ניצול אנרגית הרוח

1. ניצול אנרגית הרוח • צריכת האנרגיה של האנושות הולכת וגדלה • מקורות האנרגיה הפוסיליים הולכים ומתכלים ובמקביל גדלות ההשפעות הסביבתיות הקשות שלהם. • הפיתרון הוא בפיתוח מקורות אנרגיה חליפיים ובלתי מתכלים • מקור האנרגיה היעיל, הזמין והכלכלי ביותר כיום הוא הרוח.

2. אבי זעירא • יליד צפת 1951 • בוגר הטכניון בהנדסת חשמל – 1977 • 1977 – מראשוני המתיישבים בקצרין • 1984 – התחלת פעילות בתחום ניצול אנרגית הרוח בגולן • 1985 – הקמת טורבינת הרוח הראשונה בגולן • 1992 – הקמת חוות טורבינות רוח בתל עסניה שבגולן • הקמת חברת "רוחות הגולן" לניצול אנרגית הרוח • 1996 – הקמת טורבינת רוח פרטית – הר בני צפת • יו"ר ועד ישובי הגולן • 2000 – המשך פעילות בתחום כולל קידום תוכנית ניצול אנרגית הרוח, מחקרי רוח בכל רחבי הארץ, שיווק טורבינות רוח קטנות...

3. חומר הגלם - האוויר • חומר הגלם להפקת אנרגיה מהרוח הוא האוויר • את כדור הארץ עוטפת שכבת אוויר המכונה אטמוספירה • תנועה של אוויר ממקום למקום נקראת רוח. • לאוויר תכונות מכניות כולל צפיפות, לחץ, התנגדות, צמיגות ועוד.. • נוסחת צפיפות האוויר: • - צפיפות האוויר (ק"ג למ"ק) • P – לחץ אטמוספרי (פסקל) • R – קבוע הגז J/(kg*degK) 287 לאוויר יבש • T – טמפרטורה במעלות קלווין (מעלות צלסיוס+273.15)

4. צפיפות האוויר דוגמא: חשב את צפיפות האוויר בגובה פני הים P – לחץ אטמוספרי - 101325 פסקל T - טמפרטורה - 15 מעלות צלסיוס http://www.02ws.com השתנות צפיפות האוויר בירושלים במהלך השנה - +-10% השתנות הלחץ האטמוספרי בגובה גובה (מ') טמפ' לחץ יחסי צפיפות יחסית 300 - 17 1.04 1.03 0 15 .1 1 300 13 0.96 0.97 600 11 0.93 0.94 900 9 0.90 0.91 2400 1- 0.74 0.78

5. רוח – כיצד היא נוצרת • היבשה מתחממת במהלך היום. אוויר חם מתרומם מעל היבשה • לחץ האוויר ביבשה יורד ואוויר קר נכנס מן הים • האוויר החם שעלה מן היבשה מתקרר וזורם אל הים • רוחות עולמיות נוצרות גם כן כתוצאה מהפרשי טמפרטורה בין אזורים שונים.

6. מאפייני הרוח עוצמת הרוח משתנה על פני השנה בהתאם לשעות היום, ולעונות השונות. מהלך אופייני בקייץ הוא שפל בשעות הבוקר ושיא אחה"צ • מקובל לאפיין את פילוג מהירות הרוח באמצעות הסתברות וויבול. • בדוגמא שמשמאל נראה הפילוג עבור 2 מהירויות ממוצעות • נשתמש בפילוג ריילי שהוא מקרה פרטי של פילוג וויבול www.wind-golan.com http://www.easternct.edu

7. פילוג מהירות הרוח .פונקציית ההסתברות המצטברת מחשבת את ההסתברות לקבלת ערךv או נמוך ממנו. כך ניתן לחשב את ההסתברות לקבלת "חלון" מהירויות רוח. מהירות הרוח השכיח ממוצע מהירות הרוח אחוז הזמן בו נשבה מהירות רוח שבין V1 ל- V2 P(V1)-P(V2) תרגיל באתר נמדדה מהירות רוח ממוצעת של 6.5 מ/שנ'. בהנחה שמהירות הרוח מפולגת על פי ריילי, כמה זמן ביממה תנשוב רוח במהירות שבין 8 ל-9 מ/שנ'

