אנרגיית הרוח Wind Energy

אנרגיית הרוח

1. מבוא

אנרגיית הרוח הפכה לצורת ייצור אנרגיה בדוקה ומוכרת, המציעה גישה ידידותית לסביבה המחליפה מקורות אנרגיה קונבנציונליים אשר חלקם אף מזהמים (כגאון פחם, נפט, גז טבעי ואנרגיה גרעינית).

בתלות באתר מתאים או בסובסידיות זמינות, לאנרגיית הרוח ישנו כעת גם שימוש כלכלי בתחומים רבים (במיוחד באזורי רצועת החוף ובאזורים הרריים). בניגוד למקורות אנרגיה קונבנציונליים, אנרגיית הרוח מקטינה באופן משמעותי את העלות החיצונית הנגרמת מנזקי זיהום לבריאות הציבור ועלות הנוצרת כתוצאה מסילוק פסולת רעילה. ההערכה הכלכלית כוללת גם את העלות הפירוק של תחנת הכוח המונעת על ידי רוח לאחר סיום פעילותה.

ככל שאנרגיית הרוח הופכת לנפוצה יותר, מפעילים פוטנציאליים ובעלי עניין אחרים מתמודדים עם שאלות כלליות על העקרונות של טכנולוגית אנרגיית הרוח.

הסברים מפורטים על הנושא הכללי של אנרגיית הרוח ניתן למצוא בספרות הרלוונטית. תיאור מקיף על אנרגיית הרוח ניתן במקורות [7-9]. דיון זה מספק מבוא בתוספת הסברים קצרים על מושגים מרכזיים בנושא אנרגיית הרוח.

1. תכולות הכוח של הרוח

1. כוח פיזיקלי

בכדי לנצל את אנרגיית הרוח נדרש ידע על כוח הכלול ברוח:

1. 

P= צפיפות האוויר, V= מהירות הרוח, A= חתך הרוחב של האזור שדרכו זורמת הרוח.

בעוד ששניים מהנתונים המופיעים בנוסחה זו, צפיפות האוויר ומהירות הרוח, כפופים לשינויים בתנאים המטאורולוגיים, אזור החתך ניתן לבחירה באופן שרירותי. צפיפות האוויר P היא כ 1.22 ק”ג / m3 בגובה פני הים, הפחתה של כ-10% לכל 1000 מטר בגובה מעל פני הים. לעניין זה ישנה השפעה באופן טבעי על הניצול של אנרגיית הרוח באזורים הרריים.

ההשפעה של השינוי בצפיפות האוויר נמוכה בהשוואה לזו של מהירות הרוח, שכן במשוואה (1) P (צפיפות האוויר) מכילה את מהירות הרוח בחזקת 3. כאשר מהירות הרוח גדלה פי 2, הכוח הכלול ברוח, גדל פי 8. עלייה במהירות הרוח מ 5 עד 6m/s  מניבה עליה של כ-70% בתכולת הכוח של הרוח.

עבור טורבינות הרוח, חתך רוחב האזור, A, נקבע על ידי האזור שנסחף בלהב הרוטור. הכפלת אורך הלהב הרוטור מכפילה את הרדיוס של מעגל הרוטור ובכך מגבירה את עוצמת הרוח הקיימת פי 4. לכן, שליטה באורך הלהב הרוטור היא דרך לשלוט על הכוח שניתן לחלץ מן הרוח. אך עם זאת, ככל שאורך הלהב גדל, גם העומסים הסטטיים והדינמיים גדלים, ויש לקחת זאת בחשבון בזמן עיצוב להב.

1. יעילות

כמו בכל מקור אנרגיה אחר, קריטריון המפתח הינו כמה מהאנרגיה הראשונית ניתן להמיר לאנרגיה חשמלית. סכיני להב הרוטור של מערכות של אנרגיית הרוח המודרנית (WEC) מעוצבים באופן דומה לכלי טיס. בטווח ההפעלה הרגיל, מערכות הרוח מסוג WEC מייצרות כוחות הרמה אווירודינמיים שיש בהם רכיב בכיוון הסיבוב של הרוטור. בתיאוריה,  ניתן לחלץ עד 60% מכלל הכוח של הרוח [1]. ערך זה מכונה מקדם ההספק cp.

היעילות הכוללת cp η (η =יעילות מכנית וחשמלית) נמוכה במידה ניכרת משום שכל מרכיבי המערכת תורמים להפסדי הספק. ערכי cp η הזמינים הם 40 – 45%.

