זאת שאלה ממש לא פשוטה והסיבה העיקרית היא שלמרות שבשני המקרים מקור האנרגיה הוא אור השמש התהליכים המתרחשים אינם זהים ולכן הם גם נמדדים בצורה אחרת.
בנוסף יש פרמטרים נוספים שמשפיעים כמו טמפרטורה, האם עוצמת האור שפוגעת בעלה/משטח סולארי היא מרבית ועוד.
מעבר לכך יש גם אפקט של רוויה – כאשר כל הכלורופלסטים או התאים הסולאריים עובדים במלוא התפוקה הגברת עוצמת האור לא תגביר את היעילות והיא אף יכולה לגרום לפגיעה בעלה (צמחי צל למשל באור שמש מלא).


פוטוסינתזה. תמונה באדיבות ויקיפדיה

נתחיל בפוטוסינתזה. הנה חישוב מקורב ליעילות של התהליך ב 25 מעלות צלסיוס, מתוך האור שנופל על העלה:
(1). בתור התחלה חשוב לזכור שהכלורופלסטים בצמח רגישים רק לחלק מהספקטרום של האור (יש מספר סוגים הרגישים לאורכי גל מעט שונים); מדובר על הטווח של 400 ועד 700 ננומטר. לכן מלכתחילה הצמח מסוגל לנצל רק 53% מהפוטונים! (כלומר 47% מאנרגית השמש כלל לא מנוצלת).
(2). מתוך ה 53% בטווח הנכון כ 30% מהפוטונים "הולכים לאיבוד" בגלל שהם פשוט פגעו במקום הלא נכון – כלומר לא פגעו בכלורופלסט אלא לידו. לכן נשארו עם 37% מהאנרגיה ההתחלתית.
(לא להתבלבל, 30% הם מתוך ה53% מה שנותן לנו בערך 16% ולכן 53 פחות 16 שווה 37).
(3). מתוך ה 37% הנותרים עוד 24% "הולכים לאיבוד" בגלל חוסר התאמה ברמות האנרגיה בין הפוטונים למנגנון הקולט בכלורופלסט. נותרנו עם כ 28%.
(4). תהליך הפוטוסינתזה עצמו הוא בעל יעילות של 30% בהפיכת ה ATP וה NADPH לגלוקוזה לכן נותרנו עם כ 9-10% מהאנרגיה ההתחלתית.
(5). רגע, כאן הסיפור לא הסתיים. העלה הרי בעצמו צורך אנרגיה לפעולה וכמו כן חשוב לזכור שבזמן חושך העלה רק צורך אנרגיה ולא מייצר. לכן כ 35-40% מהגלוקוזה המיוצרת ע"י הכלורופלסט נצרכת חזרה ע"י העלה.
כך שבסיכומו של עניין מתוך 100% קרינת שמש יש לנו יעילות של כ 5%.
אבל...
מי ששם לב לכותרת בתחילת החישוב מדובר על האור שנופל על העלה. אם נחשוב על היעילות של התהליך ביחס לכל הצמח כולו מדובר על סדר גודל של בין 0.5-2% בלבד.


כלורופלסטים בעלה. תמונה באדיבות ויקיפדיה

נשמע מעט עלוב אבל חשוב לזכור שהיתרון הגדול הוא ה"מחיר" הנמוך יחסית של יצור בית החרושת (כלומר העלה) לעץ.

החישוב של יעילות תא סולארי כבר יותר מסובך והוא מעבר למה שניתן לפרט כאן.
בגדול מתייחסים למספר פרמטרים שונים של יעילות כמו כמה פוטונים מוחזרים מהמשטח של התא הסולארי (אנחנו כמובן רוצים כמה שפחות), היעילות התרמו דינאמית של המתקן (חום), היעילות החשמלית (התנגדות). את חלק מהפרמטרים הנ"ל מאוד קשה למדוד ולכן משתמשים במדדים אחרים שמערכים ומכמתים אותם.
יעילות ממוצעת של לוח סולארי נכון ל2010 נעה בסביבות ה 20% אם כי יש מוצרים פחות איכותיים שמגרדים את ה 10%.
בתנאי מעבדה הצליחו להגיע כבר למעל 40% יעילות.


טבלה המראה את אחוזי היעילות של משטחים סולארים מסוגים שונים וההתקדמות במהלך השנים.

גם כאן חשוב לזכור מספר דברים-
בניגוד לעלים בתא סולארי טוב צפיפות הקולטנים היא הרבה יותר גבוה ויש גם פחות חלקים "מתים" שלא מבצעים המרת אנרגית שמש. לעומת זאת תאים סולאריים הרבה יותר רגישים מעלים להצטברות אבק (ראו תמונה למטה); הצטברות אבק פוגעת בצורה דרסטית ביעילות התאים הסולאריים.


הצטברות אבק על משטח סולארי. תמונה באדיבות ויקיפדיה

לסיכום – על פניו אולי נראה שתא סולארי הרבה יותר יעיל מעלה אך אם נחשוב על כל תהליך היצור והשקעת האנרגיה לפני שיצרנו מערכת שמייצרת אנרגיה נגלה שיש לנו עדיין הרבה מה ללמוד מאימא טבע.

עידכון (מאי 2011)!!
השבוע התפרסם מאמר מרתק בעיתון המדעי הנחשב Science העוסק בנושא יעילות הפוטוסינתיזה מול תאים סולאריים. המאמר חוזר פחות או יותר על הנאמר כאן (כמובן שבתר פירוט ועומק).

Comparing Photosynthetic and Photovoltaic Efficiencies and Recognizing the Potential for Improvement


מאת: ד"ר מאיר ברק
המחלקה לביולוגיה מבנית
מכון ויצמן למדע
 

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

3 תגובות

  • אבי

    עלה מלאכותי

    כדאי לקרוא - (הקטע השני) על עלה מלאכותי שפותח החודש בארה"ב שיעיל פי 10 מעלה קיים, ומשתמש במים ובאור השמש על מנת ליצר ולאגור אנרגיה (כמימן וחמצן)
    http://www.chief.co.il/magazine/2011/19/index.htm
    ובאנגלית כאן
    http://katerva.org/nominees/artificial-leaf-transforms-sun-to-energy/

  • עמי בכר

    מחשבות

    פוסט יפה מאוד וגם חשוב.
    אני חושב שיש מקום להזכיר את ההבדל בין ניצולת קוואנטית לבין הניצולת האקולוגית שהוצגה כאן. כמובן שגם לתא סולרי יש רגישות לספקטרום מסויים וגם לו, כמו לעלה, יש אלבידו ואזורים מתים. נדמה לי שהשאלה צריכה להתמקד אך ורק בניצולת הקוואנטית כדי להיות הוגנים וכדי למזער הפרעות שקשורות בעובדה ששתי המערכות שונות.

    החישוב צריך לקחת בחשבון רק את כמות האור הרלוונטית שפוגעת בשטח הקולט. לצורך כך יש לקחת בחשבון את שטח הכלורופלסט כמה שמקביל לשטח התא הסולרי ולחשב את הגודל האנרגטי של הפוטונים שפוגעים בו ביחידת זמן (וואט) כנגד כמות היצור ברוטו של ATP והחומר המחזר NADH. ההתיחסות לתוצר נטו מטעה היות ומערכת התא החי מסובכת מורכבת ודורשנית לאין ערוך מאשר תא סולרי. זה מה שנקרא "לא פייר" לעשות השוואה כזו.

    חישוב דומה צריך לעשות לגבי התא הסולרי. כמה מהפוטונים הרלוונטים שפוגעים במשטח שלו ביחידת זמן נותנים כמה וואט בחזרה.

    בברכת חברים,
    עמי בכר

  • מנהל

    תשובה

    שלום עמי,
    תודה רבה על התגובה ועל הדברים החשובים שרשמת. יש צדק רב בדבריך ובדיוק בגלל זה רשמתי בתשובה שהחישוב מקורב והשאלה לא פשוטה ומעורבים בה משתנים רבים.

    מעבר לכך:
    המדור הוא מדור מדע פופולארי ולכן הוא מספק מידע לציבור הרחב. החישוב ודרך ההתיחסות ליעילות שהוצגה היא זו המקובלת. אם הייתי נותן ערכים שונים לחלוטין ממה שניתן למצוא או ממה שכולם משתמשים לא היה בכך שום תועלת לקורא הממוצע. אתה מדבר על היעילות ה"אמיתית" של העלה מול התא הסולארי וזהו לדעתי נתון שלא ממש יספק מידע מעשי לקורא. הרי גם העלה וגם המשטח הסולארי מכילים שטחים מתים. מעבר לכך בעוד התא הסולארי "נח" בלילה התא הצמחי ממשיך לעבוד וצורך אנרגיה.
    החישובים מדברים על כך שמקסימום יעילות אפשרית של פוטוסינתזה היא בזור ה 11% וזה עדיין נמוך יותר מקולטן סולארי ממוצע כיום. הייתרון הגדול של העלה, כפי שנרשם בתשובה, הוא העלות הנמוכה של היצור שלו.

    לכן אני לא חושב שההשוואה לא "פארית", נהפוך הוא.
    נכון להיות בחישוב כללי העלה הרבה יותר מוצלח מקולטן סולארי.