ידענים: אנרגיית השמש

מאת 4 במרץ 2016 23 תגובות

האם עתיד האנרגיה המתחדשת נמצא בלוחות לקליטת קרני השמש שירחפו מעל העננים וייצרו חשמל בכל תנאי מזג אוויר?

בלונים סולאריים. צילום: אתר NEXTPV

בלונים סולאריים. צילום: אתר NEXTPV

איליה ברבנר – זווית – סוכנות ידיעות למדע ולסביבה

מודל טכנולוגי חדש של מדענים מצרפת ומיפן מציע להרים לגובה של ששה קילומטרים, מעל העננים, בלוני מימן מיוחדים שעליהם יורכבו לוחות סולאריים. הבלונים האלה, כך נטען, יאפשרו שימוש באנרגיית השמש ללא קשר לשעה ביום או לתנאי מזג האוויר. צוות מעבדות "NextPV", שמורכב ממדענים מהמכון הלאומי הצרפתי למדעים ומאוניברסיטת טוקיו, עובדים על בניית אב-טיפוס שיוכל להתגבר על כמה מהקשיים והמגבלות שקיימים בלוחות סולאריים רגילים – צמודי קרקע.

לאנרגיית השמש יש פוטנציאל גדול לקחת חלק מרכזי בעתיד האנרגיה המתחדשת בעולם – מתחנות כוח סולאריות גדולות ועד לקולטי שמש על גגות במבני מגורים. אך לאותן מערכות סולריות סטנדרטיות יש כמה נקודות תורפה בולטות. מלבד העלויות הראשוניות, הגבוהות יחסית, של התשתיות הדרושות להפקת אנרגיה סולארית (עלויות שהולכות ויורדות במהירות, אגב), קיימים שני אתגרים הקשורים לכל מערך תעשייה האנרגיה סולארית: הצורך באחסון אנרגיה לשעות הלילה החשוכות, וההשפעות של מזג אוויר מעונן או סגרירי על ייצור חשמל מהשמש.

לעקוף את העננים

מפתחי המתקן החדש לאיסוף אנרגיה טוענים שתשואות אנרגיית השמש ממערכת של פאנלים סולאריים שיהיו פרוסים על בלונים מיוחדים המרחפים מעל העננים (כששה קילומטרים מעל פני הקרקע) יכולות להיות כפולות בהשוואה למערכות סולאריות קרקעיות. "הבעיה המרכזית עם אנרגיית השמש היא שקרניה יכולות מוסתרת על ידי עננים, מה שהופך את ייצור החשמל לחלקי ולא לגמרי ודאי" כתב ג'ין פרנסיס גווילמולס, מהמכון הלאומי הצרפתי למדע. "אך מעל לעננים, השמש זורחת כל יום. בכל מקום מעל כדור הארץ, יש מעט מאוד עננים בגובה של ששה קילומטרים, בגבהים אלה, האור מגיע ישירות מהשמש, שכן אין מה שיטיל צללים וכמעט אין השפעה של האטמוספרה על עוצמת השמש. בגובה זה, קרני השמש הישירות הופכות לחזקות יותר, כיוון שהם אינן מסוננות, ולכן תצורת האנרגיה עולה".

החוקרים מתכננים שהבלונים הסולאריים ימירו אנרגיית שמש לחשמל במשך היום. חשמל זה ישמש צרכני חשמל וכן ישמש גם לביצוע אלקטרוליזה למים. האלקטרוליזה תפרק את המים לחמצן ולמימן. המימן ייאגר בבלונים ויהיו לו שני תפקידים: הראשון, לאפשר לבלונים לרחף ללא צורך במכשור מיוחד או השקעת אנרגיה ייעודית; השני, להוות "מצבר חשמל" לשעות הלילה. איך זה יעבוד? אנרגיית השמש מומרת לאנרגיה חשמלית, שמומרת לאנרגיה כימית האצורה במימן. בלילה, יעשה שימוש במימן שבבלונים בתא דלק לשם הפקת חשמל. בתא דלק, גז מימן מוסר אלקטרונים לאנודה (האלקטרודה שבה מתרחשת תגובת חמצון), הופך ליון טעון של מימן, ורק אז מגיב עם חמצן ליצירת מים. האלקטרונים המופקים יוצרים זרם שמוזן לרשת החשמל. כך נמנע פיצוץ של מימן, כי גז המימן לא מגיב ישירות עם חמצן.

ומה עם הציפורים?

מערכת הבלונים הסולאריים היא עדיין בגדר רעיון אקדמי, אבל חברי מעבדות NextPV מתכננים לייצר אב-טיפוס פעיל בתוך שנתיים. עד למועד זה, כמו שקורה פעמים רבות במחקרים מהסוג, יצופו על פני השטח בעיות ואתגרים צפויים פחות ויותר, כמו יצירת כבלי מתח באורך קילומטרים וירידת המחירים הבלתי פוסקת של הלוחות הסולאריים הסטנדרטים.

המדענים עלולים להיתקל בבעיות רבות בדרך, כמו שמירה על הבלונים בעת סערות, מניעת הסתבכות של כבלי הבלונים (אם הבלונים צפופים הם עלולים להסתבך זה בזה; אם הבלונים לא יהיו צפופים, מערך הבלונים יתפרש על פני שטחים עצומים ואז ניצול השטח לא יהיה אופטימלי. פתרון אפשרי לבעיה זו יהיה שיגור מספר נמוך של בלונים ענקיים, שכל אחד מהם יהיה שווה תפוקה למתקנים סולאריים קרקעיים גדולים), תחזוקה, הפרעה לכלי טיס ולציפורים וסכנת התפוצצות של בלוני המימן הסולאריים (עקב אכילס של הצפלינים לפני מאה שנים היה העובדה שמולאו במימן נפיץ), ועוד.

סרטון של NEXTPV, שמסביר כיצד יפעלו הבלונים הסולאריים:

23 תגובות ל “בלונים סולאריים”

  1. חיים

    כמה טימטום יכול להיות במאמר אחד. כל פיסיקאי מתחיל יראה כי אפילו מודל תיאורטי אינו אפשרי. על מנת להקטין את העומס על הכבל יש לדאוג למשיכה של בדיוק של 1G כך שהכבל יחזיק עומס של מחצית המרחק. כלומר 3 ק"מ. כדי לקבל מכסימום נצילות,יש לבנות מערכת סרוו שתחזיק את הפנל מול השמש. על מנת לקבל נצילות גבוהה בהמרה, יש להתקין את האינוורטרים צמוד ללוח הסולרי. לעניות דעתי, אין כבל המכיל חוטי חשמל (אפילו מאלומיניום) שמחזיק את עצמו באורך אנכי של 3 ק"מ. רצוי שהפרופ' המלומדים יחפשו נושא אחר לכישוריהם.

  2. א

    יעברו איזה 50 שנה עד שיהיה אפשר ליצור 6 קילומטר של קורי עכביש או גראפן

  3. יוסי

    נראה לי שתיילי עכביש מהונדסים או גרפן מלופף בתיילים לייצר כבל עבה יהיה אולי שווה ניסוי ומספיק חזק בלי תמיכה וגם גמיש. ראיתי שיש הנדסה גנטית להפקה מעבדתית של קורי עכביש. שהמומחים למכונות יחשבו.

  4. א

    דרך אגב בלון תצפית בלי בעיה מגיע לגובה בין800 -900 מטר. אני מניח שהיה אפשר אפילו יותר אבל לא נראה לי שיש צורך מבצעי ( גובה רב יותר יגרום לראות פחות טובה. בכל מקרה לא מדובר על 200 מטר כמו שכתבת. ואת החשמל אפשר להוריד בכבל שמעגן ואין צורך לכבל נוסף ( כל עוד מתקינים שנאי שיעלה את המטח למטח גבוהה, עובדן האנרגיה יהיה זניח ל6 קילומטר אפילו על כבל פלדה)

  5. א

    אם באמת אי אפשר לעגן בלון בכבלים לקרקע בגובה של 6 קילומטר בעזרת מתכת, וצריך לבנות מגדל שיחזיק את הבלון. אז בטח שכל הפרויקט הוא קישקוש גמור. הם מדברים בפרוש על בלונים מחוברים לקרקע. היום לא ניתן לייצר כבל ארוך מגראפן . בכל מקרה שידור אנרגיה מתאים אולי ללוויינים שלא זזים יחסית לנקודה על הקרקע או שהתנועה שלהם צפויה לגמרי. לא מתאים לבלון שלא פשוט להשאיר אותו אפילו באותו אזור. עד איזה אורך אתה חושב שפלדה מספיק חזקה כדי להחזיק בלון?

  6. ירון

    6 ק"מ על 20 מ"מ זה שבר 1/3X10^-8. אין מתכת בעולם שבמצב אנכי בלי תומכים כל 200 מטר תעמוד בזה.
    תוסיף לזה מסה לא זניחה של הכבל. לא צריכה להיות התעקשות. קו המחשבה לא צריך להיות של לזרוק מכדור פורח כבל פשתן של 200 מטר, אלא של עמוד עומד ביחס כזה 3.33X10-9. בחומר יווצרו סדקים dislocations כתוצאה מתזוזות והוא ייקרע. אין לך גורד שחקים בעולם עם יחס כזה והשלד בנוי מפלדה. כדי לפתור את הבעייה יידרש לדעתי הצנועה חומר מהונדס עם גמישות וחוזק גבוהים פי כמה משל קורי עכביש. לחילופין הפיתרון שאמרתי: אנטנה מכוונת. הפיתרון קיים, ולא הזוי. הבעיה צורך בבקרה כך שמיקום הקרן לעומת תנודות הכדור יהיה קבוע בדיוק 0.1 מעלה.

  7. א

    ליוסי
    לדעתי אתה קצת מגזים במורכבות לעגן בלון בגובה 6 קילומטר. לא מדובר על מעלית חלל, לדעתי ניתן ליצור את הכבל ממתכת.
    נראה לי שמבחינה כלכלית הבעיה הכי גדולה זה הירידה במחירי הנפט שיכולה לאיים על כל מיזם ירוק.
    לכן חייבים את עזרת הממשלות שיערבו לפרויקטים שעלולים להפוך ללא רווחים במקרה של ירידת מחירי נפט. מה גם שככל שתכנס אנרגיה ירוקה, הביקוש עלול לרדת ואז המחיר. או אפילו הורדת מחירים והגדלת תפוקה מכוונת של מדינות המייצאות נפט, כדי לחסום כניסת טכנולוגיה ירוקה. כמו עם פיצלי השמן.
    בקיצור בלי תמיכה של המדינות יעבור עוד מאה שנה עד הגמילה מהנפט, וזה עלול להיות מאוחר מדיי

  8. יוסי

    יפאן אינה סבורה שייצור חשמל בחלל הפסדי. גרמניה – מדינה קרה מגיעה בקיץ ל 78% חשמל מאנרגיה מתחדשת וכ-50% בממוצע יולי-אוגוסט. שם הבעיה שהאנרגיות המתחדשות הורסות כדאיות כלכלית לתחנות כוח בדלקים שונים. בסופו של דבר לכל אחד מאיתנו יהיו תאים סולריים ומצברים כמו שמוכר אלון מאסק ומיקרו גריד. עצוב אבל יהיה פחות צורך בתחנות כוח. מהיכן אני יודע? יודע. אבל יש סימוכין להכול ברשת.

  9. א

    ליצור חשמל "הפסדי" ירוק יותר משתלם למדינה
    מהרבה בחינות. המדינה חייבת לעזור לעשות את השינוי. דבר שני היום כבר זה לא בטוח הפסדי, יש אבל השקעה ראשונית גבוהה. המדינה יכולה לעזור נגיד במתן הלוואה לאזרחים ליצור חשמל ביתי.
    בשוק החשמל לא הטייקונים אלא וועד חברת החשמל, שלא נותן למדינה להכריח את חברת החשמל לקנות חשמל מיצרנים חיצוניים ירוקים או לא. וחברת החשמל היא מונופל כך שלה אין שום סיבה להתייעל. . אם היתה תחרות היא אפשר להטיל מס מיוחד על חשמל מזהם או הקלה במס לחשמל ירוק. וכך המדינה יכלה להגיע לפחות לכמעט עצמאות אנרגטית, להפחית זיהום אוויר, ולחסוך בהוצאות על בעיות בריאות

  10. יוסי

    כאשר כבלים מונחים על הקרקע או בין שני עמודים – המשקל העצמי שלהם לא נורא. אם נדבר על הפקת 200 אמפר לבלון – ספקולציה, נדרש כבל רב-גידי שקוטרו 20 מ"מ. דמיינו רב-קומות שהיחס בין בסיסו לגובהו 20 מ"מ על 6 ק"מ. עכשיו תבינו שיש פה חוכמה. הכבל צריך להיות גמיש כדי להיות עמיד לרוחות, לא להתכופף כמו הטיטניק כאשר יצאה מן המים ונשברה לשניים. כבלים למרחקים כאלה ללא חיזוקים לקיר תומך או קרקע, או מוטות, צריכים לדעתי להיות עשויים מחומרים שחזקים מאד, כמו גראפן.

  11. אור

    ל א. ול בנימין
    המפיקים העיקריים של חשמל מאנרגית השמש בארץ הם טייקונים.
    הסיבה שלא מפיקים יותר חשמל מאנרגית שמש בארץ היא שזה יקר יותר מאשר חשמל מפחם או גז. באירופה מפיקים חשמל מאנרגית שמש כי לטייקונים שם יש לובי גדול של ירוקים שמשכנעים את הממשלות לשלם להם כספי מיסים (סובסידיה) תמורת יצור החשמל ההפסדי הזה.

