אנרגיה והסביבה18.12.18 Energy & the Environment

1. אנרגיה והסביבה

1. מבוא

יש צורך בייצור אנרגיה עבור שתי פונקציות:

א) על מנת לספק חימום עבור בישול ועיבוד של נוזלים.

ב) על מנת לספק חשמל בכדי להפעיל מכונות או בכדי להדליק אורות חשמליים.

הסעיפים הבאים ידונו על צורות שונות של אנרגיה, וכיצד ניתן להמיר אנרגיה מצורה אחת לצורה אחרת, כדי שיהיה ניתן להשתמש בה על מנת לחמם, לקרר וכד’.

1. תצורות של האנרגיה

אנו מקשרים אנרגיה למכשירים שתשומותיהם מבוססות על דלק, למשל זרם חשמלי, פחם, נפט או גז טבעי. כתוצאה מכך מתקבלים תנועה, חום או אור.

יחידת המדידה של האנרגיה היא Joule (J). קצב ייצור האנרגיה הוא “כוח” עם יחידת המדידה Joule לשנייה או ל-Watt (W) -וואט.

ישנן 5 צורות של אנרגיה:

• אנרגיה מכנית

• אנרגיה חשמלית

• אנרגיה כימית

• אנרגיה גרעינית

• אנרגיית תרמית

סוגי האנרגיה המצוינים נידונים בסעיפים הבאים.

1. אנרגיה מכנית

סוג זה של אנרגיה קשור ליכולת לבצע עבודה פיזית.

ישנן שתי תצורות שבהן נמצאת אנרגיה מסוג זה- אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה קינטית.

אנרגיה פוטנציאלית

כפי שהשם מרמז, האנרגיה נמצאת בתוך הגוף בזכות גובהו מעל לסביבתו, דוגמאות לאנרגיה זו הן כוח הכבידה של המים שנמצאים מאחורי סכר והאנרגיה המאוחסנת בסוללות.

אנרגיה פוטנציאלית= מסה* תאוצה המתקבלת עקב כוח הכבידה (9.81)* הגובה מעל נקודת ייחוס כלשהי

האנרגיה המיוצרת על ידי קילוגרם אחד של מים, הנופלים מגובה של 100 מטרים מעל הקרקע, היא האנרגיה הפוטנציאלית, אשר ניתן לחשב אותה בצורה הבאה:

אנרגיה פוטנציאלית=מסה*תאוצה עקב כוח הכבידה* הגובה מעל נקודת ייחוס כלשהי

אנרגיה קינטית

אנרגיה קינטית קשורה לתנועה של הגוף. דוגמאות של KE כגון אפקט גלגל, התנופה והאנרגיה של מים הזורמים בנחל.

אנרגיה קינטית= 1/2*מסה*מהירות בריבוע

     

לזרם המים העובר בנהר, הזורם במהירות של 2 m/s ישנה אנרגיה קינטית של:

אנרגיה קינטית= 1/2*מסה*מהירות בריבוע= 1/2*1*= 2 J/Kg

1. אנרגיה חשמלית

סוג זה של אנרגיה, לפי שמה, קשור לאלקטרונים של החומרים. אנרגיה חשמלית קיימת בשתי צורות:

1. חשמל סטטי

סוג זה של אנרגיה חשמלית מופק על ידי הצטברות של מטען על ההדקים של הקבלים. צ’ארלס קולומב תיאר לראשונה את עוצמות השדה החשמלי בשנת 1780. הוא מצא כי עבור מטענים נקודתיים, הכוח החשמלי משתנה ישירות עם המטען. ככל שהמטען גדול יותר, כך השדה חזק יותר. השדה משתנה באופן הפוך עם ריבוע המרחק בין המטענים. משמעות הדבר היא, שככל שהמרחק גדול יותר, כך הכוח חלש יותר. הנוסחה לכוח האלקטרוסטטי, F, ניתנת כ:

כאשר q1 ו- q2 הם המטענים, d הוא המרחק בין המטענים. ו- k הוא קבוע המידתיות התלוי בחומר המפריד בין המטענים.

1. אנרגיה אלקטרומגנטית

סוג זה של אנרגיה מיוצר בשילוב של כוחות מגנטיים וחשמליים. אנרגיה זו קיימת בתור ספקטרום מתמשך של קרינה. הסוג השימושי ביותר של אנרגיה אלקטרומגנטית מגיע בתצורה של קרינת השמש המועברת על ידי השמש,  אשר מהווה את הבסיס של כל החיים על פני כדור הארץ.

1. אנרגיה כימית

סוג זה של אנרגיה קשור לשחרור של האנרגיה התרמית בעקבות תגובה כימית של חומרים מסוימים עם חמצן. שריפת עץ, פחם או גז הם המקורות העיקריים של האנרגיה הכימית שאנו משתמשים בה בדרך כלל בכדי לחמם ולבשל.

חישוב של אנרגיה כימית

האנרגיה המשתחררת משריפת מסה נתונה של דלק, עם ערך קלורי ידוע בתא הבעירה ביעילות הידועה  והיא ניתנת על ידי:

אנרגיה כימית= מסת הדלק*ערך קלורי* יעילות הבעירה

1. אנרגיה גרעינית

אנרגיה זו מאוחסנת בגרעין החומר, ומשוחררת כתוצאה מאינטראקציות בתוך הגרעין האטומי.

ישנן 3 תגובות גרעיניות:

1. דעיכה רדיואקטיבית:

כאשר אחד הגרעינים הלא יציבים מתפרק לתצורה אשר הינה יציבה יותר, וכתוצאה מכך, מתרחש שחרור החומר ושחרורה של האנרגיה.

1. ביקוע:

גרעין כבד הסופג נויטרונים אשר מפצלים אותו לשני גרעינים או ליותר, מלווה בשחרורה של האנרגיה. לאורניום מסוג U235 יש את היכולת לייצר 70*  J/kg

איינשטיין הציע את המשוואה הבאה בכדי לחשב את האנרגיה המיוצרת מהפיצוח הגרעיני (כלומר, המרתו של החומר m לאנרגיה E קשורה למהירות האור C):

תגובה זו מהווה את הבסיס של תחנות הכוח הגרעיניות הנוכחיות.

1. היתוך:

שני גרעינים המשתלבים בכדי לייצר תצורה יציבה יותר המלווה בשחרורה של האנרגיה. תגובת ההיתוך של מים כבדים (דאוטריום=מימן כבד) עשויה לייצר אנרגיה בשיעור של 0.35*  J/kg.

תגובה זו עדיין לא נוסתה כדי לייצר חשמל בצורה מסחרית.

1. אנרגיה תרמית

אנרגיה תרמית קשורה לרטט בן-מולקולרי המפיק חום ,כתוצאה מכך, מתרחשת עלייה של הטמפרטורה מעל הטמפרטורה השוררת בסביבה. האנרגיה התרמית מחושבת בשתי צורות שונות:

כאשר החומר נמצא בשלב הטהור, כלומר אם הוא נוזל, גז או מוצק, אז:

אנרגיה תרמית = מסה * קיבולת חום ספציפי * הבדל הטמפרטורה

במהלך שינוי בשלב של החומר, באידוי או עיבוי, האנרגיה תהיה מחושבת על ידי:

 אנרגיה תרמית = מסה * חום סמוי

עם זאת, אם מתרחש שינוי שלב כלשהו, נניח במהלך ההתעבות של אדי המים לנוזל, משתחררת כמות חום נוספת, בעוד שהטמפרטורה נשארת קבועה במהלך שלב השינוי. עבור 1 ק”ג של מים המחוממים מ-20 ל120 מעלות צלזיוס, הדרישה היא:

אנרגיה תרמית = חימום מים (20-100) מעלות צלזיוס + אידוי ב 100 מעלות צלזיוס+ אדי חימום (100-120) מעלות צלזיוס

אנרגיה תרמית

1. המרת אנרגיה

חשוב להבין כי קיימים הפסדים אפשריים במהלכו של שינוי האנרגיה, במהלכי ההמרה השונים למבנה הסופי, בהקשר של טורבינת רוח, יתקיימו המרות מסוגים הבאים:

האנרגיה הקינטית של האוויר פוגעת בלהבי הרוטור והופכת אותם, ולכן, האנרגיה הקינטית הצירית הופכת לאנרגיה מכנית של הלהבים המסתובבים.

חלק מהאנרגיה המכנית אבדה במנגנון הבקרה, המורכב מתיבת ההילוכים ומהבלמים אשר אמור לווסת את המהירות ולהתאים אותה לזו של הגנרטור. חלק מהפסדי האנרגיה מתרחשים גם עקב חיכוך.

הפיר מסתובב בעזרת האנרגיה הנותרת ולאחר מכן יסובב את הגנרטור. ומכאן, מתרחשת המרה של הפלט לאנרגיה חשמלית (אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית).

כמה מההפסדים מתרחשים דרך החיבורים המכניים בין הטורבינה לבין הגנרטור החשמלי.

אנרגיית החשמל משמשת את הלקוחות עבור תאורה או חימום או על מנת להפעיל מכשירים חשמליים כגון רדיו, טלוויזיה וכד’. מכשירים חשמליים נועדו לפעול במצב אופטימלי. היעילות של התהליך משתנה בהתאם לשימוש, לגיל ולתחזוקה.

זרימת האנרגיה עבור טורבינת רוח טיפוסית מוצגת באיור 1.1. ניתן לנתח זאת בצורה פשוט בהתחשב בתרשים זרימת האנרגיה, אשר עשוי להיראות כך:

100 יחידות אנרגיה מאוחסנות באוויר הנכנס בתור אנרגיה קינטית.

40 יחידות מומרות לאנרגיה סיבובית/מכנית על ידי הלהבים.

35 יחידות מועברות על ידי המוט. יחידות מסוימות נספגות על ידי הבלם ותיבת ההילוכים.

33 יחידות מומרות מאנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בגנרטור החשמלי.

30 יחידות הן הפלט בנטו, וזאת משום ש3 יחידות אבדו בזמן המרת המתח, האחסון וההפצה.

הנתון הסופי תלוי בגורמים רבים, כמו סוג הטורבינה, יעילות מערכת הבקרה, יעילות הגנרטור ואיכות השנאי ומערכת ההפצה.

איור 1.1- המרות אנרגיה באמצעות טורבינת רוח טיפוסית. באדיבות: howStuffWorks..

טבלה 1.1- מטריצת המרת אנרגיות

גרעינית	כימית	תרמית	חשמלית	מכנית	מ/ל
X	X	חיכוך	גנרטור חשמלי	תיבת הילוכים מנוע	מכנית
מאיץ חלקיקים	אלקטרוליסה	אש אלקטרונית	מנורה	מנוע חשמלי	חשמלית
כור היתוך	X	מחליף חום	צמדים תרמיים	טורבינת קיטור	תרמית
X	תגובת ביניים	מנוע מכונית דוד	תא דלק סוללה	מנוע מטוס טיל	כימית
X	X	כור גרעיני	X	X	גרעינית

1. ההשפעה הסביבתית מדלקים מאובנים

לפחם, נפט וגז טבעי יש את היתרונות היחסיים שלהם במונחים של זמינות, מחירים וביצועים תרמיים.

טבלה 1.3 להלן בנויה להשוואה בין קיבולת החום,ו-  על ידי שלושת הדלקים המאובנים. העמודה ה-4 בעלת חשיבות מיוחדת בהשוואת לשלושת הדלקים. היא מייצגת את כמות הדו תחמוצת הפחמן הנפלטת עבור כל יחידת אנרגיה מיוצרת.

פחם מייצר את הכמות הגבוהה ביותר של פחמן דו חמצני עבור פלט אנרגיה. אחריו הנפט, ולאחר מכן הגז הטבעי המייצר כמעט חצי מפליטת הפחם ושליש מזו של הנפט.

התוצאות המוצגות בטבלה 1.3 לייצור מסה של ליחידת אנרגיה, בהשוואה לנתונים שפורסמו על ידי ממשלת בריטניה, ב”פעולה על האנרגיה”, הערכים המצויים בפרק זה, נמוכים מאלה המצוטטים בהתייחסות. ההבדל הוא שהחישובים המופיעים בפרק זה עוסקים רק בתהליך הבעירה עצמו. ישנן גם השפעות אחרות בחישובים, מחזור החיים של הדלק נלקח בחשבון ומכאן, נלקחת בחשבון תוספת של האנרגיה המשמשת להובלה, לעיבוד הדלק וההפסדים על ההפצה.

טבלה 1.3- השפעות סביבתיות מדלקים מאובנים

Kg/kg fuel	/Energy Kg/MJ	kg/kg fuel	ערך קלורי MJ/kg	דלק
0.018	0.091	2.361	26	פחם
0.040	0.075	3.153	42	נפט
0	0.050	2.750	55	גז טבעי

1. עולמית

צריכת האנרגיה על ידי המין האנושי התפתחה לאורך הדורות. תחילה, עם המצאת האש, האדם הסתמך על עץ בוער בשביל לבצע פעולות כמו בישול ולספק עבורו חום ואור במשך מיליוני שנים. ככל שהתפתחה הציוויליזציה, הצרכים לאנרגיה נעשו גדולים יותר וכך גם גדל הביקוש למקורות אנרגיה אחרים. לאחר חיפוש ארוך אחר מקור אנרגייה אחר, האדם גילה את הפחם. במהלך השנים, הפחם היה אחד המשאבים החשובים, ובמקביל, נוצר עידוד על ידי האדם לנצל את השימוש בפחם עבור יישומים נוספים מלבד אלה שכבר שומשו.

קפיצת מדרגה גדולה בתחום המשאבים לאנרגיה התרחשה במאה ה19 והיא הושגה על ידי גילוי הנפט במזרח התיכון. אך בסופו של דבר, תגלית זו הובילה לשתי מלחמות העולם בין המדינות התעשייתיות המובילות אשר ניסו לשלוט בשוק העולמי בכדי להבטיח את אספקת האנרגיה עבור התעשיות הייצור העצומות שלהן.

משבר הנפט בעקבות המלחמה בין ישראל לארצות ערב בשנת 1973 גרם לכך שנוצרו 3 מחירי נפט שונים, מצב זה היה זעזוע עצום עבור המדינות שאינן מייצרות, במיוחד ביבשת אירופה, נוצר גידול קיצוני בתקציב הצרכן האנרגטי.

גילוי הנפט העצים את התחרות בתעשייה אל מעבר לגבולות המדינות המתועשות. התחרות על הנתח בשוק הייצוא הגדילה את הלחץ על צריכת הדלקים המאובנים. הוברט נזהר כאשר פרסם את עקומתו המפורסמת (1956), איור 1.2. זה היה ברור עוד אז כי עתודות הנפט של העולם נצרכות באופן בלתי תלוי וימוצו עד תום המאה הזאת. בני האדם מחויבים למצוא מקורות אנרגיה חדשים אשר יחליפו את הנפט.

עם זאת, דלדול כמות הנפט יכולה להיחשב כיתרון מרכזי עבור האנושות והסביבה, נראה כי מצב זה יאלץ את הצרכנים להפחית את צריכת האנרגיה המוגזמת, מצב זה יעזור לאדם לבחון את תהליכי הייצור ולנסות להגביר את יעילות האנרגיה, וככל הנראה יניע את הממשלות לחפש אחר מקורות אנרגיה חדשים. תקציבים משמעותיים מוקצים עבור המחקר לחיפוש אחר משאבים מתחדשים כגון כח הידראולי, טורבינות רוח ואנרגיה סולארית.

צריכת האנרגיה בעולם כולו המשיכה לעלות, ההערכה הייתה כי עד 1900, הצריכה העולמית תהיה סביב 22 EJ וב1960 תעלה ל 128 EJ. בשנת 2000 הנתון הגיע כבר ל564 EJ.

הגידול המתמשך באוכלוסייה והעלייה המקבילה לגידול זה בתעשייה, שבאה לספק תלות גדולה של האדם במכשירים מונעים על ידי אנרגיה ובתרבות של מכוניות מרובות, העניקו חשיבות מרכזית לאנרגיה. מעניין לציין כי צריכת האנרגיה עבור יחידים גדלה ב 10 שלבים במהלך המאה הנזכרת לעיל. זוהי הוכחה נוספת שהאנושות מגזימה בצריכת האנרגיה וכי היא נעשית תלויה באנרגיה במידה רבה מאשר בעבר.

איור 1.2 קריאת ההתעוררות הראשונה על ידי הוברט. באדיבות wikimedia.org

ציר הX: שנה

ציר הY: ייצור

1. אנרגיית הרוח

1. מבוא

סך כל ההתקנות המפולגות על פי MW במהלך השנים.

איור 2.1- התפתחויות כח הרוח במהלך השנים. באדיבות https://www.wwindea.org/.

על פי BWEA, רשות אנרגית הרוח הבריטית, בבריטניה יש כיום 2896 טורבינות רוח גדולות בעלות קיבולת של 4532 MW, המספיקות כדי לספק אנרגיה למעל ל2.5 מיליון בתים (מבוסס על צריכת אנרגיה ביתית שנתית של 4.7 MWh).

לאחרונה, הוענקה תשומת לב רבה לאנרגיה מתחדשת כמקור פוטנציאלי לדלק. מחיר הנפט העולה והלוגיסטיקה המסובכת לאספקת דלקים מאובנים לאזורים נידחים, הם הסיבות העיקריות לפיתוח האנרגיה המתחדשת, כמו גם התמריץ הסביבתי. באיזורים הנידחים, מערכות עצמאיות של אנרגיה מתחדשת יכולות להיות חסכוניות יותר מאשר הרחבת רשת החשמל באיזור. בנוסף, בגלל הדאגה הבינלאומית להתחממות כדור הארץ, פרויקטים אלו הם בעלי יתרונות סביבתיים, ובעלי ערך רב אשר מתגמלים היטב את הסביבה.

הצמיחה של מקורות האנרגיה המתחדשת בנוסף גם יוצרת תעסוקה על ידי פיתוח טכנולוגיות חדשות ודרישה למיומנויות חדשות.

ההוראה החדשה על האנרגיות המתחדשות קובעת יעדים שאפתניים עבור כל המדינות החברות, בתקווה שהאיחוד האירופי יגיע למצב שבו 20% מנתח האנרגיה יהיה ממקורות מתחדשים עד לשנת 2020 ובייחוד, 10% מהאנרגיה המתחדשת ישולבו בתחום התחבורה. כמו כן, הוראה זו משפרת גם את המסגרת המשפטית עבור קידום ייצור החשמל באנרגיה מתחדשת, בנוסף, עניין זה דורש תוכניות פעולה לאומיות להקמת דרכים לפיתוח מקורות אנרגיה מתחדשת. בתחום הביו אנרגיה, נוצרים מנגנוני שיתוף פעולה בכדי לסייע בהשגת היעדים ביעילות וכמו כן, ישנו ביסוס של קריטריונים לקיימות של דלקים ביולוגיים. ההוראה החדשה צריכה להיות מיושמת על ידי המדינות החברות עד תחילת שנת 2010.

בהודעה האחרונה, אד מיליבנד, מזכיר המדינה לעניין אנרגיה ושינוי האקלים, פירט את האסטרטגיה הממשלתית:

“הפיכת הארץ למקום מחיה נקי, ירוק  ומשגשג יותר הוא לב התוכניות הכלכליות שלנו ל’בניית עתיד בריטניה’ וזאת כדי להבטיח שבריטניה מוכנה לנצל את ההזדמנויות הבאות”.

עד שנת 2020:

• יותר מ1.2 אנשים יעבדו בעבודות “ירוקות”.
• 7 מיליוני בתים ירוויחו ממהפך בביתם ויותר מ1.5 מיליוני משקי בית יתמכו בייצור אנרגיה נקייה משלהם.
• בסביבות ה-40% מהחשמל ייוצר ממקורות עם פליטת פחמן נמוך, מאנרגיה מתחדשת, אנרגיה גרעינית ומפחם נקי.
• אנו נייבא חצי מכמות הגז שאנו מייבאים כיום.
• המכונית הממוצעת החדשה תפלוט פחות כ-40% פחמן מאשר כיום.

1. מיקום טורבינות הרוח

המיקום של מערכות הרוח הוא חשוב ביותר. על מנת שמערכת טורבינת הרוח תהיה יעילה, נדרשת זרימת רוח קבועה יחסית. חסמים כגון עצים או גבעות יכולים להפריע לפעילות הרוטורים. מסיבות אלו, הרוטורים ממוקמים בדרך כלל על מגדלים כדי לנצל את הרוחות החזקות הזמינות במיקום גבוה יותר. יתר על כן, מהירות הרוח משתנה עם הטמפרטורה, העונה, והשעה ביום.

כל הגורמים האלו חייבים להילקח בחשבון בעת בחירת האתר עבור הגנרטור המופעל על ידי הרוח.

כמות אנרגיית הרוח הזמינה בכל מקום תלויה בשתי קבוצות של גורמים:

1. גורמים אקלימיים הכוללים: שעה ביום, עונה, מיקום גיאוגרפי, טופוגרפיה ומזג אוויר מקומי.
2. גורמים מכניים הכוללים: קוטר הרוטור והסוג של הטורבינה.

לחוות הרוח צריכה להיות גישה לקווי התמסורת להובלת האנרגיה. המתכנן של חוות הרוח מחויב להתקין ציוד נוסף או מערכות בקרה נוספות בחוות הרוח בכדי לעמוד בסטנדרטים הטכניים שנקבעו על ידי המפעיל של קו התמסורת.

איור 2.2 חוות רוח, באיזור החוף ובאיזורים הרריים הרחק מהחוף.

1. תכנון אילוצים עבור טורבינות הרוח

ישנם מספר נושאים הקשורים לתכנון העשויים להקשות על התקנת הטורבינה באתר מסוים ולכן יש לוודא שהאתר עומד בכל התנאים לפני ההתקנה.

• מתקנים צבאיים- כדאי להימנע מהתקנות במתקנים אלו, במיוחד אם מדובר בבסיסי חיל האוויר או במרכזי תקשורת.
• קרבה לשטח בנוי- בגלל נטייה של דיירים לדאגה יתרה בכל הקשור למתקנים אלו, אידיאלי לשקול מרחק של לפחות 200-300 מטרים בהתאם לגודלן של הטורבינות.
• אזורים ייעודיים או מבנים רשומים- גנים לאומיים או אזורים טבעיים יוצאי דופן הם מאתגרים יותר לקבלת אישור מקצין התכנון המקומי להתקנת טורבינת הרוח בקרבת המיקום.

1. שלבים לתכנון ובניית חוות רוח

ישנם שלבים רבים של תכנון ופיתוח לפני שהתקנת טורבינת הרוח מאושרת. לאחר שהאתר נבחר בהתאם לתנאים המתאימים והוא נמצא מתאים ובעל פוטנציאל, העבודה מתחילה במספר משימות עיקריות:

• התייעצות עם הרשות המקומית- חשוב מאוד ליצור קשר עם הרשות המקומית באזור שבו חושבים על התקנת הטורבינה לפני תחילת השקעת זמן או עלויות. יש להתעסק ברשויות מוקדם בתהליך התכנון, לענות על כל שאלה או חששות שעשויים להיות להם, ולשמור על דיאלוג פתוח איתם לאורך כל תכנית הפיתוח.
• התייעצות עם הציבור ליד האתר- הקהילה המקומית, שעלולה להיות מושפעת מההתקנה, יש להיפגש עימה על מנת להציג בפניה את הפרויקט, לבקש את המשוב שלהם ולבקש את תמיכתם בתהליך. פרסום בעיתון המקומי יהיה רעיון טוב להודיע לציבור הרחב ולהזמין אותם לדיון בנושא.
• רכישת קרקע- בתחילת התהליך, מפתחים, אם לא הבעלים עצמם, בדרך כלל ניגשים לבעלי הקרקע למשא ומתן על הסכמים אופציונליים בשימוש באדמתם. ככל שהפרויקט מתקדם, היזם יבקש להמיר את האופציות לתוך הסכמי חכירת הקרקעות.
• הערכת הרוח- עוד צעד חשוב מאוד הוא הערכת משאבי הרוח. מדענים ומהנדסים משתמשים בכלים מטאורולוגיים למדידת מהירויות הרוח ותנאי האקלים האחרים במשך שנה אחת לפחות. נתונים אלה משמשים לאחר מכן כדי להעריך את כמות אנרגית הרוח שהחווה תייצר. יש להניח לעתים קרובות כי יש לבצע זאת בטרם יתוכנן שיקול רציני.
• עיצוב משק רוח- שלב זה חשוב אם הפרויקט הינו חוות רוח, נתוני הרוח משולבים עם מידע טופוגרפי לעיצוב חוות הרוח. מהנדסים משתמשים בנתונים אלה עבור מודל זרימת הרוח, ביצועי הטורבינה, רמות הצליל ופרמטרים נוספים כדי למטב את מיקום טורבינות הרוח. הם גם מעצבים את כבישי הגישה, יסודות הטורבינה והרשת החשמלית המקומית, וכן את החיבור לרשת החשמל.

איור 2.3: מיקום אופטימלי עבור חוות רוח

• הערכת ההשפעה על הסביבה- הערכות סביבתיות נערכות על מנת לזהות השפעות כלשהן על הנוף, הצמחים וחיות הבר, הקרקע והמים, השימוש בקרקע או פעילויות אחרות כגון תעופה ותקשורת. במידה ומזוהות השפעות שליליות, העיצוב מותאם בכדי להימנע מהן או להקטין אותן.
• הערכה כלכלית ופיננסית- כדי להוכיח את הכדאיות הכלכלית של הפרויקט על מנת להעלות את הקרנות לבניית חוות הרוח. מצד אחד, יש צורך לאמוד את עלות הטורבינות ואת התקנתן, כמו גם את הכבישים, מערכות החשמל, התפעול והתחזוקה וכד’. ומצד שני, יש צורך לאמוד את ההכנסה מייצור האנרגיה של חוות הרוח על פני חייו של הפרויקט. אם יש רווח נקי, יש לפרויקט סיכוי להצליח.
• הכנת האתר- בניית כבישי גישה וניקוי האזורים שבהם יוקמו הטורבינות. ולאחר מכן, הכנת היסודות. ביצוע החפירה, ולאחר מכן, התקנת התבניות ושפיכת הבטון.
• בנייה- חלקי טורבינת הרוח מיוצרים מראש והרכבת הרכיבים העיקריים נעשית במפעל ולאחר מכן נשלחים החלקים לאתר חוות הרוח שבו מתבצעת ההרכבה הסופית. כאשר כל הרכיבים התקבלו, ההרכבה יכולה להתרחש. משתמשים במנוף כדי להקים את המגדל ולהתקין את המנוע ואת הרוטור עם רכזת הלהבים. על הקרקע, מותקנת רשת איסוף החשמל ומחוברת לרשת דרך התחנה.
• הזמנה- לבסוף, טורבינת הרוח נבדקת, כל הרכיבים מכוילים באתר ומאומתים מול מפרט הספקים, לפני ההפעלה המלאה.

