תחנת כוח גל: עקרון העבודה

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-17 10:27

מימי האוקיינוסים מסתירים אינספור עושר, שהעיקרי שבהם, אולי, הם מקורות אנרגיה בלתי מוגבלים בצורת גלי ים. לראשונה, חשבו על השימוש באנרגיה הקינטית של פירים המתגלגלים לחוף במאה ה-18 בפריז, שם הוצג הפטנט הראשון לטחנת גלים. כעת הטכנולוגיה צעדה רחוק קדימה, ותחנת הכוח המסחרית הראשונה נוצרה על ידי מאמצים משותפים של מדענים, שהחלה לפעול ב-2008.

למה זה מועיל?

זה לא סוד שמשאבי הטבע נמצאים על סף דלדול. עתודות הפחם, הנפט והגז - מקורות האנרגיה העיקריים - מגיעות לסיומן. על פי התחזיות האופטימיות ביותר של מדענים, הרזרבות יספיקו ל-150-300 שנות חיים. גם הכוח הגרעיני לא הצליח לעמוד בציפיות. הספק ופריון גבוהים משלמים את עלויות הבנייה, התפעול, אך בעיות פינוי הפסולת והנזק הסביבתי יאלצו בקרוב לנטוש אותן. מסיבות אלו, מדענים מחפשים מקורות אנרגיה חלופיים חדשים. עכשיו כברתחנות כוח רוח ושמש פועלות. אבל למרות כל היתרונות שלהם, יש להם חיסרון משמעותי - יעילות נמוכה. לא ניתן יהיה לספק את צרכי כלל האוכלוסייה. לכן, דרושים פתרונות חדשים.

כדי לייצר חשמל, תחנת כוח גלים משתמשת באנרגיה הקינטית של גלים. לפי ההערכות השמרניות ביותר, פוטנציאל זה מוערך ב-2 מיליון מגוואט, המשתווה ל-1000 תחנות כוח גרעיניות הפועלות בהספק מלא, וכ-75 קילוואט/מ ק למטר חזית גל. אין שום השפעה מזיקה על הסביבה.

סכמת עבודה כללית

תחנות כוח גל הן מבנים צפים המסוגלים להמיר את האנרגיה המכנית של תנועת גלים לאנרגיה חשמלית ולהעביר אותה לצרכן. במקביל, הם מנסים להשתמש בשני מקורות:

1. עתודות קינטיות. פירים ימיים עוברים דרך צינור בקוטר גדול ומסובבים את הלהבים, המעבירים כוח לגנרטור חשמלי. מיושם גם העיקרון הפנאומטי - מים, חודרים לתוך תא מיוחד, מרחיקים משם חמצן, המופנה דרך מערכת של ערוצים ומסובב את להבי הטורבינה.
2. אנרגיה מתגלגלת. במקרה זה, תחנת הכוח הגל פועלת כצף. נע בחלל יחד עם פרופיל הגל, הוא גורם לטורבינה להסתובב דרך מערכת מורכבת של מנופים.

מדינות שונות משתמשות בטכנולוגיה משלהן כדי להמיר את התנועה המכנית של גלים לחשמל, אבליש להם אותה תוכנית פעולה.

חסרונות של תחנות כוח גל

המכשול העיקרי להחדרה נרחבת של תחנות כוח גלים הוא העלות שלהן. בשל התכנון המורכב וההתקנה המורכבת על פני מי הים, העלויות של הפעלת מתקנים כאלה גבוהות יותר מאשר עבור הקמת תחנת כוח גרעינית או תחנת כוח תרמית.

בנוסף, ישנם מספר חסרונות נוספים, הקשורים בעיקר להופעת בעיות סוציו-אקונומיות. העניין הוא שתחנות ציפה גדולות יוצרות סכנה ומפריעות לניווט ולדייג - תחנת כוח של גלי ציפה יכולה פשוט להכריח אדם לצאת מאזורי דיג. יש גם השלכות סביבתיות אפשריות. השימוש במתקנים מכבה משמעותית את גלי הים, הופך אותם לקטנים יותר ומונע מהם לפרוץ לחוף. בינתיים, גלים ממלאים תפקיד חשוב בתהליך חילופי הגזים באוקיינוס, ומנקים את פני השטח שלו. כל זה יכול להוביל לשינוי באיזון האקולוגי.

היבטים חיוביים של תחנות כוח גל

לצד החסרונות, לתחנת כוח גל יש גם מספר יתרונות שיש להם השפעה חיובית על הפעילות האנושית:

• מתקנים, בשל העובדה שהם מכבים אנרגיית גלים, יכולים להגן על מבני חוף (מזחים, נמלים) מפני הרס בכוח האוקיינוס;
• חשמל מופק בעלות מינימלית;
• עוצמת גלים גבוהים הופכת חוות רוח לרווחיות יותר מבחינה כלכלית מתחנות כוח רוח או סולאריות.

מאגרי האנרגיה נמצאים גם במימי היבשה, בעיקר נהרות. בניית תחנות על גשרים, מעברים, מזחים היא סיכוי לפיתוח אזור זה של ייצור חשמל.

בעיות שיש לפתור

המשימה העיקרית העומדת בפני הקהילה המדעית כעת היא לשפר את התכנון, שיוזיל את עלות החשמל שנוצר על ידי תחנות כוח גלים. עקרון הפעולה צריך להישאר זהה, אבל טכנולוגיות וחומרים חדשים ישמשו ליצירת התקנות.

הספק הממוצע של הגל הוא 75-85 קילוואט/מ' - זה הטווח שאליו מכוונים רוב התחנות. אולם בעת סערה עוצמת גלי הים עולה פי כמה וקיימת סכנה להרס של מתקנים. כבר יותר מלהב אחד היה מקומט או כפוף לאחר סערה. כדי לפתור בעיה זו, מדענים מפחיתים באופן מלאכותי את הכוח הספציפי של הגלים. אחת הבעיות היא שהשימוש המאסיבי בתחנות גלים יוביל לשינויי אקלים. יצירת האנרגיה החשמלית מתבצעת עקב סיבוב כדור הארץ (כך נוצרים גלים). השימוש הנרחב בתחנות יגרום לכוכב הלכת להסתובב לאט יותר. אדם לא ירגיש בהבדל, אבל זה יהרוס מספר זרמים הממלאים תפקיד חשוב בחילופי החום של כדור הארץ.

ה-WPP הניסיוני הראשון בעולם

תחנת כוח הגלים הראשונה הופיעה ב-1985 בנורבגיה. ההספק שלו היה 500 קילוואט, והיא עצמההיה אב טיפוס. עקרון הפעולה שלו מבוסס על דחיסה מחזורית והרחבה של המדיום:

• גליל עם תחתית פתוחה טובל במים כך שקצהו נמצא מתחת לשקע הגל - הנקודה הנמוכה ביותר שלו;
• מים זורמים מעת לעת דוחסים את האוויר בחלל הפנימי;
• כשמגיעים ללחץ מסוים, נפתח שסתום, המאפשר מעבר לחמצן דחוס לטורבינה.

תחנת הכוח הזו הפיקה 500 קילוואט של אנרגיה, שהספיקו כדי לאשר את יעילות המתקנים, מה שתרם לפיתוחם.

תחנת הכוח התעשייתית הראשונה בעולם

המתקן הראשון בעולם בקנה מידה תעשייתי הוא Oceanlinx offshore Port Kemble, אוסטרליה. הוא הופעל ב-2005, אך לאחר מכן נשלח לשיקום והחל לפעול שוב ב-2009, וזו הסיבה שכיום משתמשים באזור גם תחנות כוח של גאות ושפל. עקרון הפעולה שלו הוא כדלקמן:

1. גלים עוברים מעת לעת לתוך תאים מיוחדים, וגורמים לאוויר להידחס.
2. כאשר הלחץ הקריטי מגיע, אוויר דחוס מסובב את הגנרטור החשמלי דרך רשת של ערוצים.
3. כדי ללכוד את התנועה והכוח של הגלים, להבי הטורבינה משנים את זווית הנטייה שלהם.

קיבולת המתקן הייתה כ-450 קילוואט, אם כי כל חלק בתחנה מסוגל לספק אנרגיה חשמלית של 100 קילוואט עד 1.5 מגוואט.

חוות הרוח המסחרית הראשונה בעולם

תחנת כוח הגל המסחרית הראשונהמינוי שנרכש בשנת 2008 באגוסדור, פורטוגל. יתרה מכך, זהו המתקן הראשון בעולם שמשתמש ישירות באנרגיה המכנית של הגל. הפרויקט הוכן על ידי החברה האנגלית Pelamis Wave Power.

המבנה כולל מספר קטעים המשתחררים ועולים יחד עם פרופיל הגל. הסעיפים מחוברים בצירים למערכת ההידראולית ומפעילים אותה במהלך התנועה. המנגנון ההידראולי גורם לסיבוב של רוטור הגנרטור, שבגללו נוצר חשמל. לתחנות כוח גל המשמשות בפורטוגל יש פלוסים וחסרונות. יתרון ההתקנה הוא בהספק הגבוה שלה - כ-2.25 מגוואט וכן אפשרות להתקנת מקטעים נוספים. יש רק חסרון אחד בהתקנת המערכת - ישנם קשיים בהעברת אנרגיה חשמלית דרך חוטים לצרכן.

תחנת כוח הגל הראשונה ברוסיה

ברוסיה, חוות הרוח הראשונה הופיעה ב-2014 בטרימורסקי. הפיתוח בוצע על ידי צוות של מדענים מהאוניברסיטה הפדרלית של אורל ומהמכון האוקינולוגי הפסיפי של ענף המזרח הרחוק של האקדמיה הרוסית למדעים. ההתקנה היא נסיונית. הייחודיות שלו היא שהוא משתמש באנרגיה של לא רק גלים, אלא גם גאות ושפל.

במוסקווה, מתוכנן לבנות מעבדת מחקר שתפתח ותיצור את תחנת הציפה הביתית הראשונה. אולי, לאחר מכן, לתחנות כוח גלים ברוסיה תהיה גם מטרה תעשייתית או מסחרית.