8. השתנות מהירות הרוח בגובה –wind shear כפי שניתן לראות בגרף משמאל, מהירות הרוח עולה יחד עם העליה בגובה. תופעה זו נובעת מחספוס פני השטח בגובה הקרקע, והשפעה זו נמשכת לגובה רב. V(Z)=Vref * ln(Z/Zo) / ln(Zref/Z0) מהירות הרוח בגובה (מ/שנ')-V מהירות הרוח בגובה ייחוס (מ/שנ') - Vref גובה (מ') - Z גובה ייחוס- Zref אורך החספוס (מ') מאפיין את פני השטח-Zo תרגיל : בשטח חקלאי פתוח נמדדה מהירות רוח 8 מ/שנ' בגובה 10 מ'. איזו מהירות רוח תימדד בגובה 80 מ'. אורכי חספוס-Z0 0 – פני ים 0.03 – שטח חקלאי פתוח 0.2 – שטח חקלאי עם מבנים 0.4 – פרבר עירוני

9. הכוח שברוח אנרגית הרוח היא אנרגיה קינטית הנובעת מתנועת חלקיקי האוויר. הכח שמפעילה הרוח על גוף תלוי במהירות הרוח ובמבנה האוירודינמי של הגוף: F –force (Newton) Cd – drag coeficient – air density (Kg/m^3) A – front area (m^2) V – wind speed (m/s) ההספק הנדרש להנעת גוף באוויר הוא: תרגיל רוח במהירות של 50 קמ"ש נושבת מול דלת במידות 6.2X 9.6 מ'. מקדם ההתנגדות של הדלת הוא 1.3. מה גודל הכוח הפועל על הדלת?

10. טורבינת מפרשים - כרתים היסטוריה • כבר בתקופות קדומות הכיר האדם בכוחה של הרוח והקים מתקנים לטחינת גרעינים, שאיבת מים ושיט המבוססים על כח הדחף של הרוח טורבינה הולנדית טורבינה פרסית לטחינת גרעינים

11. טורבינת הרוח המודרנית • רוטור בעל 3 להבי פיברגלס • ציר ראשי להעברת התנועה הסיבובית מהרוטור אל הממסרה • ממסרה להעלאת מהירות הסיבוב • גנרטור – סינכרוני או אסינכרוני • מערכת צידוד המאפשרת הכוונה לכיוון הרוח. • תורן במבנה צינור או עמוד מסבך • החשמל מוזרם ע"י כבלים מהטורבינה אל מערכת הבקרה ומשם אל רשת החשמל

12. כוח העילוי עם השנים, ובעיקר עם התפתחות האווירונאוטיקה המודרנית החליף השימוש בעילוי את השימוש בדחף. העילוי מורכב מלחץ גבוה מתחת לכנף ומלחץ נמוך ומהירות זרימה גבוהה מעליה.התוצאה היא כח עילוי בניצב לכיוון התנועה, וכח גרר בכיוון התנועה. כח העילוי (ניוטון):L כח ההתנגדות (ניוטון) (גרר) D מקדם עילוי – Cl מקדם גרר - Cd צפיפות האוויר (ק"ג למ"ק) – מהירות התנועה (מ/שנ')– V שטח הכנף– (מ"ר) A תרגיל מטוס טס במהירות 64.5 קמ"ש. שטח הכנפיים 38.3 מ"ר. מקדם העילוי 0.39 ומקדם ההתנגדות 0.016. חשב את כוח העילוי וכוח ההתנגדות כאשר הטיסה מתבצעת בגובה פני הים

13. העילוי בטורבינות הרוח . • . סיבוב הרוטור הרוח כיוון רוח שקול התנועה הסיבובית של הרוטור חותכת את האוויר. הרוח נושבת אל פני הלהב במאונך לכיוון התנועה. כח העילוי מאונך לכיוון הרוח השקול. העילוי מתחלק לרכיב אחד לכיוון התנועה – הוא מקור האנרגיה. רכיב שני תורם לכיפוף הלהב. מהירות התנועה הקווית של הרוטור משתנה לאורך הלהב ולכן כיוון הרוח השקול משתנה.

