כיצד פועלות טורבינות רוח?

Send

אולי ראית אותם כשאתה נוהג בחיק הטבע. או אולי ראית אותם ממש ליד החוף, מתנשאים גדולים באופק עם להבי הסחרור שלהם. ואז שוב, אולי ראית אותם על גג מישהו, או כחלק מפעולה עירונית בקנה מידה קטן. ללא קשר למיקום, טורבינות רוח ועוצמת רוח הופכות לתכונה נפוצה יותר ויותר בעולם המודרני.

חלק גדול מכך קשור לאיום של שינויי אקלים, זיהום אוויר והרצון לגמול את האנושות מתלותה בדלקים מאובנים. וכשמדובר באנרגיה חלופית ומתחדשת, כוח הרוח צפוי לתפוס את נתח השוק השני בגודלו בעתיד (אחרי השמש). אבל איך בדיוק עובדות טורבינות רוח?

תיאור:

טורבינות אוויר הן מכשירים שהופכים את האנרגיה הקינטית של הרוח והשינויים בזרימת האוויר לאנרגיה חשמלית. באופן כללי, הם מורכבים מהרכיבים הבאים: רוטור, גנרטור ורכיב תומך מבני (שיכול להיות בצורת מגדל, מנגנון לפיה של הרוטור, או שניהם).

רוטור מורכב מהלהבים התופסים את אנרגיית הרוח ומוט, שממיר את אנרגיית הרוח לאנרגיה סיבובית במהירות נמוכה. הגנרטור - המחובר לפיר - ממיר את הסיבוב האיטי לגובה לאנרגיה חשמלית באמצעות סדרת מגנטים ומוליך (המורכב בדרך כלל מחוט נחושת מפותל).

כאשר המגנטים מסתובבים עם חוט הנחושת, הם מייצרים הבדל בפוטנציאל החשמלי, ויוצרים מתח וזרם חשמלי. לבסוף, ישנו את מרכיב התמיכה המבנית, שמבטיח כי הטורבינה עומדת בגובה מספיק גבוה בכדי לתפוס בצורה אופטימלית שינויים בלחץ הרוח ו / או פונה לכיוון זרימת הרוח.

סוגים של טורבינות רוח:

נכון לעכשיו ישנם שני סוגים עיקריים של טורבינות רוח - טורבינות רוח אופקיות ציר (HAWT) וטורבינות רוח אנכיות ציר (VAWT). כפי שמשתמע מהשם, לטורבינות רוח אופקיות יש פיר רוטור ראשי וגנרטור חשמלי בראש המגדל, כאשר הלהבים מופנים לרוח. הטורבינה ממוקמת בדרך כלל כלפי מעלה של המגדל התומך שלה, מאחר והמגדל עשוי לייצר סערה מאחוריו.

טורבינות הציר האנכי (שוב, כפי שהשם מרמז) מסודרות אנכיות עם ציר הרוטור הראשי. בדרך כלל, אלה הם קטנים יותר באופיים, ואינם צריכים להיות מופנים לכיוון הרוח כדי להסתובב. בכך הם יכולים לנצל רוח משתנה מבחינת הכיוון.

באופן כללי, טורבינות רוח ציר אופקי נחשבות ליעילות יותר ויכולות לייצר יותר כוח. בעוד שהמודל האנכי מייצר פחות חשמל, ניתן להציב אותו בגבהים נמוכים יותר וצריך פחות בדרך של רכיבים (במיוחד מנגנון לפה). ניתן לחלק טורבינות רוח לשלוש קבוצות כלליות על סמך העיצוב שלהן, הכולל את דגמי המגדל, סבוניוס ודריוס.

הדגם המגודל הוא הצורה המקובלת ביותר של HAWT, המורכב ממגדל (כפי שהשם מרמז) וסדרת להבים ארוכים היושבים לפני המגדל (ובמקביל לו). הסאבוניס הוא דגם VAWT הנשען על להבים מתארים (סקופים) כדי לתפוס רוח וסחרור. בדרך כלל הם בעלי יעילות נמוכה, אך יש להם יתרון בכך שהם מתחילים בעצמם. סוגים אלה של טורבינות לרוב הם חלק מפעולות רוח על הגג או מותקנים על כלי ים.

דגם דאריאוס, הידוע גם כטורבינת "מקצף ביצים", קרוי על שם הממציא הצרפתי שחלץ את העיצוב - ז'ורז 'דאריוס. דגם VAWT זה מעסיק סדרת להבים אנכיים היושבים במקביל לתמיכה האנכית. בדרך כלל הם בעלי יעילות נמוכה, דורשים רוטור נוסף כדי להתחיל להסתובב, לייצר מומנט גבוה ולהציב לחץ גבוה על המגדל. מכאן שהם נחשבים לאמינים ככל שעוברים עיצובים.

היסטוריה של התפתחות:

כוח רוח משמש במשך אלפי שנים לדחיפת מפרשים, טחנות רוח כוח או לייצור לחץ למשאבות מים. הדוגמאות המוקדמות ביותר המוכרות מגיעות ממרכז אסיה, שם תוארכו טחנות רוח ששימשו בפרס העתיקה (איראן) בין 500 - 900 לספירה. הטכנולוגיה החלה להופיע באירופה במהלך ימי הביניים, והפכה למאפיין נפוץ כבר במאה ה -16.

עד המאה ה -19, עם התפתחות כוח חשמלי, נבנו טורבינות הרוח הראשונות המסוגלות לייצר חשמל. הראשון הותקן בשנת 1887 על ידי האקדמאי הסקוטי ג'יימס בלית ', כדי להאיר את בית נופשו במריקירק, סקוטלנד. בשנת 1888, הממציא האמריקני צ'ארלס פ. ברוש בנה את טורבינת הרוח האוטומטית הראשונה לשלטון את ביתו בקליבלנד, אוהיו.

