אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 2: איך להפיק חשמל מאור השמש

נפגשתי עם גדעון שגב כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

גדעון נשוי לאורית ומזה כחודש (בזמן השיחה) אב טרי לכרמל בתו הבכורה. שניהם מאוד אוהבים לטייל ולשחק כדורסל, למרות שלאחרונה קצת קשה להם למצוא זמן פנוי. את התואר הראשון עשה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב וכיום עושה את עבודת הדוקטורט שלו בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב, תחת הנחייתם של פרופ’ אבי קריבוס מהחוג להנדסת מכונות ופרופ’ יוסי רוזנוקס מהחוג להנדסת חשמל. עיקר עניינו הוא בשאלה איך לנצל את אנרגיית השמש להפקת יעילה של חשמל.

גדעון, אז מה אתם עושים שם?

טוב, ראשית צריך להבין שמטרתו של כל חוקר בתחום שלנו היא למצוא דרכים לגרום לכך שהפקת חשמל מאנרגיית השמש תהיה זולה יותר מהפקת חשמל מפחם. כמו כן צריך להבין שכיום לא ניתן להעביר באופן מלא את הפקת החשמל לשימוש באנרגיה מתחדשת כי יש בעיה של אגירה. יכולות אגירת האנרגיה כיום (הכוונה למצברים וכדומה) עדיין לא מספיק טובות. עם זאת, כיום ניתן לבנות חווה סולארית שתוכל לספק 20-30% מצריכת החשמל הארצית בזמנים מסוימים שבהם נזדקק לה, למשל ביום קיץ חם שבו כל המזגנים פתוחים.

רציתי גם להבהיר שאנרגיה סולארית אינה יכולה לשמש כתחליף לדלקים במכוניות, ולא תפתור את בעיית מחירי הדלק. לפחות כל עוד המכוניות אינן כולן חשמליות. המטרה היא לנסות להחליף חלק מתחנות הכוח הפחמיות.

אוקיי, ספר לי איך הופכים אנרגית שמש לחשמל

ישנן שתי שיטות עיקריות להפיכת אנרגית שמש לחשמל, הראשונה קשורה בחום והשניה קשורה באור.

חלקינו וודאי זוכרים שכילדים היינו משתמשים בזכוכית מגדלת כדי לשרוף דברים. בדומה, השיטה הראשונה היא לרכז את אור השמש לנקודה אחת חמה (בעזרת עדשות או מראות) שבה נחמם נוזל כך שייוצר קיטור. הקיטור יסובב טורבינה בדומה לתחנת כוח רגילה וכך יופק חשמל. תחנת כוח כזאת נקראת תחנה תרמו-סולארית.

בארץ כבר פועלות תחנות ניסיוניות לדוגמא של BrightSource ליד דימונה ו-Aora ליד קיבוץ סמר בערבה.

השיטה השניה נקראת המרה פוטו-וולטאית. מדובר בהתקנים מיוחדים שבהם האור שנקלט הופך ישירות לחשמל ללא המרה נוספת בדרך. התקנים אלה בנויים מחיבור בין שני חומרים שונים שביניהם נוצר שדה חשמלי עקב החיבור. לרוב (אבל לא תמיד) מדובר בשתי פיסות סיליקון הנבדלות בסוג החומרים הנוספים שהוכנסו לתוכן. כאשר האור פוגע בסיליקון הוא גורם לשחרור של אלקטרונים. אלקטרונים משוחררים אלה ינועו בעקבות השדה החשמלי הפנימי בכיוון קבוע וכך נוכל לקבל זרם. ישנם רכיבים חשמליים שימירו את הזרם הישר לזרם חילופין ויתאימו אותו לרשת החשמל הביתית.

מהם הנושאים שמעניינים את החוקרים בתחום?

אפשר לחלק את מחקר תאי השמש לשתי אסכולות עיקריות. החוקרים באסכולה הראשונה מנסים לייצר את התא הטוב ביותר שניתן, כך שמאותו תא יוכלו לייצר יותר חשמל. החוקרים באסכולה השניה לא מעוניינים בתאים היעילים ביותר אלא בפיתוח התאים הזולים ביותר. כל אסכולה מכתיבה את החיפוש אחר החומרים ותהליכי הייצור המתאימים לה.

