אנרגיה סולארית

תאים פוטו-וולטאים

כדי להפוך את קרינת השמש לאנרגיה חשמלית אנחנו זקוקים למערכת סולארית (פוטו-וולטאית). בליבה של כל מערכת אנרגיה סולארית נמצאים התאים הפוטו-וולטאים (הנקראים גם תאי שמש או תאים סולאריים). התאים הסולאריים בנויים מחומרים מוליכים למחצה. החומרים המוליכים למחצה הם חומרים אשר איכות ההולכה שלהם מושפעת מהקרנה של אור או חום עליהם. רוב התאים הסולאריים מיוצרים מסיליקון – חומר שנמצא בשפע וגם כרייתו 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. כאשר מוקרנת קרינת שמש על הסיליקון נוצרת תנועת אלקטרונים, ובשדה החשמלי נוצר זרם חשמלי – זרם ישר (DC).

הטכנולוגיות לייצור תאים סולאריים

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 לייצור אנרגיה סולארית:

1. חומר גבישי טהור – סיליקון חד גבישי (monocrystalline).
2. סיליקון רב גבישי (polycrystalline).

הסיליקון הגבישי יעיל יותר מהרב גבישי אך עלותו בתהליך יקרה. תהליך הייצור של התאים מסיליקון גבישי יקרה יחסית בגלל 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). נצילות היא היכולת לנצל בצורה מרבית את אנרגיית השמש – וערכה נמדד באחוזים. זאת אומרת אם לפאנל סולארי יש 10% נצילות, אז 1000 וואט למטר מרובע שמספקת השמש יהפכו רק ל 100 וואט של אנרגיה חשמלית שניתן להשתמש בה, וזאת ממטר מרובע של פאנל סולארי.

שכבה דקה: ייצור תאים ב"שכבה דקה" (Thin Film) היא טכנולוגיה המוזילה את ייצור התאים הסולאריים. החומרים סופגי הקרינה משוקעים על גבי שכבת חומר זול כגון זכוכית או מתכת. עובי השכבות הוא כ 1 מיקרון (מיליונית המטר) לעומת שיטת הסיליקון הגבישי שדורשת עובי של כמה מאות מיקרונים. (לשם ההשוואה, עובי שערה אנושית הוא בערך 100 מיקרון...). עלויות הייצור של התאים בשכבה דקה מופחתות וזאת בשל השימוש בכמויות החומר מזעריות וגם בגלל שיטת הייצור היעילה, המכוונת ליצירת פאנל שלם ולא תאים סולאריים בודדים.

התאים סולאריים המיוצרים ב-שכבה דקה מסווגים לפי החומר מהם הם מורכבים:

• (amorphous silicon (a-Si – מבוסס סיליקון אמורפי – הנפוץ ביותר בטכנולוגית השכבה הדקה.
• (copper (gallium) indium diselenide (CIS / CIGS – מבוסס חומר רב גבישי - נחושת (גליום) אינדיום
• (cadmium telluride (CdTe – מבוסס חומר רב גבישי - קדמיום טלרויד

ביצועי התאים הסולאריים מבוססי שכבה דקה הם נחותים ביחס לביצועי הסיליקון הגבישי. לאור מחירם הנמוך, קלות הייצור וההתפתחות הטכנולוגית, משערים כי השכבה הדקה תתפוס את ההגמוניה בשוק המערכות הסולאריות על חשבון הטכנולוגיה הגבישית. הנצילות של תאים בשכבה דקה עומדים כיום בין 6-10 אחוזים, כתלות בסוג החומר וזאת נצילות נמוכה יחסית לטכנולוגיה הגבישית. טכנולוגיות חדשות של שכבה דקה מבטיחות שיפור בנצילות, אך אלו עדיין בפיתוח.

פאנלים סולאריים

פאנל סולארי הוא הרכבה של תאים סולאריים ליחידה אחת. התאים הסולאריים מחוברים בטור ביניהם בקבוצה (חיבור בטור מגדיל את המתח). חיבור של מספר שרשראות במקביל יוצר את הפאנל הסולארי (חיבור במקביל מגדיל את הזרם). כך, באמצעות חישובים פשוטים ניתן ליצור פאנל בעל מתח וזרם קבועים לפי דרישות הלקוח. התאים בפאנל מצופים בחומר מגן, ממוסגרים במסגרת אלומיניום ומכוסים בזכוכית שקופה. הפאנל הסולארי נבנה כך שיהיה פעיל ויעיל במשך עשרות שנים. הפאנל עמיד בפני גשם, רוח וברד. בדרך כלל ניתנת אחריות על הביצועים לתקופה של 20 שנה ויותר. הפאנלים הסולאריים הם הרכיב העיקרי והיקר של כל מערכת אנרגיה סולארית.

יעילות 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) מייצג את ההספק החשמלי של המערכת בתנאים אידיאליים 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. מערכות ניידות עשויות להגיע ל 2150 קוט"ש.

אפשרויות ההפעלה של מערכת סולארית

ישנן שתי אפשרויות להפעיל מערכת אנרגיה סולארית:

1. 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 המפוצה ביותר המאפשרת לקבל זיכויים מחברת החשמל על ייצור עודף של חשמל שמועבר לרשת הארצית (ראו הסבר בהמשך).
2. 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.

רכיבי המערכת

מערכת סולארית מורכבת לא רק מהפאנלים אלא גם מרכיבים נוספים:

• פאנלים סולאריים – הרכיב האחראי להפוך את אנרגיית השמש לזרם חשמלי ישר (DC)
• ממיר מתח (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 הפאנלים 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.

יש לציין כי מערכת אנרגיה סולארית ביתית רגילה מכילה רק פאנלים סולאריים, ממיר מתח ומונים.

תחזוקה

התחזוקה היחידה הנדרשת היא ניקיון הפאנלים מאבק מיד חודש או יותר. חוסר ניקיון והצטברות אבק ולכלוך תוריד מביצועי המערכת.

שיקולים סביבתיים

יתרונות:

• איכות הסביבה – ייצור נקי יחסית של חשמל (להוציא תהליך ייצור הפאנלים).
• אנרגיה לא מתכלה – משאב השמש אינו מתכלה כמו פחם ונפט.
• התקנה על גגות – חיסכון במשאבי קרקע.
• עודף חשמל המיוצר מעבר לצריכה הנדרשת מועבר לרשת החשמל הארצית.
• הפחתת התלות במדינות בעלות מקורות דלק מתכלים.
• טכנולוגיה אמינה – עמידות: הפאנלים עמידים לאורך זמן בפני תנאי מז"א קשים כמו גשם וברק. בפאנלים הסולאריים אין חלקים נעים המסבכים את תחזוקת המערכת.
  

חסרונות:

• השקעה ראשונית גבוהה.
• מקור חשמל לא סדיר – בלילות ובימים מעוננים הפקת החשמל יורדת. יש צורך בסוללות לאגירת האנרגיה או בשימוש במקור אנרגיה נוסף – גנראטורים או רשת החשמל הארצית.
• פסולת (ראה פירוט).

פסולת של פאנלים סולאריים

פסולת של פאנלים סולאריים נמצאת בכמות מועטה בעולם (כ 2000 טון בשנה), אבל החל משנת 2020 ואילך צפוי גל פסולת שילך ויגדל של פאנלים סולאריים בכמות הגדולה לפחות פי 10 מהכמות היום. רוב המרכיבים של הפאנל הם חומרים שאינם מזיקים לסביבה אך יש מעט חומרים בפאנלים שאכן מסוכנים. אחד החומרים המסוכנים הוא קדמיום טלורייד – מוליך למחצה המשמש כמרכיב בתאים בפוטו-וולטאיים בטכנולוגית "השכבה הדקה" (Thin Film). פסולת נוספת שיש לתת עליה את הדעת היא פסולת המצברים המיועדים למערכות סולאריות שלא מחוברות לרשת – מערכות מבודדות.

