החוקרים בחנו את המכניקה של תהליך ההשמנה כאשר מופעל על תא השומן לחץ סטטי בדומה לישיבה
מחקרים
RESEARCH
מה מעניין אותך?
מחקר
15.04.2015
עושים רוח
טורבינות רוח קטנות ושקטות, שיפעלו ביעילות במהירויות רוח נמוכות בהרבה מהמקובל כיום, יגבירו באופן ניכר את היכולת לרתום את אנרגיית הרוח לצורכי האדם
- מחקר
- הנדסה מכנית
הרוח היא אחד ממקורות האנרגיה הנקיים ביותר שנותן לנו הטבע, ומדענים ברחבי העולם מחפשים דרכים יעילות לרתום אותה לשימוש האדם. הקושי העיקרי הוא שהרוח, עוצמתה וכיווניה הם אקראיים ואינם ניתנים לחיזוי מדויק או לשליטה. במעבדתו של פרופ' אבי זייפרט בבית הספר להנדסה מכנית שבפקולטה להנדסה מפתחים טכנולוגיות חדשניות, שיאפשרו ניצול יעיל של אנרגיית הרוח גם במהירויות רוח נמוכות, בתנאים ובמקומות שונים.
לרתום את הרוח
"לרוח כמקור אנרגיה יש פוטנציאל גדול גם בישראל, בעיקר במקומות הגבוהים", אומר פרופ' זייפרט. אך לפני שנוכל להציב ברחבי הארץ טורבינות רוח להפקת חשמל, עלינו לפתור כמה בעיות טכנולוגיות: ראשית, הטורבינות הקיימות היום יעילות רק בטווח מסוים של מהירות רוח. במקומות ובזמנים בהם הרוח חלשה יותר, לא ניתן להסתמך עליהן. שנית, הן רועשות, דבר המהווה מגבלה להצבתן באזורי מגורים או בקרבתם, ושלישית, הן גדולות ודורשות שטח רב".
"במחקר שלי, בשיתוף עם פרופ' טוביה מילוא ופרופ' אבי קריבוס מבית הספר להנדסה מכנית, אנו שואפים לפתח טורבינות רוח קטנות ושקטות, שיפעלו ביעילות במהירויות רוח נמוכות בהרבה מהמקובל היום. טכנולוגיה כזאת תגביר באופן ניכר את היכולת לרתום את אנרגיית הרוח לצורכי האדם," מוסיף פרופ' זייפרט.
"זה הרוח השובב"
צוות המחקר של פרופ' זייפרט במעבדת מדואו לאווירודינמיקה (Meadow Aerodynamics Laboratory) באוניברסיטת תל-אביב הוא מהמובילים בעולם בתחום הקרוי "בקרת זרימה פעילה", ועוסק בפיתוחו כבר למעלה מ־20 שנה. מדובר במערכת המשלבת חיישנים שמזהים את מצב זרימת הרוח סביב להבי הטורבינה, עם מפעילי זרימה - מתקנים זעירים אשר יוצרים, בתגובה למידע מהחיישנים, ערבולי אוויר מבוקרים בקרבת הלהב, ובכך מגדילים את רמת הנצילות האנרגטית. כך, באמצעות השקעה קטנה של אנרגיה במקום הנכון ובזמן הנכון, אפשר להפחית משמעותית את גורם האקראיות של הרוח, ולשפר את הביצועים והתפוקה הכוללים של טורבינת הרוח.
בעתיד תאפשר השיטה החדשנית להציב טורבינות רוח יעילות באתרים שבהם אנרגיית הרוח נחשבת היום בלתי כלכלית: במקומות שמהירות הרוח נמוכה או משתנה, באזורים שכיוונה ו/או עוצמתה אינם יציבים, ואף בערים ובקרבת יישובים. לכשיתגשם החזון הזה, יתרחבו באופן ניכר גם האפשרויות לניצול אנרגיית הרוח: נוכל לרתום אותה ישירות לייצור חשמל ולאגירת אנרגיה, לטעינת מצברים ולשאיבת מים, לשימושים מגוונים בבנייני מגורים ועוד.
אין ספק ששימוש באנרגיית הרוח הנקייה כחלופה ישימה ויעילה לדלקים המזהמים שמשמשים אותנו היום, יתרום תרומה חשובה לבריאות האדם והסביבה. עם זאת, לדברי פרופ' זייפרט, הפעלת הטכנולוגיה כרוכה בינתיים בעלויות גבוהות, ולכן דרושה לשם כך תמיכה של ממשלה בעלת מודעות ואחריות סביבתית - כפי שנעשה כבר היום בתחום אנרגיית השמש.
משאיות אווירודינמיות
לצד מחקריו על טורבינות הרוח, שואף פרופ' זייפרט לפתח יישומים נוספים לטכנולוגיה החדשנית של בקרת זרימה פעילה. בין היתר עוסקת קבוצתו במחקר ייחודי, שמטרתו להפחית את ההתנגדות האווירודינמית של משאיות גדולות הנעות בכבישים מהירים. חלקן האחורי של משאיות אלה אינו מעוצב בצורה אווירודינמית, אלא קטום בצורתו בשל דרישות מעשיות של טעינה ופריקה של סחורה. לכן הוא אינו מאפשר זרימת אוויר חלקה, ויוצר התנגדות גבוהה. כדי להקטין את ההתנגדות, שותלים המדענים מערכת בקרת זרימה פעילה בנגרר של המשאית, והשיטה החכמה מצליחה להגדיל את היעילות האנרגטית ולצמצם משמעותית את צריכת הדלק ואת זיהום האוויר הנובע ממנה. עבודת הפיתוח דורשת שילוב של מחקר בסיסי המתבצע במעבדה, עם מחקר יישומי-ניסויי דרך נקבות רוח (מבנה המשמש לעריכת ניסויים בזרימת אוויר) עם מודלים של משאית. התקווה היא שבתוך שנים אחדות יושלם המחקר בהצלחה, ויוביל למוצר שהשפעתו הסביבתית אדירה.
מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>
מחקר
15.04.2015
ננו-אנטנות למתח גבוה
שיטה חדשה שמפתחים הפרופסורים אמיר בוג, יעל חנין וקובי שויער מהפקולטה להנדסה, עשויה להגדיל את ניצול אנרגיית השמש באמצעות ננו-אנטנות
- מחקר
- הנדסת חשמל
אנרגיית השמש היא אולי המקור המבטיח ביותר לאנרגיה מתחדשת ונקייה - אנרגיה שנמצאת בכל מקום, בכל יום, ושלא תיגמר לנו לעולם. עם זאת, טכנולוגיות קיימות להמרת אנרגיית השמש לחשמל מצליחות לנצל אחוז קטן בלבד מקרינת השמש המגיעה לכדור הארץ.
ננו-אנטנות: הסוד בדברים הזעירים
"התאים הסולאריים הנפוצים כיום הם תאים פוטו-וולטאיים העשויים מסיליקון. תאים אלה מנצלים רק כ-10% מהאנרגיה של קרינת השמש לטובת ייצור חשמל. קיימים אמנם סוגים אחרים של תאים סולאריים שמנצלים עד 40% מהקרינה, אך הם יקרים הרבה יותר," מסביר פרופ' בוג. "המטרה שלנו היא לייצר אנטנה ננומטרית שתוכל, בזכות צורתה וממדיה הזעירים, לקלוט תחום רחב של אורכי גל כמו קרינת האינפרא־אדום בנוסף לקרינת האור הנראה. כך ניתן עקרונית לנצל עד 85% מקרינת השמש - יותר מפי שניים מהתאים הפוטו־וולטאיים המתקדמים ביותר הקיימים היום. מערך גדול של ננו־אנטנות, שממדיהן כחצי מיקרון על חצי מיקרון כל אחת, יוכל לנצל אנרגיה של קרינה הפוגעת בשטחים נרחבים".
אנטנות שוות זהב
דגמי האנטנות שבונה הצוות מבוססים על מבנים העשויים זהב, אלומיניום, טיטניום או מתכת אחרת, שיוצרו בליטוגרפיית קרני אלקטרונים. שיטה זו, שהיא מדויקת מאוד אך יקרה יחסית, תוחלף בעתיד בשיטה זולה ממנה הדומה לדפוס.
אנרגיית השמש הנקלטת בננו-אנטנות הופכת בתחילה לזרם חילופין, ויש צורך להפוך אותה לזרם ישר, שניתן להעבירו ליעדיו ברשת החשמל. גם למטרה זו נעזרים החוקרים בננו-טכנולוגיה חדשנית: התקן מיישר זרם שמורכב מננו-צינוריות פחמן - מבני פחמן מולקולריים בצורת צינור חלול, המשלבים תכונות של מוליכות חשמלית מעולה עם קשיחות יוצאת דופן. הננו-צינוריות המחוברות לננו-אנטנה נוגעות מצדן האחד בזהב כדי לייצר הולכה חשמלית, ובצדן האחר - בטיטניום כדי לייצר התקן מיישר שישלוט בכיוון הזרם.
כיום מרכזים החוקרים מאמץ ניכר בסוגיה "זעירה" במיוחד: מיקום הננו-צינוריות באופן מדויק במרכזה של ננו-אנטנה מסוג חדש שפיתחו, ואף רשמו עליה פטנט - אנטנת ויואלדי כפולה. לאנטנה זו שני יתרונות מרכזיים: ראשית, היא רחבת סרט, כלומר, מסוגלת לקלוט קרינה בתחומי האינפרא-אדום והאור הנראה בו-זמנית; שנית, היא ניתנת לחיבור טורי במערכים גדולים, כך שהמתחים הזעירים שמתפתחים על כל אנטנה מתחברים למתח כולל גבוה. בנוסף, מחפש הצוות דרכים להגביר עוד יותר את יישור המתח החשמלי שמייצרת האנטנה, על־ידי הקטנת הננו-מרווחים שדרכם עובר הזרם.
שיתוף פעולה בינתחומי
"היתרון של צוות המחקר שלנו הוא בשילוב המוצלח של ננו-טכנולוגיה, אופטיקה ותכנון אנטנות - שילוב בין הנדסה לפיזיקה", אומר פרופ' בוג. "שיתוף הפעולה הבינתחומי מאפשר לנו, מצד אחד, לגלות עקרונות מדעיים ולהוכיח שהם נכונים, ומצד שני להציע פתרונות יעילים לשימוש נרחב בעקרונות אלה. אנחנו לא מסתפקים ביצירת דגם אחד שידגים תופעה פיזיקלית מסוימת - כנהוג במחקר מדעי בסיסי, אלא מתאמצים לייעל את הדגמים ולכוון את הממצאים במעבדה ליישומים טכנולוגיים ממשיים".
בנוסף לייעודן של הננו-אנטנות בתחום אנרגיית השמש, יהיו להן ככל הנראה מגוון שימושים מרתקים נוספים: במערכות לראיית לילה, במערכות הדמיה וגם במערכות אבחון בתחום הביוטכנולוגיה. כמו כן, מכיוון שהננו-אנטנה משנה את תכונותיה בנוכחותה של מולקולה זרה בודדת, היא עשויה לשמש גם כגלאי יעיל לחומרים זרים.
מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>
מחקר
15.04.2015
ויהי אור ויהי חשמל
- מחקר
- הנדסה מכנית
לעולם בעקבות השמש
האם נוכל בעתיד להפיק חשמל בקנה מידה ארצי באמצעות אנרגיית השמש, ביעילות גבוהה ובמחיר נמוך מאלה של תחנות הכוח הנוכחיות? "אנרגיית השמש היא אנרגיה מתחדשת המצויה בשפע, אך היא תהפוך למשאב שימושי וכלכלי רק אם נצליח לשפר את יעילות ההמרה שלה לחשמל", מסביר פרופ' אברהם קריבוס, מהפקולטה להנדסה ע"ש איבי ואלדר פליישמן, העוסק בפיתוח רכיבים לתחנות כוח סולאריות כבר למעלה מ־20 שנה. "יעילות המרת האנרגיה האצורה בדלקים המתכלים שבתחנות הכוח המסורתיות הינה בין 40% ל־60%, בעוד שתחנות הכוח הסולאריות הקיימות כיום מצליחות להניב חשמל ביעילות המרה שאינה עולה על 20%. זו הסיבה העיקרית לכך שעד כה הוקמו רק מעט תחנות כאלה ברחבי העולם".
לדבריו, כל תחנות הכוח התרמיות הקיימות היום, בין אם הן מבוססות על דלק או על אנרגיית השמש, פועלות בצורה דומה: האנרגיה מושקעת בחימום קיטור או אוויר לטמפרטורה של מאות מעלות צלסיוס. האוויר או הקיטור המחומם שואף להתפשט במרחב, וכוח ההתפשטות מנוצל לדחיפת כפות הטורבינה. הטורבינה בתורה מסובבת מחולל, שממיר אנרגיה מכאנית לאנרגיה חשמלית.
מדד ניצולת האנרגיה בתהליך, הקרוי "יעילות ההמרה", הוא היחס בין כמות האנרגיה שהושקעה במקור לבין האנרגיה שהפכה בסוף התהליך לחשמל. יעילות ההמרה גדלה ככל שהקיטור/אוויר מחומם לטמפרטורה גבוהה יותר, ולכן האתגר העומד בפני מפתחי תחנות הכוח הסולאריות הוא להגיע לטמפרטורות זהות לאלה המתאפשרות על־ידי שריפת פחם, נפט וגז - באמצעות אנרגיית השמש בלבד. ואכן, דבר זה מתאפשר כבר היום בעזרת טכנולוגיה חדשנית המכונה "מגדל השמש".
מגדל השמש
טכנולוגיית מגדל השמש מבוססת על מראות, שמרכזות את קרינת השמש למוקד הממוקם בראש מגדל ומשמש לחימום מים או אוויר. יעילות השיטה עשויה להשתוות לזו של תחנות מבוססות דלקים, והיא עולה על כל תחנות הכוח הסולאריות שהוקמו עד היום, המתבססות על חימום קיטור לטמפרטורה נמוכה יחסית.
צוות המחקר של פרופ' קריבוס שוקד על שיפורה של טכנולוגיית מגדל השמש על־ידי שכלול המבנה של הרכיב הנמצא במוקד הקרינה, שתפקידו לקלוט את קרינת השמש ולחמם את האוויר. עיצוב נכון של רכיב זה ימזער את הפסדי האנרגיה ויאפשר את חימום האוויר לטמפרטורה הנדרשת. כדי לייעל את הרכיב, בוחנים החוקרים חומרים ועיצובים שונים במודל ממוחשב. עיצובים נבחרים ייבדקו לאחר מכן במעבדה. האפשרות לחמם אוויר במוקד המגדל לטמפרטורה של יותר מ־1,000 מעלות צלסיוס עשויה להניב חשמל מאור השמש ביעילות המרה של יותר מ־30%.
פיתוחים נוספים של פרופ' קריבוס וצוותו כוללים: שיטה לניצול יעיל בשעות הלילה של חום סולארי שנאגר במהלך היום, וכן טכנולוגיה המשתמשת בפירוק פסולת ממקור אורגני באמצעות חום השמש, כדי לייצר בו־זמנית חשמל ודלקים כגון גז המימן - תהליך שיעילותו מתקרבת ל־50%.
מתוך החוברת "מחליפים כוח" בעריכת דוברת האוניברסיטה >>
