השמיים הם הגבול בהמרת אנרגיית רוח

מאת: Sam Davis, Power Electronics Technology

ניצול האנרגיה של הרוחות שבגובה רב היא טכנולוגיה שיכולה לתמוך בצורכי האנרגיה של העולם. המשך הפיתוח של טכנולוגיות חדשות יכול לאפשר את תפיסת האנרגיה הזאת וייתכן שלא יהיה צורך בפריצות דרך מדעיות יסודיות כלשהן.
כשמביאים בחשבון את כל העלויות, כולל העלויות האמיתיות של אנרגיה גרעינית והעלויות החיצוניות של אנרגיה מדלקים פוסיליים, אנרגיית רוח נישאת באוויר יכולה להיות מקור האנרגיה הזול ביותר בעולם. (חריגים אפשריים הם מקורות הידרולוגיים מוגבלים ומצבים מוגבלים שבהם טורבינות רוח קרקעיות עשויות להיות המשתלמות ביותר לסיפוק צרכים מקומיים יחסית).
רוחות עתירות אנרגיה נמצאות בגובה רב מעלינו, לא רק בגובה של כמה מאות רגל, שם אפשר לנצל אותן באמצעות רוטורים של טורבינות שנמצאות על מגדלים. בטכנולוגיות של אנרגיית רוח נישאת באוויר ישתמשו במתקנים כבולים לתפיסת אנרגיית רוח ש”מעופפים” לגבהים האלה שבהם אנרגיית הרוח הרבה יותר חזקה מאשר על פני הקרקע.

איור 1. אנרגיית הרוח הזמינה בוואטים למטר רבוע בפס צבע נתון הוא כמוצג במקרא, שערכי הצבעים בו גדלים באופן לוגריתמי. ארבעת המקטעים הראשונים מוצגים בלבן משום שחוץ מבגובה קרוב לקרקע בגלל הטופוגרפיה המקומית, עוצמת הרוח אינה מספיקה ליצירת חשמל משתלמת. החל מהצבע הכחול, ההפעלה יכולה להיות משתלמת בחלק מהזמן. בצבע הצהוב ההפעלה תהיה משתלמת באופן שולי. מהצבע הכתום ומעלה, ההפעלה של גנרטורים מעופפים תהיה בדרך כלל משתלמת, וככל שהצבע כהה יותר מקדם ההספק גבוה יותר.

איור 2. במאי 1986 או בסביבות מאי, ד"ר בריאן רוברטס ניסה כלי טיס עם שני רוטורים שפעל בקירוב במצב אוטורוטציה. קוטר הרוטורים של כלי הטיס היה 12 רגל ומשקלו 64 פאונד. האנשים בתמונה הם כולם עובדים של אוניברסיטת סידני. הניסויים נעשו ב"חוות מאונט פלזנט" של האוניברסיטה במארולן, ניו סאות וולס, אוסטרליה.

כמה קבוצות מפתחות טכנולוגיות של אנרגיית רוח נישאת באוויר (AWE) המיועדות לשימוש בגובה של עד 2000 רגל מעל פני הקרקע ואחרות מיועדות לשימוש בגבהים מעל 2000 רגל. טכנולוגיות מסוימות יוכלו אולי לגשר על החלוקה הזאת, אבל לא תמיד בצורה המדויקת של מעל ומתחת לגובה הזה. הגובה של 2000 רגל נבחר משום שזה הגובה שמעליו רשות התעופה הפדרלית של ארה”ב (FAA) לא מעוניינת עכשיו לאשר את מה שהיא מחשיבה בתור “מכשולים”. אפשר להטיס טכנולוגיות AWE גבוה יותר מחוץ לתחום 12 המילים הימיים מהחוף במרחב האווירי הבינלאומי, אבל עדיין בתוך “האזור הכלכלי” של ארה”ב.
ד”ר קן קלדיירה, לשעבר מהמעבדה הימית לורנס ליברמור, כיום במחלקה לאקולוגיה גלובלית של מכון קרנגי בסטנפורד, קליפורניה, הדגים את ההשפעות של רוחות בגבהים של קילומטרים בבירור באמצעות תרשימים צבעוניים מפורטים. תרשים טיפוסי (איור 1) מראה את קווי הרוחב והגבהים שבהם נמצאת אנרגיה זאת. כדי לחשב את האנרגיה שזמינה מהרוח, קראו את המסגרת “אנרגיית הרוח פרופורציונלית למהירות בחזקה שלישית”.
אחד הראשונים שעבדו על תפיסת אנרגיית רוח בגובה רב היה האוסטרלי ד”ר בריאן רוברטס. הוא הראה שטכנולוגיית הגנרטור המוטס (FEG) מעשית ואמורה לפעול בגובה רב (איור 2). כלי הטיס הרוטורי נראה כמו מסוק בסיסי כבול ללא תא. היו לו שני רוטורים, כל אחד בקוטר של 12 רגל. שני הרוטורים מנוגדי הסיבוב שלו הונעו בחשמל מהקרקע, ואפשרו לו לטוס לגובה הרצוי שלו.

