"אנרגית השמש" הוא שם כולל לסך כל ההשפעות של השמש על הפעילות שלנו על פני כדור הארץ. יש הנהנים מאור מן השמש לתאורה, אחרים מתחממים ממנה. יש המייצרים חשמל מן השמש, אחרים מקררים אוויר באמצעותה. צמחים יצליחו לגדול בזכותה, בני האדם יתרפאו ממנה, ויש גם מי שיתפלל כל בוקר עבורה. מהו הסוד של השמש? במאמר הבא נדון בתהליכי הגלגול של אנרגיית השמש לצורותיה השונות.
"השמש מחממת". ככה למדנו כבר מגיל צעיר וככה אנחנו מרגישים כמעט בכל פעם שאנחנו יוצאים מהבית. גם המדרכה החמה, האספלט על הכביש, חלונות הזכוכית, מעקה הבטיחות – כולם חמים מאוד. רבים מאתנו התרגלנו לחשוב שחום השמש זה בכלל חוק יסוד בטבע. גזירה שלא ניתן לשנות.
במבט מעמיק יותר על המציאות נראה שאין לכאורה קשר ישיר בין טמפרטורה של גופים ומשטחים לבין קרינת השמש היוקדת עליהם. בני אדם וצמחים למשל לא ישנו את הטמפרטורה שלהם תחת חשיפה לשמש. חומרים מסוימים יגדילו את הטמפ' שלהם עד למקסימום כלשהו, ללא קשר לגודל עוצמת הקרינה. חומרים אחרים יתחממו עד לנקודת מסוימת ואז דווקא יתחילו להתקרר (!) – כמו מים בתוך בקבוק סגור וחשוף לשמש. במצבים מסוימים קרינת השמש אף תגרום לאפקט קירור – כמו אוויר קר בתוך מערה למשל. והדוגמאות עוד רבות…
הקשר בין קרינת השמש לבין הטמפרטורה הוא בהחלט קיים אך קצת יותר מורכב ממה שרבים נוטים לחשוב. כדי להבין את היחסים בין השניים צריך לצלול אל כללים ונוסחאות מעולמות הנדסיים שונים (כמו: פיזיקה, קרינה סולארית, אלקטרומגנטיות, תרמודינמיקה, מטאורולוגיה, זרימת אוויר, מעבר חום ועוד). יחד עם זאת, הבנת הקשר העמוק שבין חום לקרינת השמש היא הכרחית לכל שיטה לפינוי חום, חשמלית או טבעית. רק ע"י הבנה יסודית של מקור החום ואופן השפעתו על המבנה שלנו נוכל להתמודד איתו ביעילות, וגם לחסוך משמעותית בצריכת אנרגיה.
במאמר הבא אנסה להסביר את הקשר שבין קרינת השמש לחום בצורה אינטואיטיבית ופשוטה יותר להבנה. סימוכין לנוסחאות ההנדסיות הרלוונטיות יופיע לצד חלק מהתרשימים.
תהליך גלגול אנרגית השמש
ניתן לתאר את התגלגלות האנרגיה התרמית באופן סכמטי ע"י אנלוגיה לזרימת מים:
(1) השמש "זורקת" כמויות אדירות של מים צלולים על פני כלים שונים: צינורות, קערות רחבות, קערות עמוקות, משפכים וכו'.
(2) תחילה, הכלים מצמצמים את כמות המים בגלל עצם טבעם (ולא בגלל צורתם או גודלם). חלק מן המים יגיעו אל הכלי וחלק ישפכו הצידה. כך גם חלק מאנרגית השמש תיכנס אל הכלי בצורת גלים אלקטרומגנטיים קצרי טווח וחלק "יישפכו" בצורת גלים ארוכי טווח (עפ"י ספקטרום הבליעה הייחודי של הכלי). חלוקה אחרת הוליסטית יותר תחלק את קרינת השמש הנקלטת בחומר למובנים של אור וחום (במובן של פוטנציאל אנרגטי ולא כחום ממש), או לחומרים "לבנים" וחומרים "שחורים".
(3) כמות המים האפשרית להמשך זרימה בתוך הכלי תלויה בנפח הכלי. לדוגמא: קערה גדולה תאפשר זרימה גדולה וממושכת יותר של מים בתוך הקערה ביחס לקערה שטוחה (בה המים ימלאו את הקערה מהר מאוד). כך גם כמות גדולה של בטון תאפשר אגירה גדולה יותר של אנרגית שמש ולמשך זמן רב יותר מאשר לוח אלומיניום. כמות המים האפשרית להמשך זרימה של מים אל מחוץ לכלי תלוי בגודל הפתח. לדוגמא: פתח יציאה גדול (צינור למשל) יאפשר יותר יציאה של מים מאשר משפך או קערה. כך גם גופים שקופים או מבריקים ("פתח גדול") יאפשרו יותר יציאה של אנרגית שמש מאשר גופים אפורים ("פתח קטן") או שחורים ("פתח סגור").
(4) כמות המים שתזרום בפועל דרך פתח היציאה של הכלי תלויה בעבודה של המים לטובת המשך קיום החיים. לדוגמא, צמחים, או גלגל טורבינה הנמצאים בצמוד לפתח היציאה של המשפך יאפשרו זרימה טובה יותר של מים לטובת גידול הצמחים או ייצור חשמל, מאשר מכסים בצורות שונות (שיפריעו לזרימת מים חופשית). כך גם חומרי גלם "לבנים" יותר ישמשו להמשך קיום החיים בצורות שונות: תאורה, חימום / קירור אוויר, ייבוש חומרים, תקשורת אופטית, דחיסת אוויר, צביעה, פוטוסינתזה, ייצור חשמל (PV), ויטמין D, הורדת לחץ דם, גידול מסה (צמחייה), ועוד.
(6) כמות המים שתזרום בפועל דרך פתח היציאה של הכלי תלויה גם בעבודה של המים לטובת מילוי כלים אחרים סמוכים לזרימת המים. לדוגמא: כוס ריקה, צינור או אוויר חופשי יהיו "צמאים" יותר למים ולכן יאפשרו זרימה טובה יותר של מים דרך פתח המשפך. לעומתם, כוס מלאה, ספוג או פקקים שונים יפריעו / יעכבו את זרימת המים. באותו האופן גם גופים קרים וקרובים יאפשרו יותר זרימה טובה יותר (מילוי) של אנרגיה מגופים חמים אליהם, לעומת גופים חמים (אליהם אי אפשר למסור חום). כמות המים לטובת מילוי כלים אחרים נקרא אנרגיה תרמית.
(5) כמות המים שלא זרמה דרך פתחי הכלי או בתוך הכלי מכל סיבה שהיא, בין בגלל עצם טבעו, גודל הכלי, נפח הכלי וצורתו ובין בגלל אי העברת המים להמשך קיום החיים או למילוי כלים אחרים – בהכרח גם תישפך מן הכלי. בסופו של עניין, כמות המים שנשפכה מן הכלי – היא טמפרטורת הכלי !
כדי למנוע שינויים בטמפרטורה של גופים, כמו גם לחסוך באנרגיה למיזוג אוויר, עלינו פשוט לאפשר לאנרגיית השמש לזרום בטבעיות (כמו מים) אל צורות אנרגיה טבעיות אחרות.
טמפרטורת משטחים – דוגמאות
נבחן את הטמפרטורה המתפתחת על מספר גלם נפוצים עפ"י האנלוגיה שתיארנו. משטחי הבדיקה יהיו: משטח שחור, משטח לבן, משטח מבריק, משטח PV, צמחייה ירוקה, ומשטח בטון.
חום וקרינה סולארית – סיכום
אז מה הבנו?!
- השמש היא המקור למגוון רחב מאוד של צורות אנרגיה בטבע: אור, חום, תהליכים כימיים ועוד. אנרגית השמש היא כח עצום המקיים תהליכים רבים בכד"א: תהליכים ביולוגיים, גידול צמחים, תאורה, חימום, ייצור חשמל ועוד. צורת האנרגיה שתתפתח תלויה באופי מהשטח בלבד. למשל, קרן שמש המוקרנת על משטח PV תייצר חשמל, על משטח לבן מבריק היא תייצר אור, על משטח כהה היא תייצר חום בקרינה, על משטח אבן היא תייצר חום באגירה, על משטח ביולוגי היא תייצר חומר (גידול מסת הצומח), על 'משטח' אוויר היא תייצר אדי מים ועוד. חום הוא רק אחד מתוצרי הקרינה האפשריים של השמש.
- אופן החלוקה בין צורות האנרגיה השונות הוא מוגבל ותלוי במאפייני החומר. כמו השמש, גם שאר החומרים בטבע מעבירים אנרגיה אל חומרים אחרים, אם כי בכמות סופית ומוגבלת. למשל, משטח PV יעביר את כל האנרגיה שקיבל מהשמש לצורות אחרות כמו חשמל, חום ואור. באופן עקרוני סך כל האנרגיה (100%) תתחלק בין שלושה מרכיבים: כ-21% חשמל, 75% חום ו-4% אור ואחרים. דוגמא אחרת: סך כל האנרגיה הנופלת על משטח מתכת תתחלק בין אור וחום, כאשר משטח בהיר ומבריק יקלוט יותר אנרגית אור ופחות חום בהשוואה למשטח מט וכהה. במילים אחרות, ככל שגוף יפלוט יותר אנרגיות שימושיות (Useful energy) כך הוא יפלוט פחות חום.
- כמות החום הנפלטת מגוף אחד לשני היא זו שלא עברה 'בקלות' אל גופים אחרים. כמו צורות האנרגיה האחרות, גם גופים חמים מעביר את החום שלהם אל משטחים אחרים, אולם סך כל החום העובר היא סופית ותלויה ביחסים שבין כלל הגופים במרחב. למשל, משטח למתכת חם בהיר ומבריק בחדר ממוזג (מסגרת אלומיניום מבריקה למשל) תהיה נטייה להעביר את חומו ישירות אל האוויר (העברת חום בהסעה) ופחות אל גופים מרוחקים יותר. לעומתו, משטח זהה בגוון מט כהה 'יעדיף' להעביר את חומו ישירות אל גופים מרוחקים (העברת חום בקרינה) ופחות אל האוויר הסמוך לו. כמות החום שתועבר בין הגופים השונים תלויה גם בשינויי הטמפרטורה שלהם עם הזמן. למשל: משטח בגוון מט כהה לאחר כ-60 דק' חשיפה לשמש יעביר פחות חום בקרינה אל גופים מרוחקים ויותר חום בהסעה אל האוויר. במילים אחרות, ככל שההתנגדות למעבר חום בזמן נתון בין שתי גופים תהיה גדולה יותר ביחס לגופים האחרים במרחב, כך יעבור פחות חום בין השניים.