1. אנרגיית הרוח והסביבה

בסעיף זה יעלו הן ההיבטים החיוביים והן ההיבטים השליליים של אנרגיית הרוח

1. יתרונות סביבתיים חיוביים של אנרגיית הרוח

יש להדגיש כי אנרגיית הרוח אינה כוללת בעירה או תגובה גרעינית, ולכן אינה יוצרת זיהום.

זוהי אנרגיה מתחדשת, שופעת וחופשית, אשר זמינה בכל מקום, במיוחד באזורים הנידחים, ישנה רוח בעיקר בהרים ובאזורי החופים. ישנם יתרונות סביבתיים משמעותיים משימוש בהתקן אנרגיה מתחדשת למניעת שחרור של גזים הקשורים לדלקים מאובנים. המשוואה הכללית להערכת הפחתת הגז הנפלט היא:

הפחתת פליטות גז (בטונות)= A * 0.8  * h * kG

כאשר A הוא היכולת המדורגת של הפיתוח בkW

כאשר h הוא מספר שעות הפעילות בשנה = 8000 שעות

כאשר kG הוא קבוע הגז הנפלט

מכאן שהמשוואות הבאות משמשות לחיזוי השיפור הסביבתי המבוסס על מערכת של 1 kWe:

 הפחתת פליטות (בטון) = 

  הפחתת פליטות (בטון) =

 הפחתת פליטות (בטון) =  

1. ההשפעות השליליות של אנרגיית הרוח

נושאים אלה מועלים לעתים קרובות, חלקם תקפים, חלקם מונעים על דעות שונות, ואחרים מתקיימים בגלל העדפות אישיות או בעקבות הטיה.

1. רעש

טורבינות הרוח מסתמכות על תנועת הרוטור, המושפעת מהרוח אשר מסובבת את הגנרטור, אשר מפיק את החשמל. כל מוצר המורכב מחלקים נעים מייצר רעש, טורבינות הרוח לא יוצאות מן הכלל. הטורבינות הן טכנולוגיה מבוססת אשר מפותחת היטב, טורבינות הרוח המעוצבות היטב, בדרך כלל, פועלות בצורה שקטה, בהשוואה לרעש של תנועה בכבישים, לרכבות, מטוסים ולפעילויות בנייה, הרעש המופק מטורבינות הרוח יחסית נמוך. הבתים הקרובים לטורבינות, הנמצאים במרחק של לפחות קילומטר וחצי מהן, ולעתים אף קרוב יותר, רעשי טורבינת הרוח המייצרות חשמל, עשויים להיות בערך ברמת רעש של עלים המרשרשים ברוח עדינה. זהו רעש ברמת קול בתוך סלון אשר בתוכו יש חימום של שריפת גז, או חדר קריאה בספרייה או משרד ריק, שקט וממוזג.

טבלה 2.1 השוואות רמות רעש

רמת רעש אינדיקטיבית dB  (A)	מקור / פעילות
0	סף שמיעה
20-40	רעש רקע כפרי בלילה
35	חדר שינה שקט
35-45	חוות רוח במרחק 350 מטרים
55	מכונית ב40 mph במרחק של 100 מטרים
60	משרד רועש
65	משאית ב30 mph במרחק של 100 מטרים
95	מקדחה ברחק של 7 מטרים
105	מטוס במרחק של 250 מטרים
140	סף כאב

ישנם שני מקורות פוטנציאליים של רעש הקשורים לטורבינות הרוח: להבי הטורבינה העוברים באוויר כאשר הרכזת מסתובבת, תיבת ההילוכים והגנרטור במנוע. הרעש מהלהבים ממוזער על ידי מתן תשומת לב קפדנית לתכנון ולייצור הלהבים. הרעש של תיבת ההילוכים והגנרטור הנמצאים בתוך המנוע,  ומבודדים על ידי בידוד קול וחומרי בידוד.

ההמלצות הראשוניות מקבוצה העובדת על בחינה של “רעשי טורבינת רוח”, שהוקמה על ידי ה- DTI בבריטניה, הן שרמת הרעש שהטורבינה אמורה להפיק צריכה להיות בסביבת 5 dB (A) מרמת הרעש הממוצעת שמופקת בערב או מרמת רעש רקע בלילה. קיימת רמה נמוכה קבועה בין 35 ל -40 dB (A) כאשר רעש הרקע נמוך מאוד, כלומר, פחות מ -30 dB (A).

1. הרג ציפורים

זהו נושא טעון רגשית. משמרי הציפורים נוטים לראות בטורבינות הרוח כמכונות מוות ומתייחסים לגוויות מדממות של הציפורים השוכבות למרגלות מגדלי הטורבינות, ולזני ציפורים שלמים הנודדות מן השטחים שמסביב לחוות הרוח.

ציפורים מתנגשות מדי פעם בטורבינות הרוח, כפי שקורה עם מבנים גבוהים אחרים כגון בניינים גבוהים. ממחקרים מפורטים וניטור אחר תהליך הבנייה, באזורי הפיתוח עבור טורבינות הרוח, עולה כי הבעיה המדוברת הינה בעיה באתר ספציפי אשר לא תהווה בעיה לכל יתר אתרי הרוח הפוטנציאליים.

כמו כן, ההשפעה הכוללת של הרוח על הציפורים, נמוכה בהשוואה למקורות אחרים הקשורים לתמותה של עופות. ראה איור 2.4.

איור 2.4- הסיבות להרג ציפורים

1. השפעות חזותיות

טורבינות הרוח הם מבנים רגילים בנוף, בדיוק כמו עצים, אשר נראים טוב יותר מאשר ארובות הדוד.

בהשוואה להתפתחויות אחרות בתחום האנרגיה, כגון תחנות כוח גרעיניות, פחם וגז או כריית פחם פתוחה, חוות הרוח הן בעלות השפעה ויזואלית מועטה בלבד. מפתחי חוות הרוח מכירים בכך שההשפעה החזותית יכולה להיות חשש עבור קהילות השכנות. לפיכך, הם משקיעים מאמצים רבים בשלבי התכנון על מנת לצמצם את השפעה זו ולקבל את הסכמת הקהילות.

מספר איגודי אנרגיית הרוח הלאומית הקימו הנחיות מפורטות ביותר עבור פיתוח חוות רוח, כולל פירוט על השפעתן החזותית.

סקרים מראים כי רוב האנשים שגרים ליד אזורי פיתוח הרוח מוצאים את האתרים האלו פחות פולשניים ברגע שהם פועלים, בניגוד לחששותיהם הראשוניות. סקרים אחרים, למשל בסקוטלנד, הראו כי אין הוכחות כי התיירות נפגעת קשות על ידי הנוכחות של חוות הרוח. חוויית הכותבים הפוכה מזה, מצאתי את עצמי מבקר במקומות שמעולם לא חשבתי שאבקר בהם, מהסיבה הפשוטה, בכדי לראות כיצד עובדות טורבינות הרוח ועל מנת ליהנות מהמראה של מכונת אנרגיה נקייה.

למרות שפרויקט אנרגיית הרוח יכול להתפשט על פני שטח גדול, לא כל השטח משומש עבור הטורבינות. פעילויות חקלאיות או פעילויות פנאי יכולות להימשך סביב אתרי הטורבינות. איגוד אנרגיית הרוח האירופית מעריך שבשביל לספק 20% מאספקת החשמל של אירופה בעזרת אנרגיית הרוח, דרושים רק כמה מאות קילומטרים רבועים של חוות רוח.

1. צל מהבהב

נושא זה הועלה לעתים כנושא לדיון על ידי אנשים מסוימים. להבי טורבינת הרוח הנעים יכולים להטיל צל נע על מבנים סמוכים, בהתאם לזמן השנה (הקובע כמה נמוך נמצאת השמש בשמים) והשעה ביום. אפשר לחשב במדויק אם הצל המהבהב אכן יהיה במקום נתון ליד חוות הרוח, וכמה שעות בשנה הוא יהיה במקום זה. לכן, לא אמורה להיות בעיה לקבוע אם זו בעיה פוטנציאלית.

1. הפרעות בתקשורת

טורבינות הרוח, כמו כל סוג מבנים אחר, יכולות להפריע לאותות התקשורת או למכ”ם, כאשר אותות אלה מופרעים על ידי מבנה הטורבינה או על ידי הרוטור. טורבינות הרוח יכולות לפעמים לגרום להפרעות אלקטרומגנטיות המשפיעות על קליטת תדרי הטלוויזיה והרדיו. הפרעה אלקטרומגנטית יכולה להיגרם על ידי השפעות שדה, על ידי עקיפה, או על ידי השתקפות ופיזור. על הפרעות כאלה בדרך כלל ניתן להקל על ידי שימוש בלוויין או בכבלים אלחוטיים. למרות שמקרים של הפרעות בשידורי הטלוויזיה או ברדיו הם נדירים, בדרך כלל פשוט לפתור תקלות אלו, האינטראקציה של טורבינות הרוח עם אותות ניווט או הגנה הוא נושא שנלקח לאחרונה לתשומת הלב.