בראשית המאה העשרים, טורבינות הרוח החלו להפוך לאמצעי שכיח להפעלת בתים באזורים נידחים (כמו בתי חווה). בשנת 1941 הותקנה בורמונט טורבינת הרוח הראשונה של מגה-וואט והוצמדה לרשת השירות המקומית. בשנת 1951, בריטניה התקינה את טורבינת הרוח הראשונה המחוברת לרשת השירות באיי אורקני.

עד שנות השבעים המחקר והפיתוח בטכנולוגיית טורבינת הרוח התקדמו במידה ניכרת בזכות משבר OPEC והפגנות נגד כוח גרעיני. בעשורים שלאחר מכן החלו לצוץ אגודות ולוביסטיות המוקדשות לאנרגיה חלופית במדינות מערב אירופה ובארצות הברית. כבר בעשור האחרון של המאה העשרים, מאמצים דומים התרחשו בהודו ובסין עקב זיהום אוויר הולך וגובר והביקוש הגובר לאנרגיה נקייה.

אנרגיית רוח:

בהשוואה לצורות אחרות של אנרגיה מתחדשת, כוח הרוח נחשב לאמין ויציב מאוד, מכיוון שהרוח עקבית משנה לשנה ואינה פוחתת בשעות השיא של ביקוש. בתחילה, הקמת חוות רוח הייתה מיזם יקר. אך בזכות השיפורים האחרונים, כוח הרוח החל לקבוע את מחירי השיא בשוקי האנרגיה הסיטונאיים ברחבי העולם וחתך להכנסות ורווחי ענף הדלק המאובנים.

על פי דוח שפרסם משרד האנרגיה במרץ 2015, צמיחת כוח הרוח בארצות הברית עשויה להוביל למשרות מיומנות עוד יותר בקטגוריות רבות. הכותרת "חזון רוח: עידן חדש לכוח הרוח בארצות הברית" מציינת כי עד שנת 2050 התעשייה יכולה להוות עד 35% מייצור החשמל בארה"ב.

בנוסף, בשנת 2014, המועצה העולמית לאנרגיית הרוח וגרינפיס אינטרנשיונל התאגדו כדי לפרסם דוח שכותרתו "Global Wind Energy Outlook 2014". בדו"ח זה נכתב כי ברחבי העולם כוח הרוח יכול לספק 25 עד 30% מהחשמל העולמי עד שנת 2050. בעת כתיבת הדו"ח, התקנות מסחריות ביותר מ- 90 מדינות קיבלו קיבולת כוללת של 318 ג'יגה וואט (GW), כ -3.1% מההיצע העולמי.

זה מייצג עלייה כמעט פי שש עשרה בשיעור האימוץ מאז שנת 2000, אז הכוח הרוח היווה פחות מ- 0.2%. דרך נוספת להסתכל עליה היא לומר כי נתח השוק של כוח הרוח הוכפל פי ארבע בפחות מ -15 שנה. זה מציב אותו במקום השני רק לכוח סולארי, שהוכפל פי שבע באותה תקופה, אך עדיין עוקב אחר הרוח מבחינת נתח השוק הכולל שלו (כ -1% עד 2014).

מבחינת חסרונותיו, נושא אחד שהועלתה בעקביות הוא ההשפעה שיש לטורבינות הרוח על חיות הבר המקומיות, וההפרעה לנוכחותן על הנוף המקומי. עם זאת, פעמים רבות הוכח כי דאגות אלה מנופחות על ידי קבוצות אינטרסים מיוחדים ולוביסטים המבקשים להכפיש את כוח הרוח ומקורות אנרגיה מתחדשים אחרים.

לדוגמה, מחקר שפורסם בשנת 2009 על ידי המעבדה הלאומית לאנרגיה מתחדשת קבע כי פחות מ -1 דונם למגה וואט מופרע לצמיתות על ידי הקמת חוות רוח רחבות היקף, ופחות מ -3 דונם למגה וואט מופרעים באופן זמני. אותו מחקר הגיע למסקנה כי ההשפעות נמוכות יחסית על חיות הבר של עופות ועטלפים, וכי אותן מסקנות נכונות גם לפלטפורמות מחוץ לחוף.

בכל רחבי העולם מחפשים ממשלות וקהילות מקומיות לכוח הרוח כדי לענות על צרכי האנרגיה שלהם. בעידן של עליית מחירי הדלק, גידול בדאגות מפני שינויי אקלים ושיפור הטכנולוגיה, זה כמעט לא מפתיע. בקצב האימוץ הנוכחי, סביר להניח שהוא יהיה אחד ממקורות האנרגיה הגדולים ביותר באמצע המאה.

וודא שאתה נהנה מהסרטון הזה על טורבינות רוח באדיבות מרכז המחקר של לואיס של נאס"א:

כתבנו מאמרים מעניינים רבים על טורבינות רוח וכוח רוח כאן במגזין החלל. הנה מהי אנרגיה חלופית ?, מהם דלקים מאובנים ?, מהם הסוגים השונים של אנרגיה מתחדשת ?, כוח רוח על האוקיאנוס (בעזרת החלל) והאם העולם יכול לפעול על אנרגיה סולארית ורוח?

למידע נוסף, עיין במאמרו של Stuff Works על ההיסטוריה והמכניקה של כוח הרוח ובדף Greenspace של נאס"א.

לאסטרונומיה קאסט יש גם כמה פרקים הרלוונטיים לנושא. הנה פרק 51: כדור הארץ ופרק 308: שינויי אקלים.

מקורות: