שלומי לוי ייצור חשמל באמצעות אנרגיה סולארית - סקירה טכנולוגית

Transcript

1 שלומי לוי ייצור חשמל באמצעות אנרגיה סולארית - סקירה טכנולוגית השמש היא מקור אנרגיה ראשוני עשיר זמין ובלתי נדלהÆ היא מהווה מקור עיקרי לאנרגיה על פני כדור הארץ ויוצרת מקורות אנרגיה רבים שמנוצלים על ידי המין האנושיÆ כמות האנרגיה שמגיעה מהשמש לפני כדור הארץ בכל שנה היא פי ± לערך מצריכת האנרגיה העולמית בשנהÆ מאמר זה סוקר בקצרה את הטכנולוגיות העיקריות להפקת כוח חשמל וחום באמצעות אנרגיית השמשÆ הגידול הגובר בביקושי אנרגיה בעולם אשר מתבטא בגידול בפליטות של גזי חממה ושל מזהמים המשפיעים על אקלים כדור הארץ ועל איכות הסביבה בה אנו חיים וכן החתירה להשגת ביטחון באספקת אנרגיה לטווח ארוך כל אלה מובילים לעניין גובר והולך בניצולה של אנרגיה סולארית כמקור בלתי נדלה בניגוד למקורות אנרגיה אשר מבוססים על דלקים מחצבייםÆ השימוש באנרגיה סולארית החל בשנות ה µ וה של המאה ה כחלק מתוכניות החלל של ארצות הברית וברית המועצות מקור NASA לשעבר ולוויינים וחלליות צוידו בתאים סולאריים לאספקת חשמלÆ בשנות ה של המאה הקודמת הפכה האנרגיה הסולארית למקור כוח פופולרי בתעשיית האלקטרוניקה הזעירה מחשבונים שעונים פנסים וכדומה Æ בד בבד החלו לפתח מערכות שמיועדות לשימוש בקנה מידה ביתי ומסחריÆ כיום צומחת תעשייה זו בסדרי גודל של µ בקירוב בשנהÆ קיימות שיטות שונות לייצור חשמל באמצעות אנרגיית השמשÆ שתי הטכנולוגיות הנפוצות ביותר והבשלות ביותר ליישום הן טכנולוגיית התאים הפוטו וולטאיים אשר ממירה באופן ישיר את אנרגיית השמש לאנרגיה חשמלית והטכנולוגיה התרמו סולארית אשר מנצלת את חום השמש לייצור קיטור והנעת טורבינה לייצור חשמל או להפקת חום עבור מים חמיםØקיטור המשמשים לצרכים שוניםÆ טכנולוגיית התאים הפוטו וולטאיים PV טכנולוגיה זו נחלקת ל קבוצות עיקריות טכנולוגיה שמבוססת על פאנלים ובהם תאים פוטו וולטאיים תאי PV הממירים את אור היום לאנרגיה חשמלית אשר משמשת בעיקר לייצור חשמל מקומי מבוזרÆ טכנולוגיה שמבוססת על תאי PV אשר משולבים בעדשות או במראות המשמשות לריכוז קרינת השמש אל התאÆ טכנולוגיה זו קרויה תאי PV עם מרכזי קרינה PV CPV Concentrated והיא משמשת בעיקר לייצור חשמל בתחנות כוח פוטו וולטאיותÆ פאנלים של תאי PV מבנה ועקרון פעולה תאי PV עשויים מחומרים מוליכים למחצה לרוב מצורן סיליקון גבישיÆ עבור יישומי תוכניות החלל נעשה שימוש בחומר נדיר ויקר יותר גליום ארסנייד arsenide GaAs Gallium שיעילותו האנרגטית גבוהה בהרבה מזו של הסיליקון הגבישיÆ כאשר קרני האור פוגעות בחומר מוליך למחצה גורמים חלקיקי אנרגיית האור שנקראים פוטונים לשחרור של אלקטרון מהמבנה האטומי של החומרÆ התוצאה הישירה של שחרור מטען שלילי אלקטרון היא היווצרות גומה בעלת מטען חיוביÆ כדי לפצל אלקטרונים