גודל (השטח) כן קובע

בניסוי זה נבדוק איך השטח משפיע על (ניצול) אנרגיית שמש – בעזרת ניסוי ביתי בזכוכיות מגדלת, וגם בעזרת תאים סולריים. ואיפה יש בישראל הקטנה מקום פנוי לניצול אנרגיית שמש? 

הניסוי מחייב השגחת מבוגר!

ציוד

•   זכוכיות מגדלת בגדלים שונים
•   פיסת עץ
•   פיסת נייר (עדיף נייר עיתון עם הדפסה כהה)
•   לשדרוג: מספר חפיצים (גאדג’טים) הפועלים על תאים סולריים

מהלך הניסוי

את מהלך הניסוי ניתן לראות בסרטון הבא:

טיפ להצלחת הניסוי עם זכוכית המגדלת: הקפידו להפנות אותה כך שתהייה ממש ממול השמש, ושחקו עם המרחק שבין זכוכית המגדלת למשטח עד שנקודת האור שמתקבלת עליו היא הקטנה ביותר.

עדשה מרכזת

בשלב הראשון של הניסוי השווינו בין שלוש זכוכיות מגדלת בגדלים שונים, ובחנו את יכולתן לצרוב עץ ונייר. כפי שנאמר בסרטון, השם המדעי של “זכוכית מגדלת” הוא עדשה מרכזת. אז מה זה בדיוק עדשה, ומה עושה עדשה מרכזת לקרני האור? אם אין שום הפרעות בדרך, קרני האור נעות בקו ישר – וזה כולל את הקרניים שמגיעות מהשמש אל כדור הארץ. אולם יש עצמים שקופים שמסוגלים להסיט את הכיוון של קרני האור העוברות דרכם. עדשה היא דוגמה לעצם כזה: כאשר אור עובר דרך עדשה הוא ימשיך לנוע בקו ישר, אבל ברוב המקרים הכיוון שלו ישתנה. עדשה מרכזת היא סוג אחד של עדשה, וכמו שאפשר להבין משמה, היא מרכזת את קרני האור שעוברות דרכה. אופן השבירה, כלומר שינוי הכיוון, של קרני האור תלוי בכיוון שממנו הן מגיעות. כאשר הקרניים מקבילות זו לזו, כמו אלו שמגיעות מהשמש, והעדשה ניצבת במאונך להן, הקרניים מתרכזות לנקודה אחת שנקראת מוקד העדשה. 

אם נציב חפץ בדיוק בנקודת מוקד העדשה, שאליו מתרכזות כל קרני האור, הוא יתחמם. 

החימום נובע מהמרת אנרגיה: אנרגיה של אור מומרת לחום. ככל שחפץ יותר כהה כך הוא ימיר את האור לחום יותר טוב, כי צבע כהה בולע חלק גדול יותר מקרני האור ומחזיר פחות מהן. תוכלו לעשות ניסוי המשך ולהשוות כמה זמן לוקח לצרוב נייר או עץ בהירים לעומת כהים.

גורם נוסף שמשפיע על מידת החימום הוא כמות הקרינה או האור שמומר לחום. כפי שהודגם בניסוי, ככל שהשטח המומר גדול יותר כך עוצמת החימום רבה יותר והחפצים מעלים עשן מהר יותר, ואפילו מתלקחים. שימו לב שהיות וזכוכית המגדלת מרכזת את קרני האור שפוגעות בה לנקודת המוקד, הקרניים לא מגיעות לשאר השטח שמתחת לזכוכית, ועליו היא מטילה צל (=חוסר אור) בדומה לחפץ אטום.

תאים סולריים

בשלב השני של הניסוי הדגמנו את סוג המכשירים שתאים סולריים (פוטו וולטאים) בגדלים שונים יכולים להפעיל. כמו בניסוי הראשון, גם תאים סולריים ממירים את אנרגיית השמש, אבל הם לא מרכזים אותה ולא הופכים אותה לחום – אלא לחשמל. כאשר אור השמש פוגע בחומרים שנמצאים בתאים הסולריים, הקרניים מסירות מהם חלקיקים בשם אלקטרונים, שנושאים מטען חשמלי שלילי. האלקטרונים מתרכזים בקצה אחד של התא בזכות רכיב אלקטרוני בשם דיודה, שמאפשר מעבר שלהם רק בכיוון אחד. התא מתחיל ממצב נייטרלי, שבו כמות המטענים החיוביים והשליליים זהה, אך כעת נוצר בו קיטוב: האיזור שאותו עזבו האלקטרונים הוא בעל מטען חיובי (+), והקצה שאליו מתרכזים האלקטרונים הינו בעל מטען שלילי (-), כמו בסוללה. אם נחבר את שתי הקצוות בחוט מתכתי מוליך חשמל – נקבל זרם חשמלי.

כפי שראינו בניסוי, ככל ששטח התא היה גדול יותר – כך המכשיר החשמלי שיכולנו להפעיל איתו היה גדול יותר, ממנוע של מסוק צעצוע ועד שני מאווררי שולחן. האם יש גבול להפקת האנרגיה מהשמש?

הקבוע הסולרי

הקבוע הסולרי הידוע גם בשם “קבוע השמש” מהווה חסם עליון להפקת אנרגיה מהשמש ליחידת שטח בכדור הארץ. הוא מציין כמה אנרגיה מקרינה השמש ליחידת שטח בכדור הארץ – וערכו הוא 1,367 וואט למטר רבוע. הקבוע הסולרי נותן לנו את כמות האנרגיה שנפיק אם נוכל לנצל 100 אחוז מקרינת השמש – מצב שכפי שיוסבר מיד אינו אפשרי, ורחוק מאוד מהמציאות בימינו. זוהי אנרגיה חינמית לחלוטין, מתחדשת לחלוטין (כל בוקר מחדש 😊 ) שרק צריך לנצלה, וכפי שראינו בסרטון, היא תלויה באופן ישר בגודל השטח שמנצל אותה.

אבל 1,367 וואט למטר רבוע הוא רק החסם העליון של האנרגיה: בפועל האנרגיה החשמלית שניתן להפיק מכל מטר רבוע נמוכה הרבה יותר. יש גורמים רבים שמשפיעים על כמות האנרגיה שאנחנו יכולים להפיק מהשמש, ביניהם:

–        קו הרוחב שבו אנחנו נמצאים: ככל שאנחנו רחוקים יותר מאיזור קו המשווה, כך נקבל פחות אנרגיה;

–        עונת השנה: בחורף האנרגיה נמוכה יותר;

–        עננות, זיהום וכל דבר אחר שנמצא בינינו ובין השמש, וכך חוסם את קרני האור ומפחית את האנרגיה;

אך הגורם בעל ההשפעה הגדולה ביותר, בוודאי בישראל שהיא קרובה יחסית לקו המשווה, שטופת שמש ועם ראות טובה, הוא יעילות ההמרה של התאים הסולריים. בכל המרה של אנרגיה מצורה אחת לאחרת, חלק מהאנרגיה “מתבזבז” כחום, כך שלעולם לא ניתן לנצל 100 אחוז מהאנרגיה. בתאים סולריים הנמכרים היום בשוק הביתי, הנצילות היא בסביבות ה-20 אחוז – כלומר חמישית מאנרגית השמש מומרת לאנרגיה חשמלית.

בשיקלול כל הגורמים הללו, בישראל אפשר להפיק מתא ביתי בסביבות ה-200 וואט למטר רבוע. הסתכלו על מכשירים חשמליים שונים: לכל אחד מהם מצויינת צריכת האנרגיה החשמלית לשנייה, או ההספק החשמלי ביחידות של וואט (W). ההספק של נורת חשמל חסכונית, לדוגמא, הוא 10-15 וואט, ההספק של בלנדר מוט הוא כ-300 וואט, וזה של קומקום חשמלי –  כ-1,500 וואט. באופן כזה אפשר לחשב מה השטח הכולל הדרוש לתאים סולריים כדי לספק מספיק אנרגיה חשמלית כדי להפעיל את מכשירי החשמל בבית ממוצע. אגב, צריכת החשמל הממוצעת למשק בית בישראל היא בסביבות 900 וואט בלבד אולם זה נתון ממוצע שכולל גם זמנים ארוכים בהם לא מופעלים כמעט מכשירי חשמל בבית וצריכת האנרגיה בהם אפסית. ולכן, אם אנחנו רוצים להפעיל תנור אפייה בהספק של 2,000 וואט, למשל, נצטרך תאים סולריים בשטח של עשרה מטר רבוע. 

איפה אפשר?

אם כך, הפקת אנרגיה חשמלית מאנרגיית השמש דורשת לא מעט שטח. ישראל היא מדינה קטנה יחסית, עם מעט שטחי טבע פתוחים שחשוב לשמור עליהם. האם יש אצלנו בכלל מקום לניצול אנרגיית שמש, באופן שלא יפגע בטבע? 

התשובה היא כן – על הגגות! לכל בית, לכל בניין, לכל מבנה תעשייה, לכל מחסן לכל האנגר – יש גג. זהו שטח פנוי שניצולו לא מפריע לחיות או לצמחים, ויותר מכך – הכיסוי בתאים סולריים מספק הצללה על הגג, יתרון בישראל החמה. בהתאם לכך הציב משרד האנרגיה והתשתיות יעד שאפתני למאה אלף גגות סולריים בישראל עד שנת 2030, עם סדרת צעדים שנועדו לעודד בעלי בתים פרטים ודיירים בבניינים משותפים להקים מערכות סולריות על גגות המבנים. כל זאת במסגרת יעד אנרגטי-סביבתי רחב יותר, של הפקת 30 אחוז מהאנרגיה בישראל ממקורות מתחדשים עד שנה זו. 

הסרטון והכתבה במסגרת שיתוף פעולה בין מכון דוידסון לבין משרד האנרגיה והתשתיות