טורבינת רוח
מתוך אוקו ויקי, מקום מפגש בנושאי אקולוגיה, חברה וכלכלה.
טורבינת רוח היא מכונה המשמשת להמרת האנרגיה הקינטית של הרוח (אנרגיית רוח) לאנרגיה מכנית. אם האנרגיה המכנית מנוצלת באופן ישיר על ידי מכונות כמו משאבה או מטחנה, המכונה נקראת בדרך כלל טחנת רוח. אם האנרגיה המכנית מומרת לאנרגיה חשמלית, המכונה נקראת גנרטור רוח.
תוכן |
סוגי טורבינות רוח
ניתן לסווג את טורבינות הרוח לשני סוגים כלליים בהתבסס על פי הציר שעליו הטורבינה סובבת. טורבינות הסובבות סביב ציר אופקי הינן הנפוצות ביותר, בעוד שטורבינות בעלות ציר אנכי, הינן נדירות יותר. הנסיון מראה כי נצילותן של טורבינות ציר אנכי גבוהה מזו של טורבינות ציר אופקי, אך השימוש בהן רווח פחות, מסיבות של עלויות תכנון והקמה.
ניתן לסווג את הטורבינות גם על פי המיקום בו הן משתמשים בהם. טורבינות רוח על על החוף, בים ואפילו באוויר, הינן בעלות מאפייני עיצוב ייחודיים שמוסברים בהרחבה רבה יותר בחלק עיצוב ובניה של טורבינות רוח.
במגדל סולארי עם רוח עולה משתשמשים בטורבינות רוח יחד עם אוגרי חום שמש כדי להפיק חשמל באמצעות חימום אויר על ידי השמש בדיסקת איסוף רחבה, ואז זרימה מהירה של האויה במעלה ארובה מרכזית גבוהה.
טורבינות ציר אופקי
בטורבינות ציר-אופקי (HAWT) ציר הרוטור הראשי והגנרטור נמצאים בראש מגדל, וחייבים להיות מכוונים אל תוך הרוח באמצעות אמצעי כלשהו. טורבינות קטנות מכוונות על ידי שבשבת רוח פשוטה, בעוד שטורבינות גדולות משתמשות בדרך כלל בחיישן רוח הפועל יחד עם מנוע-שרות. לרוב הטורבינות יש גם תיבת הילוכים, שהופכת את הסיבוב האיטי של הלהבים לסיבוב מהיר יותר, שמתאים יותר להפקת חשמל.
היות ונוצרות מערבולות רוח מאחורי מגדלים, הטורבינה בדרך כלל מכוונת עם כיוון הרוח לפני המגדל. להבי הטורבינה מיוצרים כך שהם קשיחים כדי למנוע את דחיפת הלהבים אל תוך המגדל ברוחות מהירות. בנוסף לכך, הלהבים מוצבים במרחק ניכר לפני המגדל ולפעמים מוטים מעט למעלה.
נבנו גם טורבינות המוצבות מאחורי המגדל ביחס לכיוון הרוח, למרות בעית המערבולות. דבר זה מייתר את השימוש בציוד נוסף כדי לשמור את הטורבינה בכיוון הרוח, ובברוחות גבוהות, ניתן לאפשר ללהבים להתכופף דבר שמקטין את אזור הסחף שלהם ולכן גם את התנגדות-הרוח שלהם. היות ומערבולות מובילות לכשלי עייפות חומר והיות ואמינות היא דבר חשוב, רוב טורבינות הציר האנכי פונות אל תוך הרוח.
עומס מחזורי ורעידות
עומס מחזורי (Cyclic Stresses) גורם לעייפות חומר בלהבים, בציר ובמגדל הנושא. עומס זה הוא הסיבה המובילה לכשלים טכניים בטורבינות במשך שנים רבות, וכתוצאה מכך לעלות תחזוקה גבוה יותר. מהירות הרוח הממוצעת עולה בדרך כלל עם הגובה. כתוצאה מכך כוח הכפיפה לאחור והפיתול בטורבינות בעלות ציר אופקי הינם בשיאם כאשר הלהב נמצא בנקודה הגבוהה ביותר במעגל. המגדל מפריע לזרימת האוויר בחלק הנמוך ביותר של המעגל, דבר שיוצר שפל בכוח ובפיתול. השפעות אלו יוצרות עיוות מחזורי בצירים הראשיים של טורבינות ציר אנכי. העיוות גרוע יותר בטורבינות בעלות מספר זוגי של להבים, שבהם להב אחד נמצא למעלה כאשר להב נגדי נמצא למטה. כדי לשפר את אמינות הטורבינות הותקנו צירי טלטול שמאפשרים לציר הראשי להתנדנד בטווח של כמה מעלות, כך שמיסבים הכדוריים הראשיים לא צריכים להתנגד לשיאי הפיתול.
