עמוד הבית > טכנולוגיה ומוצרים > אנרגיהעמוד הבית > מדעים > אקולוגיה ואיכות הסביבה > אנרגיות חלופיות
ירוק כחול לבן : ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה


תקציר
המרכז הלאומי לאנרגיית השמש בשדה בוקר, פועל לניצול מירבי של החלופה הסולארית הידידותית לסביבה. במעבדות נבדקים חומרים יעילים וזולים לייצור חשמל משמש, ובשטח הולכת ונבנית צלחת ענקית לריכוז חום החמה.
בעזרת גופים פוטו-וולטאיים מופק חשמל מאנרגיית השמש ומועבר לרשת החשמל הארצית.
חוקרי המרכז הלאומי לאנרגיית השמש עוקבים אחר האור העל-סגולי בטווח הנקרא UV-A, וגם בטווח הנקרא UV-B.



מכניסים את השמש למעבדה
מחבר: פרופ' דוד פיימן


המרכז הלאומי לאנרגיית השמש בשדה בוקר, פועל במרץ לניצול מירבי של החלופה הסולארית הידידותית לסביבה. במעבדות נבדקים חומרים יעילים וזולים לייצור חשמל משמש, ובשטח הולכת ונבנית צלחת ענקית לריכוז חום החמה.

המבקר המזדמן לאתר המחקר של המרכז הלאומי לאנרגיית השמש בשדה בוקר, יוכל לראות את שדרת הגופים הפוטו-וולטאיים, שבעזרתם מופק חשמל מאנרגיית השמש ומועבר לרשת החשמל הארצית. אך רוב החידושים המעניינים באמת, אינם גלויים לעין. זאת, מכיוון שהם מתרחשים במעבדה, או באחד משטחי המחקר של המרכז הלאומי לאנרגיית השמש, שמשתרע על 40 דונם, ואף במקומות אחרים בנגב.

דוגמא לפרוייקט כזה היא התחנה הפוטו-וולטאית הנמצאת בשלבי בנייה מתקדמים בקיבוץ סמר, כ-150 ק"מ דרומית לשדה בוקר. חברי הקיבוץ מעוניינים לייצר את כל תצרוכת החשמל העצמית מאנרגיית השמש, ולשמש דוגמא לישובים אחרים.

קיבוץ סמר מתכוון להישאר מחובר לרשת החשמל, אלא שמחוג שעון החשמל יהיה דו-כיווני. בשעות היום ימכור הקבוץ את יתרות החשמל הסולארי שלו לחברת החשמל, ובשעות הלילה יקנה את החשמל בחזרה. באופן זה הם יהיו פטורים משימוש במצברים היקרים לאחסנת החשמל ועדיין ייהנו מאור גם בשעות החשיכה.

הקיבוץ מתכנן מערכת שתייצר יותר מ-300 אלף קווט"ש חשמל לשנה. כמות חשמל כזו המופקת מאנרגיית השמש, תפחית בכמה מאות טונות לשנה את כמות דו תחמוצת הפחמן המשתחררת לאטמוספרה, כתוצאה מייצור חשמל משריפת תרכובות פחם.

הטכנולוגיה הפוטו-וולטאית, למרות היותה ידידותית לסביבה, עדיין יקרה מכדי להימצא בשימוש נרחב. למרות זאת, תהיה המערכת של הקיבוץ אחת היעילות והזולות ביותר בעולם. זאת, בזכות תנאי האקלים האופטימליים לטכנולוגיה זו השוררים באזור. כל המדידות ועבודת התכנון מתבצעת על-ידי המרכז הלאומי לאנרגיית השמש בשדה בוקר.

בתמונה: מראות מרכזות בשדה בוקר:
האבק גורם לאובדן אנרגיה יקרה

במרכז בשדה בוקר ניתן לראות מיגוון נרחב של לוחות פוטו-וולטאיים הנמצאים בבדיקה מדעית, אשר רובם מיוצרים מתאים סולאריים המבוססים על צורן (סיליקון). לוחות אלה חייבים להיבדק בתנאי מידבר קיצוניים לאורך עשרות שנים, כדי שניתן יהיה ללמוד על תהליכי הבלייה השונים המתרחשים בהם. מסתבר כי האקלים באזור, ובמיוחד איכות האור המגיע משמיים ללא עננים, הפכו את המעבדה בשדה בוקר למיתקן ניסויים ובדיקות ייחודי בעולם ללוחות אלה. לא פחות משמעותית היא רמת הדיוק במדידות, המקנה למכון הכרה נרחבת ברחבי העולם. מבדיקות שנעשו במכון התברר, כי רוב הלוחות המסחריים הקיימים בשוק, אינם מייצרים חשמל בהספק המוצהר על ידי היצרנים. יתירה מזאת, מסתבר כי במשך הזמן חלק ניכר מן הלוחות נחשפים לתהליכי בלייה ונצילותם יורדת. כל התוצאות הללו חייבות להילקח בחשבון, כאשר מתכננים תחנת כוח סולארית כמו זו שמתוכננת בקיבוץ סמר. כאן המקום לציין כי כיום אין תקן בארץ להגנה על הציבור משימוש במוצרים פוטו-וולטאיים לקויים ומאביזרים חשמליים המבוססים עליהם. יש לקוות שמכון התקנים הישראלי יאמץ תקן כזה בהקדם.

למרות השימוש הנרחב בצורן ליצור תאים פוטו-וולטאיים, קיים מאמץ בעולם למצוא חומרים חלופיים. מאמץ זה נובע מהצורך להגדיל את יעילות התאים ולהוזיל את מחירם. שני חומרים הנחקרים במיוחד למטרה זו במספר ארצות הם: קדמיום טליוריד, וקופרום אינדיום דיסלניד. כמו כן נבדקת האפשרות של בניית הגופים משכבות דקות ולא מגבישי סיליקון, על-מנת להוזיל את תהליך הייצור.

אחד החומרים המפתיעים והמבטיחים ביותר לייצור תאי שמש הנחקר במעבדה בשדה בוקר, נקרא באקמינסטרפולרין (על שמו של באקמינסטר פולר, מהנדס ואדריכל אמריקני נודע, אבי שיטת המיבנים הגאודסיים). זוהי צורת אירגון של אטומי פחמן העשויה לא מאטומים בודדים (כמו בגרפיט או יהלום) אלא ממולקולות כדוריות, העשויות מ60- אטומים של פחמן. לבאקמינסטרפולרין יש תכונות אופטיות המתאימות לשימוש בתאי שמש ולהם פוטנציאל לנצילות גבוהה. יתר על כן, ניתן לייצר ולטהר את החומר הזה מבלי להשתמש בחומרים רעילים כלל. במחקרים שלנו השגנו אב-טיפוס ראשון של תא שמש מפחם כבר ב1995-, ומאז התקדמנו לקראת המטרה של ייצור תאים בעלי רמת נצילות גבוהה מזו, שניתן להשיג בגופים שיוצרו עד כה.

חוקרי המרכז הלאומי לאנרגיית השמש עוקבים אחר האור העל-סגולי בטווח הנקרא UV-A, וגם בטווח הנקרא UV-B. קרינת UV-A לא נחשבת מסוכנת במיוחד. לעומתה, קרינת UV-B הורסת את הריקמה החיה של בעלי-החיים והצמחייה. למזלנו, רוב קרינת UV-B המגיעה לכדור הארץ מהשמש אינה מגיעה לפני הקרקע ונספגת בשיכבת האוזון באטמוספרה. אך בשנים האחרונות נגרם נזק לשיכבת האוזון בגלל שימוש מואץ בכימיקלים וזיהום האוויר, ובמקומות שונים בעולם התעורר צורך לנטר את עוצמת הקרינה מסוג UV-B. במהלך עבודה זו פיתחנו שיטות חדשות, המאפשרות לנו לכייל את המכשירים המצויים אצלנו, וגם את אלה שנמצאים בשימוש גורמים אחרים כמו השירות המטאורולוגי, המשמשים למעקב אחר הקרינה העל-סגולה באזורים שונים בארץ. מהשירות המטאורולוגי אנו מקבלים מזה מספר שנים, נתונים על קרינת שמש ופרמטרים מטאורולוגיים אחרים שהשירות מודד במספר מקומות בנגב. את הנתונים הללו אנו מעבדים כחלק מסקר ממשלתי על הקרינה בנגב, אשר מטרתו לבחון את המיקום האופטימלי ביותר להקמת תחנות כוח סולאריות בעתיד. ואכן, היה זה המידע מתחנת השירות ביוטבתה, אשר איפשר לחזות בביטחון את הביצועים האופטימליים של המערכת הפוטו-וולטאית בקיבוץ סמר הסמוך.

בתמונה: הצלחת הגדולה (400 מ"ר)
בהרכבה: טמפרטורה של אלפי מעלות

אחד משטחי העבודה באתר המסקרן את המבקרים, הוא אזור המראות. מראות אלו ממרכזות את אור השמש לצינור מרכזי מלא בנוזל. מהנוזל החם ניתן להפיק קיטור ולהפעיל טורבינת חשמל. יש לשמור על ניקיון המראות, על-מנת להגיע לניצול מירבי של קרני השמש. ניקוי רגיל גורם לביזבוז של כמויות מים עצומות, דבר בעייתי במדבריות בכלל ובארץ בפרט. במרכז בשדה בוקר פותחה שיטה יבשה לניקויי הקולטים. השיטה דורשת שימוש בכמויות זניחות של חשמל ובעזרתה נשארים השטחים הענקיים של המראות נקיים יותר מאשר ניתן להשיג בעזרת מים. באופן עקרוני, נתן ליישם פטנט זה למטרות דומות של ניקוי יבש, גם של משטחים שאינם קשורים לקליטת אנרגיית השמש.

פרוייקט נוסף וחשוב במכון שבשדה בוקר מתקדם לקראת מימושו. זהו מיתקן דמוי צלחת ענקית שעשוי להפוך את שדה בוקר למעבדה ייחודית בעולם. אחד הכיוונים במחקר סולארי הוא השגת טמפרטורה גבוהה.

כידוע לכל, חפץ הנחשף לשמש מתחמם, אך טמפרטורת החפץ תלויה במאזן האנרגיה: כל עוד החפץ מקבל יותר אנרגיה מהכמות אותה הוא פולט, הטמפרטורה שלו תמשיך לעלות עד שתגיע למצב בו החפץ מאבד אנרגיה לסביבה, באותו הקצב בו הוא מקבל אנרגיה מהשמש. במצב זה הטמפרטורה לא תוסיף לעלות. אך ניתן להפיק בכל זאת טמפרטורות גבוהות מאוד, על-ידי ריכוז קרני שמש משטח קליטה גדול לקולט קטן. דוגמא לכך היא מערכת המראות הגדולות בצורת שוקת פרבולית, המרכזות את קרני השמש לצינור צר. אך הדרך הטובה ביותר לרכז אנרגיית שמש, היא על-ידי שימוש במראה דמויית צלחת פרבולית המרכזת את הקרניים לנקודה ממוקדת. מכיוון שהצלחת יכולה לעקוב אחר השמש, הקולט ישאר תמיד במוקד.

הצלחת הגדולה (קוטרה 25 מטר) שנבנית בשדה בוקר, תוכל לרכז את חום השמש משטח קליטה של 400 מטר רבועים בעוצמה של פי 10,000. בדרך זו ניתן להגיע לטמפרטורות של אלפי מעלות צלזיוס. למען האמת, הצלחת בשדה בוקר תהיה בגודל זהה לצלחת שכבר נבנתה באוסטרליה. אך הצלחת שלנו עוצבה על-ידי האוסטרלים ועל סמך ניסיונם, כך שניתן יהיה להגיע לאופטיקה הרבה יותר טובה מזו של האבטיפוס האוסטרלי, אשר נועד בעיקר להפקת קיטור.

הצלחת בשדה בוקר תוכל לשרת בשעות הלילה את החוקרים בתחום האסטרופיסיקה. במשך היום היא תעמוד לרשות מדענים ממוסדות מחקר שונים בארץ, לצורך מיגוון נרחב של ניסויים באנרגיית השמש, כמו כימיה של טמפרטורות גבוהות והשפעתו של אור ממורכז על תאים פוטו-וולטאיים. כמו כן, גודלה העצום של הצלחת, בשילוב עם ציוד אלקטרוני מתאים, יאפשר לנצל אותה למחקרים אטמוספריים שונים כמו מעקב אחר זיהום האוויר ועוד.

בנוסף למחקרים הפוריים המתבצעים כיום, בואה של הצלחת לשדה בוקר בהחלט יצדיק את השם "המרכז הלאומי לאנרגיית השמש". היא אף תגשים את חזונו של דוד בן גוריון, אשר על שמו נקרא המרכז, להפוך את שדה בוקר למרכז מדעי אשר יפצח את סודות האנרגיה של השמש.

* המחבר מנהל את המרכז הלאומי לאנרגיית השמש, במכון לחקר המדבר על שם יעקב בלאושטיין אוניברסיטת בן-גוריון.



אל האסופה ישראל - האדם והמרחב : נושאים נבחרים בגיאוגרפיה3

ביבליוגרפיה:
כותר: מכניסים את השמש למעבדה
מחבר: פיימן, דוד (פרופ')
תאריך: יוני-יולי 1997 , גליון 14
שם כתב העת: ירוק כחול לבן : ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה
הוצאה לאור: ביטאון פורום המשק והכלכלה למען איכות הסביבה בישראל
הערות לפריט זה: * המחבר מנהל את המרכז הלאומי לאנרגיית השמש, במכון לחקר המדבר על שם יעקב בלאושטיין אוניברסיטת בן-גוריון
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית