אנרגיה סולארית תרמית: ניצול חום השמש באמצעות מערכות איסוף ואגירה

טכנולוגיה סולארית תרמית מציעה מסלול רב עוצמה ורב-תכליתי לניצול אנרגיית השמש. בניגוד למערכות פוטו-וולטאיות (PV) הממירות את אור השמש ישירות לחשמל, מערכות סולאריות תרמיות קולטות את חום השמש כדי לייצר מים חמים, אוויר חם או קיטור. אנרגיה תרמית זו יכולה לשמש ישירות לחימום וקירור, או לייצור חשמל באמצעות טורבינות קיטור. יתרה מכך, יתרון מרכזי של אנרגיה סולארית תרמית הוא יכולתה להשתלב עם מערכות אגירת אנרגיה תרמית (TES), המאפשרות לאגור אנרגיה ולהשתמש בה כאשר אור השמש אינו זמין, ובכך להתמודד עם אתגרי ההפכפכות שעומדים בפני מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים.

הבנת איסוף אנרגיה סולארית תרמית

ליבת כל מערכת סולארית תרמית היא הקולט, האחראי על ספיגת קרינת השמש והמרתה לחום שימושי. קיימים סוגים שונים של קולטים, כאשר כל אחד מהם מתאים ליישומים וטווחי טמפרטורה ספציפיים.

סוגי קולטים סולאריים תרמיים

• קולטי פלטה שטוחה: אלו הם הסוג הנפוץ ביותר של קולטים סולאריים תרמיים, המשמשים בדרך כלל לחימום מים ביתי וחימום חללים. הם מורכבים מלוח קולט בצבע כהה, שלרוב מחוברים אליו צינורות או תעלות, ומכוסים בזיגוג שקוף. לוח הקולט סופג את קרינת השמש ומעביר את החום לנוזל (מים או תמיסת נוזל קירור) הזורם דרך הצינורות. קולטי פלטה שטוחה הם פשוטים יחסית בעיצובם, חסכוניים ומתאימים ליישומים בטמפרטורה נמוכה (עד 80°C).
• קולטי צינורות ואקום: קולטים אלה מציעים יעילות גבוהה יותר מקולטי פלטה שטוחה, במיוחד באקלים קר ובטמפרטורות גבוהות יותר. הם מורכבים מצינורות זכוכית נפרדים המכילים ואקום. הוואקום ממזער את אובדן החום באמצעות הסעה והולכה, ומאפשר טמפרטורות הפעלה גבוהות יותר. קולטי צינורות ואקום משמשים לעתים קרובות לחימום מים ביתי, חימום חללים ויישומי חום תהליכי תעשייתי.
• קולטי שמש מרוכזים (CSP): קולטים אלה משתמשים במראות או עדשות כדי למקד את אור השמש על קולטן קטן יותר, ובכך לרכז את האנרגיה הסולארית ולהשיג טמפרטורות גבוהות הרבה יותר. טכנולוגיות CSP משמשות בדרך כלל לייצור חשמל וחום תהליכי תעשייתי. דוגמאות לטכנולוגיות CSP כוללות:
  • קולטי שוקת פרבולית: קולטים אלה משתמשים במראות קעורות כדי למקד את אור השמש על צינור קולטן הממוקם לאורך קו המוקד של השוקת. נוזל העברת חום (HTF), כגון שמן או מלח מותך, זורם דרך צינור הקולטן וסופג את האנרגיה הסולארית המרוכזת. מערכות שוקת פרבולית נמצאות בשימוש נרחב לייצור חשמל.
  • מגדלי שמש: מערכות אלו משתמשות בשדה של מראות (הליוסטטים) כדי להחזיר את אור השמש אל קולטן מרכזי הממוקם על גבי מגדל. האנרגיה הסולארית המרוכזת מחממת נוזל עבודה (מים, מלח מותך או אוויר) בקולטן, אשר משמש לאחר מכן לייצור חשמל.
  • מערכות צלחת/מנוע: מערכות אלו משתמשות במחזירי אור בצורת צלחת פרבולית כדי למקד את אור השמש על קולטן, המחובר ישירות למנוע חום (למשל, מנוע סטרלינג). מנוע החום ממיר את האנרגיה התרמית לאנרגיה מכנית, המשמשת לאחר מכן לייצור חשמל.

גורמים המשפיעים על ביצועי הקולט

מספר גורמים משפיעים על הביצועים של קולטים סולאריים תרמיים, כולל:

• קרינת שמש: כמות קרינת השמש הפוגעת בפני השטח של הקולט משפיעה ישירות על כמות החום הנספג.
• טמפרטורת הסביבה: טמפרטורות סביבה גבוהות יותר יכולות להפחית את יעילות הקולט, שכן הפרש הטמפרטורות בין הקולט לסביבה קטן.
• כיוון וזווית הנטייה של הקולט: הזווית והכיוון של הקולט ביחס למיקום השמש משפיעים באופן משמעותי על כמות קרינת השמש הנקלטת. זוויות כיוון והטיה אופטימליות משתנות בהתאם לקו הרוחב ולתקופה בשנה.
• יעילות הקולט: יעילות הקולט קובעת כמה מקרינת השמש הפוגעת מומרת לחום שימושי.
• תנאי מזג אוויר: תנאי מזג אוויר מעוננים או קודרים מפחיתים את קרינת השמש ומשפיעים לרעה על ביצועי הקולט.

מערכות אגירת אנרגיה תרמית (TES)

אגירת אנרגיה תרמית (TES) היא רכיב חיוני במערכות סולאריות תרמיות רבות, המאפשרת אגירת חום לשימוש מאוחר יותר. זה מאפשר לנצל אנרגיה סולארית גם כאשר אור השמש אינו זמין, כמו בלילה או בימים מעוננים. TES יכולה לשפר באופן משמעותי את האמינות ויכולת האספקה לפי דרישה של אנרגיה סולארית תרמית, מה שהופך אותה לחלופה בת-קיימא יותר לדלקים מאובנים.

סוגי אגירת אנרגיה תרמית

• אגירת חום מורגש: זהו הסוג הנפוץ ביותר של TES, הכולל אגירת אנרגיה תרמית על ידי העלאת הטמפרטורה של תווך אגירה, כגון מים, שמן, סלע או בטון. כמות האנרגיה הנאגרת תלויה בקיבולת החום הסגולית של חומר האגירה, במסה שלו ובשינוי הטמפרטורה. אגירת חום מורגש היא פשוטה וחסכונית יחסית, אך היא עשויה לדרוש נפחי אגירה גדולים.
• אגירת חום כמוס: סוג זה של TES מנצל את החום הנספג או הנפלט במהלך שינוי פאזה של חומר, כגון התכה או קיפאון. חומרים משני פאזה (PCMs) יכולים לאגור כמות אנרגיה גדולה משמעותית ליחידת נפח מאשר חומרי אגירת חום מורגש. PCMs נפוצים כוללים שעוות פרפין, מלחים הידרטיים ותרכובות אורגניות. אגירת חום כמוס מציעה צפיפות אנרגיה גבוהה יותר בהשוואה לאגירת חום מורגש, אך PCMs יכולים להיות יקרים יותר ודורשים תכנון קפדני כדי להבטיח העברת חום יעילה.
• אגירה תרמוכימית: סוג זה של TES כרוך באגירת אנרגיה באמצעות תגובות כימיות הפיכות. כאשר מופעל חום, התגובה הכימית סופגת אנרגיה, וכאשר התגובה הופכת, אנרגיה משתחררת. אגירה תרמוכימית מציעה פוטנציאל לצפיפויות אנרגיה גבוהות מאוד ואגירה לטווח ארוך, אך זוהי טכנולוגיה מורכבת יותר שעדיין נמצאת בפיתוח.

גורמים המשפיעים על ביצועי TES

מספר גורמים משפיעים על הביצועים של מערכות אגירת אנרגיה תרמית, כולל:

• קיבולת אגירה: כמות האנרגיה התרמית שמערכת האגירה יכולה להכיל.
• יעילות אגירה: אחוז האנרגיה שאוגרה וניתן לשחזר.
• קצבי טעינה ופריקה: הקצב שבו ניתן לאגור ולשחרר אנרגיה.
• משך האגירה: משך הזמן שניתן לאגור אנרגיה ללא הפסדים משמעותיים.
• תכונות חומר האגירה: המוליכות התרמית, קיבולת החום הסגולית ותכונות אחרות של חומר האגירה.

יישומים של טכנולוגיה סולארית תרמית

לטכנולוגיה סולארית תרמית יש מגוון רחב של יישומים, המשתרעים על פני המגזרים הביתיים, המסחריים, התעשייתיים ויישומי תשתית רחבי היקף.

יישומים ביתיים ומסחריים

• חימום מים סולארי: זהו היישום הנפוץ ביותר של טכנולוגיה סולארית תרמית, המשמש לחימום מים ביתיים לבתים ולעסקים. מערכות חימום מים סולאריות יכולות להפחית באופן משמעותי את צריכת האנרגיה ולהוריד את חשבונות החשמל. דוגמאות כוללות דודי שמש הנמצאים בשימוש נרחב במדינות כמו ישראל וקפריסין.
• חימום חללים סולארי: ניתן להשתמש במערכות סולאריות תרמיות גם לחימום מבנים ישירות, באמצעות מחממי אוויר סולאריים או על ידי הזרמת מים חמים דרך רדיאטורים או מערכות חימום תת-רצפתי.
• קירור סולארי: ניתן להשתמש באנרגיה סולארית תרמית להנעת מקררי ספיגה או מערכות קירור מבוססות סופחי לחות, המספקות מיזוג אוויר למבנים. זה אטרקטיבי במיוחד באקלים חם שבו קרינת השמש שופעת. דוגמאות כוללות מערכות קירור המופעלות באמצעות אנרגיה סולארית בכמה אוניברסיטאות במזרח התיכון.
• חימום בריכות סולארי: ניתן להשתמש בקולטים סולאריים לחימום בריכות שחייה, להארכת עונת השחייה ולהפחתת עלויות האנרגיה.

יישומים תעשייתיים

• חום תהליכי סולארי: מערכות סולאריות תרמיות יכולות לספק חום תהליכי ליישומים תעשייתיים שונים, כגון עיבוד מזון, ייצור טקסטיל וייצור כימיקלים. זה יכול להפחית את התלות בדלקים מאובנים ולהוריד את פליטת גזי החממה. אנרגיה סולארית מרוכזת (CSP) נמצאת בשימוש גובר לייצור חום תהליכי בטמפרטורה גבוהה לתעשיות.
• התפלה סולארית: ניתן להשתמש באנרגיה סולארית תרמית להפעלת מתקני התפלה, המספקים מים מתוקים באזורים צחיחים ודלי מים. דוגמאות כוללות פרויקטים של התפלה סולארית באוסטרליה ובמזרח התיכון.

יישומים בקנה מידה רחב

• תחנות כוח סולאריות מרוכזות (CSP): תחנות CSP משתמשות במערכים גדולים של מראות כדי לרכז את אור השמש על קולטן, ויוצרות חום בטמפרטורה גבוהה המשמש לייצור חשמל באמצעות טורבינות קיטור. תחנות CSP יכולות לשלב אגירת אנרגיה תרמית (TES) כדי לספק חשמל גם כאשר השמש אינה זורחת. דוגמאות כוללות את תחנת הכוח הסולארית נור וארזאזאת במרוקו ואת מערכת ייצור החשמל הסולארית איוונפה בקליפורניה, ארה"ב.
• חימום אזורי בסיוע סולארי: ניתן לשלב מערכות סולאריות תרמיות עם רשתות חימום אזוריות, המספקות מים חמים לחימום ולמים חמים ביתיים למספר מבנים בקהילה. דוגמאות כוללות מערכות חימום אזוריות בדנמרק ובגרמניה המשלבות אנרגיה סולארית תרמית.

יתרונות הטכנולוגיה הסולארית התרמית

טכנולוגיה סולארית תרמית מציעה יתרונות רבים, ההופכים אותה לפתרון משכנע לעתיד אנרגיה בת-קיימא:

• מתחדשת ובת-קיימא: אנרגיה סולארית תרמית היא מקור אנרגיה מתחדש ובר-קיימא, המפחית את התלות בדלקים מאובנים וממתן את שינויי האקלים.
• יעילות אנרגטית: מערכות סולאריות תרמיות יכולות להיות יעילות מאוד מבחינה אנרגטית, ולהמיר חלק ניכר מקרינת השמש לחום שימושי.
• פליטת פחמן מופחתת: טכנולוגיה סולארית תרמית מפחיתה באופן משמעותי את פליטת הפחמן בהשוואה למערכות אנרגיה מבוססות דלקים מאובנים.
• ביטחון אנרגטי: מערכות סולאריות תרמיות יכולות לשפר את הביטחון האנרגטי על ידי הפחתת התלות בדלקים מאובנים מיובאים.
• יצירת מקומות עבודה: תעשיית האנרגיה הסולארית התרמית יוצרת מקומות עבודה בייצור, התקנה, תחזוקה ומחקר ופיתוח.
• יציבות רשת החשמל: תחנות סולאריות תרמיות עם אגירת אנרגיה תרמית (TES) יכולות לספק כוח הניתן לאספקה לפי דרישה, התורם ליציבות ואמינות רשת החשמל.
• עלות-תועלת: עלות הטכנולוגיה הסולארית התרמית ירדה באופן משמעותי בשנים האחרונות, מה שהופך אותה לתחרותית יותר ויותר מול מקורות אנרגיה מבוססי דלקים מאובנים.

אתגרי הטכנולוגיה הסולארית התרמית

למרות יתרונותיה הרבים, הטכנולוגיה הסולארית התרמית מתמודדת גם עם מספר אתגרים:

• הפכפכות: אנרגיה סולארית היא הפכפכה, כלומר זמינותה משתנה בהתאם לתנאי מזג האוויר ולשעה ביום. אגירת אנרגיה תרמית (TES) יכולה לסייע במיתון אתגר זה, אך היא מוסיפה לעלות ולמורכבות המערכת.
• שימוש בקרקע: תחנות כוח סולאריות מרוכזות (CSP) דורשות שטחי קרקע גדולים, מה שיכול להוות דאגה במיקומים מסוימים.
• צריכת מים: חלק מתחנות ה-CSP משתמשות במים לקירור, מה שיכול להוות בעיה באזורים צחיחים. טכנולוגיות קירור יבש יכולות להפחית את צריכת המים אך גם להגדיל את העלויות.
• עלויות ראשוניות גבוהות: עלות ההשקעה הראשונית במערכות סולאריות תרמיות יכולה להיות גבוהה יותר מזו של מערכות אנרגיה קונבנציונליות, אם כי עלות זו יורדת במהירות.
• תחזוקה: מערכות סולאריות תרמיות דורשות תחזוקה שוטפת כדי להבטיח ביצועים מיטביים.

עתיד הטכנולוגיה הסולארית התרמית

עתידה של הטכנולוגיה הסולארית התרמית מזהיר, עם מאמצי מחקר ופיתוח מתמשכים המתמקדים בשיפור היעילות, הפחתת עלויות והרחבת היישומים. תחומי חדשנות מרכזיים כוללים:

• עיצובי קולטים מתקדמים: פיתוח קולטים סולאריים יעילים וחסכוניים יותר.
• אגירת אנרגיה תרמית משופרת: פיתוח חומרים ומערכות TES מתקדמים עם צפיפויות אנרגיה גבוהות יותר ומשכי אגירה ארוכים יותר.
• התקדמויות באנרגיה סולארית מרוכזת (CSP): שיפור היעילות והפחתת העלות של תחנות CSP.
• שילוב עם מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים: שילוב אנרגיה סולארית תרמית עם מקורות אנרגיה מתחדשים אחרים, כגון רוח וגיאותרמית, ליצירת מערכות אנרגיה היברידיות.
• שילוב ברשת חכמה: שילוב אנרגיה סולארית תרמית ברשתות חכמות כדי לייעל את חלוקת וניהול האנרגיה.
• יישומים חדשניים: חקירת יישומים חדשים של טכנולוגיה סולארית תרמית, כגון ייצור דלקים סולאריים ותהליכים תעשייתיים המונעים על ידי השמש.

דוגמאות ויוזמות עולמיות

ברחבי העולם, מדינות וארגונים שונים מקדמים ומיישמים באופן פעיל טכנולוגיות סולאריות תרמיות. הנה כמה דוגמאות:

• תחנת הכוח הסולארית נור וארזאזאת במרוקו: תחנת כוח סולארית מרוכזת (CSP) זו היא אחת הגדולות בעולם ומשתמשת באגירת אנרגיה תרמית כדי לספק חשמל גם לאחר השקיעה. היא מייצגת השקעה משמעותית באנרגיה מתחדשת עבור מרוקו.
• מערכות החימום האזוריות של דנמרק: דנמרק היא מובילה בחימום אזורי, ורבות ממערכותיה משלבות אנרגיה סולארית תרמית כדי לספק מים חמים לבתים ולעסקים. זה עזר לדנמרק להפחית את תלותה בדלקים מאובנים ולהוריד את פליטת הפחמן.
• פרויקטי התפלה סולארית באוסטרליה: בשל האקלים הצחיח שלה, אוסטרליה השקיעה בפרויקטים של התפלה סולארית כדי לספק מים מתוקים לקהילות. פרויקטים אלה מנצלים אנרגיה סולארית תרמית להפעלת מתקני התפלה, ומפחיתים את ההשפעה הסביבתית של ייצור המים.
• משימת השמש הלאומית של הודו: משימת השמש הלאומית של הודו שואפת לקדם את פריסת טכנולוגיות האנרגיה הסולארית, כולל אנרגיה סולארית תרמית, ברחבי המדינה. המשימה כוללת יעדים לחימום מים סולארי, חום תהליכי סולארי ואנרגיה סולארית מרוכזת (CSP).
• מפת הדרכים הסולארית-תרמית של האיחוד האירופי: האיחוד האירופי פיתח מפת דרכים סולארית-תרמית המתווה אסטרטגיות להגברת פריסת טכנולוגיות סולאריות תרמיות ברחבי אירופה. מפת הדרכים כוללת יעדים לחימום מים סולארי, חימום חללים סולארי וחימום אזורי סולארי.

סיכום

טכנולוגיה סולארית תרמית מציעה מסלול מוכח ורב-תכליתי לניצול אנרגיית השמש למגוון רחב של יישומים. על ידי לכידה ואגירה של חום השמש, מערכות אלו יכולות לספק מקור אנרגיה אמין ובר-קיימא לבתים, עסקים ותעשיות. ככל שהטכנולוגיה ממשיכה להתקדם והעלויות יורדות, האנרגיה הסולארית התרמית צפויה למלא תפקיד חשוב יותר ויותר במעבר העולמי לעתיד של אנרגיה נקייה. שילוב אגירת אנרגיה תרמית (TES) הוא חיוני להתמודדות עם הפכפכות ולהגברת יכולת האספקה של אנרגיה סולארית תרמית, ובכך לחזק עוד יותר את מעמדה כמרכיב מפתח בסל אנרגיה מגוון ובר-קיימא.