כאשר הטורבינה מסתובבת כדי לעמוד בניצב לרוח, הלהבים הסובבים מתנהגים בדומה לג'ירוסקופ. כאשר היא מסתובבת לחץ ג'ירוסקופי מנסה לסובב את הטורבינה כך שזו תבצע "סלטה" קדימה או אחורה. הפיתול המעגלי הזה יכול להוביל לעייפות החומר ולסדקים במיסבים, בצירים ובשורשי הלהב של הטורבינה.
טורבינות ציר אנכי
בטורבינות ציר אנכי, ציר הרוטור הראשי עומד מאונך לקרקע. יתרון אחד של עיצוב זה הינו שהגנרטור ו\או תיבת ההילוכים יכולים להיות מוצבים בתחתית, ליד האדמה, כך שהמגדל לא נדרש לשאת אותם. יתרון שני הוא שאין צורך להפנות את הטורבינה אל תוך הרוח. החסרונות הם פעימות של מומנט פיתול שנוצרות במהלך כל סיבוב, והקושי של הצבת טוריבינות ציר אנכי על מגדלים, דבר שמשמעותו היא שהן חייבות לפעול בזרמי אוויר איטיים יותר ומערבולתיים יותר שזורמים לדי הקרקע, עם יעילות הפקת אנרגיה נמוכה יותר.
טחנת רוח עם מפרשים סובבים
טחנת רוח עם מפרשים סובבים היא בעלת 3 מפרשים בעלי שטח משתנה. מהירות הסיבוב נשלטת על ידי מונה סיבובים מגנטי יחד עם יחידת בקרה בעלת מעבד שפורשת או מצמצמת את המפרשים בהתאם למהירות הרצויה ולמהירות הרוח. תחנות רוח אלו מתחילות לייצר חשמל במהירויות מעל 2 מטר בשנייה. במקרה של כשל ביחדית הבקרה, רוחות מהירות יקרעו את המפרשים, אבל המסגרת תישאר ללא פגע. עיצוב זה הוא חדש, נכון לשנת 2007.
טורבינות רוח דריוס
טורבינות רוח דריוס (Darrieus), אלו הן טורבינות רוח הדומות למטרף ביצים. יש להן יעילות טובה, אבל הן מייצרות גל חזק של מומנט פיתול ומתח מעגלי חזק על המגדל, דבר התורם לאמינות נמוכה. כמו כן הם זקוקים בדרך כלל למקור אנרגיה חיצוני כלשהו, או למנוע שרות כדי להתחיל להסתובב, היות ומומנט הפיתול ההתחלי הוא נמוך מאוד. גל מומנט הפיתול נחלש כאשר משתמשים ב3 להבים או יותר.
תחנת-ג'ירו (Giromill) היא סוג של טורבינת דריוס: מתקנים דמויי מעלית אלו הינם בעלי להבים אנכיים. סוג הטורבינה הציקלית הינו בעל שיפוע משתנה, דבר שנועד להקטין את מומנט הפיתול ולאפשר אתחול עצמי [1] היתרונות של שיפוע משתנה הם מומנט פיתול התחלי גבוה, עקומת מומנט פיתול רחבה ושטוחה יחסית, מתאם גבוה יותר של ביצועים, תפעול יעיל יותר ברוחות עם מערבולות, ויחס נמוך יותר של מהירות להב דבר שמוריד את מתח הכיפוף. ניתן לשתמש בלהבים ישרים, בצורת V או מעוקלים.