באופן קבוע החומר בנוי שתי שכבות האחת בעלת יסודות של זרחן קרויה סוג n והשנייה בעלת יסודות של בוריום קרויה סוג Æ p התוספת של יסודות זרחניים מביאה לגידול במספר האלקטרונים החופשיים ואילו הבוריום גורר מחסור באלקטרוניםÆ כאשר קרני האור פוגעות בתאי PV גורמים הפוטונים לתנועת אלקטרונים משכבה p לשכבה n הם מצטברים בשכבה n כך ששכבה p נבנית כשכבת חוסר בעלת מטען חיובי ראו איור ± Æ ההבדל בין כמות האלקטרונים בין השכבות הוא הפרש פוטנציאלים אשר מהווה מקור מתח חשמליÆ למעשה תא PV מתפקד כסוללה בעלת פוטנציאל חשמלי חיובי ושליליÆ רמת המתח בין ההדקים החיובי והשלילי תלויה ברמת החשיפה לאור וביעילות של התא בהמרת האור לחשמלÆ כאמור לא נדרשת קרינת שמש ישירה כדי לייצר חשמל באמצעות התאÆ איור 1: עקרון הפעולה של תא PV מקור renewables Leonardo Energy Distributed generation & Photovoltaic Installations תא סיליקון גבישי אופייני מייצר כ Ƶ עד Æ וולט מתח ישר Æ DC חיבור טורי של תאי PV מגדיל את מתח המוצא של המערכת ואילו חיבור מקבילי מגדיל את תפוקת התא זרם המערכת Æ פאנלים של מערכות PV בנויים במיגוון גדלים וצורות ופאנל בשטח של כמטר רבוע מכיל כ תאי ÆPV חשוב לציין שכדי לחבר את המערכת לרשת החשמל שלומי לוי מהנדס חשמל המחלקה לייעול הצריכה אגף השיווק חברת החשמל

2 נדרש מהפך inverter שתפקידו העיקרי הוא להמיר את המתח הישר Æ AC למתח חילופין DC לקבלת מידע בנושא ההיבטים הטכניים של חיבור מערכות פוטו וולטאיות בהספק שאינו עולה על µ קוו ט לרשת חברת החשמל ניתן לעיין במאמר היבטי יישום וחיבור של מערכות פוטו וולטאיות לרשת חברת החשמל שכתבו המהנדסים אורי מאור וגיא רט המתפרסם בגיליון זהÆ ההספק המותקן של מערכת PV מבוטא ביחידות ואט שיא Wp Æ Watt peak התפוקה הנומינלית נמדדת תחת תנאי מדידה סטנדרטיים IEC ± ±µ בהתאמה לתקן STC Standard Test Conditions Crystalline Silicon Terrestrial Photovoltaic PV modules Design Qualification and type approval כדלקמן קרינה של ± ואט למ ר וטמפרטורת תא של µ מעלות צלסיוסÆ סוגים של תאי PV סוגי התאים מבוססים על שתי טכנולוגיות עיקריות סיליקון גבישי silicon crystalline ו סרט דק film Thin ראו איור Æ תאי סיליקון גבישי בנויים שכבות דקות של סיליקון שנחתכו מתוך גביש בודד של סיליקון c si monocrystalline mono או מכמה גושים של סיליקון polycrystalline poly c si או multicrystalline multi c si ויעילותם היא בטווח של ± ±Æ הצבע של תא מסוג c si multi הוא צבע פלדה כחול ואילו זה של תא מסוג mono c si הוא כצבע פחםÆ תאים מסוג סרט דק בנויים משכבות דקות מאוד של חומר מוליך למחצה רגיש לאור בתוך מעטפת בנויה מזכוכית פלדת אל חלד או פלסטיקÆ ייצור של תאים מסוג סרט דק זול יותר בהשוואה לייצור תאים מסוג סיליקון גבישי והוא מצריך פחות שימוש בחומר אולם יעילותם נמוכה בהשוואה לתאי סיליקון גבישי והיא נעה בטווח של Ʊ µ קיימים כמה דגמים עיקריים של תאים מסוג זה כדלקמן Amorphous silicon a si ª Cadmium Telluride CdTe Copper IndiumØGallium DiselenideØDisulphide CIS CIGS ª ÆMulti junction cells a siøm si בטבלה ± מוצגת השוואה בין המאפיינים העיקריים של תאי ה PV שתוארו לעילÆ פיתוח נוסף של התאים מסוג סרט דק הוא התאים הגמישים שייצורם מבוסס על תהליך ייצור דומה לזה של תאי סרט דק Æ בתאים אלו החומר הפעיל מותקן בשכבת פלסטיק דקה אשר מעניקה למעשה את יכולת הגמישות של התאÆ הגמישות של התא מגדילה את אפשרויות היישום וההתקנה של התא ומגבירה את התאמתו לצורות שונות של מבנים וגגותÆ תיפעול ותחזוקה של מערכת פאנלי PV פשוט יחסית לתחזק מערכת של פאנלים בטכנולוגיית PV היות שאין בה חלקים נעיםÆ תפוקתה תלויה בכמות האור הזמין ובנצילות של התא אך היא מושפעת גם מתנאי סביבה נוספים אבק הצללה וטמפרטורהÆ לכן מומלץ לדאוג לניקוי של הפאנלים מאבק ולכלוך ולמנוע את איור 3: השפעת הטמפרטורה של התא על מתח המוצא T 2 > T 1 T 2 T 1 זרם איור 2: פאנלים של תאי PV מתח וולט 0.6 מקור Photovoltaics Earthscan Applied הצללתםÆ כמו כן עליית הטמפרטורה של תאי PV במעלת צלסיוס אחת מקטינה את היעילות של התא ב Ƶ לערך ראו איור Æ לכן חשוב מאוד לדאוג לקירור הפאנלים אם באמצעות קירור פסיבי כגון באמצעות צלעות קירור ואם באמצעות קירור אקטיבי החלפת חום באמצעות מערכת של צינורות מיםÆ ניתן ורצוי לנצל את המים החמים לשימושים נוספים Æ טבלה 1: השוואה בין מאפיינים של תאי PV סוג התא מאפיין יעילות שטח מקורב נדרש מ ר לכל קו ט שיא סיליקון גבישי סרט דק תאי PV עם מרכזי קרינה PV CPV Concentrated מערכות CPV מתוכננות להפיק כמות גדולה של אנרגיה תוך שימוש בכמות קטנה של חומר פוטו וולטאי ובכך להקטין את הביקוש העולמי לחומר מוליך למחצה בתעשייה זו ואף להקטין את העלויות של המערכותÆ טכנולוגיה זו מבוססת על תאי PV יעילים יותר ראו איור בשילוב מראות או עדשות אשר מרכזות את קרינת השמש אל התא שהוא בעל שטח קטן פעילÆ לפיכך משיגים חיסכון של עד פי ± בחומר התא ומגדילים את יעילות הפקת האנרגיה החשמליתÆ קיימות שתי שיטות עיקריות ליישום טכנולוגיה זו תא PV ומראותØעדשות שלובים בתוך פאנל אשר עוקב אחר קרני השמש ומקורר באמצעות קירור פסיבי ראו איור Æ µ מערכת של מראות העוקבות אחר קרני השמש ומרכזות אותן לתא PV אשר ממוקם בחזית המראות ראו איור Æ תא זה מקורר באמצעות קירור אקטיבי צנרת מים המאפשר לנצל את המים החמים המתקבלים גם ליישומים נוספיםÆ עלות של מערכת CPV עתידה להיות נמוכה מזו של מערכת PV קונבנציונלית על אף העלות הגבוהה יותר של התא הפוטו וולטאי שהוא ייעודי למערכת ÆCPV a-si µ± מ ר CIS, CIGS, CdTe ± ±± ± מ ר poly ± ± מ ר mono ± ± Ƶ מ ר מקור Systems Leonardo Energy Residential Photovoltaic