14. ההספק שברוח השתנות הלחץ סביב הרוטור במהלך המעבר של הרוח על פני רוטור הטורבינה מואטת מהירות הזרימה מסת האוויר הנכנס לצילינדר זהה לזאת היוצאת ממנה ומצב זה לא אפשרי מבחינה אנרגטית. מודל הבקבוק מבטא נכון את אופן זרימת האוויר. הירידה במהירות מקבל פיצוי באמצעות הגדלת השטח הנתפש על ידי קווי הזרימה של הרוח. M1=r*A1*V1 = r*A2*V2= M2 מודל צילינדרי מודל הבקבוק

15. הספק כפונקציה של שטח הרוטור ההספק שברוח ההספק שיש ברוח ניתן בנוסחה הבאה: P- ההספק (ווט) – צפיפות האוויר (ק"ג/מ"ק) A – שטח החתך (מ"ר) V – מהירות הרוח (מ/שנ') הספק הוא רגעי ונמדד ביחידות ווט או קוו"ט. האנרגיה נמדדת על פני תקופת זמן ביחידות של ווט שעה או קווט"ש.E=P*T תרגיל טורבינת רוח בעלת דיסקת רוטור בקוטר 36 מ' מותקנת בגובה 900 מ'. תנאי האטמוספירה סטנדרטיים רוח נושבת במהירות 30 קמ"ש מהו הספק הרוח העוברת דרך דיסקת הרוטור? כמה אנרגיה עברה במשך שעתיים? הספק כפונקציה של מהירות הרוח

16. מסת האוויר העוברת דרך הרוטור בשניה: חוק בטסהנצילות המקסימלית של טורבינת רוח ההספק המועבר לרוטור הוא ההפרש בין ההספק הנכנס להספק היוצא: נציב את M בנוסחת ההספק: נשווה עתה הספק זה להספק המקור של זרם האוויר כעת נבדוק את היחס בין הספק המקור להספק המועבר לרוטור. הגרף מוצג מימין שרטוט הגרף מצביע על נצילות מקסימלית של כ-59% תרגיל: בצע פיתוח מלא של נוסחת בטס

18. מאפייני התפוקה • הטורבינה מתחילה להפיק אנרגיה במהירות רוח של כ-4 מ/שנ' • במהירות רוח של כ-15 מ/שנ' מגיעה הטורבינה להספק נקוב. • מעל מהירות זו מתבצעת בקרה על מנת לווסת את התפוקה. • מקובל לנקוב את גודל הטורבינה על פי התפוקה המקסימלית, ושמעליה מתבצע וויסות תפוקה. גרף תפוקה GE 3.6 MW תרגיל הטורבינה מותקנת בגובה פני הים. הטורבינה הינה בעלת רוטור בקוטר 104 מ' 1. מהי נצילות הטורבינה ברוח של 10 מ/שנ'? 2. מהי הנצילות ברוח של 13 מ/שנ'? הספק נקוב סף תפוקה http://www.easternct.edu

19. תרגיל בשיקופית קודמת מוצג גרף תפוקה של טורבינת רוח. לפניך טבלת מהירות רוח שעתית למשך יממה. חשב את התפוקה היממתית. תפוקת האנרגיה של טורבינת הרוח חישוב התפוקה • תפוקת האנרגיה של טורבינת הרוח על פני תקופת זמן ניתן לחישוב באמצעות נתוני הרוח וגרף התפוקה. • מקובל למדוד את מהירות הרוח באופן רציף ולבצע מיצוע על פני 10 ד'. • את תוצאת המיצוע מעבירים לגרף התפוקה של הטורבינה ומקבלים את התפוקה. • סיכום נתוני התפוקה על פני תקופת זמן יתן את תכולת האנרגיה החזויה. . שעות ביממה / מהירות רוח שעתית ממוצעת (מ/שנ')

20. מקדם התפוקה • מקדם התפוקה • מקדם התפוקה מציין את יעילות הטורבינה והאתר: • Ea– תפוקה בפועל • Et - תפוקה תאורטית (טורבינה בתפוקה מלאה) • מקדמי תפוקה של 0.2-0.4 מאפיינים אתרים וטורבינות טובים דוגמא: טורבינה בהספק נקוב של 600 קוו"ט הפיקה בשנה 1,500,000 קווט"ש. מהו מקדם התפוקה? Cp=1500000 / (600*24*365) =0.285

21. תעריפים (סנט ארה"ב) מחיר קווט"ש (מרכיב ייצור) - 6 מחיר קווט"ש (פרמיה) - 4 סה"כ מחיר קווט"ש - 10 היבטים כלכליים עלות ממוצעת למגוו"ט ($K) 1. טורבינה ומגדל - ..........1100 2. יסוד - ......................... 150 3. חשמל - ....................... 50 3. הובלה, הקמה והפעלה - 150 4. שונות - 50 סה"כ: $K1500 הכנסה שנתית ($K) תפוקה X מחיר קווט"ש = $K250 החזר השקעה גולמי (ללא ריביות) 6 שנים. תפוקה ממוצעת למגוו"ט מקדם תפוקה – 0.3 תפוקה שנתית – 2,500 מגווט"ש

