איך ממירים תנועה לחשמל?

לפני כמעט מאתיים שנה (1832-1831) גילה הפיזיקאי והכימאי האנגלי מיכאל פאראדיי כי כאשר מעבירים חוט נחושת (מתכת המוליכה חשמל היטב) ליד מגנט, מתפתח בין קצות החוט מֶתח חשמלי. אם סוגרים את החוט בלולאה נוצרת תנועה של מִטענים חשמליים (זֶרֶם חשמלי). פאראדיי הסביר כי הרעיון עלה במוחו לאחר שתהה אם אפשר להפיק בעזרת מגנט זרם חשמלי, כשֵׁם שניתן לגרום לזרם חשמלי הזורם בחוט למשוך מגנטים–דבר שהיה ידוע אז בעקבות תגליתו של המדען הצרפתי אַמְפֶּר. בהמשך לכך בנה פאראדיי מכשיר עשוי לוח נחושת עגול שאותו מסובבים בעזרת ידית בתוך מגנט בצורַת פּרסַת סוס. דרך שני חיבורים חשמליים במרכז לוח הנחושת ובהיקפו, הצליח פאראדיי להפיק זרמים חשמליים חלשים (איור 1). שיטתו משמשת עד היום לייצור מַרבית החשמל בעולם, באמצעות מחוֹללים חשמליים.

בהמשך שוכלל המחולל כך שהמגנט הקבוע הוחלף באֶלֶקְטְרוֹמגנט (כּריכת חוטים שבהם זורם זרם שיוֹצר שׂדה מגנטי כמו מגנט קבוע. כּריכת הזרם מכונה אלקטרומגנט).

המבנה הבסיסי של כל מחולל מורכב משני חלקים: החלק הקבוע–הסטטוֹר, והחלק הנע או המסתובב–הרוֹטוֹר (איור 2). השאלה הנשאלת היא כיצד גורמים לרוטור להסתובב.

מאז ועד היום זָרַם חשמל רב...

המחולל של פאראדיי סֻבב על ידי ידית בעזרת כוח הזרוע של המפעיל, אך מכשיר זה סיפק מעט מאוד חשמל. כיום אנו זקוקים לחשמל רב כדי להפעיל את שלל המכשירים המצויים בבתינו: התאורה, מיזוג האוויר, המקרר, מכונת הכביסה, התנור החשמלי, הטלוויזיה, המחשב ועוד. כמו כן אנו זקוקים לחשמל כדי לטעוֹן את מכשירי הטלפון הניידים שלנו. בעתיד הקרוב נרצה לטעוֹן גם את המכונית החשמלית שצוברת תאוצה, והצֶּפי הוא כי תחליף בעתיד את המכונית הרגילה. כמובן שאין מדובר בבית אחד, אלא במיליוני בתים במאות מדינות ברחבי העולם.

מהו המענֶה שניתן להציע לצורך הגובר בחשמל? במקום לסובב את הרוטור בידיים, אנו משתמשים במנוֹעים. המנוע יכול לספֵּק כוח סיבוב רב יותר מאשר היד האנושית, וביכולתו להסתובב הרבה יותר מהר ולייצר הספק חשמלי רב יותר. החיסרון של המנוע טמון בצורך לתדלק אותו בדלק (חומר שאצורה בו אנרגיה פוטנציאלית רבה שאפשר להעבירהּ לצורה אחרת של אנרגיה). ניתן להשתמש כדלק מחומרים שונים ובהם פחם, גז טבעי או נפט. המשותף לכל סוגי הדלקים הוא שצריך לשלם עבורם [1], כלומר ישנהּ עלות כספית קבועה לייצור החשמל. יתרה מזו, למרות שבטבע קיימות כמויות גדולות מחומרי הדלק הללו הרי שהן סופיות, ויבוא יום שבו לא נוכל עוד להשתמש בחומרים אלה להפקַת דלק. נוסף על כך כדי לגרום למָנוֹע להסתובב, יש לשרוף את הדלק. תוצרי השְׂרפה מזהמים את האוויר ותורמים לשינוי האקלים לרעה. כל הדלקים מזהמים, אך לא באותה מידה: הפחם מזהם יותר מהגז הטבעי, למשל. אחד מתוצרי שׂרפת דלקים הוא פחמן דו-חמצני (CO₂, מולקולה הכוללת אטום פחמן אחד ושני אטומֵי חמצן). גז זה שנפלט לאטמוספרה מוֹנֵע מהחום לעזוב את כדור הארץ, ויוצר 'אֶפֶקְט חממה'. זהו תהליך שבו כדור הארץ הולך ומתחמם, ואחד הביטויים לכך הוא עלייה בטמפרטורה הממוצעת. התחממות כדור הארץ גורמת גם להפשׁרַת קרחונים ולעליית פני הים, מה שעתיד להוביל להצפות בערים הקרובות לים. כמו כן, ההתחממות גורמת לשינויי מזג אוויר קיצוניים כפי שאנו חווים בשנים האחרונות.

אם כן, מה ניתן לעשות? מצד אחד איננו יכולים לוותר על החשמל שאנו זקוקים לו למִגוון שימושים, ומצד אחר לא נוכל להמשיך לזהם את האטמוספרה. התשובה טמונה בייצור חשמל נקי, כלומר שאינו כרוך בזיהום האטמוספרה.

ייצור חשמל נקי

כיצד ניתן להפיק חשמל ללא שׂרפַת דלקים? זאת באמצעות שימוש בסוגי אנרגיה שונים. דרך אחת שאינה קשורה למחולל של פאראדיי היא הֲמָרָה של אור השמש לחשמל. זו הדרך המרכזית להפקַת חשמל נקי בישראל. בטבע, הצמחים משתמשים באור השמש ובחומרי הגלם העומדים לרשותם כדי לבנות את תאיהם, לגדול ולצמוח. בני האדם ובעלי החיים אוכלים את הצמחים הללו, מה שמאפשר גם להם לנוע ולגדול. שאריות של צמחים ובעלי חיים מעידנים קדומים, אשר עברו עיבודים במעבֵה כדור הארץ, הן למעשה הדלקים (נפט, פחם, גז טבעי) שבהם אנו משתמשים לייצור החשמל. כיום ישנם תאים פוֹטוֹ-ווֹלְטָאִים (הֶתְקֵנִים המשמשים להמרַת אור לחשמל), המסוגלים להמיר את אור השמש לחשמל ביעילוּת הגדלה עם השנים. אנשים פרטיים ובעלי עסקים כאחד מכסים את בתיהם, מבנֵי עסקיהם ונכסים אחרים בתאים פוטו-וולטאים. על ידי כך הם פוטרים את עצמם מחשבּון החשמל, ואף זוכים לתגמול בדמות תשלום מטעם חברת החשמל עבור החשמל שהם מייצרים. גם מחולל החשמל יכול לייצר חשמל נקי. אפשר לגרום לו להסתובב למשל על ידי שימוש במַַפָּל מים שנופל על גלגל שיניים. במפלי הניאגרה, המצויים בגבול שבין ארה''ב לקנדה, ישנהּ תחנת כוח המבוססת על המפל בלבד. בישראל קיימת תוכנית בשֵׁם 'תעלת הַיַּמִּים', המבוססת על רעיון דומה. במסגרתה מוצע לחפור תעלה בין הים התיכון לים המלח הנמוך–הֶפְרֵשׁ הגבהים ביניהם עומד על 436 מטרים. ניתן לנצל הפרשׁ זה כדי ליצור מפל שיסובב מחולל חשמל. דרך אחרת ליצירת חשמל נקי, הקשורה לנושא העיקרי שבו עוסק מאמר זה, היא סיבוב המחולל בעזרת רוח.

מחוֹלל המוּנע על ידי רוח

מחולל רוח, המכונה גם טוּרבינת רוח, הוא אוסף של להבים המשמשים להמרַת רוח לחשמל–גרסה מעודכנת של טחנות הרוח ששימשו בעבר לטחינת חיטה לקמח. בישראל, הנדבן היהודי משה מונטיפיורי הקים טחנה כזו מחוץ לחומות העיר העתיקה בירושלים בשנת 1858, והיא שימשה כמקום עבודה וכמקור לאספקת קמח לייצור לחם. ישנם שני סוגים של מחוללי רוח, שניהם מבוססים על אנרגיה קינטית. הסוג הראשון הוא מחולל ציר אופקי–התנועה המכנית שנוצרת מסיבוב הציר האופקי מחוברת ישירות למחולל החשמל שאותו תיארנו קודם לכן, בצורה המזכירה מאוורר, אך באופן פעולה הפוך. כך, בעוד שבמאוורר החשמל מסובב את הכנפיים על ידי מנוֹע כדי ליצור רוח מלאכותית, במחולל רוח אנרגיית הרוח מסובבת את להבי המחולל המניעים מחולל חשמל. הסוג השני הוא מחולל ציר אנכי (המוטות בו מכונים צירים)–במחולל זה סיבוב הציר האופקי מסובב ציר אנכי המחובר למחולל חשמל שבבסיס מחולל הרוח. למַרבית המחוללים מסוג זה מבנה המזכיר בצורתו להבַת נר. מבנה זה נוצר על ידי 3-2 להבים קשתיים המחוברים בבסיסיהם ובקודקודיהם לציר אנכי המניע מחולל חשמל. סוג נוסף של מחוללי ציר אנכי, שלעיתים מונח באופן אנכי צמוד לקיר, או בצורה אופקית צמוד לקרקע, הוא מחולל המפוּח, המכונה גם 'גלגל סנאי' (רְאו החלק השמאלי באיור 3). מחקר שערכה הרשות המדעית של האיחוד האירופי בנושא הפעלַת מחוללי רוח באסיה, מצא כי יעילות המחוללים הללו גבוהה מיעילות מחוללי המדחף [2].

לצורך עמידה על יעילות המחולל נעשה שימוש במדד הנְצילוּת, שמשמעו עד כמה המשאבים הזמינים לנו מנוצלים כראוי. נצילות מחולל הרוח מוגדרת כיחס באחוזים בין כמות החשמל הרגעית המופקת באמצעות המחולל ביחידת זמן נתונה, לבין כמות הרוח שיכולה לעבור ביחידת זמן דרך 'שטח הדיסק', שהוא שטח חתך הפעולה של להבי המחולל. הן כמות הרוח הן כמות החשמל מבוטאות במונחים של אנרגיה. הנצילות המְּרבית של מחולל רוח עומדת באופן תיאורטי על כ-59.3%. מדד זה מכונה 'גבול בץ' (Betz-Limit) שלפיו ניתן לנצל רק 16/27 מהאנרגיה הראשונית של הרוח, אך נצילות זו אינה בת-השגה. יצרני מחוללי רוח ומפעילי מחוללים כאלה טוענים לנצילות בפועל אשר נעה בין 15% ל-35%.

הניסיון והמחקר בתחום זה מלמדים כי הנצילות של מחוללי ציר אופקי נמוכה מזו של מחוללי ציר אנכי. למרות האמור, השימוש במחוללי ציר אנכי פחות שכיח בשל עלויות תכנון והקמה גבוהות.

סיכום

הפקַַת חשמל מרוח נמנית עם הדרכים הזולות ביותר לייצור חשמל, בהשוואה לעלויות הפקַת חשמל בדרכים אחרות וממקורות אחרים. נמצא כי פוטנציאל ייצור החשמל מֵרוח הוא יחסי למהירות הרוח כשמעלים אותה בחזקה שלישית. בישראל למשל, תפוקת החשמל מיחידת שטח ברמת הגולן כאשר היחידה ניצבת לכיוון הרוח, גבוהה בממוצע פי 8 מתפוקת החשמל במישור החוף [3]. הטעם לכך הוא שמהירות הרוח ברמת הגולן כפולה בקירוב ממהירות הרוח במישור החוף. דרכים נוספות להשׂגַת מהירויות רוח גבוהות יותר, פרט לבחירת מיקום מחולל הרוח, הן שימוש בשוברי רוח (נטיעת שורה או יותר של עצים או שיחים, סביב חוות או שדות, להגנה על הקרקע מפני סחיפה ולהגנה מפני הרוח) [4], וכן שימוש בעמודים גבוהים יותר [5] (ככל שעולים בגובה, הרוח מהירה יותר).