3 איור 4: דוגמא של תא PV יעיל במערכת CPV כך שניצול משולב של כוח וחום בטכנולוגיות CSP מאפשר להשיג נצילות של µ ואף יותרÆ מיתקני CSP בנויים משלושה מרכיבים עיקריים מרכז Collector מערך של מראות או רפלקטורים אשר קולטים את הקרינה וממקדים אותהÆ מערך זה מצויד במערכת עקיבה אחר קרני השמשÆ מקלט receiver קולט את הקרינה הממוקדת ומשמש כתווך להסעת החום אל מערכת המרת האנרגיהÆ מערכת המרת האנרגיה System Energy Conversion ממירה את החום לאנרגיה חשמליתÆ הטכנולוגיה התרמו סולארית מיושמת כיום באמצעות ארבע שיטות עיקריות כדלקמן ראו השוואה של המאפיינים העיקריים בטבלה מקור חברת ZenithSolar איור 5: דוגמת מערכת PV עם מרכזי קרינה (CPV) שוקת פרבולית trough parabolic מערך של רפלקטורים פרבוליים מראות בצורת שוקת אשר מרכזים את קרני השמש וממקדים אותן אל צינור תרמי עשוי זכוכית בוואקום בעלת מעטפת שחורה אשר ממוקם במוקד הרפלקטור ובו עובר נוזל מוליך חום כגון שמן סינתטיÆ השמן מתחמם לטמפרטורה של כ מעלות צלסיוס ומסוחרר דרך מחלפי חום לשם הפקת קיטור ראו איור Æ הקיטור משמש ליצירת אנרגיה חשמלית באמצעות טורבינת קיטור במחזור יחיד או במחזור משולבÆ קיימת גם מערכת דומה שבה נוצר קיטור ישירות בצינור המרכזי ללא מחליפי חום דבר המגדיל את היעילות של המערכת ב µ ± לערךÆ איור 7: דוגמה של שוקת פרבולית מקור ± Assessment EPRI Concentrating Photovoltaic Solar Technology איור 6: דוגמת מערכת PV עם מרכזי קרינה (CPV) מקור חברת ZenithSolar טכנולוגיה תרמו סולארית Thermal Solar ניצול אנרגיית שמש כאמצעי להפקת אנרגיה תרמית הוא שימוש נפוץ במדינת ישראל כבר שנים רבות דודי שמש משמשים כתחליף לחימום באמצעות חשמל או גזÆ הטכנולוגיה התרמו סולארית פותחה בישראל עוד בשנות ה של המאה הקודמת על ידי חברת לוז הישראלית ויושמה לראשונה במדינת קליפורניה שבארצות הבריתÆ טכנולוגיה זו עושה שימוש רק בקרינה הישירה של השמש אשר קרויה DNI Direct Normal Irradiation או Beam radiation והיא מרוכזת על מנת לחמם נוזל תרמי מים שמן או תמיסות מלח מותך ולהמירו לקיטורÆ לכן היא קרויה ÆCSP Concentrating Solar Power למעשה מיתקני CSP מפיקים חשמל באופן דומה לתחנות כוח קונבנציונליות נעשה שימוש בקיטור לשם הנעת טורבינהÆ יעילותה של המערכת תלויה ביעילות האופטית וביעילות המרת החום של המיתקן קולט מרכזיØמגדל שמש tower central receiverøsolar מערך של מראות קרויות heliostats אשר מרכז את קרני השמש אל מקלט מרכזי בעל שטח של כמה מטרים רבועים שממוקם בראש מגדל בגובה שבין µ ל ± מטריםÆ במקלט מסוחרר נוזל החימום לרוב במלח מותך או בשמן סינתטי אשר מחומם לטמפרטורות גבוהות מאוד עד ± מעלות צלסיוס ומשמש ליצירת קיטור להנעת טורבינה ראו איור Æ צלחת פרבולית dish parabolic רפלקטור פרבולי בצורת צלחת בקוטר של כ ± מטרים ויותר אשר מרכז את קרני השמש לעברו של מקלט הממוקם במוקד הרפלקטורÆ הקרינה המרוכזת נספגת במקלט ומשמשת לחימום נוזל או גז לטמפרטורה של כ µ מעלות צלסיוסÆ הנוזל או הגז המחוממים משמשים לייצור חשמל באמצעות מיקרו טורבינה או מנוע תרמי כגון סטירלינג שמחוברים למקלט ªstirling מנוע סטירלינג מנצל אנרגיה ממקור חום חיצוני על מנת להפיק עבודה מכניתÆ חימום וקירור של הגז המצוי בצילינדר

4 איור 8: דוגמא של מגדל שמש איור 10: דוגמא של רפלקטור פרנל ליניארי גורם לתנועת הבוכנה שבמנוע Æ זו הטכנולוגיה היעילה ביותר מבין הטכנולוגיות התרמו סולאריות עם יעילות של כ π בהשוואה ל לערך של הטכנולוגיות האחרות ראו איור Æ π רפלקטור פרנל ליניארי Reflector LFR Linear Fresnel מערך של רפלקטורים שטוחים סמוכים אשר מרכזים את הקרינה הסולארית אל מקלט קווי ליניארי מוגבה שבו זורמים מים שמתחממים והופכים לקיטורÆ המערכת דומה לשוקת הפרבולית אך היא מצויה בראשית דרכה המסחרית ראו איור ± Æ יישומים נוספים של מערכות CSP נכון להיום מרבית המערכות מתמקדות בייצור חשמל אולם הן יכולות לשמש גם לתהליכים תעשייתיים וכימיים לרבות התפלת מים באמצעות שימוש בחוםÆ השוקת הפרבולית היא הטכנולוגיה המתאימה ביותר לתהליכים שדורשים טמפרטורות נמוכות יחסית כגון סילוק רעלים מיחזור פסולת נוזלית וחימום מיםÆ כל שאר הטכנולוגיות מתאימות לשימוש בתהליכים תעשייתיים שדורשים טמפרטורות גבוהות יותר לדוגמא ייצור כימיקלים ייצור מתכות ייצור מזון וטקסטיל בישול וחימום מיםÆ סוגיית הקרקעות אחת הבעיות המרכזיות המקשות על שימוש בטכנולוגיות של אנרגיה סולארית ומציבות אתגרים רבים בפני מפתחי מערכות סולאריות היא שוקת פרבולית הספק מותקן מגוואט ריכוז קרני השמש בפקטור של יעילות סולרית מרבית יעילות מחזור תרמי שטח נדרש מ רØ מגוואט שעה לשנה ± ± µ צפוי ± מגדל שמש µ± ± ± צלחת פרבולית רפלקטור פרנל לינארי µ µµ מחזור משולב מנוע סטירלינג טורבינת גז ± π צפוי ± µ ± Æ ± Æ ± איור 9: דוגמא של צלחת פרבולית טבלה 2: השוואה בין המאפיינים העיקריים של טכנולוגיות CSP מקור German Aerospace Center DLR Concentrating solar power for the Mediterranean region µ כמות השטח הנדרש לייצור יעיל של אנרגיה חשמלית באמצעות אנרגיית השמשÆ נכון להיום מערכות סולאריות מצריכות שטח ניכר גדול בהרבה בהשוואה למיתקנים לייצור חשמל באמצעות דלקים מחצבייםÆ לדוגמא עבור הספק מותקן של ± מגוואט שיא נדרש כקילומטר רבוע אחד של תחנת כוח בטכנולוגיית טורבינת גז במחזור משולב ואילו עבור תחנת כוח בטכנולוגיה פוטו וולטאית נדרשים כ µ קילומטרים רבועים ראו טבלה Æ טבלה 3: השוואת השטח הנדרש עבור תחנות כוח שונות לייצור חשמל פחמית סוג התחנה טורבינת גז במחזור משולב תרמו סולארית שטח מקורב נדרש קמ ר עבור ± מגוואט מותקן Æ ±Æ± ± µ פוטו וולטאית µ מקור אקו אנרגßי אנרגיה חלופית ושטחים פתוחים