איור 2. במאי 1986 או בסביבות מאי, ד"ר בריאן רוברטס ניסה כלי טיס עם שני רוטורים שפעל בקירוב במצב אוטורוטציה. קוטר הרוטורים של כלי הטיס היה 12 רגל ומשקלו 64 פאונד. האנשים בתמונה הם כולם עובדים של אוניברסיטת סידני. הניסויים נעשו ב"חוות מאונט פלזנט" של האוניברסיטה במארולן, ניו סאות וולס, אוסטרליה.

איור 4. "ליטל רד", האבטיפוס של הגנרטור המעופף בהספק 12 ק"ו של Sky WindPower.

איור 5. במערכת של הגנרטור המעופף יש יחידת בקרה קרקעית ששולטת בפעולתו. כשמחברים את גל הסינוס שיוצא מהמהפך לרשת החשמל, חייבים לסנכרן אותו תחילה למתח שלה.

גנרטורים מעופפים חדשים יותר
הטכנולוגיית של גנרטורים מעופפים הנמצאים במקומות כפריים לא רחוק ממרכזים עירוניים, יחד עם רשתות חשמל יכולה לשרת צרכים רבים. בהשוואה לטורבינות על מגדלים, נחוצים רוטורים הרבה יותר קטנים לכל מגה-ואט שנתפס מהרוחות המהירות שבגובה רב. אפשר לצפות שההספקים הנקובים של כל גנרטור מעופף יגדלו בסופו של דבר לתחום המגה-ואטים (מ”ו) המרובים. בעתיד, במקום שני רוטורים, הגנרטורים המעופפים האלה ישתמשו בארבעה בסידור מרובע, או ביותר רוטורים בסידורים גדולים יותר, כמו שמראה איור 3. איור 4 מראה אבטיפוס קיים של גנרטור מעופף ניסויי שיוצר על ידי Sky Windpower.
לדוגמה, הגנרטורים המעופפים של Sky WindPower יכולים להשתמש ברוטורים קטנים בהרבה מדודניהם שעל מגדלים. נראה שההספקים הנקובים של הגנרטורים המעופפים של החברה יהיו בתחילה בערך מ”ו (מיליון וואט) אחד. הגנרטורים האלה מפיקים מתח גבוה עם זרם נמוך יחסית כדי לאפשר שימוש בכבל כבילה עם משקל קל וקוטר קטן. כמובן שיהיו הפסדי תמסורת כלשהם בכבל.
כבל הכבילה הדרוש
פתרון חשוב שנחוץ לגנרטור מעופף בגובה רב בר קיימא הוא כבל מתאים שיכול לשרוד את הסביבה וגם את המתח הגבוה שזורם בו. לדוגמה, מערכת של מ”ו אחד תצריך יצירה של 10,000 וולט במאה אמפר. כמובן שזה יהיה קשה להשגה בכבל שאורכו יכול להגיע לכמה אלפי רגל. זה מצריך פתרון שממזער את מפל המתח בכבל. זה יהיה כרוך בחידושים בתכנון הכבל ואולי במדעי החומר. אפשר שבכבל לא ישתמשו בתיל נחושת. אפשרות אחת עשויה להיות תיל ממוליך על בטמפרטורה גבוהה.
אחת התצורות העתידיות האפשריות היא להשתמש בשמונה גנרטורים, כל אחד בהספק נקוב של 125 קילו-ואט או יותר, בסך הכל מ”ו אחד או יותר. למרבה המזל, יחסי החוזק למשקל של הכבלים למעשה משתפרים כשהגודל עולה, והמשקל של בקרת ההנחיה עולה פחות באופן יחסי לגודל. במילים אחרות, בגבולות סבירים, יש לצפות שהנצילות תשתפר עם הגודל.
השימוש ביותר משני רוטורים מאפשר להימנע מבעיות תחזוקת הרכיבים הגדולות ביותר של מסוקים עם שני רוטורים, שנגרמות בגלל “עלרוד מחזורי”, שבו הלהבים מוכרחים לשנות עלרוד הלוך וחזור באמצעות “דיסקיות הסטה” בכל סיבוב.
נמנעים מהבעיות האלה על ידי שימוש ב”עלרוד קיבוצי”, שבו העלרוד של הלהבים נשאר קבוע במשך סיבובים שלמים, באמצעות שינוי זמני בעלרוד הקבוע של זוגות רוטורים כשרוצים לשנות כיוון (שמאלה, ימינה, למעלה, למטה). בחירת הזוגות תלויה בשינוי הכיוון הרצוי.
השימוש בגישה הזאת של עלרוד קיבוצי קריטי כדי לשמור על עלויות תחזוקה נמוכות  ולהבטיח שגנרטורים מעופפים יוכלו להיות באוויר פרקי זמן משמעותיים בין נחיתות לצורך תחזוקה. קיים גם הפוטנציאל להשתמש בתצורה של הנעה ישירה כפי שנעשה בטורבינות רוח קרקעיות מסוימות כיום, כדי להפחית עלויות תחזוקה.