מדיניות החזרה

החברות המייצרות את המערכות הסולאריות מודעות לבעיות הפסולת הסביבתיות שפורטו לעיל. לכן יש חברות שמתחייבות לקחת חזרה את הפאנלים בסוף דרכם ולדאוג לטיפול בפסולת. יש להעדיף ייצרן/ספק המתחייב לקחת את המוצר בסוף דרכו.

התקנת מערכת אנרגיה סולארית

את הפאנלים הסולאריים מתקינים לרוב על גגות הבתים. התקנה בשטח פתוח מחייבת אישורים ברוב המקרים. שטח גג מינימאלי הנדרש להתקנה של 1 קילוואט הוא בין 10 ל 15 מטרים. ההתקנה נעשית גם על גבי גגות שטוחים וגם על גבי גגות רעפים. מערכת כזו תייצר כ 140 קוט"ש בחודש.

תכנון בתים 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 סולאריים 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.

חשבון כלכלי

חברת חשמל התחייבה לקנות את החשמל הסולארי במחיר גבוה פי 4 מהמחיר החשמל הרגיל (לפי התעריפים כיום) וזאת כדי לעודד את השימוש באנרגיות מתחדשות ובמיוחד את הניצול של אנרגיה סולארית. ההסדר מיועד למתקנים סולאריים המיועדים לצריכה עצמית במגזר הפרטי והעסקי. לקוחות ביתיים בעלי מתקנים פוטו-וולטאים עד 15 קילו-וואט יקבלו זיכוי לכל קוט"ש מיוצר. המחיר מוצמד למדד, מעודכן פעם בשנה ויובטח ללקוח במשך 20 שנה – על זה לפי החוק! לקוחות עסקיים יכולים להקים מערכת של עד 50 קילוואט. התהליך מותנה בהצבת שני מונים – מונה צריכה ומונה ייצור. ואחרי חישוב הצריכה אל מול הייצור, אם יימצא שהלקוח זכאי להחזרים הוא יזוכה כספית. יחד עם זאת, מומלץ לבצע השוואת מחירים מבעוד מועד.

ומה עם מיסים? הרי מדובר בהכנסות.  אכן, המיסוי על ההכנסות חייב להכנס במסגרת השיקולים בהחלטה הכלכלית האם להתקין מערכת סולארית ומאיזו חברה. המדינה כיום נותנת פטור ממיסים למערכות סולאריות קטנות - עד 4 קילוואט מהכנסות שנתיות של עד 18000 ש"ח. אך כאמור, מערכות קטנות אלו מהוות רק נתח קטן מהשוק הסולארי, ורוב המערכות המותקנות גדולות יותר.

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 אנרגיה 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)

מימון והלוואות - למי שלא מעוניין או לא יכול להוציא מכיסו סכום כסף נכבד להשקעה במערכת אנרגיה סולארית יש אפשרויות שונות לקבל מימון - (הלוואה לטווח ארוך). המימון, כמובן, מקטין את ההכנסות, אך מאפשר להתקין מערכת סולארית בעלות מינימלית. ההכנסות ישועבדו לטובת המממן עד להחזר ההלוואה + ריבית לפי נוסחות משתנות, ולאחר מכן המערכת תעבור לידי הלווה. 

 ביטוח - למערכת יקרה שאמורה לעבוד לפחות 20 שנה כדאי לעשות ביטוח. הביטוח יכלול כיסוי במקרה של נזקים שלא עומדים במסגרת האחריות שניתנה למערכת. גם עלות הביטוח צריכה להכנס לחישובי העלויות.

לקריאה נוספת: חשמל סולארי, חיסכון בחשמל.