פאנלים סולאריים רותמים את אנרגיית השמש לייצור חשמל שמיש. ברמה גבוהה, תאים סולאריים סופגים אור שמש נכנס כדי ליצור זרם חשמלי דרך מה שמכונה "האפקט הפוטו-וולטאי". זרם חשמלי זה נקלט על ידי צלחות וחוטים והופך לזרם אנרגיה שמיש הנשלח לבית ולמכשירים שלך. במאמר זה, נפרט כיצד פאנלים סולאריים מייצרים אנרגיה מתחדשת עבור הבית שלך.
מהי אנרגיה סולארית?
הפוטונים שמגיעים לתאי השמש שלך ומייצרים זרם חשמלי מגיעים מאיפשהו – מהשמש. אנרגיית השמש נוצרת על ידי תגובות היתוך גרעיני קבועות המתרחשות עמוק בתוך השמש. היתוך גרעיני בשמש מתרחש כאשר פרוטונים (שהם בעצם זהים לאטומי מימן) מתנגשים ומתמזגים תחת טמפרטורה ולחץ קיצוניים כדי ליצור הליום. תהליך זה פולט כמות עצומה של אנרגיה (בתוספת פרוטונים נוספים), ובליבת השמש, תגובה זו מתרחשת ללא הרף, ומייצרת למעלה מ-500 מיליון טון של אטומי מימן בכל שנייה.
התוצאה? ליבת השמש שלנו (החלק החם ביותר) היא בערך 27 מיליון מעלות פרנהייט, והיא פולטת כל הזמן כמויות עצומות של אנרגיה בצורה של קרינה אלקטרומגנטית (EMR). EMR קיים בצורות רבות, והשמש מייצרת את כל סוגי ה-EMR, הנישאים לכדור הארץ בצורה של פוטונים.
המדע של אופן הפעולה של פאנלים סולאריים ואנרגיה סולארית: תאים סולאריים והאפקט הפוטו-וולטאי
בקצרה, פאנל סולארי פועל על ידי יצירת חשמל כאשר חלקיקי אור השמש, או פוטונים, משחררים אלקטרונים מאטומים ומניעים אותם. זרימת אלקטרונים זו היא חשמל, ופאנלים סולאריים נועדו ללכוד את הזרימה הזו, ולהפוך אותה לזרם חשמלי שמיש. תהליך זה נקרא האפקט הפוטו-וולטאי, והוא התהליך הכימי והפיזי הבסיסי מאחורי הרוב המכריע של הטכנולוגיה הסולארית.
האפקט הפוטו-וולטאי: איך זה עובד
המדע של ייצור חשמל עם פאנלים סולאריים מסתכם כולו באפקט הפוטו-וולטאי. התגלה לראשונה בשנת 1839 על ידי אדמונד בקוורל, ניתן לחשוב על האפקט הפוטו-וולטאי כמאפיין של חומרים מסוימים (הידועים כמוליכים למחצה) המאפשר להם ליצור זרם חשמלי כאשר הם נחשפים לאור השמש.
האפקט הפוטו-וולטאי פועל באמצעות השלבים הפשוטים הבאים:
- אור השמש פוגע בתאי השמש, ממריץ אלקטרונים בתאים ומניע אותם
- האלקטרונים זורמים החוצה מהצומת בין שכבות התאים, ויוצרים זרם חשמלי
- לוחות וחוטי מתכת לוכדים את זרימת האלקטרונים ומייצרים חשמל
תהליך הפקת חשמל סולארי מתחיל בתאים סולאריים, החלקים הבודדים שיוצרים פאנל סולארי גדול יותר. תאים סולאריים עשויים בדרך כלל מהיסוד סיליקון (אטום מס' 14 בטבלה המחזורית). סיליקון הוא מוליך למחצה לא מתכתי שיכול לספוג ולהמיר את אור השמש לחשמל – אנחנו גם משתמשים בסיליקון כמעט בכל מחשב על פני כדור הארץ. ישנם כמה סוגים שונים של מוליכים למחצה המשמשים בדרך כלל בתאים סולאריים, וסיליקון הוא ללא ספק הנפוץ ביותר, בשימוש ב-95 אחוז מהתאים הסולאריים המיוצרים כיום. קדמיום-טלוריד ואינדיום נחושת גליום דיסלןיד הם שני החומרים המוליכים למחצה העיקריים המשמשים בייצור פאנלים סולאריים בסרט דק.