מערכות המרה של ניצול אנרגיית הרוח לכוח אווירודינמי פחות יעילות. פאנל בעל שטח מרבי הניצב לכיוון הרוח, יהיה כפוף לכוח אווירודינמי שמקורו בזרימת הרוח המכה את הפאנל. מקדם הכוח המקסימלי cp עבור התקן כזה הוא כ-20% בפועל, בגלל היעילות של המערכות המוזכרות, לא ניתן להשיג אפילו 20% [7].

1. הרוח באנרגיית הרוח

האטמוספירה של כדור הארץ נחשפת כל הזמן לקרינת השמש. כ-2.5% מאנרגיית השמש נהפכים לזרמי אוויר (רוח). הכוח הכולל של הרוח הוא סביב 4.3 ×  kW, אם כי רק חלק קטן מהסכום הזה יכול להיות מנוצל [7]. אנרגיית הרוח היא מקור לאנרגיה מתחדשת.

הרוח מיוצרת על ידי תנועות מקומיות או אזוריות המפזרות את האוויר בין האזורים המקבלים כמויות שונות של התחממות סולארית או בין אזורי לחץ אטמוספרי גבוה ונמוך. תזרימי אוויר אלה מתרחשים בעיקר בקרבת הקרקע. תנועות האוויר על פני הקרקע הרבה יותר מוחלשות מאשר מעל המים וזאת בגלל החיכוך הגדול הקיים בתנועה על פני הקרקע.

מסיבה זו, לרוחות מעל מי הים ישנן מהירויות גבוהות באופן משמעותי והן נחלשות בצורה איטית יותר מאשר הרוח על פני הקרקע. במפות כיווני הרוח ניתן לראות כי באזורי החוף בדרך כלל ישנן מהירויות רוח גבוהות יותר מאשר באזורים היבשתיים.

1. מפות כיווני הרוח

מכיוון שתכולת האנרגיה של הרוח תלויה מאוד במהירות שלה, מפת “isovent” (מפה בעלת קווים של מהירות רוח קבועה) משמשת לעתים קרובות בכדי להעריך את הפוטנציאל של אנרגיה חסכונית הניתנת להמרה.

מהירות הרוח נקבעת במגוון דרכים שונות, למשל, כערכים ממוצעים של 10 דקות או בתור מהירות רוח ממוצעת שנתית: ממוצעים של 10 דקות וממוצעים של שעה אחת מחושבים בעזרת מדידות מהירות הרוח במרווחים של שנייה אחת. המרווח הממוצע של 10 דקות הפך לסטנדרט ומשמש לחישובים ברוב המצבים.

מהירות הרוח הממוצעת השנתית נקבעת בעזרת ממוצעים של 10 דקות או של שעה אחת במשך שנה שלמה. ממוצע רב שנתי מחושב על ידי חישוב הממוצע על פני יותר משנה אחת. החריגה מהממוצע הרב-שנתי נמוכה מ -0.2 m/s בכ-50% מהשנים [10].

למרות שמפת isovent”” מעניקה אינדיקציה ראשונית במידה והאזור מתאים להמרת אנרגיית הרוח, היא אינה יכולה לשמש כתנאי היחיד בבחירת האתר, וזאת כיוון שהתנאים המקומיים יכולים להיות שונים מאבחנת המהירויות הרוח במפה. מהירות הרוח הממוצעת בשנה תלויה בגורמים שונים. הגורמים החשובים ביותר נבחנים בסעיפים הבאים.

1. חספוס

הרוח בעצם מתארת את תנועת האוויר על פני שטח כדור הארץ. העברת האוויר מורידה את המהירות בגלל החיכוך הקיים בעיקר בשכבת השוליים מעל פני כדור הארץ. מידת ההנחתה של מהירות הרוח על פני השטח תלויה מאוד בחספוס של פני השטח. החספוס יכול להיות מאופיין בעזרת האורך שלו- , אשר מהווה גורם מנרמל עבור פרופיל הרוח האנכית בשכבת השוליים. אורך החספוס הינו קטן יותר מאלמנטים של החספוס בפועל. ניתן לחשב את שכבת השוליים של מהירות הרוח V (איור 1) בעזרת הנוסחה:

(2)

       

כאשר ,  היא המהירות הרוח בגובה  ו  היא המהירות הרוח בנקודת המוקד (רכזת)   (hub). ככל שאורך החספוס , קטן יותר, כך הרוח פחות מאטה בשכבת השוליים עם ירידת הגובה (איור 1). בגבהים גדולים מאוד מעל פני הקרקע (1-3 ק”מ) מהירות הרוח היא עצמאית ואינה תלויה בחספוס של השטח.

איור 1

ציר ה-X: מהירות הרוח הממוצעת

ציר ה-Y: גובה מעל פני הקרקע

איור 1: מתאר פרופילים של שכבת השוליים עבור אורכי החספוס השונים .

מהירות הרוח הממוצעת מנורמלת לערך בנקודת המוקד (ברכזת) של 30 מטר (vx / vhub). הקיזוז של שכבת הגבול: 0 ס”מ (על פי [7], מותאם, המקור: DEWI).

עבור אורכי חספוס קצרים יותר  (כלומר- מעל הקרח, המים או מעל דשא מכוסח), ישנו חיכוך קטן יותר עם פני כדור הארץ. ככל שחספוס פני השטח גדל (למשל- על פני אחו, אבנים, שיחים, עצים, מבנים, יערות או שטחים בנויים), מהירות הרוח יורדת סמוך לפני השטח. אורך החספוס האופייני (במטר) מוצג להלן:

מים או קרח 0.0001

דשא מכוסח 0.01

דשא לא מכוסח או שטח עם אבנים 0.05

בנייה פרברית 0.6

עצים, עיר 1-5

בכללי, הרוח מתחזקת עם הגידול בגובה מעל פני כדור הארץ. בקנה מידה גדול, השפעה זו יוצרת הזדמנויות לניצול אנרגיית הרוח ברמות גבוהות ובהרים הגבוהים. בקנה מידה מקומי, בניית מגדלים גבוהים להתקנה של מערכות אנרגיית הרוח להמרה הינה אטרקטיבית. בנוסף, החיכוך של הרוח על פני השטח תלוי בחספוס: החספוס עולה, הרוח הופכת לחלשה יותר; מה שהופך את ניצול אנרגיית הרוח לא יעילה מבחינה כלכלית באזורים עירוניים המאוכלסים בצפיפות.

1. התפלגות התדר של הרוח

המידע הבסיסי הדרוש על מנת להעריך אתר פוטנציאלי הוא מהירות הרוח הממוצעת השנתית, אך נתון זה לבדו אינו אומר דבר על התנודות של מהירות הרוח ועל התדירות האור או הרוחות הקשות. וריאציות אלה, לעומת זאת, קובעות את כמות כוח הרוח הזמינה להמרה.

תיאורטית, מהירות רוח שנתית ממוצעת של 6m/s  יכולה להצביע על כך שהרוח נושבת ב-6 מטר לשנייה או שהיא נושבת במהירות של 0 m/s חצי מהזמן ו -12 m/s בשאר הזמן , שילוב זה יוצר ממוצע של 6m/s. במקרה השני, הרוח חזקה פי 4 כיוון שהנוסחה של כוח הרוח מכילה את המהירות בחזקת 3.

מידע על התפלגות מהירות הרוח מתקבל על ידי מדידה. מהירויות הרוח מדודות בדרך כלל ומסווגות לפי מחלקות ברוחב של 1 m/s ובגרף מפולגות על פני ציר התדירות (איור 2).

איור 2

ציר ה-X: מהירות הרוח

ציר ה-Y: תדירות

איור 2: התפלגות התדירות של מהירות הרוח (על פי [7], מותאם, המקור: DEWI).

קו לבן- מדידה

קו שחור- הפצת Weibull

קו מקווקו-הפצת Rayleigh

ההתפלגות של מהירות הרוח שנקבעה באופן ניסיוני נחוצה וזאת משום שהיא משמעותית עבור קביעת תשואת האנרגיה הצפויה. יש לשים את החלוקה בצורה מתאימה לפני שניתן יהיה להשתמש עבור חישובי האנרגיה.

מדידות מהירות יכולות להיות ממודלות  מתמטית על ידי הפצה מסוג Weibull:

(3)

כאשר V הוא מהירות הרוח, C הוא פרמטר הצורה (1<C<3), ו- A הוא גורם הקנה מידה. הפצה מסוג Rayleigh היא מקרה מיוחד של הפצה מסוג Weibull, העשויה לשמש כאשר רק המהירות הרוח הממוצעת השנתית ידועה.

התפלגות מהירות הרוח מושפעת גם מתופעות אחרות כגון וריאציה יומית של מהירות הרוח, תקופות רגועות, משבי רוח ומערבולות. מידע נוסף על פריטים אלה נמצא ב [10].

איור 3

ציר ה-X: כיוון הרוח

ציר ה-Y: תדירות

איור 3 מציג הפצה אופיינית של כיוון הרוח (על פי [7], מותאם, המקור: DEWI)

איור 4

איור 4: המרכיבים העיקריים של מערכת ההמרה מאנרגיית הרוח (מקור DEWI).

a) בלם הלהב; b) רוטור הלהב; c) בלם הדיסק; d) תיבת ההילוכים; e) גנרטור; f) מדידת הרוח;

g) המנוע (h נקודת המרכז (הרכזת); i) מעמד הלהב; j) מוט השליטה; k) המגדל; l) החיבור לרשת (השנאי); m) בקרת טורבינה אלקטרונית; n) בסיס

1. כיוון הרוח [11,12]

מאפיין נוסף של הרוח שיש להתחשב בו הינו הווריאציה של הכיוון. מוסדות רבים ביצעו מדידות על פני תקופות של שנים וזאת בכדי לקבוע תיאור איכותי של השינויים המתרחשים בכיוון הרוח. המדידות מציגות כיווני רוח “מועדפים”, שמהם נושבת הרוח לעתים קרובות יותר מאשר בכיוונים האחרים. במרכז אירופה, כיוון הרוח הינו מדרום מערב לכיוון מערב (איור 3). קיימות סטיות מתבנית זו.

בבחירה של אתר טוב עבור התקנה של תחנת כוח של אנרגיית הרוח, חייבים לקחת בחשבון את כיווני הרוח. קיימת אפשרות שתנאים מקומיים עלולים לגרום לרוח השוררת באזור מסוים להיות שונה מאשר בהתפלגות בקנה המידה הרחב.

בין אם הבדל זה נובע מגורמים מקומיים, אשר ניתן להימנע מהם באמצעות בחירה של אתר אחר, או בין אם זוהי תכונה טופוגרפית כללית של האזור, עניין זה חייב להיבדק לפני ההתקנה.

1. טכנולוגיה

1. עיצוב של מערכת מסוג WEC

איור 4 מציג טורבינת רוח בעלת ציר אופקי. הציור כולל את המרכיבים החיוניים של המערכת. לא בכל מערכת מסוג WEC קיימים כל המרכיבים המוצגים באיור. המערכות במציאות שונות מאלו המצוירות גם במרכיבים וגם במיקום המדויק שלהם.

כמה מהמרכיבים החיוניים עבור המרת אנרגיית הרוח מוסברים: מושגי עיצוב בסיסים של טורבינות הרוח המודרניות, מערכות הבקרה וגנרטורים. עבור מרכיבים אחרים כגון מערכת ההטייה, המגדל, מערכות הבטיחות ותיבת ההילוכים, ראה מקור [7].

1. עיצובים של טורבינות מודרניות

מערכות של אנרגיית הרוח מעוצבות עם צירים אופקיים או אנכיים.

4.2.1 מערכות ציר אופקיות

רוב המערכות הציר האופקיות הן טורבינות רוח עם אחד, שניים או שלושה להבים. קיימות מספר סיבות לשימוש ברוטרים בעלי מספר להבים נמוך:

1. רוטרים בעלי מהירות גבוהה נחשקים עבור ייצור החשמל וגם עבור החיסכון בעלויות בתיבת ההילוכים והגנרטור.
2. מספר מועט של להבים מוביל לעלויות חומרים נמוכות יותר.
3. צירוף הלהבים ללהב אחד או לשני להבים יכול ליצור צורה של הצירים.

רוטור בעל 3 להבים-

רוטור 3 הלהבים (איור 5A) הוא הסוג הנפוץ ביותר המשמש במערכות מסוג WEC מודרניות. אופציה זו מייצגת פשרה טובה בין הרצון למזער את מספר הלהבים ובמקביל לשמור על התנהגות דינמית פשוטה של הרוטור. התפוצה ההמונית חיובית, כי תנועות הרוטור ובית המנוע הם חלקים ואחידים.

להבים הרוטור מחוברים בדרך כלל לרכזת נוקשה, שהיא זולה לייצור ואשר דורשת תחזוקה נמוכה. כל הכוחות המתעוררים בלהב מועברים לרכזת, דבר הגורם להעמסה חמורה על נקודות החיבור ועל החלקים המכניים האחרים של המכונה. שלושה רוטורים נעים במהירויות נמוכות יותר מאשר 2 להבים או להב יחיד באותו הממד.

אם הם היו נעים במהירות זהה לזו של סוגי רוטור אחרים, הלהבים היו צריכים להיות צרים יותר, מה שעלול ליצור בעיות מבניות ואפשרי רק במידה מוגבלת.

רוטור בעל 2 להבים-

הרוטור בעל שני הלהבים (איור 5B) יכול לפעול במהירויות גבוהות יותר, כך שעלויות תיבת ההילוכים ועלויות הגנרטור הן מופחתות. בגלל הגודל המופחת של תיבת ההילוכים והמספר המופחת של הלהבים, בית המנוע ומסת הרוטור נמוכים מזה של 3 להבים. עם זאת, הרוטור בעל שני הלהבים מציב בעיות אווירודינמיות מורכבות יותר מהסוג של 3 להבים. השינוי באינרציה של הרוטור עלול לגרום לעומס דינמי שיש להתחשב בו בזמן תכנון המערכת. השימוש ברכזות מתנודדות מסייע לשלוט בבעיות אלה.

רוטור בעל להב יחיד-

רוטור בעל להב יחיד (איור 5C) פועל במהירויות גבוהות אף יותר מאשר שני רוטורים בעלי להב אחד או רוטר בעל שני להבים. העלות של תיבת הילוכים והגנרטור נמוכות יותר.

ברוטור בעל להב אחד יש בית מנוע קל יותר מאשר במערכות עם להבים נוספים.

בנוסף לכוחות הדינמיים שעלולים להתרחש בדומה לרוטור בעל 2 להבים, לרוטור בעל להב אחד, יש גם את החיסרון של עומסים אווירודינמיים לא מאוזנים על בית המנוע. את ההשפעות השליליות של עומסים אלה ניתן להקל על ידי בחירה נכונה של ההשעיה בבית המנוע ובעיצוב מיוחד לרכזת. מהירות גבוהה יותר של הרוטור מובילה למהירות קצה של הלהב עבור קוטר הרוטור הנתון. מהירויות הלהב קשורות לפליטת רעש גבוהה יחסית מן הטורבינה אשר חייבת להילקח בחשבון בבחירת האתר.

1. מערכות ציר אנכיות

לפחות לעת עתה, טורבינות רוח בעלות ציר אנכי הן בעלות חשיבות משנית. העיצוב שלהן בהתאם לאחת או שתיים מהמגמות העיקריות. רוטור מסוג Savonius (לא מצוין שוב) הוא רוטור בעל התנגדות. הוא משמש במקומות בהם המערכת חייבת להתחיל לפעול במהירות רוח נמוכה או היכן שנדרש כוח נמוך.

בדומה למכונות ציר אופקי, הרוטור של Darrieus פועל בכדי להרים כוחות אוויר.

איור 5

איור 5: עיצוב הרוטור (מקור DEWI). A) רוטור 3 להבים; B) רוטור 2 להבים; C) רוטור חד-ראשי; D) רוטור  Darrieus; (E רוטור H-Darrieus

רוטור  Darrieus-

לרוטור Darrieus (איור 5D) יש את היתרון של תמיד “אל מול” הרוח ולכן לא נדרשת שליטה במוט השליטה. הגנרטור ומערכת הבקרה ממוקמים בקומת הקרקע, איפה שניתן להפעיל ולתחזק אותם בקלות. להבי הרוטור בצורה שרשרת וקלים להרכבה בגלל שהרוטור קרוב יותר לקרקע מאשר במערכות ציר אופקי. עם זאת, תשואת האנרגיה נמוכה יותר. מכונות אלה קשות יותר לשליטה והן בדרך כלל לא מופעלות בצורה עצמית ונדרש סיוע להפעלתן.

רוטור H-Darrieus

לעומת הרוטור הקונבנציונאלי Darrieus , תצורת ה-H של הלהבים של הרוטור H-Darrieus (איור 5 E) מציע את היתרון של ייצור הלהב בצורה קלה יותר. הלהבים ממוקמים בגובה דומה לזה של טורבינת ציר אופקי, ולכן תשואת האנרגיה זמינה להשוואה. יתר על כן, בקרת החשמל (ראה סעיף 4.3) ניתנת ליישום באופן דומה לרוטורים אופקיים.

1. בקרת מהירות ועוצמה במערכות מסוג WEC

מערכות המרה של אנרגיית הרוח נועדו להשיג את הכוח המיועד במהירויות רוח החורגות לעיתים קרובות יחסית. בכדי למנוע טעינה מוגזמת על הרכיבים המכניים או החשמליים של המערכת כאשר מהירות הרוח עולה על הערך המדורג (כלומר, מהירות הרוח שבה המערכת מספקת את הכוח המקובל שלה), יש לנקוט באמצעי זהירות להגבלת המהירות ו/או הספק החשמל.

משתמשים בשני סוגים עיקריים של שליטה, שני הסוגים מתבססים על העקרונות האווירודינמיים.

1. מערכת בקרת דוכן

הפרדת זרימה פסיבית לאורך להב הרוטור מגבירה את גרר הלהב ומפחיתה את כוחות ההרמה. כאשר מתרחשת פעולה מתחת למהירות הרוח הרצויה (פעולה בעלת עומס חלקי), הזרימה, סביב החתך בצורה האווירודינמית של להב הרוטור, אשר נמצא על מיקום קבוע, הינו אופטימלי. אם מהירות הרוטור היא קבועה או כמעט קבועה, מהירות הרוח עולה, הזווית בין הכנף לזרימת הזרם הולכת וגדלה עד שהזרם נפרד מהשטח. התהליך דומה למה שמכונה דוכן במטוסים. הפרדת הזרימה מפחיתה את ההרמה ומגדילה את הגרירה. אם מהירות הסיבוב חייבת להישאר קבועה, הלהב יכול להיות ממוקם כך שהספק הכוח נשאר קבוע כמעט מעל מהירות הרוח המקובלת. לעתים קרובות, מאפייני הכוח של מערכות דוכן מראים ירידה מהמהירות הרוח המדורגת ולאחר מכן עלייה.

1. מערכת שליטה בהטייה

שליטה במערכת ההטייה משנה את הזווית של הלהב וזאת בכדי לשלוט בכוח ההרמה ומכאן מתקבלת השליטה ברוטור. שליטה בהטייה מאפשרת הנעה של הרוטור בקלות ללא צורך באנרגית עזר. מעל למהירות הרוח המקובלת ועד למהירות המצריכה חילוץ, ישנה שליטה על ידי התאמת גובה הלהב וזאת בכדי לשמור על ערך המקובל.

שליטה במערכת הטיית הלהב דורשת ציוד הפעלה ברכזת ולכן ישנן עלויות גבוהות יותר מאשר במערכות מבוקרות דוכן. כאשר מתבצע תכנון נכון, הכוחות הפועלים על הרוטור בדרך כלל נמוכים יותר מאשר אלה הפועלים במכונות הדוכן. טורבינות המנוהלות בשליטת ההטייה קיימות בכל הגדלים ומומלצות להתקנה בכל מקום שבו תפוקת החשמל של מערכת ה- WEC חייבת להיות מבוקרת בצורה מכוונת או במקומות שיש לבצע מעקב אחר ערך שנקבע לשינויים.

1. מערכות חשמליות

1. גנרטורים

בתחנות של אנרגיית הרוח משתמשים בעיקר בשני סוגים של גנרטורים- סינכרוני ואסינכרוני, יחד עם גרסאות שונות שלהם.

גנרטורים סינכרוניים-

הם בעלי יעילות גבוהה, ולא נדרש עבורם כוח תגובתי. גנרטור מסוג זה יכול להיות מחובר ישירות לרשת או באמצעות ממיר מתח (ראה סעיף 4.4.2). אם הגנרטור מחובר ישירות לרשת, כל וריאציות הכוח במערכת ה-WEC מועברות לרשת ללא דעיכה, ולכן מכשירי עזר יקרים נדרשים עבור הסינכרון עם הרשת.

גנרטורים אסינכרונים-

הם גנרטורים חזקים ונדרשת עבורם תחזוקה מעטה. גנרטורים מסוג זה מאפשרים סינכרון קל עם הרשת אבל יש לטעון את הרשת עם דרישת כוח תגובתית. לעומת גנרטור סינכרוני, גנרטור זה יכול להיות מחובר לרשת בצורה שקטה. אך יעילותם של גנרטורים אלה נמוכה יותר.

1. מצבי הפעלה

מערכות ההמרה המודרניות להמרת אנרגיית הרוח נועדו לייצר אנרגיה חשמלית. ניתן לבצע זאת בשלושה מצבים בסיסיים.

במצב האי, מערכת ה-WEC היא היחידה או אחת מכמה ממירי אנרגיה בודדים המייצרים חשמל ברשת סינכרונית קטנה. כמו כן, ישנו שימוש נפוץ בגנרטורים במצב זה. תדירות הרשת נשלטת על ידי מהירות הרוטור, ולכן ישנו הצורך בבקרת מהירות הטורבינה בכדי לשמור על תדר הרשת יציב ככל האפשר. במידה והרשת אינה יכולה לקבל את כל הכוח המיוצר, בשל חוסר ביקוש הכוח מצרכנים המחוברים לרשת, על המערכת להיות מסוגלת לבצע עומס חלקי (רמת פעילות מתחת לפלט המקובל). אך לעומת זאת, אם יש מחסור ברוח והביקוש לחשמל אינו מכוסה על ידי מערכת ההמרה WEC, חייבים להיכלל ברשת מסוג “אי” התקני אחסון אנרגיה (כגון סוללות, מאגרי מים חמים, וכו’ ) או מקורות אנרגיה נוספים (כגון גנרטור מסוג דיזל או מערכות פוטו).

במצב מחובר ישיר לרשת, הרוטור חייב להסתובב במהירות כמעט קבועה (באמצעות גנרטור אסינכרוני) או במהירות קבועה (באמצעות גנרטור סינכרוני) וחייבת להיות שליטה בכוח המיוצר. ברשת “חזקה” (מערכת שבה אנרגיית הרוח תורמת חלק קטן לאספקת החשמל), כל הכוח המוצע על ידי מערכת ה- WEC מתקבל. ברשת “חלשה” (מערכת שבה אנרגיית הרוח תורמת חלק גדול לאספקת החשמל), לא כל הכוח המוצע על ידי מערכת ה-WEC מתקבל.גם כאן נדרשת בקרת עומס.

במצב מחובר עקיפין לרשת, ממיר המתח מאפשר מהירות משתנה של טורבינת רוח. התנודות בתפוקת החשמל מופחתות במידה ניכרת, וצימוד הרשת נעשה בצורה שקטה. ממיר המתח תחילה מתקן את הזרם של הגנרטור הסינכרוני המשתנה בתדירות ובמתח. ולאחר מכן מתאים אותו לתדר  ולמתח התקינים של הרשת. חסרונות עיקריים של מצב זה הם הרמוניות המוכנסות לתוך הרשת (הכפלות של תדר 50-Hz של הרשת), אשר חייבות להיות מותאמות באמצעות מסננים נוספים; כמו כן, קיימים הפסדים של יעילות הממיר מתח; וקיימות עלויות נוספות עקב קיומו של ממיר המתח. היתרון הפוטנציאלי של מצב זה הוא תשואת האנרגיה הגבוהה בהשוואה למערכות עם החיבור הישיר. כמו כן, קיים יתרון של הפחתת העומס על המכונה עקב משבי רוח.

1. היבטים כלכליים

סעיף זה בוחן את ההיבטים הכלכליים של ניצול אנרגיית הרוח מנקודת מבטו של המשקיע באנרגיית הרוח בגרמניה. עם זאת, השיקולים הכלכליים חלים גם בכלליות. הניתוח הכלכלי מבוסס בעיקר על מקור [13].

5.1 גורמים המשפיעים על החלטת ההשקעה

הוצאות הון. מלבד תשואות האנרגיה הזמינות, הוצאות ההון הן הגורם החשוב ביותר בפעילות הכלכלית של מערכת ה-WEC. הוצאות המפעל צפויות להיות דומיננטיות; הוצאות נוספות הקשורות בהתקנת המערכת יחד עם הוצאות המפעל הינן הסכום המוחזק כנכסים במאזן החברה ולא נלקחות בחשבון על פני החיים הכלכליים של המפעל.

למרות שמערכת כוח הרוח ניתנת לירידת ערך במשך 10 שנים, רוב היצרנים מעצבים מערכות עבור משך חיי שירות צפוי של 20 שנים. להלן פירוט עיקרי ההוצאות ההוניות:

1) עלות עבודות במפעל

2) עלויות הקרן (כ-8%-12% מעלויות המפעל: תשתיות ובסיס)

3) עלויות חיבור לרשת (כ-8%-12% מעלויות המפעל: מתח נמוך, בינוני או מתח גבוה לרשת)

4) עלויות חיבור באמצעות חשמל

5) עלויות פיתוח האתר (כ3%-4% מעלויות המפעל: כבישי גישה, תקשורת נתונים)

6) עלויות הובלה

7) התקנה והזמנה

8) עלויות תכנון (כ1%-3% מעלויות המפעל: היתרי בנייה, ייעוץ, פיקוח הנדסי, שירותי נוטריון, סיווג, חוות דעת של מומחה בנושאים כגון רעש, האתר, ניתוח רמת הרוח, האדמה, הסביבה והבטיחות)

9) עלויות מימון נוספות (ייעוץ בנקאי, ריבית עבור הלוואות, מס ערך מוסף, פרמיות).

