שמש שימושית

מתוך תכנית 112 - דרום:

פרופ' דיוויד פימן הוא מנהל המרכז הסולרי בשדה בוקר והמחקר שלו, שנערך מאז שנות השבעים, עוסק במציאת תחליף לייצור החשמל. היום, פימן מאמין שניתן לייצר חשמל באופן המוני ע"י ניצול אנרגיית השמש.

עלויות ייצור חשמל באמצעות ניצול אנרגיית השמש אינה עומדת בתחרות עם עלות יצור החשמל היום. כדי שחברות החשמל יעברו ליצור באמצעות ניצול השמש, צריך למצוא שיטה שתהיה מספיק זולה.

במסגרת מחקרו של פימן נבנתה הצלחת הסולרית הגדולה בעולם. הצלחת היא בצורת מטריה והיא מצופה כולה במראות. תפקיד המראות לקלוט את אור השמש ולרכז אותו אל פלטה קטנה שמורכבת במרכז הצלחת. על הפלטה יהיו תאים פוטוולטאים (תאים שקולטים את אנרגית השמש והופכים אותה לחשמל). מהפלטה שגודלה מטר על מטר עתידים להפיק 100 קילוואט חשמל. לשם השוואה אם פלטת התאים הוולטאים הייתה מונחת בשמש ללא המראות המרכזות, היו מפיקים ממנה רק 100 ואט של חשמל.

הצלחת בנויה מ- 316 מראות, כל אחת עשוי משולש שאורך צלעותיו 2 מטרים כל אחת. בגלל צורתן הפרבולית של המראות, כשהשמש פוגעת בהן הן מחזירות את הקרניים לנקודה אחת, אל מוקד הצלחת שם נמצאים התאים שקולטים את האור. למעשה קרני האור שמגיעות מ- 400 מטרים מרובעים של מראות, מתרכזות למטר מרובע של תאים, (בגלל החום שנצבר, מקררים את התאים ללא הפסקה). הודות למראה מפיקים התאים כמות חשמל שהיא פי אלף מכמות החשמל שהיו נותנים התאים אילולא מוקדו אליהם קרני האור.

בהתבסס על העובדה שצלחת המראות בנויה מחומרים שנמצאים ביצור המוני (פלדה, זכוכית, משאבות), הסיק פימן כי ייצור המוני של מערכות כאלו יעלה 10,000 דולר לקילוואט של חשמל. העלות הזו זהה לעלות יצור חשמל בתחנות הכוח, לפני שמוסיפים את עלות הדלק. מכיוון שבתהליך לא משתמשים כלל בדלק, עלות הפקת החשמל תקטן באופן משמעותי.

מצפון ודרום לקו הרוחב 30, יש הרבה שמש לאורך השנה ולכן באזורים האלו הכי טוב לייצר חשמל מאנרגיית השמש. לפי פימן, באזורים האלו יש די מקום כדי לייצר חשמל עבור העולם כולו.

תאים פוטוולטאים הם תאים שקולטים את אנרגיית השמש ומפיקים ממנה חשמל. התאים עשויים צורן (סיליקון), המרכיב העיקרי של חול הים וממנו מייצרים את הסיליקון הטהור. הפקת הסיליקון היא מאוד יקרה, כדי להפיקו יש להפריד בין הצורן והחמצן בחול, ולשם כך משתמשים בחומרים כימיים מאוד אגרסיביים. השימוש בסיליקון הכרחי לתעשיית ההי- טק (כל הצ'יפים עשויים מסיליקון), ולמעשה כדי ליצור תאים פוטוולטאים משתמשים בשאריות הסיליקון מההי- טק.

הסיליקון הוא חומר מוליך למחצה, התכונה הזו היא שמאפשרת לפוטונים (חלקיקי האור) להניע את האלקטרונים בסריג האטומי של הסיליקון וכך לייצר חשמל.

איך זה עובד?

האלקטרונים קשורים יחד בסריג אטומי. ברגע שבא פוטון (חלקיק אור) הוא נותן מכה לאטום בסריג. כתוצאה מהמכה האטום קולט כל כך הרבה אנרגיה קינטית (אנרגית תנועה), שהאלקטרון שבו משתחרר (כזכור.... כל אטום מורכב מאלקטרונים ופרוטונים). האלקטרונים המשוחררים לחופשי הם שיוצרים את הזרם החשמלי. האלקטרונים הללו נכנסים לחוט חשמל, מעבירים את האנרגיה שלהם ע"י הפעלת מנוע וחוזרים אל הסריג האטומי.

המחיר של התאים הפוטוולטאים בשוק היום הוא גבוה ובמרכז הסולרי מחפשים להם תחליף זול יותר.

בתאים שמפתחים במרכז הסולרי חוקרים את האפשרות להחלפת הסיליקון בחומר זול יותר. לפני 12 שנים התגלתה לעולם מולקולת פחמן חדשה שנקראת פולורין. עד אז ידעו על שתי צורות של מולקולות בהן מסתדר הפחמן: מולקולה שצורתה יהלום, בה מסודרים הפחמנים בצפיפות ולכן החומר הנוצר הוא קשיח. ומולקולה שיוצרת משטחי משושים שנעים אחד ביחס לשני ויוצרים חומר שמנוני. צורתה של מולקולת הפולורין היא עגולה, הפולורין עשויה 60 אטומי פחמן שיוצרות כדור. לפולורין תכונות אלקטרוניות דומות לאלו של הצורן (של הסיליקון), גם הוא מוליך למחצה.

במרכז לאנרגיה סולרית חוקרים את ייצור התאים הפוטוולטאים בשני ערוצים:

1) האפשרות להחליף את הצורן בפולורין בתאים הפוטוולטאים. תא פוטוולטאי עשוי שתי שכבות האחת שכבת N שמכילה מטען שלילי והשניה שכבת P המכילה מטען חיובי. לתהליך בו מקנים לחומר תכנות אלקטרוניות (מטען שלילי או חיובי), קוראים סימום. היום יודעים לסמם את הצורן ולהפיק ממנו שכבות בעולת מטען חיובי ושכבות בעלות מטען שלילי. את הפולורין לעומת זאת יודעים לסמם רק באופן שיוצר מטען שלילי.

2) חוקרים את האפשרות לייצר את הפולורין באופן מסחרי מגרפיט. היום משתמשים בפולורין רק לצורכי מחקר, ומפיקים כמויות קטנות ממנו בעזרת חשמל. במרכז פתחו מכשיר שמנצל את אנרגיית השמש לייצור הפולורין. המכשיר עשוי סיבים אופטיים שמרכזים את אנרגיית השמש ובאמצעות קרן האור המרוכזת הופכים את הגרפיט לפולורין.

המחקרים שעוסקים בניצול אנרגיית השמש לשם הפקת חשמל עוסקים בפיתוח טכנולוגיות שעלותן תהיה תחרותית לעלות הפקת חשמל בתחנות הכוח הפחמיות כיום. הפקת התאים הפוטוולטאים היא יקרה והחלפת הסיליקון בחומר זול יותר, תוריד את מחירם.