ההשפעות של מזג האוויר
ברקים ופריקות סטטיות באטמוספרה משפיעים על כבלים המכילים מוליכים. אולם, התכיפות של המצבים שבהם התנאים האטמוספריים האלה מהווים סכנה פוטנציאלית קרובה לאפס באזורי מפתח של העולם שהכי זקוקים לאנרגיה.
גם במקומות שבהם מצבים של ברקים כן קיימים באופן עונתי, עם האזהרות הטובות שהטכנולוגיה העדכנית מספקת, גנרטורים מעופפים יקורקעו ויוחזרו לשירות במהירות אחרי שהסערה תחלוף. יתר על כן, בעיות של ברקים מותנו ביישומים אחרים של כבלים וישמשו בגנרטורים מעופפים כשהמצב אינו חמור.
מערבולות יכולות להוות בעיה כשנתקלים בהן. אולם, לכלי טייס רוטורי כבול כמו גנרטור מעופף יש חופש לנוע מעט, כמו עפיפון, ולחזור בחזרה. זה קורה בעיקר משום שהכבל הארוך פשוט ישנה מעט את צורתו כשהגנרטור המעופף נתקל בפרץ של רוח חזקה ואז בהדרגה יחזור לצורתו הטבעית, וזה יפחית את המתח על הכבל שלו.
בנוסף, אמצעי בקרה אלקטרוניים מתוכנתים, המשתמשים ב-GPS ומידע חישת גובה באמצעות גירוסקופ, מבטיחים שהעלרוד של הרוטורים ומשטחי האוויר יגיבו באופן משכך לתנועה של הגנרטור המעופף במצב זה.
למרות שהרוטור של גנרטור מעופף מסתובב, זה לא מונע פעולת עילוי דמוית עפיפון על המשטחים שלו. בהתאם לזווית של מישור הרוטור ביחס לאופק, יש חלוקת אנרגיה בין אנרגיית הרוח שנכנסת לעילוי ואנרגיית הרוח שנכנסת ליצירת חשמל. זווית ההתקפה הזאת ניתנת לשליטה, כך שהיא נקבעת ברציפות אוטומטית כדי שהגנרטור המעופף יישאר בגובה הרצוי ויצור הספק נומינלי בכל זמן שאפשר, אבל לא יותר. גנרטורים מעופפים חופשיים לשייט בגובה המיטבי בכל זמן, בהתחשב במהירות הרוח ובמערבולות צפויות.
אפשר להשתמש בטכנולוגיית GPS כדי להבטיח שכלי הטיס יישאר בתחום של כמה רגל הן אופקית והן אנכית מהמקום בו עליו להיות בגובה רב. זה חשוב מאוד כדי להבטיח שמספר גנרטורים מעופפים יישארו מספיק נפרדים לא רק כדי למנוע התנגשות אלא גם כדי למנוע פגיעה בגישה היעילה של כל אחד מהם לאנרגיית הרוח הזמינה, בעיה הידועה בשם “הצללת רוח”. למרבה המזל, כשפועלים בשלושה מימדים, זאת פחות בעיה בגנרטורים מעופפים בהשוואה לטורבינות רוח שנמצאות במערך הקרקעי הדו-מימדי.
כבלים של גנרטורים מעופפים שעולים לגובה רב יכולים כמובן להוות בעיה לכלי טיס. לכן, גנרטורים מעופפים יימנעו מהמראה או נחיתה ליד אזורים שיש בהם תנועת כלי טיס. עם אמצעי הבטיחות שמיושמים, מצופה שאפשר יהיה להנחית את כלי הטיס הרוטורי כמו מסוק באוטורוטציה ללא פגיעה, אפילו אם הכבל ניתק.
שלא כמו תחנות כוח גרעיניות, מקור אחר של אנרגיה שלא תורמת להתחממות הגלובלית, מערכי גנרטורים מעופפים לא יהיו מטרות מפתות במיוחד לטרוריסטים ולא יהוו מקור לחששות לגבי קרינה, בין אם בגלל תאונה או בגלל פעולה מכוונת.

מקדם ההספק
בדרך כלל, בענף אנרגיית הרוח עוסקים במונחים של הספק נקוב של טורבינות רוח או ההספק המותקן הכולל בחוות רוח. אולם, זה לא מכסה כמה אנרגיה נתפסת בפועל. מקדם ההספק הוא חלק האנרגיה שנתפס בפועל יחסית למה שהיה נתפס אם טורבינות הרוח היו פועלות במלוא ההספק כל הזמן.
הסיבה הגדולה ביותר לאי פעולה בהספק היא שהרוחות הקיימות באתר הנתון לא מספיקות כדי ליצור חשמל בהספק הנקוב. זה נכון בכל גובה, אבל האחוז מהזמן הוא הרבה פחות בגובה רב.
מקדם ההספק של גנרטורים מעופפים מהמידגם של רוברטס הפועלים בגובה רב נע בדרך כלל בין 70% בדרום ארה”ב ועד במקרים מסוימים ליותר מ-90% בקו הרוחב של דטרויט, ואז הוא מתחיל לרדת שממשיכים צפונה. אפשר לשפר את מקדמי ההספק על ידי הגדלת גודל הרוטורים יחסית להספקי הגנרטורים אבל בתוספת עלות, ואם זה מבוצע יותר מדי, בעלות גדולה יותר לקוט”ש מסופק.
בגובה רב יותר, לטופולוגיה של הקרקע אין כמעט השפעה על מקדם ההספק. הטס גנרטורים מעופפים בכל מקום בתחום של כמאה מילים מעיר ומקדם ההספק צפוי להיות בערך אותו הדבר.
זה אומר שבחירה טובה של מיקום למערך גנרטורים מעופפים תלויה בעיקר בהיותו מבודד מספיק כדי לא להיות מעל אזורים מאוכלסים, אבל לא רחוק מדי כדי שההולכה הקרקעית לאזורים אלה לא תהיה יקרה מדי.

