אנרגיה סולארית

אֵנֶרְגִּיָּה שִׁמְשִׁית או אנרגיה סולארית היא אנרגיה שמקורה בקרינת השמש. זוהי אנרגיה חלופית ומתחדשת. מתקני אנרגיה סולארית ממירים את הקרינה האלקטרומגנטית שמגיעה מהשמש לאנרגיה תרמית או לחשמל. מצד אחד, עקב ההספק הכולל הגבוה של קרינת השמש על פני כל כדור הארץ יכולה האנרגיה הסולארית להיות מרכיב משמעותי בשוק האנרגיה העולמי, היות שצריכת האנרגיה העולמית השנתית משתווה להספק קרינת השמש המגיעה לפני כדור הארץ במשך שעות ספורות. מצד שני, צפיפות ההספק ליחידת שטח נמוכה יחסית, פחות מ־1,000 וואט למ"ר, ולכן קצירת אנרגיית השמש יקרה, ורק בעשור השני של המאה ה-21 הגיעה בארצות שונות לכדאיות כלכלית.

השימושים של אנרגיה שמקורה בשמש הם מגוונים. ניתן להשתמש באנרגיה זו באופן ישיר למטרות חימום, אידוי וייבוש מזון, כמו בישול בעזרת תנור שמש, בריכות אידוי להפקת תרכובות מלח וייבוש כביסה. באופן דומה, דודי שמש משמשים לחימום מים לצריכה ביתית. ריכוז קרינת השמש באמצעות מראות או עדשות וכן מערכות עקיבת שמש מאפשר ניצול טוב יותר של אנרגיית שמש והענות ליישומים שבהם נדרשת טמפרטורה גבוהה. מתקני עקיבה, שעוקבים אחר תנועת השמש בשמים בשעות היום, עשויים לתרום להגדלת נצילות גם ללא ריכוז.

שימוש נרחב של אנרגיית השמש לצרכים תעשייתיים או לצורך יצירת חשמל ייתכן באחת משתי דרכים:
 קצירת אנרגיה תרמו־סולארית – חימום נוזל לצורך הפעלת מנוע חום שמייצר חשמל או עבודה מכנית.
 קצירת אנרגיה פוטו־וולטאית (אנרגיה פוטו־חשמלית) – שימוש בתאים פוטו־וולטאיים להמרת אור לזרם ישר.

את האנרגיה הסולארית ניתן לנצל מיידית, או לאגור באמצעים שונים ולהפיק את האנרגיה מהאמצעים הללו מאוחר יותר בהתאם לצורך. אמצעי האגירה כוללים אגירה חשמלית בסוללות, שאיבת מיים לגובה, ואגירה תרמית במסות נוזליות או מוצקות. באופן עקיף, אנרגיית השמש אחראית למגוון תהליכים שמביאים ליצירת מקורות אנרגיה שונים שנמצאים כיום בשימוש, כמו אנרגיית רוח, אנרגיה הידרואלקטרית ועוד. למעשה, אור השמש אפשר את חייהם של יצורים קדומים, שבמשך הזמן הפכו לנפט. דלק מאובנים זה משמש כיום את האנושות כמקור אנרגיה עיקרי. עם זאת, שימוש באנרגיה סולארית שכדור הארץ ספג בעבר הרחוק על ידי שריפת דלק מאובנים מעלה את ריכוז דו־תחמוצת הפחמן, מגבירה את אפקט החממה, ואינה רצויה.

אנרגיה תרמו־סולארית

דוד שמש

דוד שמש מבוסס על קולטי שמש ההופכים אנרגיית שמש לאנרגיית חום. המים המחוממים בקולטים זורמים לדודי שמש עד לשימוש בהם. בישראל, יפן וארצות נוספות, מותקנים דודי שמש בבתי קרקע רבים ובישראל שטופת השמש חוסכים כ־3%-4% מתצרוכת החשמל של ישראל. על פי החוק הישראלי כל בית מגורים חדש שנבנה חייב להיות מצויד בקולטי שמש. במגדלי מגורים קולטי השמש הם רק עבור הקומות העליונות. הזרמת המים מקולטי השמש לדוד השמש מתרחשת, במצב שדוד השמש גבוה מהקולטים, על ידי השימוש באפקט התרמוסיפון שבו ההפרש במשקל הסגולי בין המים החמים והקרים גורם למים המתחממים בקולט, לזרום אל דוד השמש, ללא צורך במשאבה.

