Archive

Posts Tagged ‘רשת החשמל’

הג'ורה של המעגל – על חיבור הארקה או אדמה

האם תהיתם פעם מדוע בשקע החשמל בקיר יש שלושה חורים?

האם שמתם לב שלפעמים בתקע יש שני פינים ולפעמים שלושה?

אם אכן תהיתם על כך, הגעתם למקום הנכון. אבל ראשית נתחיל בראשית.


תמונה 1: שקע ותקע ישראלי. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Kiddo.

***

מדוע מים זורמים במורד ההר ולא במעלה ההר? ישנן שתי דרכים לענות על השאלה הזאת, ושתיהן אומרות את אותו הדבר.

דרך א': על כל מולקולת מים פועל כוח כבידה שכיוונו תמיד למרכז כדה"א, כלומר 'למטה'. לכן המים תמיד 'שואפים' לרדת למטה ולא לעלות למעלה.

דרך ב': כאשר מים יורדים מטה הם יכולים לסובב גלגל ולעזור לטחון קמח או לסובב טורבינה. כלומר מים שיורדים יכולים לבצע עבודה. מים במיקום גבוה יכולים לבצע יותר עבודה ממים במיקום נמוך. את היכולת לבצע עבודה אנחנו מכנים בעגה בשם 'אנרגיה', ולכן מים גבוהים הם בעלי אנרגיה (פוטנציאלית כובדית – שמקורה בכוח כבידה) גבוהה יותר ממים נמוכים. גופים שואפים להיות באנרגיה (פוטנציאלית) מינימלית. זאת הסיבה שמים תמיד יזרמו ממקום גבוה למקום נמוך – מאנרגיה גבוהה לנמוכה.

מה נעשה כאשר כל המים הגבוהים ירדו למטה ואנחנו רוצים שהגלגל ימשיך להסתובב? נצטרך להעלות את המים חזרה למעלה, למשל על ידי משאבה, כלומר נצטרך לבצע עבודה כדי להעלות את המים מאנרגיה נמוכה לגבוהה. בטחנת קמח או בתחנת כוח הידרואלקטרית נרצה שמישהו אחר יבצע את העבודה של העלאת המים במקומנו ואנחנו רק נקצור את העבודה בירידתם.

נשים לב שנוצר כאן מעגל זרימה. המים זורמים מאנרגיה גבוהה לנמוכה ואז מועלים שוב לאנרגיה גבוהה על ידי גורם חיצוני (למשל משאבה).


איור 2: סכר, תחנת כוח הידרואלקטרית. מים יורדים בגבוה לנמוך, מאבדים אנרגיה פוטנציאלית כובדית ומבצעים עבודה בסיבוב טורבינה שמייצרת חשמל. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Tomia.

***

במעגל חשמלי זורמים מטענים חשמליים והוא עובד, במובנים מסוימים, כמו מעגל המים שתואר בחלק הקודם. מטענים חשמליים (חיוביים, ראו הערה בסוף) זורמים מאנרגיה גבוהה לנמוכה ואז מועלים חזרה לאנרגיה גבוהה על ידי גורם חיצוני (סוללה, ספק מתח).


איור 3: מטען חשמלי (חיובי) זורם מאנרגיה פוטנציאלית חשמלית גבוהה לנמוכה. ספק מתח או סוללה מחזירים אותו לאנרגיה גבוהה.

באופן מופשט יותר ניתן לחשוב שכדי ליצור זרימה חשמלית קבועה אנחנו זקוקים לשתי נקודות במרחב שנמצאות בהפרש אנרגיות קבוע אחת ביחס לשניה. בין הנקודות נחבר צינור המאפשר זרימה. שתי הנקודות העליונות בשקע החשמל בקיר הן בדיוק נקודות כאלה שבהן חברת החשמל מתחייבת לספק הפרש אנרגיות קבוע (מתח חשמלי). אם נחבר ביניהן צינור (למשל טוסטר משולשים) נקבל זרימה קבועה ונוכל להפיק מהזרימה עבודה (חימום הטוסטר). כמות הזרימה (הזרם החשמלי) תלוי באופי הצינור (ההתנגדות החשמלית) ושניהם יקבעו את כמות העבודה שנפיק בכל שניה (הספק שנמדד ביחידות וואט).