ישנן שתי שכבות של סיליקון המשמשות בתאים פוטו-וולטאיים, וכל אחת מהן מטופלת במיוחד, או "מסוממת", כדי ליצור שדה חשמלי במפגש בין השכבות. שדה חשמלי זה מאלץ אלקטרונים רופפים לזרום דרך התא הסולארי החוצה את צומת הסיליקון, תוך יצירת זרם חשמלי. זרחן ובור משמשים בדרך כלל כחומרי סימום חיוביים ושליליים, בהתאמה, כדי ליצור את הצדדים החיוביים והשליליים של תא פוטו-וולטאי.
לוחות מתכת בצידי כל תא סולארי אוספים את האלקטרונים הנדחפים החוצה על ידי השדה החשמלי, ומעבירים אותם לחוטי חיבור. בשלב זה, אלקטרונים זורמים כחשמל דרך החיווט אל מהפך סולארי ולאחר מכן ברחבי הבית שלך.
חלופות לתאים סולאריים מסיליקון
בעוד שסיליקון הוא המוליך למחצה הנפוץ ביותר בשימוש ברחבי העולם בפאנלים סולאריים, ישנן אפשרויות חלופיות המשמשות בכמה מוצרים סולאריים חדשים ומתפתחים המשמשים ברחבי תעשיית השמש. תאים סולריים בסרט דק הם קטגוריה כללית של תאים סולאריים העשויים מחומרים קלים ו/או גמישים. ישנם ארבעה סוגים כימיים עיקריים של תאים סולאריים בעלי סרט דק: קדמיום טלוריד (CdTe), סיליקון אמורפי (a-Si), אינדיום נחושת גליום סלניד (CIGS) וגליום ארסניד (GaAs). השכבות סופגות האור בתאים מסוג זה קטנות פי 350 מתאי סיליקון, ומכאן השם "סרט דק".
תאים סולאריים אורגניים הם סוג נפרד של תאים סולאריים בסרט דק המשתמשים בחומרים מבוססי פחמן כמוליך למחצה. סוגים אלה של פוטו-וולטאים אורגניים (OPV) מכונים לפעמים גם "תאים סולאריים מפלסטיק" או "תאים סולאריים פולימריים", והם מיוצרים על ידי המסת תרכובות אורגניות בדיו והדפסתן על פלסטיק דק. תאים סולריים פרוסקיט הם מחלקה שלישית של תאים סולאריים בעלי סרט דק הבנויים מפרוסקיטים, סוג של חומרים מעשה ידי אדם עם מבנה קריסטלוגרפי ייחודי שהופך אותם ליעילים ביותר בהמרת פוטונים של אור לחשמל שמיש. תאי פרוסקיט נבנים באמצעות "עיבוד פתרונות", שזו אותה טכניקה המשמשת להדפסת עיתונים.
חלקי פאנל סולאריים חיוניים אחרים
מלבד התאים הסולאריים שלהם, מודול סולארי טיפוסי כולל כמה חלקים חיוניים:
לפנלים יש מעטפת זכוכית המציעה עמידות והגנה לתאי ה-PV הסיליקון. מתחת לחלק החיצוני של הזכוכית, לפאנלים סולאריים שכבת בידוד ויריעה אחורית, המגנה מפני פיזור חום ולחות בתוך הפאנל. בידוד זה חשוב מכיוון שעליות בטמפרטורה מובילות לירידה ביעילות, וכתוצאה מכך ביצועים נמוכים יותר של פאנל סולארי. פאנלים סולאריים בעלי ציפוי אנטי רפלקטיבי המגביר את ספיגת אור השמש ומעניק לתאים חשיפה מרבית לאור השמש.
כשמדובר בתאים סולריים סיליקון, בדרך כלל נוצרות שתי תצורות תאים: חד גבישי ופולי גבישי. תאים חד-גבישיים מורכבים מגביש סיליקון בודד, ואילו תאים רב-גבישיים מורכבים משברי סיליקון. פורמטים חד-גבישיים מספקים יותר מקום לאלקטרונים להסתובב ובכך מציעים טכנולוגיה סולארית בעלת יעילות גבוהה יותר מאשר רב גבישי, אם כי הם בדרך כלל יקרים יותר.
איך פאנלים סולאריים מייצרים חשמל לבית שלך? הסבר שלב אחר שלב
יצירת זרם חשמלי הוא השלב הראשון של פעולת פאנל סולארי, אך התהליך אינו מסתיים בכך. כך יוצרים מערכים סולאריים מערכת חשמל שמישה לבית שלך:
1. תאים פוטו-וולטאיים קולטים את אנרגיית השמש וממירים אותה לחשמל DC
כפי שהוסבר לעיל, התאים הסולאריים המרכיבים כל פאנל סולארי עושים את העבודה הכבדה בכל הנוגע לייצור חשמל בפועל. באמצעות האפקט הפוטו-וולטאי, הפאנלים הסולאריים שלך מייצרים זרם חשמלי.
2. ממירים סולאריים ממירים חשמל DC מהמודולים הסולאריים שלך לחשמל AC, המשמש את רוב מכשירי החשמל הביתיים
כוח DC מומר למתח AC כאשר הוא עובר דרך המהפך הסולארי שלך (או ממירים, אם אתה משתמש במערכת מיקרו-אינברטר). ניתן להצטייד בממירים גם בשנאים המווסתים את המתח של זרמי DC ו-AC.
3. חשמל זורם דרך הבית שלך, מפעיל מכשירים אלקטרוניים
ממירי שמש מעבירים את אנרגיית ה-AC המומרת ללוח החשמל של הבית שלך. משם, החשמל מתפזר דרך הבית שלך לכל השקעים שלך, כך שכאשר יש צורך לחבר את המכשירים שלך, יש זרם חשמלי שמיש.
4. עודפי חשמל המיוצרים על ידי פאנלים סולאריים מוזנים לרשת החשמל
אם יש לך מערכת אנרגיה סולארית הקשורה לרשת, חשמל יכול לפעול הן אל הרשת והן ממנה, ועודף אנרגיה המיוצר על ידי הפאנלים שלך יכול למעשה להרוויח כסף. באמצעות מדיניות המכונה מדידת נטו, אתה מקבל זיכויים מהרשת כאשר אתה מזין חשמל בחזרה, מה שהופך את עלות החשמל הכוללת שלך לזולה עוד יותר.
קרא את כמה עולה פאנל סולארי כאן.
טכנולוגיות סולאריות חלופיות
דיברנו על שמש פוטו-וולטאי, או PV, במאמר זה, מכיוון שזהו הסוג הנפוץ ביותר של ייצור אנרגיה סולארית, במיוחד עבור בתים ועסקים. אבל יש יותר בחוץ – השמש היא מקור אנרגיה למגוון סוגים של טכנולוגיה סולארית הפועלת בדרכים שונות מאשר פאנלים פוטו-וולטאיים סולאריים מסורתיים. שתיים מהאפשרויות הסולריות האלטרנטיביות הנפוצות ביותר הפועלות בצורה שונה מפאנלים PV הן מים חמים סולאריים ואנרגיה סולארית מרוכזת.
מים חמים סולאריים
מערכות מים חמים סולאריות לוכדות אנרגיה תרמית מהשמש ומשתמשות בה לחימום מים לבית. מערכות אלו עשויות מכמה מרכיבים עיקריים: קולטים, מיכל אגירה, מחליף חום, מערכת בקר ומחמם גיבוי.
במערכת מים חמים סולארית, אין תנועה של אלקטרונים. במקום זאת, הפאנלים הופכים את אור השמש לחום. הפאנלים במערכת תרמית סולארית ידועים כ"קולטים", ולרוב מותקנים על גג. הם אוספים אנרגיה בצורה שונה מאוד מאשר לוחות פוטו-וולטאיים מסורתיים – במקום לייצר חשמל [1], הם מייצרים חום. אור השמש עובר דרך מכסה הזכוכית של הקולט ופוגע ברכיב הנקרא לוחית בולם, בעל ציפוי שנועד ללכוד אנרגיית שמש ולהמיר אותה לחום. חום זה שנוצר מועבר ל"נוזל העברה" (או חומר מונע קפיאה או מים לשתיה) הכלול בצינורות קטנים בצלחת.
