עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > אנרגיהעמוד הבית > מדעים > אקולוגיה ואיכות הסביבה > אנרגיות חלופיותעמוד הבית > ישראל (חדש) > תשתיות > אנרגיה > מקורות אנרגיה
פי האטום : פיסיקה בשפה ידידותית


תקציר
בישראל יש עניין רב בניצול מקורות אנרגיה חליפיים כאנרגית השמש, כאשר השימוש העיקרי - והבלעדי כמעט - הוא בחימום מים לצורך שימוש ביתי.



דוד-שמש - שמיש גם בחורף
מחבר: צבי פלטיאל


מחירי הנפט אמנם בשפל זמני, אך הצורך לחסוך בו ובשימוש באנרגיה מקובל על כולנו. עדיין זוכרים רבים את התקופה בה מחיר הנפט הגיע עד כדי פי 2 - 3 ממחירו כיום. הימים הללו עלולים לחזור והמחיר יאמיר עוד יותר כאשר ידלדלו מאגרי הנפט. מחיר הפקתו משכבות עמוקות יותר, וממאגרים מדולדלים, ביחד עם הגידול באוכלוסיית העולם ובצריכת הנפט יביאו ללא ספק לעליית מחירים תוך מספר שנים (מתי בדיוק ובאיזה קצב יעלה המחיר, קשה לומר, אך רבים מאוד מעונינים לחזות זאת). לכן, אין פלא שבישראל יש עניין רב בניצול מקורות אנרגיה חליפיים כאנרגית השמש. מקור אנרגיה זה לא יוכל להחליף אף פעם את הנפט כמקור אנרגיה עיקרי לחברה הצורכת אנרגיה כחברתנו. ישראל היא אחת המדינות המתקדמות ביותר בעולם מבחינת ניצול אנרגית השמש, כאשר השימוש העיקרי - והבלעדי כמעט - הוא בחימום מים לצורך שימוש ביתי. אולם גם בארצנו מספקת השמש ישירות רק כאחוז אחד מצריכת האנרגיה הממוצעת (עוד בנושא זה בספרה של ח. גולדרינג ובמאמר פרי עטה המופיעים ברשימת הספרות המומלצת). שמושים אחרים של קרינה ישירה של השמש לצורך הפקת אנרגיה מחייבים השגת טמפרטורות גבוהות יותר. לטמפרטורות כאלה קשה להגיע תוך השגת נצילות סבירה של קרינת השמש. דודי-שמש מניעים לטמפרטורה 60°-70° המספיקה לשימושים הביתיים.

מבנה מערכת דוד-שמש פשוט למדי, כפי שאפשר לראות בתרשים 1. בקולטים עוברים צינורות המכילים מים, אלה מתחממים בשעה שהשמש מאירה על הקולטים והמים החמים, שצפיפותם נמוכה מזו של המים בדוד (ראה טבלה), עולים מעלה. כך הם מפנים מקום בצינורות שבקולטים למים קרים יותר המניעים מהדוד. ישנן מערכות בהן זורמים המים דרך צינורות במערכת סגורה של צינורות העוברים דרך הדוד ומחממים את מי הדוד על-ידי הולכת חום. במערכות אחרות - זורמת זו שבתרשים מי הדוד זורמים בצינורות הקולטים. יתרונה של המערכת הסגורה הוא בכך שניתן להכניס בתוכה מים מזוקקים אשר לא יגרמו להצטברות משקע על דופן הצינורות. חסרונה במחירה הגבוה יותר.

תרשים 1: תאור מערכת דוד-שמש. א) מים קרים יוצאים. מתחתית הדוד אל תחתית מערכת הצינורות שבקולטים. הקולטים מוטים כלפי כיוון השמש בשעות הצהרים ומחממים את המים באמצעות קליטת אנרגית שמש. המים החמים עולים אל ראש הדוד בשל צפיפותם הנמוכה. ב) קולט בנוי ממשטח כהה - שחור בדרך- כלל - שלתחתיתו צמודים צינורות דרכם עוברים המים המתחממים. מעל המשטח הכהה מונח לוח זכוכית שקוף לקרינה החודרת. אך אטום לקרינה תת-אדומה. כך "נלכדת" אנרגיה (בצורת חום) בקולטים ומביאה לעליית הטמפרטורה ולחמום המים.


