פתרונות אקטיביים לניצול אנרגיה סולרית
המאמר מספק פתרונות שונים לניצול אנרגיה סולארית
תרשים 1 - סוגי מערכות - פתוחה/סגורה | ניצול אנרגיה סולרית באופן אקטיבי נעשה על ידי המרתה לאנרגיה מסוג אחר (אנרגיית חום או אנרגיה חשמלית) ואגירתה באמצעות שימוש באמצעים מכניים. ניצול האנרגיה נעשה בשני אופנים: 1. המרת אנרגיה סולרית לאנרגיית חום על ידי קולטים אשר מחממים מים או נוזל אחר. 2. קליטת אנרגיה סולרית על ידי תאים מיוחדים (תאים פוטוולטאים) אשר הופכים אותה לאנרגיה חשמלית. המרת אנרגיה סולרית לאנרגיית חום בשיטה זו אנו מנצלים את האנרגיה הסולרית לחימום מים לשימוש יום יומי ואף לחימום המבנה. לשיטה זו שני יישומים: - מערכת פתוחה - במערכת סולרית זו אין הפרדה בין הנוזל המתחמם (מים) לבין המים לצריכה (תרשים 1). - מערכת סגורה (מחליף חום) - במערכת סולרית זו יש הפרדה בין הנוזל המעביר חום לבין המים לצריכה. |
חלוקה נוספת של מערכת זו מתבססת על סוג הכוח המניע את סחרור הנוזל:
מערכת תרמוסיפונית- במערכת זו הכוח המניע את הסחרור הוא ההפרש בצפיפות בין מים חמים למים קרים.
מערכת מאולצת - במערכת זו משאבה מזרימה את הנוזל (בין הקולטים לאוגר).
(תרשימים 2 א' וב' ו 4).
תרשים 2 א' מערכת תרמוסיפונית |
תרשים 2 ב' מערכת מאולצת |
תרשים 3 קולט שטוח
תרשים 4 מערכת תרמו-סיפונית
תמונה 5 מערכת אופקית
תרשים 6 סוגי אוגרים
תרשים 7 כיוון הקולטים v-
תרשים 8 זווית ההצבה B-
תרשים 9 זווית בין הקולטים a- | המתקן הנפוץ ביותר בשיטה זו הוא מערכת קולטי השמש הביתיים. מערכת פשוטה זו קולטת את אנרגיית השמש על ידי קולטים שטוחים קבועים (תרשים 3). קולטים אלו בנויים מ"בית קולט" שבו עוברים צינורות נוזל. מעל צינורות אלו ממוקמת שכבת קליטה בצבע שחור מט וזאת לשם קליטה טובה של הקרינה. לצבע השחור יש יתרון בכך שמקדם הבליעה שלו גבוה, אך יש לו חיסרון, בכך שהוא פולט חום ובכך מקטין את נצילות הקולט (בעיה זו נפתרת בשימוש בקולטים מתקדמים - בהמשך הפרק). בחלק העליון של הקולטים ממוקמת "השמשה" - משטח זכוכית או פלסטיק אשר מעביר את הקרינה למשטח הקליטה. מבנה זה יוצר אפקט חממה בתוך , חלל הקולט, אשר משפר את נצילות האנרגיה הסולרית (קולטים אלו חייבים להתאים לתקן הישראלי 579).
האוגר (הדוד) - זהו מכל אשר שומר על חום המים (אשר התחממו בקולטים), ובנוסף, משמש כמכל שבו מתחממים המים על ידי מערכת הגיבוי החשמלית. גודל האוגר נקבע לפי צורכי השימוש. אוגר גדול מדי יבזבז אנרגיה (בעונת החורף הפעלת מערכת הגיבוי החשמלית תחמם כמות מים גדולה מזו הנדרשת), ואילו אוגר קטן מדי לא ינצל לחלוטין את המערכת ויצריך חימום מים חשמלי אף בעונת הקיץ. גודל האוגר ייקבע לפי ת"י 579. מבנה האוגר - ישנם שלושה סוגים של אוגרים:
(תמונה 5 ותרשים 6). העמדה אופקית של האוגר היא היעילה ביותר. לפי מחקרי הטכניון, שימוש באוגר אופקי מאפשר לחמם רק חלק ממנו כדי להגיע לטמפרטורת שימוש ( C60 למקלחת, C45 לשימוש במטבח), ולכן אוגר אופקי מתאים למצב שנדרשת רק חלק מכמות המים שבאוגר. בנוסף, מהבחינה האסתטית קל יותר לשלבו בבניין. חסרונו של האוגר האנכי הוא בכך שכדי להגיע למים בטמפרטורת שימוש יש לחמם את כל האוגר ולהשקיע אנרגיה סולרית וחשמלית רבה יותר מזו הנדרשת לחימום באוגר אופקי. מערכת מאולצת משמשת במצב שבו לא ניתן למקם את האוגר בגובה הקולטים. במערכת זו נוצר בזבוז אנרגיה מסוים בשל השימוש במשאבה חשמלית לסחרור הנוזל. בנוסף, נגרמים הפסדי אנרגיה בצנרת הסחרור. מבחינה אדריכלית למערכת זו יתרון, שכן ניתן לשלבה ביתר קלות במבנה.