22. ההתפתחות ההיסטורית • במהלך מאות שנים שמשו טורבינות הרוח לטחינת גרעינים ולשאיבת מים, והיו, לצד המים, מקור כמעט בלעדי לאנרגיה מכנית. בהדרגה השתפרו הטורבינות והחלו לכלול אלמנטים אווירונאוטיים. • בשלהי המאה ה-19 החל השימוש במנועי שריפה והשימוש בטורבינות הרוח החל להתמעט. • ההתפשטות מערבה בארה"ב יצרה צורך בטורבינות רוח לשאיבת מים. הדגם שפותח היה מבוסס על טורבינה רב להבית בעלת מומנט התחלתי גבוה. • במשך 120 שנה יוצרו בארה"ב 6 מיליון טורבינות קטנות לשאיבת מים לצרכים חקלאיים ועבור תנועת הרכבות. • דגם זה עדיין פעיל באתרים ברחבי העולם בהם אין אספקת חשמל

23. טורבינות רוח בתחילת המאה ה-20שימוש בעקרונות אוירונאוטיים • בתחילת המאה ה-20 פותחה בדנמרק טורבינת הרוח המבוססת על עקרונות אווירונאוטיים ולא דחף. • מספר להבים קטן ופרופיל אווירודינמי. • פיתוח מקביל בתחום התעופה תרם למעבר הטורבינות לטכנולוגיה זו. • בארה"ב פותחו טורבינות קטנות לאספקת חשמל בחוות מבודדות

24. 1950-הטורבינות גדלות • טורבינה דנית של 200 קוו"ט – 3 להבי מתכת נתמכים • טורבינה דנית דו להבית • טורבינה אנכית – מקצפת ביצים

25. שנות השמונים – הבהלה לרוח • משבר האנרגיה מעודד פיתוח אנרגיה חליפית בארה"ב • דנמרק מובילה בייצור טורבינות בגודל 50 קוו"ט • פיתוח טורבינות גדולות ע"י החברות הגדולות • אלפי טורבינות רוח בקליפורניה, בעיקר מדנמרק

26. בעולם יש כ- 120,000 מגוו"ט בטורבינות רוח ארה"ב – 25000 מגוו"ט גרמניה- 25,000 מגוו"ט (7%), ספרד – 17,000 מגוו"ט סין – 12000 מגוו"ט הודו - 10000 מגוו"ט דנמרק מייצרת ברוח 20% מהצריכה עם שיאים של 60% נקבעות תקנות המחייבות 20% אנרגית רוח עד 2020 גרמניה החליטה על 30% מהצריכה מאנרגיות מתחדשות עד 2020 מצב הפיתוח בעולם 5 מגוו"ט 186 מ'

27. Enercon E-126 המשך פיתוח • טורבינת הרוח הגדולה כיום: • הספק נקוב – 6 מגוו"ט (מקסימום 7+מגוו"ט) • מגדל – 138 מ' • קוטר רוטור – 126 מ' • תפוקה שנתית – 20,000,000 קווט"ש • פיתוח מואץ של חוות רוח בים. (Off shore)

28. השפעות סביבתיות יצור חשמל מטורבינות רוח נקי וחוסך את הזיהום ממקורות אנרגיה מקובלים. לטורבינות הרוח השפעות סביבתיות בהיבטים הבאים: • רעש • הפרעות אלקטרומגנטיות • השפעה נופית • פגיעה בציפורים

29. מיקום הטורבינות על קו התילים מוסיף לעניין הנופי תוך שמירה על אופיו (טלי טוך) רצף של חוות רוח בנוף מישורי עם הרי געש יגרום לחוויה נופית ותיירותית (הנ"ל) טורבינות הרוח מהוות פיסול קינטי בטבע (תומרקין) טורבינות הרוח המודרניות נעשות גדולות יותר וכך מספרן ביחידת שטח קטן טורבינות רוח גדולות מסתובבות במהירות נמוכה ויוצרות הפרעה ויזואלית קטנה יותר סקר שבוצע בקרב תושבי הגולן החיים בסמיכות לטורבינות הרוח, מצביע על יחס חיובי ביותר לנושא. השפעה נופית

30. מפת ההשפעה האקוסטית של טורבינת רוח רעש • מטרד הרעש מטורבינות רוח מודרניות אינו קיים עוד • רעש הרקע שיוצרת הרוח גבוה יותר מרעשי הטורבינה • טורבינות רוח מודרניות מתוכננות לרעש נמוך • כתוצאה ממהירות הסיבוב נמוכה הרעש קטן • עצמת הרעש מטורבינת רוח: • מרחק (מ') עצמה שווה ערך • 0 100 תנועה עירונית • 43 56 מיבש כביסה • 170 44 חדר שקט • 260 40 לחישה