תחנת כוח תרמו־סולארית

בשיטה הסולארית־תרמית הופכים בעזרת קולטי שמש את אנרגיית השמש לחום הנקלט בשמן המחמם מים ויוצר קיטור אשר מניע טורבינה המייצרת חשמל. לחלופין, קרינת השמש מחממת את המים ויוצרת קיטור ישירות.

הטכנולוגיות הסולאריות־תרמיות העיקריות הן:
 שקתות פרבוליות : נוזל תרמי, (שמן עם טמפרטורת רתיחה גבוהה או מים) זורם בצינור הנמצא במוקד של מראה פרבולית העוקבת אחרי השמש בציר אחד. השמן נכנס למחליף חום שבו החום עובר למים ויוצר קיטור שנכנס לטורבינת קיטור המניעה גנרטור.
במגדל שמש הליוסטטים עוקבים אחרי השמש בשני צירים ומרכזים את האור לקולט מטרה הנמצא על מגדל. תחנות ניסיוניות נבנו בשיטה זו בצרפת, ארצות הברית, ובמכון ויצמן בישראל. עוד בשנות השמונים השתמשו בקולט שמש שחימם מים, מלח מומס או אוויר דחוס. תחנה מסחרית שהוקמה בספרד PS10 ליד סביליה משתמשת בקולט המיצר קיטור רווי ב־275 מעלות צלזיוס ופועלת בהספק שיא של 10 מגה־וואט. בצמוד פועלת מאז 2009 תחנה PS20 משופרת בהספק שיא כפול של 20 מגה־וואט. שתיהן חלק ממפעל בהספק שיא כולל של 300 מגה־וואט שיספק חשמל לעיר הסמוכה סביליה.
 צלחת פרבולית (Parabolic Dish Systems) – צלחת הכוללת משטח קטעים פרבולי ועוקבת אחרי השמש בשני צירים. מהחום מופק חשמל על ידי מנוע סטרלינג (Stirling) או טורבינת גז קטנה. ניתן לקבל נצילויות גבוהות בהקפי ייצור חשמל של עשרות ומאות קילוואט בלבד. אפשר גם להפעיל תחנת כוח מסחרית עם עשרות או מאות צלחות פרבוליות.
 המרה תרמו-חשמלית - המרת החום ישירות לאנרגיה חשמלית על ידי שימוש בצמד מתכות. הפרשי חום בין המתכות גורמים להיווצרות זרם חשמלי היוצא מהן, ולהפך, העברת חשמל במתכות עשויה לגרום להתקררות המתכת האחת בעוד השנייה מתחממת. יעילות מערכות אלו קטנה יחסית.

אנרגיה פוטו־וולטאית

המרה ישירה של אנרגיית השמש לחשמל נעשית באמצעות תא פוטו־וולטאי (תא שמש), שעשוי לרוב מסיליקון בטכנולוגיה לייצור שבבים, בנוי מסרט מוליך למחצה הנתון בין שתי אלקטרודות. בעת החשיפה לאור, ניתקים האלקטרונים ממקומם ויוצרים תנועה חשמלית. הניצולת של תא כזה היא נמוכה יחסית (כ־18 אחוז) אך מחירו שהיה יקר בעבר, ירד בשנים האחרונות וכיום ייצור חשמל באמצעות תא פוטו־וולטאי מתחרה בייצור חשמל מדלקים פוסיליים, ההוזלה של פאנלים פוטו־וולטאיים, סיניים בעיקר, מתחרה קשות בטכנולוגיות המבוססות על ריכוז ועקיבת שמש. שטף האנרגיה הנקלט מעל לאטמוספירה של כדור הארץ מן השמש (הקבוע הסולארי) הוא 1,366 ואט למ"ר. בגלל בליעת האטמוספירה, ההספק המגיע לכדור הארץ הוא רק כ־1,000 וואט למ"ר וזאת בתנאים מיטביים, כלומר בקו המשווה, בצהרי היום, ללא עננות ובנקודת ההיפוך. היעילות של תא פוטו־וולטאי היא כ־18%. בבאר־שבע שטופת השמש, לדוגמה, מ"ר אחד של פאנל סולארי יכול להפיק בשנה 318 קילו־וואט שעה.