נתאר, באורח איכותי, את עקרון הפעולה של מערכת הקולטים. אור השמש עובר דרך הזכוכית השקופה, פוגע במשטחים השחורים ונבלע. כתוצאה מכך מתחממים המשטחים ומחממים את הצינורות הצמודים להם. אילו הסתיים התהליך בכך ניתן היה לוותר על הזכוכיות שכן גם בלעדיהן קולט משטח כהה את אור השמש. אולם הן נחוצות לצורך שמירת החום הנוצר באמצעות מה שמכונה: תופעת החממה.

כל גוף בכל טמפרטורה מאבד אנרגיה על-ידי קרינה אלקטרומגנטית שהוא קורן. ככל שהטמפרטורה בו גבוהה יותר, הוא קורן כמות גדולה יותר של אנרגיה ותדר קרינה אלקטרומגנטית זו גבוה יותר. אטמוספירת השמש קורנת קרינה בתחום האור הנראה - הטמפרטורה בה מגיעה לכ- 6000° בטמפרטורה נמוכה יותר קורן בעיקר בתחום התת-אדום. קרינה זו בתדר נמוך בהרבה מתדר האור הנראה היא הגורמת להתקררות משטחים כהים שקלטו אור, כשם שהיא הגורמת להתקררות כל העצמים בלילה (שעה שאינם קולטים אור שמש אך ממשיכים לקרון). דרך הזכוכית השקופה חודר אור נראה ומחמם את הקולטים, אולם זכוכית זו אטומה לקרינה תת-אדומה. כך "נלכדת" האנרגיה בקולטים והטמפרטורה בהם עולה. תופעת חממה מסוג זה מתרחשת גם במכונית החונה במקום חשוף לקרינת השמש ביום קיץ, כאשר הטמפרטורה בתוכה עולה במידה ניכרת. היא מתרחשת בחממות לגידול צמחים, והיא גם מתרחשת כאשר בלילה מעונן העננים מונעים מעבר חלק מהקרינה התת-אדומה מנופים שעל-פני האדמה. לכן בלילות חורף בהירים הטמפרטורה נמוכה יותר וגורמת לעיתים לקרה.

תרשים 2: הזווית α שיוצר משטח הקולטים עם מישור מאוזן משפיעה על איכות קליטת האנרגיה. ככל שקרינת השמש מניעה בזווית קרובה יותר לאנך למישור הקולטים תשתפר הקליטה ותעלה הטמפרטורה. הזווית β=ι -23.5 בין הזנית ובין כיוון השמש בצוהרי היום הארוך ביותר - 21 ביוני - נקבעת ע"י קו ברוחב הגיאוגרפי ι (אצלנו °=ι): את הזווית γ=ι יוצרת קרינת השמש בצוהרי הימים 21 במרץ ו -21 בספטמבר בהם שווים אורכי היום והלילה. הזווית δ=α+23.5 נוצרת על-ידי קרינת השמש בצוהרי היום הקצר ביותר, 21 בדצמבר.


כדי שדוד-שמש יפעל באורח אופטימלי יש לדאוג לכמה פרטים. ברור שיש להפנות את הקולטים כלפי השמש, אולם מהו בדיוק הכיוון הרצוי? הקולטים יפנו כלפי מעלה אך אין להניחם מאוזנים. צידם האחד יורד כך שיפנו לדרום (לצפון בחצי-הכדור הדרומי), ויצרו זווית α ביחס למישור מאוזן (תרשים 2). לגי. א. פולינג (J.E.Poling) מקליפורניה הצעה מעניינת המתייחסת לזווית זו (Vol.15, 3/4 "Physics Society") מבדיקה שערך גילה שרוב מערכות דודי-השמש שהותקנו במקום מגוריו מתאימות לקליטה מרבית בחודשי הקיץ. ואולם בחודשים אלה נוצר, בדרך כלל, עודף של מים חמים אשר אינו מנוצל, בעוד שבחודשי החורף יש מחסור. לכן מציע פולינג להגדיל את הזווית 1 כך שהקליטה תהיה אופטימלית בחודשי הסתיו והאביב ופחות טובה בקיץ. בחורף עלול עדיין להיווצר מחסור במים חמים כתוצאה מחימום בלעדי של קרני השמש ויהיה צורך לחמם מים גם באמצעות גוף חימום חשמלי. אולם כמות המים החמים שיחוממו על-ידי הקולטים תגדל באורח משמעותי. השוואה בין טמפרטורת המים המתקבלת בהתקנת דוד-שמש מסחרי ובין זו של פולינג מובאת בתרשים 3.