קיימים מספר כלים ופרקטיקות לניהול או להקטנת ההשפעה הפוטנציאלית של הפרעות טורבינות רוח:

• אופטימיזציה של פריסת החווה, מיסוך השטחים, או צמצום שטח החתך של המכ”ם, עשויים להספיק בכדי לטפל בבעיות הפרעה מזוהות.
• ציפוי הציוד בחומרים סופגים או רפלקטיביים בכדי למזער את אותות המכ”ם של הטורבינה.
• לעתים קרובות, הגישות הכי קלות והפחות יקרות כרוכות באופטימיזציה של התוכנה. אפשרויות אחרות כוללות התקנת מעבדים או הוספת חומרה (כגון מעבדים, משדרים או מקלטים). כאשר שינויים כאלה אינם מספיקים, לעיתים ניתן ליישם גם גישות מעורבות יותר. אלה כוללות פריסה של מכ”מים נוספים בכדי לכסות את נקודות בעייתיות, העברת מתקני מכ”ם כדי להתאים את חוות הרוח החדשות, או לשנות את נתיבי התנועה האווירית סביב חוות הרוח החדשות.

גם עם שיטות הקלה אלה ,עדיין יהיו כמה מיקומים עם טורבינות רוח בהם תיגרם הפרעת מכ”ם משבשת. במקרים כאלה, פרויקט הרוח כנראה לא יוכל להתקדם באתר המוצע.

איור 2.5 מקום שאינו מושלם עבור התקנת חוות רוח

1. תאוריית אנרגיית הרוח

העקרונות הנוגעים להמרת האנרגיה הפוטנציאלית של נוזלים לכוח שימושי מסתמכים על שלושה יסודות בסיסיים: שימור המסה, האנרגיה והתנע, ולכן, כדאי לדון בהם לפני בחינת פעולת טורבינות הרוח.

1. שימור המסה:

משוואת ההמשכיות מיישמת את עקרון שימור המסה לזרימת הנוזלים. העברת נוזל זורם דרך צינור קבוע בעל מפרצון אחד כפי שמוצג באיור 3.1

איור 3.1 שימור המסה של הנוזל הזורם בצינור

אם הזרימה הינה יציבה, כלומר, אין הצטברות של נוזל בתוך נפח הבקרה, אז קצב זרימת הנוזלים בכניסה, חייב להיות שווה לקצב זרימת הנוזלים ביציאה על מנת לשמר את המסה. אם הזרימה בשטח החתך A (), והנוזל נע מרחק dL בזמן dt, אז, קצב הזרימה ( /s Vf) ניתן על ידי:

אבל כיוון ש dL/dt היא מהירות הנוזל (V, m/s) אנחנו יכולים לכתוב:

קצב זרימת המסה (m, kg/s) ניתן על ידי תוצר של צפיפות וקצב הזרימה. בין שתי נקודות בתוך נפח הבקרה, קצב זרימת המסה של הנוזלים יכול להיות להישאר קבוע:

1. 

3.2 שימור האנרגיה:

שימור האנרגיה מחייב שהאנרגיה הכוללת של הנוזל תישאר קבועה, עם זאת, יכול להתבצע שינוי מצורה אחת לאחרת.

ישנן שלוש צורות של אנרגיה לא-תרמית עבור נוזל, בכל נקודה נתונה:

האנרגיה הקינטית עקב תנועת הנוזל.

האנרגיה הפוטנציאלית עקב העלאת הגובה מעל הנתון.

אנרגיית הלחץ, בשל הלחץ המוחלט של הנוזל בנקודה זו.

אם כל תנאי האנרגיה נכתבים בצורת ‘ראש’ (אנרגיה פוטנציאלית), כלומר במטרים של כמות הנוזל, אז שימור של עקרון האנרגיה דורש כי:

(2a)

משוואה זו ידועה כמשוואת ברנולי והיא תקפה במידה ושתי נקודות העניין 1&2 קרובות מאוד זו לזו ואין אובדן של אנרגיה.

במצב מציאותי, הזרימה תאבד מהאנרגיה עקב החיכוך (hL) והחסימה בין תחנות 1&2 , ומכאן:

(2b)          

1. שימור התנופה

נלקח צינור באורך L, אזור החתך Ac, שטח הפנים As, שבו נוזל הצפיפות, זורם במהירות הממוצעת V. הכוחות הפועלים על הקטע של הצינור קיימים בשל הלחץ ההבדלים  ובשל החיכוך ממגע  הקירות עם הנוזל.

אם תאוצת הנוזל היא אפסית, כוחות הנטו הפועלים על האלמנט חייבים להיות אפסיים, ומכאן:

(3)

או:

כאשר

עבור הצינור

לכן:

חישוב זה ידוע בשם נוסחת Darcy.

הערך של גורם החיכוך (f) תלוי בעיקר בשני פרמטרים, כלומר הערך של מספר Reynolds ורמת החספוס על פני השטח.

מספר ה-Reynolds מוגדר במונחים של צפיפות, מהירות הזרימה, הקוטר והצמיגות הדינמית כדלקמן:

(4)

עבור זרימה למינרית (כלומר, Re <2000)

(5a)

בעוד צינור חלק עם זרימה סוערת (כלומר Re> 4000)

(5b)

עבור Re> 2000 ו Re<4000, אזור זה ידוע בתור אזור קריטי והערך של גורם החיכוך הוא בטוח.

באזור הסוער, אם פני השטח של הצינור אינם חלקים לחלוטין, אז יש לקבוע את הערך של גורם החיכוך מתרשים Moody (ראה לעיל). החספוס היחסי הוא היחס בין הגובה הממוצע של תחזיות פני השטח על החלק הפנימי של הצינור (k) לקוטר הצינור (D). במשותף עם מספר Reynolds וגורם החיתוך, פרמטר זה הוא חסר ממדים.

1. חישובי כוח הרוח האידיאליים:

בתיאוריה, כוח הרוח (P) מחושב על פי המשוואה הכללית הבאה (ההוכחה לגביה בסעיף הבא):

(6)

כאשר  הוא מקדם הכוח

כאשר  היא צפיפות האוויר

כאשר A הוא שטח הסחף של הרוטור

כאשר V היא מהירות הרוח

בפועל, הכוח מופחת על ידי שני חסרונות נוספים, בשל ההפסדים של תיבת ההילוכים והיעילות של הגנרטור.

הערך של הכוח האידיאלי מוגבל על ידי מה שידוע כמקדם Betz עם ערך של Cp = 0.59 כיעילות ההמרה הגבוהה האפשרית.

בפועל, לרוב טורבינות הרוח ישנה יעילות הנמוכה מ- 0.5, בהתאם לסוג, עיצוב והתנאים בשטח.

בטווח התפוקה התפעולית, כוח הרוח שנוצר גדל עם מהירות הרוח בחזקת 3. במילים אחרות, במהירות רוח של 5 m/s, כוח הפלט הוא פרופורציונלי ל5 בחזקת 3=125, ואילו במהירות רוח של 10 m/s, כוח הפלט הוא פרופורציונלי ל1000. זה מראה כי הכפלת המהירות מ 5 עד 10 m/s הביאה לעליית הכוח ב8 רמות. עניין זה מדגיש את חשיבותו של המיקום כאשר מדובר בהתקנת טורבינות רוח. קוטר הרוטור משפיע על תפוקת החשמל בחזקת 3, כלומר, הכפלה של קוטר הרוטור גורמת להגדלת תפוקת החשמל ב4 פעמים.

מצד שני, הכוח שנוצר קשור למהירות הרוח על ידי יחס מעוקב. כלומר, אם הטורבינה מדורגת בהפקת 1 KW במהירות 12 m/s אז הייצור של 125W יעשה במהירות של 6 m/s ו15W יעשה במהירות של 3 m/s .

3.3.1 תיאוריית טורבינות הרוח

טחנת רוח שואבת כוח מהרוח על ידי האטת הרוח. בעמידה דוממת, הרוטור לא מייצר שום כוח, וכמו כן, במהירות הסיבוב הגבוהה ביותר, כאשר האוויר נחסם על ידי הרוטור, גם אין הפקה של כוח.

איור 3.2: תאוריית אנרגיית הרוח האידיאלית

הכוח המופק (Pkin) על ידי טורבינת הרוח, הוא שינוי האנרגיה הקינטית הנמצאת על פני טורבינת הרוח (המהירות הראשונית של האוויר V1 ליציאת הטורבינה במהירות V2) ניתנת כדלקמן:

(7)

קצב זרימת המסה של הרוח ניתן על ידי משוואת ההמשכיות כתוצר של צפיפות, שטח הרוטור ומהירות האוויר:

(8)

ומכאן הכוח הופך:

(9)  

מכיוון שמהירות הרוטור היא המהירות הממוצעת (Va) בין המפרצון לשקע:

(10)

מכאן הכוח:

(11)

כדי למצוא את הכוח המרבי המופק על ידי הרוטור, יש להבדיל את משוואה מס’ 11 ביחס ל V2 ולהשוות אותה לאפס

(12)

מכיוון שאזור הרוטור (A) וצפיפות האוויר (r) אינם יכולים להיות אפסיים, הביטוי בסוגריים של משוואה מס’ 12 חייב להיות אפסי. לפיכך, המשוואה הריבועית הופכת:

מכיוון ש- V2 = – V1 אינו מציאותי במצב זה, יש רק פתרון אחד, למשוואה מס’ 12:

(13)

החלפת משוואה מס’ 13 למשוואה מס’ 11 גורמת ל:

(14)

החלק התיאורטי המקסימלי של הכוח ברוח, אשר ניתן לחלץ מטחנת רוח אידיאלית, הינו השבר 0.5925 והוא נקרא מקדם Betz. בגלל קיומן של תקלות אווירודינמיות בכל מכונה ואובדן מכני, הכוח המופק הוא נמוך יותר מזה שחושב לעיל. איור 3.7 מדגים את ההשפעה של השלכות עיצוב טורבינת הרוח על הכוח שנוצר מהרוחות הנכנסות. טורבינות רוח יעילות תלויות בייצור ובמהירות האופטימלית אשר נותנת מקסימום או קירוב של הכוח המרבי האפשרי.