תחנת כוח פוטו־וולטאית גדולה קמה בפארק הסולארי ואלדפולנץ, גרמניה. בשנת 2020 הופעלה תחנת כוח פוטו-וולטאית בהודו בהספק של 2245 מגוו"ט על שטח של 57 קמ"ר.

ב־2016 נחנכה באשלים שבנגב תחנת כוח פוטו־וולטאית של 30 מגה־וואט. נתח נוסף של אנרגיה סולארית נאסף בגגות בתים ומבנים. בעידוד הממשלה, באמצעות רשות החשמל, גדל נתח זה וניתן לראות בתים ומבנים רבים בישראל שעל גגותיהם יש מערכות סולאריות, המזינות את אספקת החשמל בבתים ובמבנים ומזרימות את הנותר לרשת החשמל הארצית.

מחקר ופיתוח (בעיקר בישראל) 
בשנים 1950–1990 פעלו בסמוך לים המלח ובאתרים נוספים תחנות כוח סולארית נסיוניות מסוג בריכת שמש, המתבססת על ריבוד שכבות לפי משקל סגולי והצטברות חום בשכבות הנמוכות. חברת סולמת (מקבוצת אורמת) הקימה בריכת שמש גדולה חצי־מסחרית ליד ים המלח, אך הפרויקט נכשל בגלל קלקול של ריבוד השכבות על ידי גלים שעוררה רוח מצויה. ואי־כדאיות כלכלית. במרכז הלאומי לאנרגיית השמש באוניברסיטת בן-גוריון, נערכים מאז שנות ה־70 של המאה ה־20 מחקרים בתחום הסולארי־תרמי והפוטו־וולטאי, העוסקים בין השאר בתא פוטו־וולטאי מבוסס פחמן, ובייצור חשמל פוטו־וולטאי באמצעות שימוש במראה פרבולית מרכזת גדולה, המופיעה בתמונה.

במעבדת "Excitonics" בפקולטה להנדסת מכונות טכניון, פותחה גישה חדשנית הנקראת (TEPL (Thermally Enhanced Photoluminescence. חומר הבולע בהתקן הוא בעל תכונות פלואורסצנטיות. בהתקן TEPL, אם ערך ה־QE גבוה והבולע נמצא בטמפרטורה גבוהה, יחד עם אופטימיזציה של פרמטרים נוספים (כגון ריכוז השמש ואיכות הבידוד התרמי להפחתת איבוד חום ואיבודים קרינתיים) ניתן להגיע ליעילות של 45% בולע שכזה יורכב ממערכת של חומרים שונים המוטמעים בתוך מטריצה שקופה. דוגמה למערכת שהוצעה, אשר לה פוטנציאל לשמש כבולע יעיל, היא שילוב החומרים Nd, Cr, ו־Yb בתוך מטריצה של גביש מסוג YAG.

טכנולוגיה חדשנית הנמצאת בשלבי מחקר מנצלת שימוש בלוחות OLED המבוססים על חומרים אורגניים, לניצול אור שמש לשם הפקת אנרגיה חשמלית. כיום משתמשים בתהליך ההפוך של פליטת אור באמצעות זרם חשמלי לייצור צגים דקים לטלפונים סלולריים וטלוויזיות המחליפים את מסכי ה־LCD. יתרונה הפוטנציאלי של הטכנולוגיה היא עלות ייצור נמוכה, נצילות אנרגטית גבוהה ושימוש בחומרים אורגניים מתכלים.