יעילות מתקן קולטי השמש הרגילים טובה אך מוגבלת, המגבלות נובעות מניצולת נמוכה יחסית המאפשרת שימוש בו רק בחלק מעונות השנה. יעילות הקולטים - יעילות הקולטים תלויה במיקומם, בכיוון שאליו הם מופנים ובמידת ההצללה עליהם. כיוון הקולטים-V- על הקולטים לפנות לצד דרום. סטייה של °30 עדיין מאפשרת נצילות טובה, אך סטייה גדולה יותר תוריד את נצילות הקולטים בצורה משמעותית. שיפור ניכר בנצילות הקולטים מושג על ידי מערכת אשר משנה את זווית הקולטים בהתאם לשינוי זווית השמש (תרשים 7). זווית ההצבה -B- הזווית המומלצת לפי הת"י היא בין 31 ל- 50. לפי מחקרי הטכניון הזווית האופטימלית היא בין °30 ל- °40 (תרשים 8). כל סטייה מזווית זו תקטין את נצילות הקולטים. זווית בין הקולטים -במקרה שהמערכת כוללת יותר מקולט אחד, יש למקם את הקולטים כך שהזווית ביניהם תהיה קטנה מ- °200 וגדולה מ- °140 (° a< 200 < °140). זאת כדי למנוע התקררות של חלק מהמערכת בשעות מסוימות ביום (תרשים 9 ). נתונים מספריים מפורטים ניתן למצוא בת"י 579 ובפרסום של המכון הלאומי לחקר הבנייה שליד הטכניון - "שימוש בדודי שמש בישראל", הלל ארקין, 1996. הצללה על הקולטים - לניצול נכון של הקולטים חשוב שלא יוטל עליהם צל מהצד או מהחזית. לפי התקן, כדי למנוע הצללה זו דרוש לשמור על מרחק נכון בין קצה הקולט לבין הגורם המטיל צל: לכל 1 מטר מגובהו של הגורם המטיל צל יש לחשב מרחק של 1.35 מ' בין קצה הקולט לגורם זה. במקרה שמוטל על הקולטים צל, יש להגדילם בהתאם.
|
בעיית הצטברות האבנית - במים בארץ יש כמות גדולה מאוד של אבנית אשר מקצרת את אורך חיי המערכת. מערכת סגורה פותרת בעיה קריטית זו.
הגנה בפני קפיאה - במקומות שבהם הטמפרטורה בעונת החורף יורדת מתחת לנקודת הקיפאון של המים, יש להתקין מערכת מתאימה (פרטים ניתן לקבל מיצרני הקולטים).
הצנרת- ככל שאורך הצנרת גדול יותר, כך גם גדלים הפסדי האנרגיה. בידוד הצנרת עוזר להפחית הפסדים אלו, אך אינו מונע אותם.
התקנת מערכת החשמל -בהתאם לת"י 579.
גיבוי - במערכות סולריות חייב להיות גיבוי לתקופות שבהן האנרגיה הסולרית אינה מספיקה לחימום המים ולמקרה שדרושה כמות מים חמים גדולה מזו הנאגרת בדוד.
חיסכון בהפעלת מערכת החימום החשמלי מושג על ידי שימוש במערכת חיישן אלקטרוני. מערכת זו מראה את כמות המים הזמינים בדוד (בטמפרטורת השימוש). מערכת זו כוללת חיישנים אשר ממוקמים באזורים שונים באוגר. בצורה כזו ניתן לקבל אינדיקציה על כמות המים החמים הזמינים. ניתן לשלוט על כמות המים הרצויה וזאת על ידי מערכת המחלקת את האוגר לכמה אזורים ומאפשרת חימום חלקי.
המערכת מופעלת ומופסקת באופן אוטומטי בהתאם לתכנות, וכך מחוממים המים בדיוק במידה הנדרשת ולא מעבר לכך. במקרה שיש די מים חמים באוגר, המערכת החשמלית אינה מופעלת כלל.
אי הוודאות לגבי כמות המים החמים באוגר, אשר גורמת לנו להפעיל מערכת החימום החשמלית, נחסכת.