בעולם, השימוש במחוללי רוח נפוץ בדרך כלל במסגרת חוות רוח. אלה הם מתחמים שבהם כמה מחוללי רוח פועלים יחד. דנמרק היא מהמדינות הראשונות שעשו שימוש באנרגיית רוח לייצור חשמל. בימים מסוימים מצליחה מדינה זו לספֵּק את כל צריכת החשמל שלה ממחוללי רוח, ואף להעביר חלק מהחשמל המיוצר לשכנותיה.

מילון מונחים

מִטען חשמלי (Electric Charge): ↑ תכונה של החומר הגורמת ליצירת פעילות אלקטרומגנטית הדדית עם מטענים אחרים. כל חלקיקי החומר היסודיים הם בעלי מטען חשמלי, הנמדד ביחידות של קוּלוֹן (C). לאלקטרון יש מטען שלילי ולגרעין האטום יש מטען חיובי.

זרם חשמלי (Electric Current): ↑ תנועת מִטענים חשמליים. מוגדר ככמות המִטען החשמלי העובר ביחידת זמן דרך שטח נתון. כאשר עובר מִטען של קוּלוֹן אחד בזמן של שנייה אחת, אנו אומרים שזורם זרם של אַמְפֶּר אחד.

מחולל ומנוע (Generator and Engine): ↑ אלה הם הֶתְקֵנים שתפקידם להמיר אנרגיה מצורה אחת לצורה אחרת. מחולל הרוח ממיר אנרגיה קינטית (רְאו להלן במילון המונחים) של רוח לאנרגיה חשמלית. מנוע חשמלי ממיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.

שׂדה (Field): ↑ מדד לחוזק שבו גוף פועל על גוף אחר. שדה חשמלי הוא הכוח שאותו הגוף היה מפעיל על גוף אחר אילו מִטען הגוף האחר היה קוּלוֹן אחד. שדה מגנטי הוא תוצר של מִטענים חשמליים המצויים בתנועה.

הֶסְפֵּק (Power): ↑ קצב שינוי האנרגיה ליחידת זמן. מערכת הממירה אנרגיה מסוג מסוים לאנרגיה חשמלית בקצב של גָ'אוּל (J) אחד בכל שנייה, היא מערכת המייצרת הספֵּק חשמלי של וָאט (W) אחד.

אנרגיה (Energy): ↑ בכל מערכת פיזיקלית סגורה יש גודל שמור המכונה אנרגיה. המתמטיקאית היהודייה-גרמנייה אֶמִי נֶתֶר הראתה כי שימור האנרגיה נובע מכך שחוקי הטבע אינם משתנים במרחב-זמן. מקובל למדוד אנרגיה ביחידות של גָ'אוּל.

סוגי אנרגיה (Types of Energy): ↑ פרט לאנרגיה קינטית (רְאו להלן במילון המונחים), האנרגיה מופיעה בטבע בצורות שונות. למשל, אנרגיה פוטנציאלית (האנרגיה שנדרשת לזריקַת כדור כלפי מעלה לגובה מסוים); אנרגיה חשמלית; אנרגיה מגנטית; אנרגיה כימית ואנרגיית חום.

אנרגיה קינטית (Kinetic Energy): ↑ זוהי אנרגיית התנועה שהיא סוג האנרגיה הפשוט ביותר. עבור גופים איטיים הביטוי לאנרגיה זו הוא $\frac{1}{2}{mv}^2$, כאשר m הוא מָסַת הגוף ו-v הוא מהירות הגוף.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.