  12. א

    אין צורך בכבל נחושת אפילו. הבלון בכל מקרה מחובר בכבלים ממתכת לקרקע. אם יש שנאי למעלה לא יהיה כמעט אבדן אנרגיה לאורך 6 קילומטר. 6 קילומטר זה נחשב מרחק קצר מאוד, גם חוטי המטח גבוהה של חברת החשמל לא מנחושת ומעבירים חשמל למרחקים ארוכים בהרבה בלי אובדן משמעותי.
    בכל מקרה זה לא פיתרון לישראל, כאן אין מספיק ימי עננים להצדיק סיבוך כזה, ובמדינות חשוכות יותר מעננים כמו ארופה לרוב יש רוחות חזקות יותר שזה יכול להיות בעיה.
    את הבעיה שהבלונים יסתבכו בחוטים של עצמם. אפשר לפתור כך שיחברו את כל הבלונים למשטח אחד שיעוגן בפינות

  13. יוסי

    אני מסכים שבשש ק"מ גובה כבל נחושת גם מתאים.
    שם יש בעיות אחרות, אין מתנות חינם. היפה הוא שהמוח האנושי יחשוב על פתרונות. הכבל יהיה בקוטר כ-80 מ"מ כדי להעביר עד 1000 אמפר (או 25 מ"מ ל 250 אמפר), כובד הכבל שמושך למטה את הבלון – היותו עוגן – מה שהופך אותו לפגיע לרוחות (כדברי ישעיהו: הלא לכוף כאגמון ראשו), יחס קוטר לאורך – מחייב חומרים גמישים חדשים מהונדסים כמו אולי גראפן.

  14. יוסי

    נכון. אבל גם מכ"מים של מטוסי קרב וגם לייזרים שמכוונים לירח, מכוונים בצורה ממוקדת מאד ובנצילות גבוהה.
    מאד. הם עושים זאת ע"י מערך של אנטנות (phased array) המשדרות גלים בתדר אחד (מונוכרומטי) ובחזית גל (phase coherent) אחת, מתוך התאבכות מרחבית הורסת מעבר לאלומה ממוקדת בצינור דק במרחב. נכון זה למכ"מ ואנו מדברים על העברת אנרגיה, אבל הרעיון לא הזוי. ביפאן יש פרוייקט ממשלתי לחווה סולרית בחלל עם אנטנה כזו. בנוסף אם אתה זוכר היה רעיון של טסלה להעביר אנרגיה חשמלית אלחוטית דרך מוביל הגלים (waveguid) הטבעי הנוצר ע"י שכבות האטמוספירה.

  15. א

    אין שום סיבה לדרכים יצירתיות להעביר אנרגיה למרחק של רק 6 קילומטר. שזה הגובה שמתוכנן לבלונים
    כבל נחושת או אפילו אלומיניום יבזבז הכי קצת אנרגיה.

  16. יוסי

    בעולם עובדים היום על העברת אנרגיה אלחוטית. ההצלחה עדיין חלקית. מטענים של סלולארי מחייבים קירבה פיזית. אבל הרעיון להעביר אנרגיה אלחוטית.

  17. יוסי

    האנרגיה תומר מזרם ישיר לגלי רדיו (גיגה הרץ) ותוקרן ע"י אנטנה ממקדת (phased array) לכדור הארץ. הבעיה: אם זזה האנטנטה במיקרומעלה היא תשרוף עיר במקום לפגוע במקלט. אין צורך בכבלים.

  18. בנימין מאי

    …ולנו יש את תשובה ונובל אנרג'י…
    באופן הכי מביך דווקא ישראל המתקדמת ושופעת בשמש מייצרת הכי פחות חשמל ממקורות מתחדשים
    באופן יחסי (ובוודאי במספרים מוחלטים) ממדינות רבות באירופה הקרה, כי כאן צריך לתחזק טייקונים
    שמהם ורק מהם נקנה אנרגיה ושתלך המדינה והצרכנים לעזאזל. לכן תשכחו מחידושים בתחום הם ממש לא רלוונטיים לישראל.

  19. א

    יש באמת כמה ברים הזויים בפרויקט הזה
    הבלון צריך לסחוב לא רק קולטים סולרים אלא גם קבלים באורך 6 קילומטר , זה לא מספיק כבד? יהיה צריך להוסיף לו צינור למים.
    גם מה הקטע בבלון מימן הרבה יותר בטיחותי לעבוד עם הליום בייחוד בסביבה של יצור חשמל וברקים עדיף הליום גם אם הוא פחות קל.

  20. א

    אני לא מבין מה ההיגיון לאחסן את האנרגיה העודפת לשעות הלילה על הבלון. ולא על הקרקע ( אם בסוללות ואם בעזרת מימן )
    לדעתי בסופו של דבר יצליחו להגיע לרמת ניצול אנרגיה, כך שיהיה משתלם מספיק ולא יהיה צורך בפתרונות גרנדיוזיים כאלה
    מה שבטוח בישראל כבר היום אין צורך בהמצאות כאלה . רק חלמאות יכולה להסביר איך בגרמניה מייצרים יותר חשמל סולרי באחוזים מאשר בישראל שטופת השמש

הוספת תגובה

  • (will not be published)