5 אגירת אנרגיה תרמית סולרית TES Solar thermal energy storage אגירה של האנרגיה התרמית הסולארית היא בעלת פוטנציאל רב לתרום להגדלת גמישות הפעולה של המערכת הסולארית לייצור חשמלÆ מערכות סולאריות לייצור חשמל אינן זמינות בשעות הלילה ובעת עננות גבוהה ולכן הן עשויות לסייע לייצור החשמל בשעות שיא הביקוש לחשמל בעונת הקיץ בלבד היות ששעות שיא הביקוש לחשמל בעונת החורף הן לרוב בשעות אחה צ והערב בהן קרינת השמש נמוכהÆ מערכת אגירת אנרגיה מאפשרת לאגור את האנרגיה התרמית אשר מפיקה המערכת התרמו סולארית ולהשתמש בה לייצור חשמל בעת קרינת שמש ישירה נמוכה כתוצאה מעננות וכדומה או בהתאמה לשעות שיא הביקוש לחשמל ובכך להגדיל את יכולת הייצור הכוללת של המשק בשעות השיאÆ נכון להיום מערכות אגירת אנרגיה תרמית סולארית לא נפוצות בשל מחירן הגבוהÆ שני הרכיבים היקרים ביותר במערכת אגירת אנרגיה תרמית סולארית הם תווך האגירה לרוב מלח ניתך ומיכלי האגירהÆ אגירה בשיטת תרמו קליין thermocline היא שיטת אגירה בעלת פוטנציאל להפחית בצורה משמעותית את העלויות הללוÆ בשיטה זו נדרש רק מיכל אגירה יחיד במקום שני מיכלי אגירה שנדרשים בד כ עבור מערכות אגירת אנרגיה תרמית לטמפרטורות גבוהותÆ שימוש באגירת אנרגיה תרמית עשוי להקטין את עלויות ייצור החשמל באמצעות מערכות סולריות פר קוט ש ואף להגדיל את גמישות הפעולה שלהןÆ סיכום בשנים האחרונות על רקע המודעות הגוברת להגנת הסביבה ולניצול מקורות אנרגיה מתחדשים הולך וגובר העניין בייצור חשמל באמצעות אנרגיית השמשÆ מיגוון הטכנולוגיות העומדות לרשותנו כיום מציע איור 11: טווח עלויות ייצור חשמל באמצעות טכנולוגיות שונות גרעין רוח סולרי תרמי ± ± ± ± שלל אפשרויות לייצור חשמל באמצעות אנרגיה סולארית החל מייצור מקומי מבוזר באמצעות פנלים פוטו וולטאיים וכלה בטכנולוגיות פוטו וולטאיות עם מרכזי קרינה וטכנולוגיות תרמו סולאריות לייצור חשמל בתחנות כוח גדולותÆ פוטו וולטאי טורבינת גז במחזור משולב מקור חברת החשמל אגף ייצור והולכה DOE IEA טורבינת גז µ ± ± תחנה פחמית על אף התועלות הסביבתיות הרבות של המערכות הסולאריות קיימים עדיין מספר מכשולים בדרך לשימוש בהן בקנה מידה מסחרי ובהם השטח הרב הנדרש להקמתן ולתיפעולן עם קשר ישיר לנצילות של המערכות עלויות ההקמה הגבוהות ועלויות גבוהות יחסית של קוט ש מיוצר ראו איור ±± בהשוואה לטכנולוגיות קונבנציונליותÆ מערכות פוטו וולטאיות מרכזות קרינה שיתרונן הגדול הוא החיסכון עד פי ± בחומר מוליך למחצה של התא הפוטו וולטאי עשויות להיות המובילות בחזית הטכנולוגיה של ייצור חשמל באמצעות אנרגיית השמש עקב יכולת תחרותית בעלויות קוט ש מיוצר בהשוואה לטכנולוגיות קונבנציונליותÆ