10) עלויות קרקע

5.2. הוצאות תפעול

הוצאות התפעול הן גם גורם חשוב בניתוח הכלכלי. עבור מערכות כוח הרוח, הפריטים המפורטים להלן נחשבים להוצאות תפעוליות (1% עד 2.5% מעלות המפעל השנתית):

1) עלויות חוזי אחזקה

2) עלויות ביטוח

ביטוחי אחריות

ביטוח מכונות

התמוטטות או הפרעה לביטוח

ביטוח תחבורה

ביטוח בביצוע הבינוי

ביטוח התקנה

ביטוח אחריות

3) עלויות אנרגיה (עלויות האנרגיה שנרכשו עבור הפעלה של מערכת ה-WEC)

4) עלויות של שכירות

5.3 גורמים המעורבים בניתוח כלכלי

על בסיס הדיון בסעיפים הקודמים, הפרמטרים המתחילים בניתוח כלכלי הם כדלקמן:

1) עלות ההחזר (בגרמניה 0.0866 €/kW*h, בערך כ 0.1159 $/kW*h)

2) פעילות ברשת

3) קרנות החברה (כ10%-15% מעלויות המפעל מסוג WEC)

4) עלויות נוספות (27% מעלויות מפעל מסוג WEC)

5) ריבית עבור העלות (כ7%)

6) תשלומי מימון, ריבית והפחתה בתנאי שוק

7) קטגוריית כוח של מערכת WEC (500kW)

8) עלויות המפעל מסוג WEC (1994 העלויות הן כ €450,000)

מאפייני הכוח שנלקחו מתיאורים בספרות של היצרנים שימשו לקביעת הכנסות האנרגיה עבור אתר עם מהירויות רוח שנתיות שונות בגובה של 10 מטר. בהתחשב בפרופיל רוח לוגריתמי אורך מחוספס של 0.05 מטרים, מהירות הרוח בגובה הרכזת חושבה על ידי בהנחה הפצה מסוג Rayleigh. רשימה ארוכה של פרמטרים מראה כי אין הצהרה כללית על פרויקטים בודדים מסוג WEC יכולה להיעשות במסגרת ניתוח קצר זה. אך למרות זאת, ניתוחים בודדים הם הכרחיים.

איור 6 מראה את עלויות  ייצור האנרגיה (הערך בפועל) כאשר לקחו בחשבון מהירות רוח הממוצעת השנתית של 0 ו 17% סובסידיות, בהתאמה.

 איור 6

ציר ה-X: מהירות הרוח בגובה הרכזת m/s

ציר ה-Y: עלויות יצור האנרגייה

איור 6- עלות ייצור האנרגיה בהמרת אנרגיית הרוח (מהירות הרוח בגובה הרכזת); דירוג חשמל 500kW, קוטר רוטור כ40 מטרים לפי [13]).

טבלה 1- העלויות הנוכחיות של אנרגיית הרוח, מחושבות מחדש לאחר [14]

עלויות לkW פר שעה, $	מדינה
0.05-0.07	דנמרק a
0.07	הולנד
0.08-0.25	גרמניה b
0.09	בריטניה
0.1	איטליה
0.11	ספרד
0.07	שוודיה
0.04-0.08	ארה”ב c

1. מידע המוצג מתוך [15].
2. היסטוריית עלויות בשנת 1994; טווח המאפשר הבדלים בתנאי הרוח ובמימון.
3. מידע מ[16].

כדי לקבוע עלויות ייצור האנרגיה לקילוואט שעה לוקחים בחשבון את שיעורי הריבית הצפויה, הפחת הצפוי, ואת עלויות התפעול השנתיות כשכבר נלקחו בחשבון. הפרמטרים החשובים ביותר בחישוב הם-

עלויות מערכת מסוג WEC

שירותי ההון

עלויות התפעול

תשואה אנרגטית

האחרון שבהם הוא הגורם היחיד והמכריע עבור התקבולים של מפעילי מערכת מסוג WEC. הערך תלוי בבחירת האתר, גובה הרכזת, קוטר הרוטור, היעילות והזמינות. מידע על התכנון, הוצאות ההון והתשואה האנרגטית של מערכות מסוג WEC שונות ניתן לראות במקור [9].

5.4. העלות הנוכחית של אנרגיית הרוח

טבלה 1 סוקרת את העלויות הנוכחיות של אנרגיית הרוח, כפי שהוצגו בכנס האירופאי לאנרגיה בשנת 1993 בTravemunde (גרמניה) [7]; המידע שונה מעט, עודכן והושלם.