תמונה 10 קולט מתקדם
תרשים 11 קולטי צינור זכוכית
תמונה 12 קולטים אנכיים התמונות באדיבות חברת "סולל בונה"
תמונה 13 תאים פוטוולטאים-טכנולוגיית החלל
תרשים 14 תא פוטוולטאי
תרשים 15 מערכת פוטוולטאית | מערכות מתקדמות מערכות מתקדמות של קולטים פותחו על ידי חברת סולל הישראלית. מערכות קולטים מתקדמות אלו הן בעלות רמת נצילות גבוהה מאוד, המתקבלת על ידי שיפור מערכות הקליטה. במערכת הראשונה, שיפור זה בא לידי ביטוי בשימוש במשטח רפלקטיבי הממרכז את הקרינה בצינור הנוזל, אשר מצופה בציפוי מיוחד, ובשיפור הבידוד של הקולטים. השיפורים הללו יוצרים נצילות גבוהה יותר במשך כל עונות השנה (תמונה 10).
המערכת השנייה של החברה, המתקדמת אף יותר, בנויה מצינורות זכוכית בוואקום, הכוללים בתוכם משטח רפלקטיבי וצנרת קליטה (תרשים 11). בגלל הנצילות הגבוהה של הקולטים המתקדמים של המערכות הללו, ניתן למקם אותם בחזית הדרומית אף בצורה אופקית (תמונה 12), דבר שמהווה יתרון מבחינה ויזואלית ומאפשר את הגדלת של שטח פני הקולטים בחזית הדרומית. מיקום הקולטים הרגילים בבנייה רוויה למגורים מהווה בעיה תכנונית. בעיה זו באה לידי ביטוי בבנייני מגורים אשר על גגותיהם אנו מוצאים מבנה גדול אשר מטרתו היחידה היא להכיל ולהסתיר את הקולטים. קולטים אלו, בגלל נצילותם הגבוהה, יכולים לשמש לא רק לחימום המים לשימוש שוטף אלא גם לחימום המבנה - זאת על ידי הזרמת הנוזל או המים בצנרת תת רצפתית או בקירות המבנה. מערכות גדולות אף יכולות לספק מיזוג אוויר למבנה על ידי מערכת קו-גנרציה. מערכת מתקדמת זו מאפשרת חימום כמות גדולה של מים או נוזל לטמפרטורות גבוהות ברוב ימות השנה.
תאים פוטוולטאים טכנולוגיה זו נלקחה מטכנולוגיית החלל (תמונה 13). בתחילת שנות השבעים, בעקבות משבר הנפט, נעשה מאמץ לשלב את עקרונות טכנולוגיית החלל במערכות של מבני מגורים במטרה לאפשר למבני מגורים לספק לעצמם את תצרוכת החשמל. טכנולוגיה זו הופכת את האנרגיה הסולרית לאנרגיה חשמלית על ידי תאים פוטוולטאים. תאים אלו בנויים משתי שכבות סיליקון (תרשים 14). השכבה העליונה בעלת אלקטרון עודף והשכבה התחתונה בעלת אלקטרון חסר. קרינת השמש יוצרת מצב של מתח חשמלי בין השכבות, אשר מייצר מתח ישר (DC) בתא. המתח החשמלי, שנוצר במספר גדול של תאים, נאגר בסוללות ומספק את תצרוכת המבנה (ואף מחזיר חשמל לרשת) (תרשים 15). למערכת זו כמה חסרונות: 1. ניצולת התאים נמוכה יחסית- בין 10% ל-15%, כך שדרוש שטח גדול יחסית של קולטים. 2. ניצולת התא הפוטוולטאי יורדת ככל שהטמפרטורה עולה. תכונות בעייתיות אלה והרצון להשתמש במערכת גם לצורך חימום המים למבנה ולהימנע מכפל מערכות יצרו כמה פיתוחים של מערכות משולבות. מערכות אלו מנצלות את העובדה שמים זורמים מצננים את התאים ובנוסף מתחממים בעצמם ובכך חוסכים מערכת נוספת של חימום מים. מערכות אלו אף משלבות חללי זרימת אוויר אשר מחממים את המבנה בעונת החורף, ויוצרים תחלופת אוויר בקיץ. המערכות מאפשרות בנייה בבלוק מודולרי. מערכות אלה הן פטנטים ישראליים ופותחו על ידי עמי אלעזרי. המערכות המבוססות על תאים פוטווולטאים משולבות באין ספור בניינים ושכונות בעולם ודגש רב מושם על פיתוחן ויישומן בבנייה. ללא ספק טכנולוגיה זו היא העתיד בכל הקשור לאנרגיה הסולרית והיא אינה בגדר מדע בדיוני.
|