31. תנועת הלהבים והרעש הנלווה יוצרים בולטות המזוהה על ידי הציפורים בטורבינות הרוח בגולן לא נצפתה כל פגיעה בציפורים בטורבינת הרוח בהר בני צפת נמצא קינון. מחקרי תמותת ציפורים בחוות רוח בארה"ב אתר טורבינות שנות מחקר מקרי מוות ויומינג 105 2 75 מינסוטה 200 6 53 ויסקונסין 32 2 21 מונטסומה 237 2 10 סן גורגוניו 2700 15 בודדים קנדה 26 2 0 אלטמונט 5400 13 משמעותית כללי 15000 33000 בממוצע טורבינת רוח הורגת 2 ציפורים בשנה. פגיעה בציפורים • תמותה שנתית של ציפורים בארה"ב: • קוי חשמל – 150 מליון • כלי רכב – 70 מליון • בנינים – 100-1000 מליון • מגדלי תקשורת – 40-50 מליון • הרעלות חקלאיות – 67 מליון • חתולים – 37 מליון • צייד חוקי – 100 מליון

32. הר בני צפת – 55 קוו"ט פיתוח אנרגית הרוח בגולן • מחקר הרוח בגולן החל ב-1984והצביע על תנאים טובים במיוחד. • 1985 -טורבינת רוח ראשונה בהספק 55 קוו"ט • חוות טורבינות רוח בעסניה – 1992 • התנגדות מערכת הביטחון מפסיקה פיתוח • לאחרונה אושרה החלפת הטורבינות הקיימות בטורבינות של 2 מגוו"ט כל אחת. • במקביל ממשיך המאמץ לרישוי אתרים לחוות רוח נוספות. תל עסניה – 10 טורבינות 600 קוו"ט כ"א

33. טורבינותרוח מקומיות וקהילתיות • לאחרונה מתעצמת הפעילות בעולם בתחום הטורבינות הקטנות והבינוניות. • רשות החשמל הסדירה את האפשרות לחבר מתקנים סולריים קטנים אל רשת החשמל הארצית • בעקבות הסדרה זו החלה פעילות דומה על מנת לאפשר חיבור דומה של טורבינות רוח קטנות. • יתרונות: • יצור חשמל מבוזר • הפחתת זיהום אוויר וצריכת דלק • יצור חשמל מרוחק • אתרים מתאימים בעיקר בפריפריה • טורבינות רוח מקומיות הינן בעלות הנתונים הבאים: • הספק של עד 10 קוו"ט • רוטור בקוטר של עד 7 מ' • מגדל בגובה עד 15 מ'. • תפוקה שנתית של עד 12000 קווט"ש בשנה שווה ערך לצריכת חשמל ממוצעת של 3 משפחות

34. טורבינת רוח ביתית מבנה: • רוטור בעל 3 להבי פיברגלס • הנעה ישירה של הגנרטור (ללא ממסרה) • גנרטור מגנטים קבועים • מהירות סבוב גבוהה יחסית (30-500 סל"ד) • צידוד פסיבי לכיוון הרוח (זנב או downwind) • הזנת אנרגית לרשת החשמל באמצעות ממיר רשת בעיות: • רעש • מהירות סיבוב גבוהה • נצילות נמוכה • ויסות תפוקה במהירויות • גבוהות

35. טורבינות קהילתיות מאפיינים: הספק עד 100 קוו"ט קוטר רוטור עד 20 מ' מגדל עד 30 מ' תפוקה שנתית עד 150000 קווט"ש • איזורים משקיים • בריכות מים • עמודי תקשורת • בתי ספר • מוסדות ציבור

36. אתרים מתאימים לטורבינות קטנות • מהירות רוח שנתית ממוצעת מעל 5 מ/שנ' • אתרים גבוהים מ-400 מ' מעל פני הים • מבנה טופוגרפי מתאים • אזורים מתאימים: • כרמל • גלבוע • גליל • גולן • יהודה • שומרון • הר הנגב • תחשיב כלכלי לדוגמא: • טורבינה ביתית בהספק 2 קוו"ט • תפוקה שנתית – 3600 קווט"ש • עלות: 45000 ₪ • הכנסה שנתית – 7200 ₪ • החזר השקעה גולמי – 7 שנים.