מחירם של תאים באיכות גבוהה מאוד (אסכולה ראשונה) הוא בדרך כלל גבוה בהתאמה, ולכן נרצה לנצל אותם באופן מקסימלי. לשם כך רצוי להשתמש בריכוז קרינה על ידי עדשות או מראות. כלומר, אנו נדאג שכמות רבה מאוד של אור שמש תגיע לכל תא. הרווח הישיר הוא בכך שנזדקק למספר נמוך יותר של תאים. מסיבה זאת, חוקרים רבים עוסקים באופטימיזציה של מערכות ריכוז קרינה עבור תאי-שמש. את התאים יש לקרר כדי לא לאבד את הנצילות הגבוהה.

רגע, רגע, מה זאת נצילות?

הנצילות עונה על השאלה: איזה חלק מהאור שנכנס לתא הופך לחשמל. ההערכה המקובלת בארץ היא שביום שטוף שמש מקבלים על מטר רבוע קילוואט של קרינת אור. אז לדוגמא תא בגודל מטר על מטר ובעל נצילות של 20 אחוז יפיק כ-200 וואט. תא סיליקון סטנדרטי שנמכר לצרכן הוא בדרך כלל בעל נצילות של כ-15%. התא הסיליקון הטוב ביותר שנבנה עד היום הגיע לנצילות של 24%. השיא כיום הוא תא מיוחד (לא תא סיליקון רגיל) שבו, בתנאי מעבדה מסוימים*, נמדדה נצילות של 43%, אך תאים אלה יקרים מאוד ומשמשים כיום בעיקר ללוויינים.

על מה אתה עובד בימים אלה?

באוניברסיטה אנחנו בדרך כלל מחפשים את הדבר הבא בתחום. אחד הפרויקטים שאנחנו עובדים עליו עוסק במציאת דרכים חדשות ויעילות יותר מאלה שדיברתי עליהן להמיר אנרגיית שמש לחשמל. פרויקט זה בעצם לא עוסק בתא פוטו-וולטאי. מדובר בהתקן המורכב משתי פלטות, אחת מתכתית ואחת ממוליך למחצה, וביניהן וואקום. אחת הפלטות מחוממת והשניה מוחזקת בטמפרטורה נמוכה ככל האפשר. קרינת האור הפוגעת בפלטה החמה גורמת לשחרור של אלקטרון בתהליך שנקרא פליטה תרמיונית. בין שתי הפלטות ישנו שדה חשמלי הדואג שהאלקטרון הנפלט יגיע ללוח השני וכך נוצר זרם. כמו כן, מסתבר שככל שמחממים ומקרינים התקן זה בעוצמה גבוהה יותר, כך הוא עובד בצורה יעילה יותר. לפני כשנתיים התפרסם מאמר בכתב-העת Nature materials שהראה שהקרינה הפוגעת בלוח מגבירה בצורה משמעותית את קצב פליטת האלקטרונים.

מחישובים שביצענו הגענו למסקנה שניתן לרכז קרינה על התקן זה כך שהוא יגיע לטמפרטורה הרצויה ויקבל מספיק אור. במצב זה הראנו שניתן, באופן תיאורטי, להגיע לנצילות גבוהה מ-40 אחוז! בנוסף לכך, מכיוון שהתא נמצא בטמפרטורה גבוהה מאוד (כמה מאות מעלות צלזיוס על הלוח הקר), נוכל להשתמש בו בצורה דומה למערכת תרמו-סולארית.

נשמע אידיאלי, האם נפתרו בעיות האנרגיה בעולם?

עוד לא. ראשית, יש להמשיך ולפתח את התיאוריה משום שהיא עדיין אינה מגובשת כפי שהיינו רוצים. דבר שני שחשוב מאוד לציין הוא שמערכת כזאת בעצם מעולם לא נבנתה. אחד השלבים הבאים של הפרויקט יהיה לבנות מערכת שבעזרתה נוכל להראות שניתן ליישם את הרעיונות התיאורטיים במציאות. בנייה של מערכת כזאת מכילה בתוכה אתגרים רבים ומגוונים. לאחר שנתגבר עליהם אולי נוכל להציג לעולם דרך חדשה ויעילה יותר ‘לקצור’ את אנרגיית השמש.

* עידכון מה-11.06.12

——————————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