תרשים 3: טמפרטורת המים שהתקבלה בהתקנה מסחרית של דוד שמש ובהתקנה של פוליגג בזווית α גבוהה יותר. שתי העקומות מציגות את תלות הטמפרטורה שבדוד בחודשי השנה. אפשר לראות שבאמצעות הגדלת הזווית α השיג פולינג טמפרטורות גבוהות יותר בסתיו, בחורף ובאביב, תוך הורדה מסוימת של הטמפרטורות המתקבלות בחודשי הקיץ. ניסוי פולינג נעשה בקו רוחב 35.5° בקליפורניה שבארה"ב והזווית α שבחר הייתה 42° בזווית זו יוצר הניצב למישור הקולטים זוויות בנות 6.5°, 30°, 6.5° ו -17° עם כיוון השמש בצוהרי ה- 21 במרץ, יוני, ספטמבר ודצמבר.



לפני שאתם רצים לבדוק את הזוויות של הקולטים בביתכם ולדרוש שיתאימו אותה לזווית האופטימלית נסו לחשב מה צריכה להיות זווית זו בארצנו (קו רוחב 32°).


פולינג בדק עוד מספר תכונות של דודי השמש והציע שיפורים שונים אשר יביאו לחסכון באנרגיה והעלאת הטמפרטורה. אחד מהם מוזר למדי. הוא מציע להקטין קצב השאיבה של המשאבה. משום שלא הזכרנו כלל משאבה בתיאור מערכת דוד-השמש, לא ברורה כוונתו. מסתבר שלמערכות דודי-שמש אמריקאיות מוצמדת משאבה המעבירה את המים מהצינורות שבקולטים לדוד. הדוד נמצא (כנראה), בתוך הבית, או על-כל-פנים נמוך מהקולטים, ולכן המים החמים אינם חוזרים אליו בזכות צפיפותם הנמוכה - יש לשאוב אותם מצינורות הקולטים. על אפשרות ניצול שינוי הצפיפות עדיין לא חשבו בארה"ב.

טבלה: תלות צפיפות המים בטמפרטורה. כמו צפיפות רוב החומרים, כך נם צפיפות המים יורדת בדרך כלל עם עלית הטמפרטורה. אולם המים יוצאי דופן בכך שבין 0° ל- 4° צפיפותם יורדת (זו הסיבה לכך שגושי קרח צפים).



מה כמת אנרגית השמש המנוצלת בארץ? באטמוספירת כדור-הארץ פוגע שטף קבוע של אנרגיה 35. 1 =K קילוואט על מטר רבוע. חלקו מפוזר ע"י האטמוספירה כך שאל כני האדמה מגיע רק כ- 1 קו"ט\מ2 בשעות השיא. ההספק הממוצע הפוגע במ"ר קטן הרבה יותר בשל השתנות השטף בשעות היממה ובשל השפעות עונות השנה ומזג האוויר. בממוצע בקו הרוחב שלנו - 32° - פוגע שטף 200 ואט\מ2 נסה להעריך באמצעות מספרים אלה (ונוספים שתצטרך למצוא או לשער) כמה אנרגיה מנוצלת באמצעות דודי-השמש בארץ. השתמש ביחידות קוט"ש (קילו-ואטXשעה) והשווה כמות זו לצריכת האנרגיה הממוצעת בארץ 15*109 קוט"ש בשנה.

ביבליוגרפיה:
כותר: דוד-שמש - שמיש גם בחורף
מחבר: פלטיאל, צבי
תאריך: פברואר 1988 , גליון ד 1
שם כתב העת: פי האטום : פיסיקה בשפה ידידותית
הוצאה לאור: מכון ויצמן למדע
הערות: 1. שמו הקודם של כתב העת: פי האטום : עלון פיסיקה לנוער.
הערות לפריט זה: 1. צבי פלטיאל הוא עורך ''פי האטום''
2. שמו הקודם של כתב העת: ''פי האטום:עלון פיסיקה לנוער''
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית