות סולאריות עתידיות.

עקרונות הפעולה של לוח סולארי 

התהליך הפיזיקלי המרכזי המתרחש בלוח סולארי הוא תופעת הפוטו-וולטאית, בה אנרגיית הפוטונים הנפלטים מקרני השמש נספגת בחומר הפוטו-רגיש (הסיליקון או חומרים אחרים) ומפרידה את נושאי המטענים החשמליים – האלקטרונים והחורים. השדה החשמלי הנוצר באזור ההפרדה מפריד ומכוון את המטענים לזרימה בכיוונים נפרדים, יוצר בכך זרם חשמלי ישר (DC).

הספיגה האופטית של הפוטונים והפרדת המטענים החשמליים מתרחשת בהתאם לאנרגיית הפוטונים, התלויה בתדירות (או באורך הגל) של הקרינה הסולארית. פוטונים בעלי אנרגיה גבוהה מספיקה (מהתחום הנראה והאולטרה סגול) יוכלו להפריד אלקטרונים מהמבנה הגבישי, בעוד פוטונים בעלי אנרגיה נמוכה יותר (באדום והאינפרא-אדום) לא יוכלו לייצר מטענים חשמליים.

על מנת להשיג הספק חשמלי גבוה יותר, התאים הפוטו-וולטאיים מחוברים במבנה של טורים ומקבילים ליצירת מודול סולארי. המודול כולל גם רכיבים נוספים כמו מסגרת, זכוכית מגנה, חומרי אינקפסולציה ומערכת חיווט. במקרים רבים, מותקנות גם מערכות מעקב אחר נקודת המקסימום (MPPT) לייצור חשמל מרבי.

הספק החשמלי המופק מלוח סולארי תלוי במספר גורמים משמעותיים:

•  עוצמת הקרינה הסולארית: ההספק יהיה גבוה יותר בימים בהירים וחמים יותר, ונמוך בימים מעוננים או בשעות הערב.
•  זווית הטיה והכיוון: מערכות עם מעקב אוטומטי אחר זווית השמש יניבו עד 30% יותר חשמל בהשוואה למערכות קבועות.
•  טמפרטורת התפעול: עליה בטמפרטורת התא הפוטו-וולטאי תגרום לירידה ביעילות ההמרה, בשיעור של כ-0.4% לכל מעלת צלזיוס.
•  רמת הזיהום והרטיבות: אבק, לכלוך או לחות עלולים להפחית את כמות האור הנספג ולהוריד את היעילות.

נתונים סטטיסטיים מלמדים כי בממוצע, מערכת סולארית ביתית בישראל מייצרת כ-1,600 קוט"ש לשנה לכל קילוואט מותקן. הדבר מהווה כ-30% מצריכת החשמל הממוצעת של בית משפחתי בישראל. בעוד שיעילות ההמרה הממוצעת של מודולים סולאריים היא בסביבות 15-22%, ישנם דגמים חדישים המשיגים יעילות של עד 25%.

בנוסף למערכות הקלאסיות, קיימות גם טכנולוגיות סולאריות מתקדמות יותר כמו תאים פוטו-וולטאיים רב-תחומיים המשיגים יעילות של עד 30%, או טכנולוגיות דק-שכבתיות המתאפיינות בעלויות נמוכות יותר אך יעילות מעט נמוכה יותר. מחקרים מראים כי בעוד שיעילות ההמרה הממוצעת כיום היא כ-18%, ניתן להגיע לשיעורים של 30% ואף למעלה מכך באמצעות פיתוחים טכנולוגיים עתידיים.

סוגי מערכות סולאריות והיישומים השונים 

מערכות סולאריות יכולות להיות מותקנות בשני סוגי הקונפיגורציות העיקריים:

1. מערכות המחוברות לרשת החשמל (grid-tied): מערכות אלו מחוברות ישירות לרשת החשמל המקומית ומשמשות לצריכה עצמית של החשמל המיוצר. עודפי החשמל המיוצרים יכולים להיות מוזרמים חזרה לרשת ולהיות מזוכים על ידי חברת החשמל. מערכות אלו מהוות את הפתרון הנפוץ ביותר להתקנה פרטית על גגות בתים ומבנים מסחריים.

2. מערכות עצמאיות (off-grid): מערכות אלו אינן מחוברות לרשת החשמל והן מספקות חשמל באופן עצמאי, בעיקר באזורים מרוחקים או נידחים. הן כוללות בדרך כלל גם סוללות לאחסון אנרגיה לשימוש בשעות החשך או בתנאי מזג אוויר גרועים. מערכות אלה מתאימות לאספקת חשמל למבנים, תחנות תקשורת, משאבות מים ויישומים נוספים באזורים מבודדים.

מעבר למערכות הסולאריות הקלאסיות לייצור חשמל, קיימים גם יישומים נוספים של טכנולוגיות סולאריות:

•  חימום מים סולארי: מערכות אלו מנצלות את האנרגיה הסולארית לחימום מים לשימושי בית ותעשייה. הן כוללות קולטים סולאריים המחממים את המים באמצעות קרינת השמש.

•  מערכות סולאריות משולבות: בחלק מהמקרים, מערכות סולאריות מותקנות בצמוד למקורות אנרגיה אחרים כגון גנרטורים דיזל או סוללות, ליצירת מערכת היברידית המשלבת מספר מקורות. הדבר מאפשר גיבוי ואמינות גבוהה יותר של אספקת החשמל.

•  כלי רכב חשמליים: הטכנולוגיות הסולאריות נמצאות בשימוש גם בתחום כלי הרכב החשמליים, בין באמצעות התקנת לוחות סולאריים על גבי הרכב עצמו ובין באמצעות תחנות טעינה סולאריות.

נתונים עדכניים מלמדים כי בעולם, ההספק הסולארי המותקן הסתכם בכ-900 גיגה-וואט בשנת 2021, המהווים כ-3.1% מסך ייצור החשמל העולמי. בישראל, ההספק המותקן עמד בסוף 2022 על יותר מ-4.5 גיגה-וואט, המהווים כ-10% מסך ייצור החשמל בישראל. על פי תחזיות, בעשור הקרוב צפוי גידול משמעותי נוסף בהיקף האנרגיה הסולארית בישראל ובעולם.

הודות ליתרונות הרבים של האנרגיה הסולארית, כגון אפס פליטות, עלויות תפעול נמוכות, אמינות גבוהה ופוטנציאל אין-סופי של משאב האנרגיה, היא נחשבת לאחת הטכנולוגיות המבטיחות ביותר להפקת אנרגיה נקייה ומתחדשת בעידן המודרני. צפוי כי היא תמשיך להיות מוקד מרכזי במאמצי המעבר לאנרגיות מתחדשות בעולם ובישראל בשנים הקרובות.

סיכום 

לוחות סולאריים מהווים את הבסיס למהפכה באספקת אנרגיה נקייה ומתחדשת בעולם. באמצעות הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית, הם מאפשרים המרה ישירה של קרינת השמש לחשמל, ללא פליטות מזהמות ובעלות תפעול נמוכה. 

עם השנים, לוחות סולאריים הפכו זמינים ונגישים יותר עבור משקי בית, עסקים וארגונים. הירידה החדה בעלויות ההתקנה, התפתחות הטכנולוגיה והשיפורים ביעילות ההמרה מאפשרים כיום השקעה משתלמת ותשואה כלכלית איכותית על ההשקעה. 

הפוטנציאל העצום של האנרגיה הסולארית מחייב אותנו להאיץ את הטמעתה ולהרחיב את השימוש בה בכל תחומי החיים. מעבר למערכות ביתיות, יש צורך להטמיע את הטכנולוגיה בתעשייה, בתחבורה ובייצור אנרגיה בקנה מידה גדול, כחלק ממעבר כולל לאנרגיות מתחדשות. רק כך נוכל להפחית את ההשפעה הסביבתית הקשה של שריפת דלקים מאובנים ולתרום למאבק בשינויי האקלים.

הבנה מעמיקה של עקרונות הפעולה של לוחות סולאריים ויתרונותיהם היא צעד ראשון חיוני בדרך להטמעה נרחבת יותר של האנרגיה הסולארית. מאמר זה ביקש לספק את הבסיס הנדרש להבנה מעמיקה זו ולהדגיש את החשיבות של המשך הפיתוח והאימוץ של טכנולוגיה מבטיחה זו.