אז לשם מה יש חור שלישי?

***

כיצד מתקבלת נקודה שבה האנרגיה החשמלית של מטען גבוהה ביחס לנקודות אחרות?

ראינו בתחילת הרשימה שמושג האנרגיה קשור בכוח ולכן אנרגיה פוטנציאלית חשמלית תלויה בכוח חשמלי.

ישנם שני סוגים של מטענים חשמליים (חיובי ושלילי). שני מטענים זהים דוחים אחד את השני ושני מטענים שונים מושכים אחד את השני. אם נניח שני מטענים חיוביים, אחד נייד ואחד נייח, אחד ליד השני, הם יפעילו כוחות דחייה אחד על השני. אם כך, המטען הנייד יחל לנוע, לסובב גלגל ולטחון קמח. כלומר נוכל להפיק ממנו עבודה. מאנלוגית המים נוכל להבין שהמטען הנייד נע מאנרגיה חיובית לאנרגיה שלילית, ולכן מובן שהוא מתדרדר במורד מדרון אנרגטי חשמלי.

מכאן יוצא שכדי לקבל הר (אנרגיה גבוהה) אנחנו צריכים עודף מטענים חיוביים בנקודה ביחס לנקודה אחרת, וזה, לפחות קונספטואלית, מה שעושים סוללה, ספק מתח או חברת החשמל.

***

בחומר מוליך מטענים חשמליים יכולים לנוע מנקודה לנקודה ללא תשלום של עבודה, כלומר האנרגיה החשמלית עבור מטען בכל נקודה זהה.

האנרגיה של מים גבוהים היא העבודה שיש להשקיע כדי להעלות אותם מלמטה. באופן אנלוגי, האנרגיה של מטען בנקודה היא העבודה שיש להשקיע כדי להביא אותי לנקודה ממקום שלא פועלים עליו כוחות חשמליים כלל.

נדמיין כדור מוליך טעון. ככל שהכדור טעון במטען חיובי רב יותר כך יש כוח חשמלי רב יותר שמתנגד להבאת מטען חיובי נוסף. ככל שהכדור גדול יותר כך קל יותר להביא מטען נוסף כי המטענים אינם צריכים להיצמד אחד לשני. אם כך, ככל שמטענו של הכדור המוליך קטן יותר ורדיוסו גדול יותר כך האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית של הכדור נמוכה יותר.

אם נחבר שני כדורים מוליכים אחד לשני, מטענים יזרמו מכדור אחד לשני עד אשר יהיה שוויון אנרגיות (שוויון גבהים) ביניהם. אם גודלו של אחד הכדורים עצום ביחס לכדור השני זה אומר שני דברים: 1) האנרגיה שלו נמוכה יותר, 2) האנרגיה שלו לא משתנה כמעט בכלל עקב שינוי (קטן) של המטען עליו. אם כך, מה שיקרה לאחר החיבור הוא שכל המטענים יזרמו מהכדור הקטן לכדור הגדול.

כעת החליפו את הכדור הקטן במכונת הכביסה שלכם ואת הכדור הגדול בכדור הארץ וקיבלתם את ההגדרה להארקה, שהיא החור השלישי בקיר. מהסיבה הזאת הוא גם מכונה 'אדמה', 'ground' 'GND', 'ארדונג' וכדומה.

תמונה 4: שקע חשמל עם סימונים על החורים השונים. חור אדום – מתח גבוה, חור כחול מתח נמוך, חור ירוק\צהוב – הארקה. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Kiddo.

אם אחד מחוטי החשמל נחשף עקב תקלה ונוגע בדופן המתכת של המכונה אתם בסכנת התחשמלות אם תגעו בה ברגליים יחפות. חיבור ההארקה שמחובר לגוף מתכתי גדול ואז לכדור הארץ, ישאב אליו את כל המטענים ויציל אתכם מהתחשמלות. במכשירי חשמל שגופם אינו עשוי ממתכת, אין סכנת התחשמלות מהגוף ולכן לא יהיה חיבור להארקה ובתקע יהיו רק שני חוטים.

הארקה ניתן לקבל מהקיר, ששם החוט מחובר דרך צנרת הביוב לאדמה. אם מדובר במעגלי זרם נמוך ניתן להאריק אותם לגוף מתכתי מספיק גדול, כמו למשל לארון המתכת בו מונחים המכשירים.

ישנם מעגלים אלקטרוניים שבהם יש נקודת אדמה וישנם כאלה שפועלים ללא חיבור לאדמה (צפים). ניתן להתייחס לכל שתי נקודות במעגל שמחוברות לאדמה כאילו הן מחוברות אחת לשניה. למיטב הבנתי זאת הסיבה ששם נוסף לחיבור אדמה הוא 'common ground' או בקיצור 'common' או אפילו 'com'.

ולסיום הערה מציקה: נהוג להגדיר זרם במעגלים חשמליים כזרם מטענים חיוביים מטעמי נוחות. במציאות, הזרם הוא תנועה של אלקטרונים, כלומר חלקיקים שליליים. חלקיקים אלה זורמים במעלה הר האנרגיה, לפי ההגדרות הקודמות שהצגתי, וכל התיאור הופך לפחות ברור. נניח לזה לעת עתה.

אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 6: בודד במערכה – על פתרון אופטימלי של מערכות הספק

נפגשתי עם יואש לברון כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.

יואש מתגורר עם אשתו ושני ילדיו במושב עין-עירון שבאזור פרדס-חנה כרכור. את לימודיו בתחום הנדסת החשמל החל כעתודאי בטכניון. לאחר מכן, במשך עשר שנים, עסק בצבא בפיתוח מעגלים חשמליים ביחידה נחשבת. כיום הוא לאחר סיום עבודת הדוקטורט בנושא מערכות הספק תחת הנחייתו של דר' דורון שמילוביץ בפקולטה להנדסת חשמל באוניברסיטת תל-אביב.

יואש, אז מה אתם עושים שם?

אני עוסק במחקר של מערכות הספק שזה נושא רחב הכולל בתוכו ייצור אנרגיה, הולכת אנרגיה, רשת החשמל הארצית, גנרטורים וכדומה. מדובר בתחום שבו קרה משהו מאוד מוזר במשך השנים. למרות חשיבותם הרבה של הנושאים, הם אינם פופולאריים היום כנושאי מחקר.

תמונה 1: תחנת הכוח "אורות רבין" בחדרה. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

האם זה גרם לכך שיהיו רק מעט חוקרים בתחום?

כן. למעשה, תחום המחקר הזה כמעט שאינו פעיל בשנים האחרונות.

נשמע מוזר. תוכל להסביר?

כן, אבל כדי לקבל מעט רקע, בוא ניקח אתנחתא היסטורית קצרה. משנות ה-40 עד שנות ה-70 הפקולטות להנדסה התבססו על מחקר במערכות הספק. למשל בטכניון היו כ-15 חברי סגל שחקרו בנושאים אלה. בשנות ה-70 וה-80 החלה המהפכה הדיגיטלית ומהפיכת התקשורת העולמית בד בבד עם המצאת הטרנזיסטור. התחומים של מחשוב וטכנולוגיות מידע החלו להתפתח במהירות וקרנו של מחקר מערכות ההספק ירדה פלאים. למעשה, הלך הרוח הוא שנושאים אלה הם הנדסיים לחלוטין וכבר אינם מכילים אתגר מחקרי.