טורבינות רוח סאבוניוס
טורבינות רוח סאבוניוס (Savonius)- אלו הם שניים או יותר "ידיות מצקת" הפועלות על עקרון של סחב (drag). המוכרות ממדי רוח או ממאווריים על גגות של אוטובוסים, ומכמה טורבינות בעלות יעילות נמוכה ואמינות גבוהה. הם תמיד יכולים לאתחל את עצמם (אם יש לפחות 3 ידיות), לפעמים הם בעלי מצקות ארוכות ולוליניות, כדי לתת מומנט פיתול חלק. רורטור בנש (Banesh) ובעיקר רוטור רהי (Rahai) משפרים את היעילות על ידי עיצוב הלהבים כך שהם ייצו גם כוח עילוי, ולא רק סחב.
טורבינת ענק עם ריחוף מגנטי
טורבינת ענק עם ריחוף מגנטי, MagLev ,הוא מיזם לייצור טורבינות אנכית ענקיות שירחפו מעט מעל הקרקע ללא מיסב, באמצעות מגטנים חזקים. היזמים טוענים שהם יצליחו באופן זה ליצור כמוית גדולות של חשמל, תוך חסכון בקרקע, עלות תחזוקה נמוכה יחסית, ויכולת להתמודד עם מהירויות רוח איטיות ומהירות. הם גם טוענים שעלות הייצור תגיע ל 1 סנט לקווט"ש. [2]
אחרים
חברת TMA (Terra Moya Aqua), פיתחה עיצוב טורבינת ציר אנכי המשתמש בשילוב של להבי מדחף קבועים וסובבים. הם מדווחים על יעילות דומה לזו עיצובי טורבינות רוח אחרות, אבל תוך שימוש בגובה פחות גבוה, ועם פחות השפעה נופית. עיצוב זה מקטין גם את הפציעות לציפורים היות והן נמנעות מהלהבים הקבועים. עיצוב זה טרם נכנס לשלבי ייצור מסחרי.
טורבינות רוח בים
ערך מורחב - טורבינות רוח ימיות
טורבינות רוח המרוחקות מהחוף נחשבות לפחות פולשניות יחסית לטורבינות על האדמה, היות וגודלן העצום , השפעה אלקטרומגנטית והרעש לא מהווים מטרד בגלל המרחק מהחוף. היות ולמים יש התנגדות משטח נמוכה יותר מאשר אדמה, מהירות הרוח הממוצעת בים הפתוח הינה בדרך כלל גבוהה יותר. דבר זה מאפשר לטורבינות רוח ימיות להשתמש בתרנים נמוכים יותר, ובולטים פחות. באזורים סוערים בעלי מדף יבשתי רדוד ומתמשך (כמו בדנמרק) התקנת טורבינות ים הינה מעשית, ומספקת שרות טוב - טורבינות הרוח של דנמרק מספקות 25%-30 מצריכת החשמל הכוללת של המדינה, כאשר הרבה מהן הן טורבינות רוח בים. דנמרק מתכננת להגדיל את התרומה מאנרגיית הרוח לסך של כחצי מהספקת אנרגיית החשמל שלה.
עם זאת, הסביבה הימית הינה יקרה יותר. מגדלים ימיים הינם גבוהים יותר מאשר המגדלים היבשתיים כאשר כוללים את גובה המגדל מתחת לפני המים, וקשה יותר ויקר יותר לבנות יסודות בים. העברת הכוח החשמלי מתבצעת בדרך כלל על ידי כבל תת מימי, שהינו יקר יותר יחסית לכבל שמותקן על עמודים הניצבים ביבשה, ועשוי להצטרך העברה בוולטג' גבוה כדי לעבור מרחק גדול - דבר שדורש עוד ציוד וכרוך בבזבוז אנרגיה. הסביבה הימית הינה גם קורסיבית (גורמת לחלודה), ושוחקת, ותחזוקה ותיקונים הינם יקרים בהרבה. טורבינות רוח המוצבות בים מוגנות על ידי אמצעים נגד חלודה כמו ציפוי נגד חלודה או הגנה קטודית.
טורבינות רוח אוויריות
- ערך מורחב - טורבינת רוח אווירית
קיים רעיון לפיו טורבינות רוח יוטסו ברוחות הקיימות בגבהים הגבוהים, שהינן סדירות ומהירות. מערכות כאלה לא קיימות בשוק כרגע. הרעיון חוזר ומופיע בתעשייה מידי כמה שנים ולעיתים רחוקות (אם בכלל) יוצא משולחנות השרטוט.
