תחנת כוח פוטו-וולטאית

תחנת כוח פוטו-וולטאית, הידועה גם בשם חווה סולארית, היא בעצם מערכת פוטו-וולטאית בקנה מידה גדול, המאפשרת המרה של אנרגיה המסופקת על ידי השמש לאנרגיה חשמלית, שמועמסת אל רשת החשמל. החווה הסולארית דומה מאוד לפאנלים הסולאריים המוכרים ממחשבונים, ונבדלת מהם בעיקר בקנה המידה שלה ומטרתה לספק חשמל למספר גדול של משקי בית או מפעלים על ידי רשת החשמל הארצית.
החווה הסולארית שייכת לסוג תחנות הכוח המשתמשות באנרגיות מתחדשות. דוגמה נוספת לתחנת כוח המשתמשת באנרגיות מתחדשות היא תחנת כוח הידרו-אלקטרית, המשתמשת באנרגיה הפוטנציאלית של מים זורמים כדי להפיק חשמל (תחנות כוח כאלה אינן קיימות בישראל). זאת בניגוד לתחנות הכוח המסורתיות המשתמשות באנרגיית חום הנפלטת משריפת חומרים שונים (נפט, פחם ועוד) כדי להפיק חשמל.

היסטוריה

בשנת 1982 נבנתה החווה הסולארית הראשונה בלוגו שבקליפורניה, על ידי חברת "ארקו סולאר" (Arco Solar). חווה זו סיפקה 1MWp. שנתיים אחריה, ב-1984, הקימה חברת Topaz את החווה הסולארית ב Carizzo plains שבקליפורניה, שסיפקה 5.2MWp. חוות אלה היו החלוצות אך הוצאו מכלל שימוש עקב חוסר יעילות – התחנות לא סיפקו את האנרגיה שהתחייבו לספק, ולא תוכננו להיות עמידות לאורך זמן כך שהתפוקה שלהן הלכה וירדה. ההתעוררות הבאה להקמת חוות סולאריות הגיעה רק בשנת 2004, כאשר בגרמניה הוקמו שורה של חוות סולאריות במהלך שנקרא "Feed-in traiff" - מהלך כלכלי של מתן הטבות שונות והבטחת ערך ליצרני חשמל באמצעות אנרגיות מתחדשות. מאז, בגרמניה הוקמו יותר מ50 חוות סולאריות שמספקות יותר מ10MWp. השיטה הזו נוסתה גם בספרד, ב-2008, ובעקבותיה הפכה ספרד למובילה בייצור חשמל על ידי אנרגיות מתחדשות עם מעל 60 חוות סולאריות שמספקות יותר מ10MWp. בהמשך הוקמו פרויקטים כאלה בארצות הברית, סין, הודו, צרפת, קנדה, איטליה ואחרים. החוות הגדולות ביותר מספקות מאות MWp, ומתוכננים פרויקטים בהיקף של אלפי מגה-וואטים.

בישראל

החווה הסולארית הראשונה בישראל נבנתה ליד קיבוץ קטורה בנגב בשנת 2011, על ידי חברת ערבה פאוור קומפני (Arava Power Company), ונקראת "קטורה סאן". השדה מורכב מכ-18,500 פאנלים פוטו-וולטאים על פני 80 דונם. תפוקת החווה היא 4.95 MWp.  ההספק הממוצע השנתי הוא כ-1 מגה-וואט.
הפרויקט הגדול ביותר בישראל בתחום האנרגיה הסולארית הוא מתחם אשלים שבנגב, שכולל 4 תחנות כוח בהספק כולל של 250MWp. שלוש מהתחנות נבנו כבר, ומתוכן אחת היא חווה סולארית (פועלת בשיטה פוטו-וולטאית) - תחנת "אשלים סאן פי וי" שנחנכה בינואר 2018. התחנה הרביעית שצפויה להיבנות פועלת גם היא בטכנולוגיה זו. עוד צפויות להיבנות חוות נוספות בקיבוץ שדה בוקר בנגב.
מלבד זאת קיימות חברות ישראליות לייצור חשמל באנרגיות מתחדשות, הפועלות בחו"ל. אחת מחברות אלה - חברת "לוז", אחראית להקמת כמה תחנות תרמו-סולאריות בקליפורניה שבארצות הברית. תחנות אלו נבנו בין 1984 ל-1991, בהספק כולל של כ-350 מגה-וואט.

יחידות מידה לתפוקת חשמל

בשיטה הסולארית, תפוקת החשמל נמדדת ב"יחידות" מעט שונות: MWp - מגה-וואט בשיא (Megah-Watt peak). יחידת המידה מתארת את ההספק החשמלי (הנמדד ביחידות של וואט, קילו-וואט, מגה-וואט וכן הלאה) המיוצר על ידי החווה הסולארית בתנאים אופטימליים - אוויר נקי, ללא עננים, הארה מקסימלית של השמש, קליטה מקסימלית של הקולט וכולי. ההספק הממוצע בפועל נמוך יותר מההספק הנמדד בMWp, ושקול לפחות או יותר שליש מערך השיא.

יתרונות וחסרונות השיטה הסולארית אל מול השיטות המסורתיות להפקת חשמל

השיטה הסולארית נמדדת אל מול השיטות המוכרות – שכוללות שריפת חומרים מתכלים ושימוש באנרגיית החום המתקבלת, כדי לחמם מים וליצור קיטור, שבתורו מניע טורבינות המכילות סליל נחושת ומגנט רב עוצמה – וכך יוצרות זרימה חשמלית.

אגירת אנרגיה

כאמור, אחד החסרונות הבולטים של ייצור חשמל בשיטה הסולארית הוא חוסר תפקוד בשעות הלילה. זהו חסרון עוד יותר משמעותי עבור תחנת כוח, כיוון ששעות הלילה הן השעות בהן צריכת החשמל בשיאה – תאורה ברחובות ובבתים, חימום מים וכו'. הפתרון הסולארי לבעיה זו הוא – ייצור כמות גבוהה של אנרגיה ביום, ואגירתה לצורך שימוש עתידי בלילה. אמנם, הפתרון הטריוויאלי של אגירת האנרגיה במצברים - אינו ישים לכמויות אנרגיה גבוהות במיוחד, לכן אי אפשר להשתמש בו בתחנות כוח, אלא דרושים פתרונות לאגירת אנרגיה רבה מאוד, למשך מספר שעות.
קיימות מספר שיטות:
דרך אחת לאגור אנרגיה היא בנוזל עם קיבול חום גבוה (משמר חום) – בדרך כלל שמן סינתטי מסוג מסוים: להזרים את הנוזל החם (בשעות הצהריים) סביב חומר שגם הוא בעל קיבול חום גבוה (למשל: גרפיט או בטון). עם פחיתת הקרינה, הנוזל יחל להתקרר, והגוף שקיבל את החום יפלוט אותו לאיטו ויאט את ירידת הטמפרטורה של נוזל שינוע החום. כך הנוזל יישאר חם גם לאחר כמה שעות אל תוך הלילה.
דרך אחרת שמשתמשת בעקרון נוזל משמר חום היא, להזרים את הנוזל בקרבת חומר העובר התכה בעקבות החום. למשל - תערובת של מלחים. נוזל שינוע החום החם (בשעות הצהריים) מוזרם סביב מכלי מלח גדולים. התכת המלחים צורכת חום המגיע מהנוזל החם. בערב, כשהנוזל מתקרר, המלחים מתמצקים, פולטים את החום הכמוס, ומאטים את התקררות הנוזל.
בנוסף קיימות דרכים לאגירת אנרגיה באמצעות שאיבת מים. משתמשים באנרגיה המיוצרת מתחנת הכוח כדי לשאוב מים ממאגר תחתון למאגר עליון. בשעות הלילה, ניתן להשתמש באנרגיה הפוטנציאלית של המים כדי להניע טורבינה ולייצר חשמל בשיטה המסורתית (בעצם – ליצור מפל מים שייצר חשמל בטכנולוגיה הידרו-אלקטרית). שיטה זו אמנם מסורבלת אך יתרונה הוא באגירת האנרגיה למשך זמן בלתי-מוגבל.