משוואה מספר 14 מראה בבירור כי:

• הכוח הוא יחסי לצפיפות (r) האוויר אשר משתנה מעט עם גובה ועם טמפרטורה.
• הכוח הוא יחסי לשטח החתך (A) ליד הלהבים וכן לריבוע הרדיוס (R) של הרוטור.
• הכוח משתנה עם חזקה שלישית של מהירות הרוח (V3). משמעות הדבר היא, כאשר מהירות הרוח מוכפלת, הכוח גדל פי 8. לפיכך, יש לשים לב בבחירת האתר.

3.3.2 ההבחנה בין תפוקת החשמל המדורגת לתפוקה בפועל של הטורבינה

לטורבינת הרוח הגדולה בעולם, קוטר הלהב של הרוטור הינו 126 מטרים והוא ממוקם על החוף, בגובה פני הים ולכן אנו יודעים כי צפיפות האוויר באזור הינה 1.2 ק”ג/m3. הטורבינה מדורגת ב 5MW ברוחות של mph30 (14 m/s) .

שטח הסחף של הרוטור, A

כוח הרוח

מדוע כוחה של הרוח (20MW) גדול בהרבה מהכוח המדורג של מחולל הטורבינות (5MW)?

התשובה לכך נעוצה בכך שמגבלת הBetz והחוסר האפקטיביות במערכת, בולטות יותר מ-60% מהכוח.

ישנם שני גורמים נוספים שיש לקחת בחשבון בעת אמידת תפוקת החשמל מטורבינה, הראשון הוא השידור המכני והשני הוא יעילות הגנרטור, אשר שניהם פחותים מיחידה, ומכאן שהכוח האמיתי נמוך באופן יחסי מהערך האידיאלי שלו.

גורם הקיבולת (Cf). בהנחה של טורבינת רוח של 5 KW המייצרת מדי שנה 10 MWh, אם אותה הטורבינה הייתה פועלת, תיאורטית, במשך 24 שעות ביממה ו-365 ימים בשנה, בעומס מלא, היא הייתה מייצרת 43.8 MWh. גורם הקיבולת (Cf) הוא 10/43.8 = 0.23. ערכים נורמטיביים בבריטניה עבור Cf הם בטווח שבין 0.2 ו 0.4, בהתאם למיקום המדויק.

איור 3.3: הגבלת הBetz על יעילות אנרגיית הרוח והשלכותיה.

        

1. טורבינות הרוח- סוגים ורכיבים

1. סוגים של טורבינות הרוח

ישנם שני סוגים עיקריים של טורבינת רוח: טורבינות בעלות ציר אופקי ובעלות ציר אנכי. טורבינת בעלת ציר אופקי (HAWT) ובעלת ציר אנכי (VAWT) מסווגות או מובחנות על ידי סיבוב צירי הרוטור.

טורבינות רוח בעלות ציר אופקי – הידועות גם בשם HAWT, יש להן פיר רוטור אופקי וגנרטור חשמלי אשר ממוקמים שניהם בחלק העליון של המגדל.

טורבינות רוח בעלות ציר אנכי- הידועות גם בשם VAWT, יש להן פיר רוטור אנכי, גנרטור ותיבת הילוכים אשר ממוקמים בתחתית הטורבינה, ורוטור ייחודי המיועד לקצור את כוחה של הרוח לא משנה לאיזה כיוון היא נושפת.

הסוג הראשון הוא טורבינת רוח דאריוס (Darrieus), אשר נועדה להיראות כמו ביצה. טורבינות אלה יעילות מאוד, אבל בעלות אמינות ירודה בשל כמות מסיבית של לחץ המופעל על המסגרת. יתר על כן, בטורבינות אלה נדרש גנרטור קטן על מנת להתחיל את תנועתן.

איור 4.1 סוגים שונים של טורבינות רוח

1. רכיבי טורבינות הרוח

לטורבינת הרוח בדרך כלל יש 6 מרכיבים עיקריים: הרוטור, תיבת ההילוכים, הגנרטור, מערכת הבקרה והגנה, המגדל והבסיס. מרכיבים עיקריים אלה ניתן לראות באיור מס’ 4.2.

איור 4.2 רכיבי טורבינות הרוח

באדיבות National Instruments Corporation, ארה”ב.

רוטור- להב אלגנטי בצורת להבים אשר לוקח את הרוח ואת האווירודינמית וממיר את האנרגיה הקינטית שלה לאנרגיה מכנית דרך הפיר המחובר אליו.

תיבת ההילוכים- היא משנה את מהירות הסיבוב של הפיר בהתאם לגנרטור.

הגנרטור-הינו מכשיר המייצר חשמל כאשר מתבצעת עבודה מכנית למערכת.

מערכת הבקרה וההגנה – מערכת ההגנה משווה לתכונת בטיחות אשר מוודאת שהטורבינה לא תעבוד במצב מסוכן. נכללת בה מערכת הבלמים המופעלת על ידי קבלת אות על מהירויות רוח גבוהות בכדי לעצור את הרוטור בתנועה תחת משבי רוח מוגזמים.

מגדל – המגדל הוא הפיר הראשי המחבר את הרוטור לבסיס. המגדל מעלה את הרוטור גבוה באוויר במקום שבו ניתן להפיק רוחות חזקות יותר. במגדל של טורבינות רוח בעלות ציר אופקי, קיימות מדרגות בכדי לאפשר תחזוקה ובדיקה של הטורבינה.

הבסיס- תומך בכל טורבינת הרוח, יש לוודא כי הינו מקובע היטב בקרקע או על הגג עבור טורבינות רוח במשק בית קטן. בדרך כלל ההרכבה נעשית באמצעות בטון מוצק סביב המגדל בכדי לשמור על שלמות המבנה.

בנוסף לרכיבים העיקריים של טורבינת רוח, מערכת אנרגיית הרוח המוצגת באיור 4.2, המשלבת בקר טעינה, סוללה וממיר מתח, בצורה כזו שהחשמל יומר לשימוש במכשירי חשמל ביתיים ועבור הדלקת אורות.

איור 4.3 מערכת אנרגיית הרוח

1. הקשר בין מהירות הרוח לבין מהירות הרוטור

יחס מהירות הקצה – (הידוע לעתים קרובות כTSR) הוא חיוני בעיצוב של הגנרטורים עבור טורבינת רוח. אם הרוטור של טורבינת הרוח איטי מדי, רוב הרוח תעבור ללא הפרעה דרך המרווח בין להבי הרוטור. לעומת זאת, אם הרוטור מסתובב מהר מדי, הלהבים ידמו  לקיר מוצק עבור הרוח. לכן, טורבינות רוח מעוצבות עם יחס אופטימלי של מהירות הקצה בכדי לחלץ כוח מרבי ככל האפשר מהרוח.

יחס מהירות הקצה האופטימלי תלוי במספר הלהבים ברוטור של טורבינת הרוח. ככל שמספר הלהבים קטן יותר, כך הרוטור של טורבינת הרוח יהיה מהיר יותר ויוכל להפיק כוח מרבי מהרוח. לרוטור בעל שני להבים יש יחס מהירות אופטי סביב 6, רוטור בעל 3 להבים סביב 5, ורוטור בעל 4 להבים סביב 3. איור 4.4 מראה כמה טורבינות רוח נפוצות ואת היעילות שלהם בהתאמה ליחס מהירות הקצה (tsr).

איור 4.4 יעילות טורבינת רוח טיפוסית

באדיבות https://www.windturbine-analysis.netfirms.com/

1. מדידות אנרגיית הרוח

ישנן 4 מדידות הקשורות באנרגיית הרוח, מדידות של אותות חשמליים הכוללים  מתח, זרם חשמלי או את הכוח החשמלי, מהירות הסיבוב של טורבינת הרוח ומהירות הרוח.

1. מדידות חשמליות

על מנת לקבוע את תפוקת האנרגיה החשמלית, יש צורך למדוד אותה באופן ישיר כאנרגיה בKWh, או בעקיפין על ידי מדידת המתח וזרם התפוקה של טורבינת הרוח.

טבלה 5.1 מדידות אלקטרוניות

יחידה	יחידת מדידה	סימון	כמות הנמדדת
A	Amp	I	זרם
V	Volt	V	מתח
Ω	Ohm	R	התנגדות
W	Watt	E	כוח/ עוצמה

1. חום אוהם

חוק אום קובע כי הזרם (I) העובר במוליך בין שתי נקודות הוא יחסי להפרש הפוטנציאלי (V) והוא ביחס הפוך לכיוון ההתנגדות (R).

 (15)

איור 5.1 חום אוהם

1. הכוח החשמלי

הכוח החשמלי (E) היא הכמות האנרגיה המיוצרת.

יחידת המדידה של הכוח הינו וואט Watt (W) השימוש בקידומת למיליוואט mW זה בעצם W וקילווואט KW זה בעצם W.

באמצעות שימוש בחוק Ohm והמעבר לV (וולט), I (אמפר) ו- R (Ω) קיימת הנוסחה של החשמל, E (ואט) ניתן למצוא כ:

(16a)

(16b)

(16c)

1. הספק זרם חליפין

כמו במקרה של כוח DC, הכוח החשמלי המידי במעגל זרם חילופין ניתן על ידי:

(17)

אבל כמויות אלה משתנות ללא הפסקה. כמעט תמיד, הכוח הרצוי במעגל AC הוא הכוח הממוצע, אשר ניתן על ידי

(18)

כאשר φ היא זווית הפאזה בין הזרם והמתח, כאשר V ו- I נתפסים כערכים יעילים או שורש ממוצע ריבועי של המתח והזרם, ראה איור 5.2. המונח cos φ נקרא “גורם הכוח” עבור המעגל, גורם הכוח של כוח אחד או של “גורם של איחוד הכוחות” הוא המטרה של ייצור החשמל, שכן אם גורם הכוח הוא קטן מאחד, יש צורך לספק זרם למשתמש עבור כמות מסוימת של צריכת חשמל. בשל כך נגררים הפסדים נוספים. כמו כן, יש צורך בציוד קיבולת גדול יותר.

איור 5.2  מעגלת התנגדות AC

ההבדל בין ערכי המקסימום והמינימום נקרא מתח שיא-לשיא (Vpp) והוא כפול ממתח השיא (Vp). מתח ה-RMS (Vrms) קשור למתח השיא בצורה הבאה:

(19)

זרמי המעגל והמתחים במעגלי AC מוצגים בדרך כלל כערכים של שורש ממוצע ולא על ידי תצוגת ערכים מקסימליים. השורש הריבועי הממוצע  עבור הזרם מוגדר על ידי

(20)

כלומר, הזרם הממוצע בחזקת 2 ,בשורש הריבועי. כאשר תהליך זה מבוצע עבור זרם סינוסי:

(21)

מכיוון שמתח AC הוא גם סינוסי, צורת המתח של ה- RMS זהה. ערכי RMS אלה הם רק הערך האפקטיבי הנדרש בביטוי של הספק ממוצע:

(22)

מאחר שהמתח והזרם הם סינוסים, ביטוי הכוח יכול לבוא לידי ביטוי במונחים של הריבועים של פונקציות הסינוס או הקוסינוס, והממוצע של הסינוס או הקוסינוס בריבוע לאורך כל התקופה הינו = 1/2.

1. מדידות חשמליות

מדידות הקשורות באנרגיה הנוגעות לייצור החשמל ולצריכה נגזרות בדרך כלל מ3 מרכיבים: זרם החשמל, המתח וההתנגדות של העומס. שלושת המשתנים האלה קשורים ישירות לצריכת האנרגיה או לצריכת החשמל ולכן, נפוץ לראות מודד אחד המשלב את המדידה של כל אלה בכדי לתת קריאה ישירה של צריכת האנרגיה.

Multimeter (מולטימטר) הוא כלי בדיקה שימושי מאוד. על ידי הפעלת המתג, המכשיר יכול בזריזות להיות מוגדר כ-voltmeter (מד מתח), ammeter (מד זרם) או ohmmeter (מד התנגדות). ניתן להשתמש בשני סוגי מכשירים כדי למדוד: מולטימטר אנלוגי ודיגיטלי כפי שמוצג להלן באיור 5.3.

איור 5.3 מולטימטר אנלוגי ודיגיטלי

באדיבות https://www.kpsec.freeuk.com/multimtr.htm

מבחינת הספק, היחידה הנפוצה ביותר למדידת צריכת החשמל במונה היא קילוואט לשעה kWh, השווה לכמות האנרגיה המשמשת בעומס של קילוואט אחד על פני תקופה של שעה אחת או 3,600,000 ג’אול. חברות חשמל מסוימות משתמשות במקום זאת ביחידת המדידה Mega joule. מונים מודרניים פועלים על ידי מדידה מתמדת של המתח המידי (וולט) והזרם הנוכחי (אמפר) ומציאת תוצר של אלה בכדי לספק חשמל (וואט) מידי, אשר משולב עם הזמן בכדי לחשב את השימוש באנרגיה (joules, קילוואט לשעה וכו’). המונים מתחלקים לשתי קטגוריות בסיסיות, אלקטרו-מכאניים ואלקטרוניים, כפי שמוצג באיור. 5.4.

המונה האלקטרו-מכני בעל מנגנון המסתובב נגד כיוון השעון.

הסוג המונה הנפוץ ביותר הוא מסוג Thomson (טומסון) או מונה אינדוקציה של אלקטרו וולט לשעה, אשר הומצא על ידי אליהו טומסון בשנת 1888. מונה זה עובד על ידי ספירת מספר הסיבובים של דיסק אלומיניום אשר מסתובב במהירות יחסית לכוח. הדיסק המתכתי מופעל על ידי שני סלילים. סליל אחד מחובר כך שהוא מייצר שטף מגנטי ביחס למתח והסליל השני מייצר שטף מגנטי ביחס לפרופורציה לזרם.

מד מתח דיגיטלי מודרני דוגם את המתח הנוכחי אלפי פעמים בשנייה. הממוצע של המתח המידי כפול המתח הנוכחי הוא הכוח האמיתי. הכוח האמיתי מחולק על ידי וולט-אמפר (VA) אשר הינו גורם הכוח. מעגל ממוחשב משתמש בערכים שנדגמו לחישוב מתח ה-RMS, זרם ה-RMS,VA, הספק (ואט), הגורם להספק וקילוואט-לשעה kWh. הדגמים הפשוטים מציגים את המידע על מסך ה-LCD. מודלים מתוחכמים יותר שומרים על המידע לאורך זמן, וניתן להעבירו לציוד שדה או למיקום מרכזי לפי הצורך.

איור 5.4 מדידת הכוח באדיבות https://en.wikipedia.org/wiki/

1. מהירות וזרימה הנמדדים על ידי Anemometers (אנמומטרים)

מהירות הרוח היא הגורם החשוב ביותר ביחס ישיר לתפוקת החשמל של טורבינת רוח.

סוגים שונים של אנמומטר משמשים למדידת מהירות, בדרך כלל של אוויר.

1. מדידת מהירות האוויר מסוג “כוס” (cup)

איור 5.5 המכשיר משמש למדידת מהירות האוויר והוא בעל כוסות הנראות כחצי כדור על זרועות המכשיר המחוברות לפיר מסתובב. הצורה של הכוסות מעניקה גרר גדול יותר בזמן הסיבוב מאשר במכשירים אחרים. כתוצאה מכך, מהירות הסיבוב גדלה במידה פרופורציונלית יחסית למהירות האוויר. המהירות נמדדת על ידי ספירת הסיבובים בזמן קבוע.

איור 5.5 אנמומטר מסוג “כוס”

1.  אנמומטר מסוג “ואנה”

איור 5.6 לאנמומטר מסוג “ואנה” יש מאיץ צירי המחובר לידית עם הרחבות ואספקת חשמל אשר מודדת את מספר הסיבובים. זה מונה אשר מציין טווחי מהירות שונים.

איור 5.6 אנמומטר ואנה

5.2.3  אנמומטר המודד חום

(איור 5.7)  בדיקה באננומטר מסוג זה מתבצעת באמצעות אלמנט תיל אשר מתחמם כאשר זורם זרם במקום הבדיקה, החוט מתקרר במידה מסוימת, בתלות במהירות באמצעות נוזל חולף. השינוי המתקבל בהתנגדות של האלמנט נמדד במעגל ‘גשר’ והוא קשור למהירות על ידי כיול.

איור 5.7 אנמומטר המודד חום

1. מדידת מהירות הסיבוב

השיטות הבאות משמשות למדידת מהירות הסיבוב של אובייקט:

• טכומטר מכני
• טכומטר דיגיטלי
• סטרובוסקופ
• חיישני מיקום בשדה מגנטי זוויתי
• גלגל מקודד

בחירת הטכניקה המשמשת למדידה, כפופה לתחום, למידת הדיוק הנדרשת, לסוג ההתקנה והעלות המקורית. בסעיף זה יוצגו כל סוגי המדידה וסקירה של החשיבות המדידה המדויקת.

1. טכומטר מכני

סוג זה של טכומטר הוא הצמדה של פירים, הילוכים ומשקולות מסתובבות. כאשר מוט הקלט שהינו אופקי, מסובב את הפיר האנכי בעקבות כך, מסתובבות גם המשקולות המצורפות אליו, והצירים חופשיים לנוע פנימה והחוצה. התנועה של משקולות אלו מסובבת מחוג מכויל המעניק את המהירות ביחידות הרצויות כגון ה-RPM.

ישנם שני חסרונות עיקריים של טכומטר זה, למשקולות המכניות ישנה אינרציה ולכן המדידה אינה מדויקת. ושנית, אין במדידה זו אינדיקציה של כיוון הסיבוב.

איור 5.8 טכומטר מכני באדיבות https://www.brighthub.com/

1. טכומטר חשמלי

סוג זה של טכומטר הינו פשוט כמו גנרטור מסוג DC או AC אשר קובע את מהירות הסיבוב של הפיר לפי כמות המתח שמחולל הגנרטור או לפי תדירות פלט האותות. העוצמה של מתח הגנרטור ותדירות המתח הנוצרת, תגדל באופן יחסי עם המהירות. את התדירות ניתן למדוד גם על ידי טכומטר מסוג photocell (מדידת הסיבובים באמצעות השימוש באור). מספר הפולסים המיוצרים על ידי ה-photocell יגדלו לפי גידול מהירות הסיבוב של הפיר.

השדה המסתובב והטכומטר המחודד מייצר צורת גל וה-photocell משתמש בדיסק מסתובב בעל מספר חלונות עליו. מקור האור ממוקם בצורה כזו שהאור יעבור דרך כל חלון בדיסק אל הגלאי מסוג ה-photocell בזמן שהדיסק מסתובב. הדיסק מחובר לפיר טכומטר, ולכן, הוא הופך את החלונות מעלה ביחד עם ה-photocell וה-photocell מייצר פעימה כאשר האור פוגע בו. בכל אחד מהסוגים האלה של הטכומטרים נוצרת פעימה והיא פרופורציונלית למהירות של הפיר.

איור 5.9 טכומטר דיגיטלי

1. סטרובוסקופ

ידוע גם בשם “strobe”, הוא מכשיר הגורם להאטת התזוזה באובייקטים הנעים במחזוריות. עיקרון המשמש לחקר אובייקטים מסתובבים, מתנודדים או רוטטים. הדוגמאות הנפוצות הן חלקי מכונות ורצועות רוטטות.

בגרסאות האלקטרוניות, הדיסק מוחלף בנורה המסוגלת לפלוט הבהובים קצרים ומהירים של אור. תדירות ההבזק מכווננת כך שהיא שווה ליחידת שבר מתחת או מעל למהירות המחזורית של אותו אובייקט, התדירות ההבזק מראה באיזו נקודה האובייקט הופך להיות נייח או נע אחורנית או קדימה.

איור 5.10 סטרובוסקופ באדיבות https://www.accesscontrolsales.com/

כדי לבצע מדידה, מסמנים סימון על האובייקט כאשר הוא נייח, ואז מסובבים את האובייקט. המתנד מוגדר תחילה לתדר נמוך, והנורית מאירה בסימון שנעשה באובייקט. בהתחלה, הסימון יופיע בנקודות אקראיות סביב לאובייקט. כאשר הוא נייח, הנורית מהבהבת באותו התדר שבו האובייקט מסתובב. מכיוון שהתדר ידוע, ומהירות הסיבוב ידועה גם כן, ניתן לחשב את ה-RPM באמצעות הנוסחה:

1. שדה מגנטי זוויתי עם חיישני מיקום

אלה מקודדים בעלי פירים דומים, עם תכונה אחת יוצאת דופן. הם מסוגלים למדוד את כיוון הזווית של השדה מגנטי מתוך מגנט עם רזולוציה של<0.07 °. יתרונות מדידת כיוון השדה לעומת מדידת חוזק השדה כוללים: חוסר רגישות למקדם הטמפרטורה של המגנט, פחות רגישות לזעזוע ולרטט, והיכולת לעמוד בפני שינויים גדולים בפער שבין החיישן למגנט. חיישנים אלה ניתנים להפעלה במתח הנמוך מ-3 וולט עם תגובת רוחב פס של 0-5 מגהרץ. הפלט הוא ‘גשר ויטסטון’ המאפשר פלט מאוזן עבור חסימת רעש.

היישום העיקרי של חיישן זה הוא לקבוע את המיקום הזוויתי של ציר הסיבוב. במקרה זה, ישנו מגנט קבוע על ציר המנוע בדיוק מעל החיישן. מגנט זה מייצר שדה מגנטי כיווני המקביל לפני השטח של החיישן (איור 5.11). שדה זה פועל כממשק ללא מגע בין כיוון הציר לבין החיישן.

איור 5.11 חיישן המהירות והמגנט הקבוע.

5.3.5 גלגל מקודד

איור 5.12 מציג דוגמה לגלגל מקודד אופייני. הרזולוציה של הגלגל המקודד נקבעת על ידי מספר המחזורים או השלבים השלמים.

איור 5.12 גלגל מקודד

המקודד הוא חיישן המחובר לאובייקט מסתובב (כגון גלגל או מנוע) המודד את הסיבוב. במקודד טיפוסי ישנו שימוש בחיישן אופטי, ברכיב מכני נע, ובמשקף רפלקטור מיוחד המספק סדרה של פעימות חשמליות. פעימות אלה יכולות לשמש כחלק ממערכת משוב על מנת לקבוע את המרחק והמהירות הסיבובית של הרכיב המסתובב.

לדוגמה, מדידת הזמן שנדרש ממנוע להסתובב בדיוק ב-360 מעלות, המקודד יהיה אידיאלי עבור מדידה מסוג זה. החיישן יהיה קבוע על הפיר (גלגל מקודד) ויסתובב עם הפיר.

הפלט של המקודד יהיה גל מרובע, כך שאם אתה מחובר אל האות הזה באמצעות מונה דיגיטלי או באמצעות בקר, אתה יכול לספור את כמות הפולסים. ולדעת את מרחק הזווית בין כל פעימה, ואת הזמן מתחילתו ועד סופו, אתה יכול לקבוע בקלות את המיקום, את הזווית או את המהירות של המנוע.

1. חשיבותה של המהירות במדידות של טורבינה

דנו קודם לכן בכך שתפוקת החשמל של טורבינת הרוח הינה פרופורציונלית למהירות בחזקת 3. המהירות היא הפרמטר החשוב ביותר בהערכת הכוח מטורבינה. לעתים קרובות, יצרנים ממעטים בחשיבות המהירות והקונים חסרי הבנה בנושא, דירוג הכוח של טורבינת רוח הוא נכון רק עבור מהירות נתונה, ביודעין את המהירות המדורגת, שהיא לא תהיה מהירה מידי אך גם לא איטית מידי, שהטורבינה תימצא במקום מהימן ושהטורבינה תוכל לעמוד בפני כוחות הסיבוב. מהירויות אלה נבדלות ל4 סוגים שונים (איור 5.13):

1. מהירות הפעלה

זוהי המהירות שבה הרוטור והלהב מתחילים להסתובב.

1. המהירות הנגזרת

זוהי מהירות הרוח המינימלית שבה טורבינת רוח תפיק כוח שמיש. מהירות הרוח נעה בדרך כלל בין 7 ל 10 קמ”ש עבור רוב הטורבינות.

1. מהירות מדורגת

זוהי מהירות הרוח המינימלית שבה טורבינת הרוח תפיק כוח מדורג. לדוגמה, טורבינת רוח של “10 קילוואט” לא יכולה לייצר 10 קילוואט עד שהרוח מגיעה ל 25 קמ”ש. מהירות מדורגת עבור רוב המכונות היא בטווח של 25 עד 35 קמ”ש. במהירויות רוח בין מהירות נגזרת למדורגת, כוח הפלט של טורבינת הרוח גדל ככל שמהירות הרוח עולה. הפלט של רוב המכונות מגיע מעל המהירות מדורגת.

רוב היצרנים מספקים גרפים, הנקראים “עקומות כוח”, המראים כיצד תפוקת הטורבינה משתנה במהירות הרוח.

1. מהירות נתק

 אלו מהירויות רוח גבוהות מאוד, בדרך כלל נעות בטווח בין 45 ל 80 קמ”ש, רוב טורבינות הרוח מפסיקות  את ייצור החשמל במהירות זו. מהירות הרוח שבה זה מתרחש נקראת מהירות הנתק, או לפעמים המהירות המגוללת. המהירות הזו היא תכונת בטיחות אשר מגנה על טורבינת הרוח מפני נזק. הכיבוי עלול להתרחש באחת מכמה דרכים. במכונות מסוימות קיים בלם אוטומטי המופעל על ידי חיישן של מהירות הרוח. מכונות מסוימות מטות את הלהבים בכדי לבלום את הרוח. יש גם שמשתמשים במדפי גרר הנמצאים על הלהבים או ברכזת אשר נעצרת באופן אוטומטי באמצעות המדד של ‘סיבובים לדקה’ ברוטור, במידה והוא גבוהה, או הפעלה מכנית של מכשיר טעון שהופך את המכונה נגד זרם הרוח. הפעולה הרגילה של טורבינת רוח מתחדשת, כאשר הרוח חוזרת לרמת מהירות בטוחה.

איור 5.13 מהירות הרוח עבור טורבינת רוח

 ציר ה-X: כוח (KW)

ציר ה-Y: מהירות רוח יציבה (m/s)