טורבינות רוח ביתיות
בשנים האחרונות יש עיצובים רבים של טורבינות רוח לשימוש ביתי או עירוני. טורבינות אלו מתאפיינות בגודל קטן, ותפוקה נמוכה יותר מאשר טורבינות הענק. עם זאת הן פעולות גם במהירויות רוח נמוכות למדי, בעלות עיצוב שמותאים לעיר -מהירות סיבוב נמוכה כדי לאפשר עוצמת רעש נמוכה ואי הפרעה לבעלי כנף, הפרעה קטנה לנוף או עיצוב קישוטי וכו'. הדגמים הם לרוב בעלי מישור סיבוב אנכי כדי לאפשר תפיסת רוחות משתנות האופייניות לעיר, להתמודד בקלות עם רוחות קרקע ומהירויות רוח נמוכות, להנות מאמינות טכנית גבוה יותר, לאפשר בטיחות גבוה יותר והעדר צורך בתורן גבוה.
העיצובים שונים:
- טורבינת להבים בצורת מעוקלת להפחתת רעש ולמראה דקורטיבי [3]
- טורבינה ספירלית של גריפה [4]
- שילוב של הרבה טורבינות קטנות במארך אופקי [5]
- טורבינה אופקית בקוטר מטר בעלת יעילות גבוה ותפקוד ברוח חלשה, יכולת לעמוד בפני רוחות מהירות ותחזוקה נמוכה [6]
- טורבינות רוח על גגות בנייינים - יוזמה ישראלית [7]
עיצוב ובניה של טורבינות רוח
נצילות הטורבינה הוא היחס המבוטא באחוזים בין כמות האנרגיה הקינטית של הרוח שהייתה עוברת ביחידת זמן דרך שטח חתך הפעולה של המדחף ("שטח הדיסק") בהעדר המדחף, לבין כמות האנרגיה החשמלית הרגעית המופקת ביחידת זמן בפועל באמצעות המדחף. נצילותה המקסימלית התאורטית של טורבינת רוח הוא כ 59.3% ("גבול בץ" או Betz-Limit), אולם נצילות זו איננה בת השגה. הנצילות המעשית לה טוענים יצרני ומפעילי טורבינות רוח הוא בין כ-15% לכ-35%.
הפקת חשמל מאנרגיית רוח היא הדרך הזולה ביותר, בהשוואה למחירי השוק של הפקת החשמל מאנרגיות אחרות. פוטנציאל ייצור החשמל באנרגיית הרוח, יחסי למהירות הרוח בחזקה שלישית. למשל: תפוקת החשמל מיחידת שטח הניצבת לכיוון הרוח ברמת הגולן, היא בממוצע פי 8 מאשר במישור החוף, מאחר שמהירות הרוח ברמת הגולן היא בקירוב כפולה מזו שבמישור החוף.
הפקת חשמל בעולם אמצעות טורבינות רוח
- ערך מורחב - אנרגיית רוח
בעבר, בשנת 1997 ייצור החשמל באנרגיית רוח היה כלכלי, באזורים בהם מהירות הרוח עלתה על 8 מטרים לשניה, בממוצע. עם השיפור בטכנולוגיות של טורבינות רוח, ועם העליה של מחירי האנרגיה בעולם, נתון זה נמוך היום בהרבה.
מהירויות של 8 מטרים בשניה נרשמו באזורים שונים בעולם, כגון בקליפורניה (בין האוקיינוס למדבר), באיים שונים (האיים הקנריים, הים האגאי, הוואי) ועוד. עם זאת, עשרות אלפי טורבינות רוח הותקנו בארצות הברית ואלפי טורבינות באירופה, בהודו ובמדינות נוספות רבות, גם באזורים בהם עוצמת הרוח קטנה יחסית.
בעולם כולו עמד הייצור העולמי של חשמל באמצעות טורבינות רוח על כ-1% מהתפוקה העולמית, ועם זאת האחוז גבוה יותר במדינות שונות, בהתאם לשיקולים פיזייים, כלכליים ופוליטיים. בדנמרק, לדוגמה, הותקנו טורבינות רוח על בסיס כלכלי, באזורים בהם נושבות רוחות במהירות ממוצעת של 5.6 מטרים לשניה, בתנאים בהם תפוקת החשמל נמוכה בכ- 40% מזו שבמהירויות הגבוהות דלעיל, וכך גם בגרמניה ובמקומות אחרים. במדינות סקנדינביה השימוש בטורבינות רוח נפוץ ביותר. דנמרק היא אחת החלוצות בהקמת טורבינות רוח, ובשנת 2004 כ-20 אחוז מהחשמל במדינה זו יוצר באמצעות טורבינות רוח.
היעילות של טורבינות רוח עולה עם השנים - הטורבינות המודרניות הראשונות, הוקמו בתחילת שנות ה-80 בקליפורניה והפיקו חשמל בעלות של 38 סנט לקילו וואט שעה (קווט"ש). כיום (2007) נתון זה עומד על ל-4-3 סנט לקווט"ש.
מגמות במכירות ובהתקנות של טורבינות
- בשנת 1990 פעלו בעולם כ-20,000 טורבינות אנרגיית רוח, וסיפקו בערך 2,000 מגוואט חשמל.
- בשנת 1998 נוספו 2,100 מגוואט חשמל שיוצר באמצעות אנרגיית רוח. זוהי עלייה של 35% בתוספת התפוקה החשמלית לעומת שנת 1997. סך הכול ייצור החשמל בשנת 1998 באמצעות טורבינות רוח הסתכם ב-9,100 מגוואט. תעשיית המתקנים לניצול אנרגיית הרוח מכרה בשנת 1998 בסכום של כמעט 2 מיליארד דולר.
- בשנת 1999 ייצרו טורבינות רוח 21,000 מגוואט-שעה חשמל (גידול של פי 10 תוך עשור). מספיק כדי לספק צריכה של 3.5 מיליון בתים עירוניים (באיזו מדינה?).
על פי דיווח של ההתאחדות האמריקאיצ לאנרגיית רוח (American Wind Energy Association):
- בשנת 2002 הותקנו בעולם תחנות כוח חדשות המפיקות 6848 מגוואט חשמל, והביאו את הייצור העולמי לרמה של 31,000 מגוואט.
- הייצור של חשמל מאנרגיית הרוח בארצות הברית הגיע בשנת 2002 לכמות של 4,700 מגוואט (כמות אנרגיה המספיקה לכ-3 מיליון דירות מגורים). מתוך זה נוספו במשך שנת 2002 כ-400 מגוואט.
קישורים חיצוניים
- http://en.wikipedia.org/wiki/Wind_turbine בויקיפדיה האנגלית
- טורבינת רוח עשה זאת בעצמך באתר של חנן לוי
- טורבינת רוח עשה זאת בעצמך ב-150$.
- אנרגית הרוח – עבר, הווה, עתיד, מסמך של פרופ' אביב רוזן במסגרת מוסד שמואל נאמן.
- http://il-windpower.homelinux.net/EnergyCooperative.html קאופרטיב חשמל בר קיימא בישראל
- חברת החשמל מקימה חוות טורבינות רוח ברמת סירין בגליל, באתר YNET
- תוכנית לשימוש בטורבינות רוח בישראל לשם הפקת אנרגיה חשמלית, באתר של ד"ר משה הירש, מרכז ורפרנט במשרד האנרגיה והתשתית של התוכנית הלאומית לניצול אנרגית הרוח בישראל בשנות ה-80.
- בריטניה - הקמת פרויקט טורבינות הרוח הימי הגדול בעולם בהשקעה של כ-4 מיליארד דולר דה מארקר, 20.12.2006 ,נמרוד הלפרן
- רק בגלל הרוח ד"ר סרגיי רוזנברג ממציא טורבינה עירונית, רותי רוסו, 15/6/2006 מעריב
- סערה חשמלית: בקרוב טורבינות רוח על הגגות משרד התשתיות מקדם טורבינות ביתיות. יעל עברי-דראל, Ynet 14.04.08
- איש רוח על טורבינות רוח זעירות. רונית מורגנשטרן , מעריב, 10/9/2008