תהליך ייצור החשמל בשיטה פוטו-וולטאית

הטכנולוגיה עליה מבוסס ייצור החשמל בחווה הסולארית, היא טכנולוגיה של פאנלים סולאריים, המבוססים על האפקט הפוטו-אלקטרי. אלו פאנלים דומים מאוד ל"קולטי השמש" הניצבים על גגות רבים בישראל, שאחראיים לחימום דוד מים. הפאנל הסולארי בנוי מחומרים מוליכים למחצה, בדרך כלל סיליקון שעבר עיבוד מסוים. מחומרים אלה ניתן לייצר מבנה אלקטרוני שנקרא צומת PN, שמתאפיין ביכולתו ליצור זרם חשמלי על ידי תכונות כימיות של החומר. כאשר מעוררים את החומר, על ידי הפעלת מתח חשמלי על הצומת, או חימום, או הארה - האנרגיה מפרידה בין יונים בחומר לבין אלקטרונים חופשיים שנעים במוליך למחצה ויוצרים זרם חשמלי. במילים יותר פשוטות - האור נקלט בפאנל הסולארי, מקנה אנרגיה לחלקיקים המעובדים בחומר המוליך למחצה, והאנרגיה הזו מומרת לזרם חשמלי שזורם במוליך.
נצילות האנרגיה בשיטה זו אינה מיטבית - כ-15% מאנרגיית ההארה שנקלטת בפאנל הסולארי מומרת לזרם חשמלי הלכה למעשה. אך עדיין - מאחר שאנרגיית אור השמש גבוהה מאוד, גם נצילות כזו מספקת הרבה חשמל.
אחת מהדרכים לייעל את הספק התחנה, מלבד הצבת כמות גדולה יותר של פאנלים סולאריים, היא יצירת מנגנון שמכוון את הפאנלים לאורך היום כך שתמיד יהיו בזווית מיטבית לקליטה מקסימלית של הארת השמש. החסרון במנגנון כזה הוא תוספת משמעותית לעלות ההקמה והתפעול השוטף של החווה הסולארית. חלק ממקימי החוות מעדיפים למקם את החווה באזור חשוף לשמש (בישראל המועמד האידיאלי הוא הנגב), כך שבכל זווית תתקבל הארה משמעותית וכמעט מיטבית, וכך נחסכת עלות המעקב השוטף של הפאנלים.

"חוות סולאריות" פרטיות

מעבר לתחנות הכוח בהן עוסק הערך, קיימת בישראל אפשרות לכל צרכן פרטי להפוך ליצרן חשמל קטן, באמצעות פאנלים סולאריים המותקנים על גג הבית, אסם, או בשטח פרטי אחר. חברת החשמל בישראל מעודדת שימוש באנרגיות מתחדשות על ידי מכרזים ליצרנים פרטיים, ופטור מתשלום עבור רכיב הייצור ליצרנים פרטיים המשתמשים באנרגיות מתחדשות. החשמל המסופק מהיצרן הפרטי משמש קודם כל לאותו משק בית - וכך הוא נהנה מאספקת חשמל חינם, ובמקרה שמיוצרים עודפים - החשמל מתחבר לרשת הארצית ומתורגם להחזר מחברת החשמל עבור היצרן הפרטי, במחיר של פי 4 בערך ממחיר רגיל לכל קוט"ש.

לקריאה נוספת

פרק זה דורש עריכה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולערוך אותו. 
אנרגיה סולארית ברחבי העולם
http://energyinformative.org/where-is-solar-power-used-the-most/
אנרגיה סולארית בישראל - גלובס
https://www.globes.co.il/news/אנרגיה_סולארית.tag
אנרגיה סולארית בישראל
http://www.electric.org.il/אנרגיה-סולארית-בישראל/
סיכום והמלצות דיון פורום האנרגיה מס' 30
https://www.neaman.org.il/Files/Energy%20Forum%2030.pdf