אז אולי הם צודקים, ואין מה לחקור?

ההפך הוא הנכון. בעקבות המהפכה העולמית הירוקה, נולד ביקוש עצום לתחום. מכיוון שישנה בעיה של דלדול מקורות האנרגיה העולמית, כולם רוצים לפתח מערכות המרת אנרגיה. דבר זה מזרים בשנים האחרונות כסף למשל למלגות מחקר, ובאופן טבעי לעליה מחודשת ברמת ההתעניינות בתחום.

במקביל עלה פרויקט עולמי מדובר מאוד וחשוב שנקרא 'smart grid' – רשת חכמה.

במה מדובר?

ראשית יש להבין שצורת אספקת החשמל שבה משתמשים היום היא כבר בת מאה שנים! רשת החשמל מורכבת מכמה תחנות ייצור חשמל ריכוזיות ועצומות שמהן זורם החשמל ישירות לצרכנים. אך בעולם השואף להגדיל את השימוש באנרגיה מתחדשת, למשל אנרגיה סולארית, המצב כבר שונה. רשת החשמל צריכה להיות מוכנה לקבל חשמל מיצרנים קטנים ומרובים, שהרכיבו בעידודה של המדינה פאנל סולרי על הגג.

מטרתו של פרויקט הרשת החכמה היא לשדרג את רשת החשמל מרשת ריכוזית לרשת שיכולה להיות מבוזרת. רשת זאת צריכה לכלול מערכות בקרה מתוחכמות שינהלו בצורה יעילה את המופע, כמו מנצח על תזמורת.

כמו כן, ישנה נכונות גבוהה כיום בעולם בכלל ובארה"ב בפרט להשקיע כסף בפרויקטים או סטרטאפים שעוסקים בתחום.

תמונה 2: פאנל סולרי המשמש כמקור החשמל העיקרי לחווה אקולוגית, סמוך למודיעין-מכבים-רעות. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

למה אנחנו צריכים את כל הבקרה הזאת?

היעד הראשון של רשת חכמה הוא לתרום ליציבות של המערכת. צריך להבין שכיום חברת חשמל יודעת בכל רגע נתון מה הדרישה של החשמל וכמה היא צריכה לספק. אך ברשת העתידית שבה חלק נכבד מהחשמל מיוצר על ידי ספקים קטנים ומפוזרים, השליטה על כמות החשמל המיוצרת והמסופקת בכל רגע נתון היא הרבה יותר נמוכה. לא ניתן למשל לבקש מאדם עם פאנל סולארי על הגג לייצר פחות חשמל לתקופה, מכיוון שהוא מפסיד מזה כסף.

היעד השני הוא שימוש וניהול של מאגרים אנרגטיים. בשימוש באנרגיה מתחדשת יש צורך בטכניקות אגירה של חשמל כי ייצור החשמל אינו תמיד אפשרי, למשל תאים סולריים בלילה. לכן יש צורך לנהל אותם בצורה יעילה.

ספר לי על מה עבדת.

באחד הפרויקטים שעבדתי עליהם הראיתי כיצד ניתן לשאוב רעיונות מניהול רשת העברת מידע ולהשתמש בהם בהצלחה בניהול רשת חשמל. גישה זאת עזרה לי לפתח כלי יעיל לניתוח מערכות הספק ענקיות שמכילות אלפי יצרני חשמל מסוגים שונים ומיליוני צרכנים.

מה הבעיה שאתה מנסה לפתור בעזרת אותו כלי חישובי שפיתחת?

השם הרשמי של הבעיה הוא בעיית ה-power flow – זרימת ההספק, והיא נחקרת פחות או יותר משנות ה-20 של המאה הקודמת. השאלה היא מה הם הזרם והמתח החשמלי בכל נקודה ברשת חשמל מסוימת. אם אוכל לחשב את הפתרון לבעיה זאת אוכל לנתב את כמות החשמל הדרושה מכל יצרן בצורה יעילה יותר, בהינתן רשת חשמל קיימת. כמו כן, היכולת לפתור ביעילות את הבעיה יתרום גם לתכנון יעיל של הרשת. נוכל לענות ביתר קלות על שאלות כגון: האם הקמה של קו חדש בין יקנעם לטבריה תועיל לרשת או לא.

כיום הבקרה על הרשת נעשית על ידי קביעת ההספק היוצא מכל אחת מתחנות הכוח הגדולות בזמן נתון. מכיוון שיש מעט נקודות ייצור, עדיין קל יחסית היום לשלוט על הרשת. אך כאשר הרשת תהיה מורכבת ממספר רב של צרכנים ויצרנים קטנים, השליטה ביציבות של הרשת תהיה קשה הרבה יותר. אני רוצה את האפשרות לשלוט ביעילות על רשת עם מעל ל-1000 גנרטורים ולא רק 5 כמו היום.

היכן הקושי בפתרון?

הקושי הוא למצוא פתרון אופטימלי עבור מספר עצום של משוואות ומספר אסטרונומי של משתנים.

אז מה עושים?

מה שאני הראיתי הוא שבמקום לנסות ולפתור את המשוואות במלואן בשיטות סטנדרטיות, עדיף לנסות להתחכם. כפי שציינתי קודם, השיטה שלי שואבת השראה מפתרון של רשת זרימת מידע והיא מתבססת על גישה המכונה תכנות דינאמי.

אנסה לתת אינטואיציה לשיטה מתחום אחר קצת יותר מוכר. נניח שאנו רוצים לחשב את הדרך הקצרה ביותר בין המושב הקטן עין-עירון לעיר הגדולה תל-אביב. ישנן אינספור דרכים ולכן לא נוכל להשוות בין כולן כדי למצוא את הדרך הקצרה ביותר. אך אם נניח שאנו יודעים את המרחק בין כפר-סבא, רמת-השרון ונתניה לתל-אביב, כל שנותר לנו הוא לפתור מה הדרך הקצרה ביותר להגיע לכל אחת מהערים האלה, אז נוכל לחשב בקלות לאיזה מהן עדיף להגיע כדי להמשיך לתל-אביב. כך נוכל להמשיך ולפרק את הבעיה בצורה רקורסיבית לבעיות קטנות וקלות יותר עד למציאת הפתרון שהוא הדרך הקצרה ביותר.


איור 3: תיאור סכמטי של הצעד הראשון במציאת הדרך הקצרה ממושב עין-עירון לתל-אביב. א) העיגול המודגשים עם סימן השאלה מסמלים את הדרך הקצרה ביותר בין הישוב מימינו לישוב משמאלו, אותה יש למצוא. ב) פרקנו את הבעיה המקורית לשלוש בעיות קטנות יותר.

ואם נחזור לבעיית זרימת ההספק?

אז תוך יישום של צורת החשיבה הזאת פיתחתי שיטת חישוב שתמיד תניב את הפתרון האופטימלי עבור כל רשת חשמל, ובזמן קצר בהרבה מהדרך המקובלת.

בוא נחשוב על ההספק הזורם בקווים כמו על המכוניות הנוסעות בכביש. השאלה הנשאלת היא כיצד "לנתב את התנועה" בצורה היעילה ביותר. איך נעביר הספק בין תחנת הכוח בחדרה, לצרכן בירושלים? אני טוען שצורת מחשבה כזו מאפשרת פתרון יעיל יותר של הרשת  מאשר חיפוש נומרי "אגרסיבי".

התקווה שלי היא שהשיטה הזאת תחולל מהפיכה בתחום של פתרון רשתות הספק ותקדם אותו אל המאה העשרים ואחת.

————————————————————

אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.

זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו :-)