עלויות הפקת חשמל סולארי 
בשנים האחרונות חלה עליה ביעילות פאנלים סולריים וירידה במחיריהם. לדוגמה, במכרז שנערך ב־2019 בישראל לייצור אנרגיה סולארית משדות גדולים זכתה הצעה לחיוב חברת חשמל ב־15 אגורות לקוט"ש, מחיר הנמוך ב־90 אחוז לעומת מכרזים דומים מלפני עשור.
מחיר זה נמוך לעומת הפקת חשמל מזהמת מדלקים.

בישראל
ללא עתודות נפט ועם יחסים רעועים עם שכנותיה העשירות בנפט, חיפוש אחר מקור יציב של אנרגיה היה בראש סדר העדיפויות הלאומי של ישראל בראשית שנותיה, ונערך מחקר בשימוש של אנרגיה סולארית. בשנות החמישים פיתח ד״ר הארי צבי תבור במעבדה הישראלית לפיזיקה לוחות סולאריים סלקטיביים אשר קולטים את השמש ביעילות, אך פולטים את החום הנוצר באופן לא יעיל וכך הם מתחממים ויכולים להזין דוד שמש. השכיחות השנתית הגבוהה של השמש בנגב דרבנה תעשיית מחקר ופיתוח סולארית בעל שם עולמי. מהנדסים ישראלים היו בחוד החנית של טכנולוגיית האנרגיה הסולארית וחברות ישראליות כמו אורמת, לוז, וברייט סורס, עבדו על פרויקטים בארץ ומסביב לעולם.

הטכנולוגיה הסולארית בישראל התקדמה לנקודה בה היא תחרותית בדלק מאובנים. היישום של אנרגיה סולארית בישראל הולך ומתרחב בעיקר בתחום הפוטו־וולטאי. בבאר־שבע שטופת השמש, לדוגמה, מ"ר אחד של פאנל פוטו-וולטאי יכול להפיק בשנה 318 קילו־וואט שעה. מכך נובע, שבהיבט של כמות האנרגיה שניתן לייצר בשנה, ניתן באופן תאורטי לייצר 100% מצריכת החשמל בישראל (73TWh נכון ל-2020) באמצעות אנרגיה סולארית על ידי לוחות פוטו-וולטאים בשטח כולל של כ-230 קמ"ר (כ-2.5% משטח הנגב). המכשול הטכני העיקרי הוא אגירת אנרגיה בכמות גדולה לשימוש בשעות הלילה ובימים חורפיים במיוחד.

מדינת ישראל הצהירה שהיא מעוניינת להגיע בשנת 2020 לייצור חשמל ירוק בהיקף של כ־10% מהצריכה הלאומית. את אנרגיה ממקורות מתחדשים בשנת ב־4%, 5% ו־7% כנתח האנרגיה המתחדשת (החשמל הירוק) מתוך כלל יצור החשמל בארץ ב־2020. ברית הפיקוח הקיבוצית העריכה שעד סוף 2019 הותקנו פרויקטים של אנרגיה סולארית בהספק של כ־2,000 מגה־וואט שיא, המאפשרים ייצור של כ־7% מצריכת החשמל השנתית במשק. כדי לעמוד ביעד של 10% ייצור חשמל מאנרגיות מתחדשות, יש להרחיב את ההספק הסולארי המותקן בישראל בכ־1,500 מגהוואט שיא נוספים עד סוף שנת 2020. ימים יגידו אם ישראל תעמוד באתגר של 25-30% אספקת אנרגיה ממקורות מתחדשים בשנת 2030.

בתחילת 2004 הכריזה המועצה הארצית לתכנון ובניה על תוכנית מתאר להקמת תחנה סולארית, במסגרתה נבנו תחנות הכוח אשלים, בסמוך ליישוב אשלים שבשטח המועצה האזורית רמת הנגב. באתר הוקמו עד 2020 שלוש תחנות, תחנת כוח תרמו־סולארית של נגב אנרגיה בטכנולוגית שוקת פרבולית בהספק של 121 מגה־ואט שיא,תחנת כוח פוטו־וולטאית של אשלים סאן פי וי בהספק של 30 מגה־ואט שיא, ומגדל שמש שברייטסורס הקימה והפעילה יחד עם שותפותיה בהספק של 121 מגה־וואט שיא.תחנה פוטו־וולטאית נוספת בהספק 40 מגה־וואט שיא תוקם על ידי חברת פארק סולארי אשלים.בשנת 2022 צפויה להתחיל בסמוך לעיר דימונה בנייתה של תחנת כוח סולרית בשדה שאמור להיות הגדול ביותר בישראל ולהפיק כ־300 מגה ואט עם השלמת הפרויקט ב־2024.

סולארי־תרמי להפקת חום 
פרויקט לדוגמה בו נעשה שימוש באנרגיה סולארית לחימום מים בעזרת קולטים בשנת 2008 על ידי חברת 'כרומגן' הוא מלון PRIMA MUSIC בחוף אלמוג באילת, הכולל 140 חדרים ומטבח מרכזי. הותקנו כ־105 מטר רבוע של קולטים החוסכים 95 מגה־וואט שעה לשנה שהיו נדרשים לחימום המים בגז. בדומה לדוד שמש ביתי נצילות האנרגיה לחימום מים היא מעל 40%. תקופת החזר ההשקעה היא כ־4.5 שנים.

מערכות הפקת חום ביעילות גבוהה כמעט פי שניים ועם הגעה לטמפרטורות גבוהות יותר פותחו על ידי שמעון קליר וצוותו בחברת תיגי. למערכות אלו יש התאמה טובה לסביבה קרה הודות לבידוד משופר שפיתחה החברה והן הותקנו ביקבי רמת הגולן, מדגרת עוף טוב, בית קיי בנהריה, ובמבנים באוסלו, נורווגיה.

סולארי תרמי להפקת חשמל
חברת לוז מירושלים הקימה בשנות ה־80 של המאה ה־20 בקליפורניה תשעה מתקנים בטכנולוגיה התרמית של קשתות פרבוליות, בשלוש תחנות כוח ובהיקף כולל של 354 מגה־וואט שיא (כולל התחנה הסולארית הגדולה בעולם בזמנו בהספק נקוב של 160 מגה־וואט שיא והשנייה בגודלה בעולם בהספק 150 מגה־וואט שיא). התחנות עדיין עובדות כיום ומופעלות על ידי חברת Florida Power & Light ואף מייצרות חשמל מעבר להספק הנקוב הודות לשיפורים טכנולוגיים הכוללים קולט חדש שפותח ויוצר על ידי חברת סולל מבית שמש. סולל הוקמה על ידי אבי ברנמילר ויוצאי לוז נוספים, נמכרה לסימנס וחדלה לפעול.

ברייטסורס תעשיות ישראל עוסקת במחקר ופיתוח ובהקמה של מערכות תרמו־סולאריות מבוססות מגדל שמש. היא הפעילה עד 2019 תחנת כוח ניסויית במישור רותם בהספק של 4 מגה־וואט שיא. יחד עם שותפות, יזמה ברייטסורס והקימה בשמורת מדבר מוהבה בגבול קליפורניה־נבדה את תחנת הכוח איובנפה, תחנה בת שלושה מגדלי שמש בהספק כולל שדל 392 מגה־ואט שיא שהחלה לפעול ב־2014. בנוסף, הקימה את מגדל השמש בהספק של 121 מגה־וואט שיא באשלים בנגב.

יש גם יוזמות נוספות לשימוש באנרגיה סולרית בישראל. עיריית אשדוד, לדוגמה, אחת מפורום ה־15 הערים העצמאיות בישראל אשר אינן מקבלות מענקים ממשלתיים ומתנהלות באופן עצמאי ממשאביהן המקומיים, החליטה בשנת 2020 לרכוש פאנלים סולריים ולפרוש אותם ברחבי העיר. העירייה ניצלה את האילוץ לסגור את מוסדות החינוך בעיר בעקבות התפרצות נגיף הקורונה בישראל, ובשיתוף עם מפעל הפיס התקינה פאנלים סולריים על גג העירייה ועל גגות של ארבעה עשר בתי ספר בעיר. מהלך זה צפוי להוזיל את מחירי החשמל בעיר אשדוד ולהכניס לקופת העירייה כשני מיליון ש"ח מדי שנה.

יתרונות וחסרונות

היתרונות העיקריים של האנרגיה הסולארית 
 עצמאות בהפקת חשמל, חוסר תלות במקורות דלק מתכלים ובמדינות המפיקות אותם, כמו התלות בעליית מחירי הדלקים.
 הפקת אנרגיה נקיה שאיננה פוגעת בסביבה.
 אפשרות להתקנה על גגות ובכך לחסוך משאבי קרקע.
 אנרגיית השמש אינה מתכלה כמו מקורות אנרגיה המתבססים על דלק.
 התאמה טובה לעקומת הביקוש לחשמל.
 תחנת כוח תרמו-סולארית יכולה לכלול גיבוי בגז תוך שימוש באותו גנרטור, ולא נדרשת הקמת תחנת כוח נוספת לגיבוי כבטורבינות רוח למשל.
 אי-תלות בחברת החשמל במידה ומתקינים את המערכת עם סוללות פריקה עמוקה.

החסרונות העיקריים של האנרגיה הסולארית 
 השקעה ראשונית גבוהה המתבטאת בעלות גבוהה לקילוואט בהשוואה לתחנות כוח קונבנציונליות.
 חציבת המשאבים ליצירת הפאנלים הסולאריים גורמת לזיהום סביבתי.
 הצורך להחליף פאנלים סולאריים אחרי 15–30 שנות פעילות.
 אי-רציפות: הפקת אנרגיה נמוכה ותנודתית בימים מעוננים, ואי־הפקה בלילה, דבר המחייב מערכת אגירה או השקעה בהקמת תחנת גיבוי בגז.
 חציבת המשאבים ליצירת מערכת האגירה (סוללות) גורמת לזיהום הסביבה.
 הצורך להחליף סוללות אחרי 5–15 שנות פעילות.
 אי אפשר כיום למחזר את הפאנלים הסולאריים ואת סוללות אגירת החשמל שלהם ולכן מטמינים אותם באדמה, אך חלק מהחומרים מהם הפאנלים הסולאריים והסוללות מיוצרים הם רעילים ומזהמים ויכולים לפגוע בסביבה, אם כי ישנם מספר פיתוחים חדשים למחזור פנלים.
 תפיסת שטח רב בהשוואה להפקת חשמל מפחם, דלק נוזלי, גז או אנרגיה גרעינית.
 אין אפשרות לייצר אנרגיה במקרה של מזג אוויר מעונן, כיוון שאז קרני השמש נחסמות על ידי העננים.

ראו גם
 פאנל סולארי
 מגדל שמש
 ארובת שרב
 בריכת שמש
 אנרגיה סולארית מחלל
 תחנת כוח תרמו-סולארית
 אנרגיה תרמו סולארית

לקריאה נוספת
ג'ודי ואריה מלמד־כץ, "המהפכה הסולארית", גליליאו 107, יולי 2007.
 ג'ורג' ג'ונסון, הכוח העולה של השמש – הזינוק המאוחר במרוץ הלוהט אחר מקור האנרגיה הזול והזמין ביותר, נשיונל ג'יאוגרפיק, גיליון 136, ספטמבר 2009
 הראלה סטוצ'י־באר, אם יש לנו שמש – האם ישראל תמצא שוב את היתרון שלה בתחום הסולרי, נשיונל ג'יאוגרפיק, גיליון 136, ספטמבר 2009
 רועי צזנה, עתיד אנרגיית השמש, בתוך: השולטים בעתיד, ירושלים: כנרת, 2017

קישורים חיצוניים

 
 פורסים רשת ביטחון לחיים ללא רשת חשמל, כתב העת אקולוגיה וסביבה, אוקטובר 2015
 יותם פלדמן, הנפש הסולארית, הזמן הזה, מכון ון ליר בירושלים, דצמבר 2022
 , 17 בינואר 2023
 
 
 Solar Energy - סרטון הסבר על אנרגיה סולארית, באתר יוטיוב, 9 בינואר 2012

הערות שוליים

אנרגיה מתחדשת
ייצור חשמל
בנייה בת קיימא