הפעולה של מערכת גנרטור מעופף
במערכת יש יחידת בקרה קרקעית לגנרטור המעופף וגם בקרה פנימית בגנרטור עצמו (איור 5). כשמפעילים את המערכת, יחידת הבקרה מפעילה מתח ישר דרך הכבל שגורם למנועים- גנרטורים לפעול כמנועים. החשמל זורם מהקרקע אל כלי הטיס כדי להפעיל את המנועים שייקחו את הגנרטור המעופף אל הגובה הרצוי ליצירת חשמל אופטימלית מהרוח. לאחר מכן הרוח מניעה את להבי הרוטורים שפועלים כמשטחי אוויר שיוצרים עילוי לגנרטור המעופף. בנקודה שבה הרוח מספקת מספיק אנרגיה כדי להשאיר את כלי הטיס בגובה יצירת החשמל הוא עובר למצב אוטורוטציה שבו אין צורך באנרגיה מהקרקע.
כל אנרגיית רוח מעבר למה שנחוץ כדי להשאיר את כלי הטיס באוויר מומרת לחשמל כשהגנרטור המעופף באופן אוטומטי וחלק מעביר את המנועים- גנרטורים למצב יצירת חשמל. בדומה מאוד לגלגלים המחוברים למערכת בלימה שיוצרת חשמל, הרוטורים לא משנים כיוון בסוג זה של מערכת מנועים- גנרטורים. המתח שמייצר הגנרטור המעופף חייב להיות גבוה ככל האפשר כדי להפחית את הזרם שזורם דרך הכבל. וכן, הוא צריך למזער את חימום הכבל ואת הפסדי אנרגיית החום, שני דברים שהם בלתי רצויים.
החומר של הכבל מורכב בעיקר ממוליכים ורכיבי חוזק והוא מתוכנן לגמישות. המידגם של הכבל הוא קנייני.
יחידת הבקרה מקבלת את המתח הישר הגבוה שמופק מהכבל ומכניסה אותו למהפך שמוציא זרם חילופין המועבר לרשת החשמל. התפוקה הזאת מסונכרנת עם רשת החשמל הקיימת ומוכנסת אליה.
שימו לב שהעוגן חיוני ליצירת החשמל כי בלעדיו הרוח תסחוף את כלי הטיס והוא ירד לקרקע, כמו כל עפיפון לא כבול.

גנרטורים מעופפים מרובים
מקורות אנרגיה אחרים יספקו, כמובן, תמיד אנרגיה כלשהי, אבל מערכי גנרטורים מעופפים, הפועלים כולם באתרים מרוחקים יחסית עם מקדמי הספק ממוצעים של 50-75% (פי שניים עד שלושה ממקדם ההספק הטיפוסי של רוח קרקעית), אבל לא יותר מדי רחוק מאזורים עירוניים כדי לא להאריך את קווי ההולכה, יכולים לתרום באופן משמעותי להשגת יעדי האנרגיה המתחדשת התקניים של מדינות רבות. גנרטורים מעופפים יכולים לספק אנרגיה משמעותית לכלכלות מהירות צמיחה ורעבות לאנרגיה, ואנרגיה תחליפית למדינות איים שכיום מייבאות הרבה דלקים פוסיליים. חשוב לציין שצורכי האנרגיה העתידיים של ארה”ב והעולם ללא ספק יגדלו, וצורכי אנרגיה נוכחיים רבים שמסופקים כיום באמצעות דלקים פוסיליים ישירות, לא דרך יצירת חשמל, יעברו לאנרגיה מרשת החשמל שתסופק על ידי רוח בגובה רב כשהתחשיבים הכלכליים של הטכנולוגיה הזאת יהיו חיוביים יותר והצורך לתת מענה לבעיות של התחממות כדור הארץ יזכו להכרה כללית גדולה יותר.
לכן, מספר מערכי הגנרטורים המעופפים הנחוצים כדי לענות על הצרכים העולמיים העתידיים יגדל משמעותית. עם זאת, בארה”ב צריך בעצם לגשת לכל הנושא הזה מנקודת המבט של הביקוש וההיצע המשולבים של ארה”ב וקנדה, משום שרשתות החשמל של ארה”ב וקנדה מחוברות.
תודות:
אנו מודים לפ’ ג’ שפארד, “המעודדת הראשית” של Sky WindPower  והמזכירה של הקונסורציום לאנרגיית רוח נישאת באוויר, על עזרתה עם המאמר זה, וגם לד”ר בריאן רוברטס ומהנדס הפיתוח של האבטיפוס ברוס וודנדורף על עזרתם עם מאמר זה.
הכתבה לקוחה מאתר:
www.powerelectronics.com

מקורות:
-Sky WindPower, “High Altitude Wind Power,” http://www.skywindpower.com.
-Roberts, Bryan et al, “Harnessing High Altitude Wind Power” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol 22 No.1 March 2007.
-Lawrence Livermore National Laboratory, Wind Energy Research at LLNL, California Wind Energy Collaborative University of California at Davis, 10 May, 2010, Jeff Mirocha, Staff Scientist, Atmospheric, Earth, and Energy Department, Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL-PRES-415464.

תגובות סגורות