רקע-אנרגיה המופקת מרוח

2. רקע-אנרגיה המופקת מרוח • אנרגיה המופקת מרוח היא אנרגיה המנצלת את התנועה בקו ישר של הרוח -אנרגיה קינטית,וממירה אותה לאנרגיה זמינה(עבודה). • טורבינת הרוח היא כמו "מאוורר הפועל הפוך" במאוורר משמשת האנרגיה החשמלית לסיבוב מנוע, המסובב את כנפי המאוורר שיוצרים תנועת אוויר -"רוח". בטורבינת רוח מסובבת אנרגיית הרוח את הכנפיים להבים ,וגנראטור ממיר אנרגית סיבוב זו לאנרגיה חשמלית.

3. ניצול מרבי של הספק הרוח • הספק הרוח הניתן לניצול תלוי בשטח סיבוב הרוטור (כלומר בריבוע רדיוס הסיבוב) ובמהירות הרוח בשלישית. (קיימת מגבלה לגודל המכסימלי של הלהב בו ניתן להשתמש, בערך לרדיוס של 50 מטרים). • יש לכוון את להבי הטורבינה לכיוון המשתנה של הרוח, ולהתאים את הטורבינה למהירות האופיינית של הרוח באתר ההתקנה.

4. מקור אנרגיית הרוח • האטמוספרה המקיפה את כדור הארץ מהווה משאבת חום גדולה, המעבירה חום בין האזורים השונים שעל פני כדור הארץ. • שינויים בלחץ האוויר, ובטמפרטורת האוויר, קובעים את כיוון הרוח ומהירותה. התנהגות כוללת זו, מושפעת על ידי תופעות על פני הקרקע, כגון תוואי הקרקע, יערות, מדבריות, גושי מים גדולים, ובניינים. • זרמי ההסעה הבסיסיים נוצרים כתוצאה מכך שאנרגיית השמש מחממת את אזור קו המשווה יותר מאשר את הקטבים, ואז נוצר הפרש טמפרטורות גדול בין הקטבים לקו המשווה. כתוצאה מכך, אוויר חם באזור קו המשווה מתרומם מעל פני הקרקע, ואוויר קר יותר הבא מהקטבים תופס את מקומו. כך נוצרת התופעה של תזוזת האוויר. לתופעה זו אנו קוראים רוח. • בקנה מידה מקומי ולא גלובלי, נוצרת הרוח מהפרשים לוקליים בלחצים או בטמפרטורות, הגורמים לזרימת האוויר. רוחות כאלה, לרוב, אינן חזקות במיוחד. • בשל נטיית כדור הארץ סביב צירו, נוצרים שינויים עונתיים במשטר הרוחות. • מהירות הרוח גדֵלה במהירות ככל שעולים לגובה. ככל שמתרחקים מפני כדור הארץ, יש לרוח פחות חיכוך עם הקרקע, ולכן מהירותה גדלה. • הרוחות המעניינות את האדם כמקור לאנרגיה הן רוחות הנמצאות בגובה נמוך מ 100 מטרים, ואלו הן רוחות המושפעות מתוואי הקרקע. עצים ובליטות במבנה הקרקע גורמים לעיכוב הרוח -הקטנת זרימתהכתוצאה מחיכוך. כמו כן הם יוצרים זרימה לא חלקה - זרימה טורבולנטית ,זרימה עם מערבולות.

5. השוואת שיא צריכת החשמל לאנרגיה סולארית ולרוח

6. מבנה בסיסי של טורבינת רוח • מדחף (רוטור): החלק הקולט את הרוח מכיל להבים -כנפייםלקליטת הרוח.הרוח פוגעת בלהבים אלו, והופכת את האנרגיה של תנועת הרוח בקו ישר, לתנועה סיבובית של המדחף. • הלהבים יכולים להיות מורכבים על ציר אופקי או אנכי. • מערכת מכאנית לתרגום תנועת הכנפיים לתנועה מכאנית מנוצלת. • מגדל –תורן, עליו מורכבים הלהבים, כדי להעלותם לגובה מעל הקרקע, למקום בו הרוחות קבועות יותר וחזקות יותר. • גנראטור ומערכת חשמל להמרת התנועה המכאנית לחשמל.

7. טורבינות עם ציר אופקי וציר אנכי טורבינת סאווניוס ציר אנכי טורבינת ציר אופקי

8. טורבינת ציר אופקי ואנכי – הדגמת מימדים

9. פרוט רכיבים של טורבינת רוח מודרנית(אופקית)

10. נצילות הטורבינה • נצילות הטורבינה הוא היחס המבוטא באחוזים בין כמות האנרגיה הקינטית של הרוח שהייתה עוברת ביחידת זמן דרך שטח חתך הפעולה של המדחף -שטח הדיסק,עד המדחף, לבין כמות האנרגיה החשמלית הרגעית המופקת ביחידת זמן בפועל באמצעות המדחף. נצילותה המכסימלית התיאורטית של טורבינת רוח הוא כ 59.3%=16/27- -חסם בץ. אולם נצילות זו אינה בת השגה. הנצילות המעשית לה טוענים יצרני ומפעילי טורבינות רוח הוא בין כ-5 %לכ-.35%

11. הספק הטורבינה כפונקציה של מהירות הרוח • מערכת הרוח מתחילה להפיק כאשר הרוח עוברת סף . Vcut-inההספק עולה עד שמהירות הרוח מגיעה לרמת הסף, Vcut-offמהירות שבה הספק הטורבינה מפסיק לעלות עם עליית מהירות הרוח.

12. חישוב אנרגיית הטורבינה לפי התפלגות הרוח. • נבחר אתר עם התפלגות רוח אופיינית – התפלגות ריילי – סביב מהירות רוח ממוצעת של 6 מטרים לשנייה. נחשב את כמות האנרגיה השנתית שתפיק לנו הטורבינה הזו ע"י הכפלת כמות השעות השנתית בכל מהירות רוח, בתפוקה שהטורבינה נותנת בכל מהירות רוח. ס"ה האנרגיה השנתית היאהשטח שמתחת לעקומה הכחולה – כ-4430 קוט"ש.

13. שינוי מהירות הרוח עם הגובה • מהירות הרוח עולה עם הגובה. • נאמר שקיימת מדידת רוח רב שנתית ממוצעת בגובה מסוים. כדי להתאים את המדידה בין גובה זה לגובה אחר, ניתן להשתמש במשוואה המעריכית: • כש-α הוא המעריך. גודל אופייני ל- α הוא 1/7 (מכאן השם האופייני לחוק הזה – חוק ה-1/7) או 0.143. התוצאה Vzתהיה התיקון של המדידה עבור הגובהz

14. נוסחאות לחישוב אנרגיית הרוח ונצילותה • האנרגיה של גוף הנמצא בתנועה (אנרגיה קינטית( ניתנת על ידי הנוסחה: • כמות האוויר(מסה (העוברת דרך שטח חתך המאונך למסלול הרוח, ניתנת על ידי מכפלת צפיפות האוויר (ρ0), בנפח האוויר. • מכיוון שהאוויר נמצא בתנועה מתמדת, נפח האוויר העובר דרך להבי הרוטור, נתון על ידי מכפלת שטח החתך של תנועת הלהבים, במהירות האוויר. • צפיפות האווירρ0 = קילוגרם למטר מעוקב . [kg/m3]מתחיל בערך של 1.225 בגובה פני הים, ויורד עד ל 3/4 מערך זה בגובה של 3,000 מטרים. • מהירות הרוחV =Velocity= מטר לשנייה .[m/sec] • מסת האוויר Mass=M== =שטח חתך* מהירות הרוח * צפיפות האוויר.

15. המשך- חישוב אנרגיית הרוח ונצילותה

16. המשך- חישוב אנרגיית הרוח ונצילותה

17. חלוקה של טחנות רוח ליישום שלהן • את טחנות הרוח להפקת חשמל ניתן לחלק לפי השימוש והספק הטחנות: • טחנת רוח להפקת חשמל בצורה ביתית (עצמאית): בדרך כלל בתחום שבין 1 קילוואט ועד 10 קילוואט. • טחנת רוח להפקת חשמל בצורה מסחרית למקום מרוחק בו אין חיבור לרשת חשמל ארצית, ביחד עם מנוע דיזל או מקור אחר לזמנים בהם אין רוח. בדרך כלל הספקים של 1 מגה-וואט. • טחנת רוח להפקת חשמל בצורה מסחרית (בחוות רוח המכילה מספר רב של טורבינות) לאספקת חשמל לרשת ארצית. מאות מגה-וואט עד גיגה-וואט. • טחנת רוח המשמשת לסיבוב מכני ללא יצירת חשמל ,כמו בשאיבת מים או לטחינת קמח.

18. תחנת כוח המבוססת על אנרגיה מרוח לשימוש ביתי משתמשים בעמדה בודדת של טחנת רוח המגובה על ידי מצברים.המצברים נטענים כאשר יש רוח, ומשמשים כגיבוי לאספקת חשמל כאשר אין רוח מספקת. מערכת מסוג זה חייבת לכלול בקר טעינה, כדי למנוע טעינת יתר של המצברים. המערכת חייבת לכלול ממיר (Inverter). זהו מתקן המתרגם את המתח החשמלי הנמוך שהוא מתח ישר, למתח חילופין גבוה -בישראל 220 וולט, בארה"ב 110 וולט) בתדר הרשת החשמלית (בישראל 50הרץ, בארה"ב 60 הרץ.

19. סכימת המלבנים של טורבינה להפקת חשמל ניתן לראות את הלהבים, תיבת הילוכים,גנראטור המוציא זרם חילופין , דיודת מיישר, בקר טעינה, ערוץ DC מייצב,מצבר. מאחר ומהירות הרוח משתנה, משתנה תדר זרם החילופין המופק מהגנראטור. אין אפשרות להשתמש בו ישירות. כדי לאפשר את השימוש מיישרים את זרם החילופין לזרם ישר בעזרת דיודת-מיישר. שטוענים מצברים, כדי להשתמש בזרם החילופין מחברים את המצברים(שמתח בהם קבוע ואינו תלוי ברוח ) לממיר DC/AC Convertor למתח הרשת.

20. תחזית הספק מותקן בישראל לשנים הבאות(טכנולוגית הספק מותקן)

21. סכום • אנרגיית רוח עשויה לספק כ - 20% מכל צריכת החשמל בהרבה מדינות. ניתן להרחיב את האספקה על ידי סבסוד קל. הפוטנציאל של רוח בעולם הוא גדול ביותר, אולם רק בחלק מהעולם מחירו נמוך די הצורך, וחלק זה איננו גדול ובמקרים רבים, ללא הצדקה אמיתית. בישראל העריכו שניתן להפיק כ - 6%. מהחשמל מאנרגיית רוח. בסבסוד הקל ביותר ניתן בקלות לעלות מעל ל- %.10 • עתיד הפקת האנרגיה נראה מבטיח, ככל שמדברים יותר על איכות הסביבה ועל הצורך להפחית את התלות במקורות אנרגיה מתכלים והצורך במחירים תחרותיים יותר. • המועצה לאנרגיה הרוח הגלובאלית (Global Wind Energy Council ) צופה שקיבולת ייצור אנרגיה מהרוח, יעצים את גודלו עד לסוף שנת 2013 במיוחד עם הצמיחה בארצות הברית ובסין. בשנת 2013 לבדה התקנות החדשות יכולות להגיע 56 GW. הטורבינות נעשות גדולות ומתוחכמות יותר והמטרה תושג בעזרת טורבינות ביבשה בטווח של 1-2 מגה וואט, וטורבינות בים בטווח של 3 -5 מגוואט. • התקנת טורבינת רוח היא מעשה מוסרי מאין כמותו, מעשה שעליו צריך לברך!