אנרגיה סולארית מרוכזת
אנרגיה סולארית מרוכזת פועלת באופן דומה למים חמים סולאריים, בכך שהיא הופכת את אור השמש לחום. טכנולוגיית CSP מייצרת חשמל על ידי ריכוז אנרגיה תרמית סולארית באמצעות מראות. בהתקנת CSP, מראות מחזירות את השמש לנקודת מוקד. במוקד זה נמצא בולם או מקלט שאוסף ואוגר אנרגיית חום.
לרוב נעשה שימוש ב-CSP בהתקנות בקנה מידה שירות כדי לסייע באספקת חשמל לרשת חשמל, ומהווה חלופה לתחנות כוח מבוססות דלק מאובנים.
שאלות נפוצות הקשורות לאופן הפעולה של פאנלים סולאריים
ללמוד עוד על אופן הפעולה של פאנלים סולאריים יכול להיות מבלבל לפעמים, וזו הסיבה שהפיכתו לפשוט ועיכול הוא המפתח. עכשיו כשאתה יודע יותר על האופן שבו פאנלים סולאריים מייצרים חשמל והמדע שמאחוריו, בדוק עוד כמה שאלות שבעלי בתים שואלים בדרך כלל:
האם אתה יכול להפעיל את כל הבית שלך על אנרגיה סולארית?
כן, אתה יכול לייצר מספיק חשמל עבור כל הבית שלך באמצעות אנרגיה סולארית. המפתח הוא לוודא שהפאנלים הסולאריים שלך פועלים ביעילות מירבית על ידי בחירת סוג הפאנל, המתקין והזווית הטובה ביותר עבור הבית שלך והצרכים שלך. עם זאת, למרות שמערכת פאנלים סולאריים יכולה לקזז את כל צריכת האנרגיה שלך, זה לא מציאותי לצפות לרמת ייצור כזו מדי יום בגלל הפסקות. התקנת אחסון תעזור אם אינך רוצה להסתמך על הרשת כשהשמש לא זורחת.
עדיין יש לך חשבון חשמל עם פאנלים סולאריים?
כן, אם אתם מחוברים לרשת, עדיין תקבלו חשבון חשמל עם פאנלים סולאריים – אבל יתכן שלא תהיו חייבים כלום. עם זאת, אם הפאנלים הסולאריים שלך אינם מייצרים מספיק אנרגיה כדי לענות על הצרכים שלך, או אם הגדלת את צריכת האנרגיה שלך מאז ההתקנה, סביר להניח שעדיין תצטרך קצת כסף לחברת החשמל שלך. אם אתה רוצה להסתמך לחלוטין על אנרגיה סולארית, תצטרך להוסיף גיבוי לסוללה סולארית כדי להתאים עם הפאנלים הסולאריים שלך.
האם פאנלים סולאריים עובדים בלילה?
בעוד שחלק מהחשמל יכול להיווצר ממקורות אור אחרים בלילה, התפוקה נמוכה מאוד מכיוון שהתאים בפאנלים סולאריים דורשים אור שמש. כאשר פאנלים סולאריים משודכים לאחסון סוללות סולריות, האנרגיה מאוחסנת לאורך כל היום לשימוש בערבים ואפילו בימים מעוננים בהם פאנלים סולאריים אינם מסוגלים להפיק את מלוא התועלת מיום שמש.
כיצד פועלים פאנלים סולאריים על בית?
לאחר קביעת מספר הפאנלים הדרושים להפעלת בית, לוחות מורכבים על גג הפונה דרומה ומזוויות כדי להפיק את מלוא התועלת מהשמש. לוחות אלה סופגים את אור השמש וממירים אותו לחשמל, ולבעלי בתים שבוחרים בסוללה סולארית, אוגרים אנרגיה לימים מעוננים או לשימוש בלילה.