בשנים האחרונות נרשמת עלייה משמעותית בהתקנת מערכות סולאריות בישראל וברחבי העולם, והמרוץ לייעול הפקת יותר חשמל מכל קרן שמש מעלה הילוך. באופן מפתיע, אחד האתגרים הגדולים ביותר של הפאנלים הסולאריים הוא דווקא החום שנוצר מקרינת השמש: ככל שעוצמת הקרינה עולה, כך הפאנלים מתחממים ויעילותם יורדת. במילים אחרות, התנאים שמאפשרים ייצור חשמל מוגבר הם גם אלה שפוגעים בביצועי המערכת. לכן פיתוח שיטות קירור חדשניות הוא אחד מתחומי המחקר המסקרנים והמבטיחים ביותר בדרך להגדיל את תפוקת החשמל של מערכות סולאריות ולהפוך את האנרגיה המתחדשת ליעילה ולמשתלמת יותר.
חם יותר, יעיל פחות
מחקר סקירה מצא כי כשהטמפרטורה היא מעל 25 מעלות צלזיוס, כל עלייה של מעלה אחת עלולה להפחית את תפוקת הפאנלים בכחצי אחוז, בהתאם לסוג התא הסולארי. המחקר מדגיש כי הטמפרטורה הגבוהה פוגעת בעיקר במתח החשמלי שמייצרים התאים הסולאריים. ככל שטמפרטורת התאים עולה, המתח החשמלי שהם מסוגלים לייצר יורד – וההספק החשמלי של הפאנל יורד. לכן, אף שעוצמת השמש בימי הקיץ גבוהה במיוחד, התחממות הפאנלים עצמם מקזזת חלק מהתועלת ומפחיתה את תפוקת החשמל.
גם אם הירידה ביעילות נראית שולית במבט ראשון, בפועל יש לה השפעה מצטברת משמעותית. כשמדובר בחוות סולאריות שמשתרעות על פני אלפי מטרים רבועים ופועלות במשך עשרות שנים, תוספת של אחוזים בודדים לתפוקת החשמל יכולה להגדיל באופן ניכר את כמות האנרגיה שמיוצרת מאותה התשתית, ולהוזיל את העלות הממוצעת של ייצור החשמל. משום כך, צוותי מחקר והנדסה ברחבי העולם מחפשים דרכים לצמצם את התחממות הפאנלים ולשפר את ביצועיהם.
פאנלים סולאריים על גג
(צילום: Shutterstock)
"התחממות הפאנלים היא אתגר משמעותי, במיוחד במדינה חמה כמו ישראל", אומרת מירב פינס סמר, יועצת אנרגיה, מומחית לאנרגיה סולארית ומרצה להנדסת אנרגיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב. "בפאנלים שמותקנים על גגות אין אפשרות מעשית לקירור אקטיבי, ולכן כבר בשלב התכנון מקפידים ליצור מרווח המאפשר זרימת אוויר מתחת לפאנלים, וכך לפזר חלק מהחום. זה לא מבטל את הבעיה, אבל מסייע לצמצם את הפגיעה ביעילות", היא מסבירה.
הפתרון: מים
על רקע האתגר הזה, פרויקט של סטודנטים לתואר שני בקורס "מקורות אנרגיה חלופיים" במחלקה להנדסת אנרגיה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, בהובלתם האקדמית של פרופ' ד"ר ויטלי גיטיס ופינס סמר, בחן פתרון יוצא דופן: למקם את הפאנלים הסולאריים במים רדודים כדי לקרר אותם באופן קבוע. הרעיון מבוסס על התכונות התרמיות של המים: בזכות קיבול החום הסגולי הגבוה של מים, הם מסוגלים לספוג כמויות גדולות של חום ולסייע בשמירה על טמפרטורת עבודה נמוכה יותר של התאים הסולאריים.
המחקר שעליו התבסס הפרויקט מצא כי טבילת הפאנלים במים רדודים, בעומק של כ-4–5 ס"מ, עשויה להגדיל את תפוקת החשמל בכ-15 אחוז בזכות קירור יעיל יותר של התאים הסולאריים והפחתת ההחזר האופטי. "זה עדיין בשלבי מחקר ולא משהו שקיים בפועל, כי יש גם שאלות של היתכנות כלכלית וכמה מים יידרשו. אבל בגדול, קירור אקטיבי כזה יכול לשפר מאוד את יעילות התא", מציינת פינס סמר.
אנרגיה ירוקה
(צילום: shutterstock)
ההשראה לפרויקט הגיעה מביקור שערכו הסטודנטים במהלך הקורס בחברת הסטארט-אפ קאראר (Carrar) מהנגב המערבי, שפיתחה טכנולוגיה לקירור סוללות של כלי רכב חשמליים באמצעות טבילה בנוזל. החברה פיתחה מערכת שבה הסוללות טובלות בנוזל קירור שמאפשר לפזר חום ביעילות ולשמור על ביצועים גבוהים גם בעומסים. "הביקור בקאראר גרם לסטודנטים לחשוב האם אפשר ליישם עיקרון דומה גם בעולם הפוטו-וולטאי. הם לקחו רעיון שכבר הוכיח את עצמו בתחום אחר, ובחנו אם ניתן להתאים אותו לפאנלים סולאריים", מספרת פינס סמר.
הסטודנטים רון בלילה ואור אבקסיס, שהובילו את הפרויקט, סבורים כי הטבעת הפאנלים במים היא רק אחת ממגוון טכנולוגיות הקירור הנבחנות כיום. להערכתם, העתיד צפוי להתבסס על שילוב של כמה טכנולוגיות משלימות – ובהן ציפויים אופטיים מתקדמים ומערכות לניהול תרמי בזמן אמת שמבוססות על בינה מלאכותית. אלה יאפשרו לשפר את ביצועי הפאנלים ולהתאים אותם טוב יותר לתנאי אקלים משתנים. הרעיון ממחיש איך פתרונות מתחומים שונים יכולים להוביל לרעיונות חדשים. "בישראל יש גם את הצורך וגם את היכולות הטכנולוגיות", מסכמת פינס סמר.
הכתבה הוכנה על ידי זווית – סוכנות הידיעות של האגודה הישראלית לאקולוגיה ולמדעי הסביבה
