אופטימיזציה של ביצועים אירודינמיים של טורבינת רוח בספירלת ארכימדס: ניתוח ניסויי ו-CFD משולב של השפעת יחס הצעדים ומספר הלהבים

למה סוג חדש של טורבינה חשוב

כשהערים מחפשות מקורות אנרגיה נקיים יותר, כוח הרוח נראה כבחירה טבעית. עם זאת, הטורבינות הגבוהות עם שלושה להבים הנפוצות בשטחים פתוחים מתקשות בנופים עירוניים צפופים, שבהם הרוחות איטיות יותר, כאוטיות ומשתנות כל הזמן בכיוון. מאמר זה חוקר מכונה שונה — טורבינת רוח בספירלת ארכימדס — המעוצבת כקליפת ספירלה מפותלת. החוקרים שואלים שאלה מעשית: כיצד יש לכוונן את הגיאומטריה של הספירלה ומספר הלהבים של טורבינה זו כדי שתפעל ביעילות ובאמינות ברוחות עירוניות מהירות-נמוכה במציאות?

טורבינה בספירלה המותאמת לרוחות עירוניות

טורבינת הרוח בספירלת ארכימדס (ASWT) היא טורבינה קומפקטית עם ציר אופקי שבה הלהבים נלווים סביב הציר המרכזי בספירלה חלקה, במקום להתפרש החוצה בקו ישר. צורה זו מאפשרת לה לתפוס רוח מכיוונים רבים ולהתחיל להסתובב גם כאשר המזג אוויר חלש ובלתי יציב — תנאים אופייניים בין בניינים. עם זאת, אותה עיצוב ספירלי ורב-להבים שעוזר במהירויות נמוכות עלול גם להגביר את התנגדות האוויר והעומסים המבניים, ולקבע את היעילות המרבית. המחקר מתמקד במציאת נקודת איזון שבה הטורבינה עדיין מתחילה בקלות ופועלת בצורה חלקה, אך ממירה ככל האפשר מאנרגיית הרוח לחשמל שימושי.

כיוונון צורת הספירלה

מאפיין עיצוב מרכזי של טורבינה זו הוא מהירות ה"התפרקות" של הספירלה לאורך הציר, הנשלטת על ידי שני אורכים הנקראים צעד 1 וצעד 2. היחס ביניהם (S1/S2) קובע האם הלהבים מעוקלים בצפיפות או מתפרשים יותר. כדי לחקור זאת מבלי לערב השפעות נוספות, הצוות שמר על הגודל והפרופורציות הכוללות של הרוטור קבועים ושינה רק את S1/S2 בשש גרסאות. הם בנו מודלים תלת־ממדיים, הריצו סימולציות זרימת אוויר מפורטות, ולאחר מכן בדקו מודלים פיזיים תואמים במנהרת רוח במהירויות ראליות בין 5 ל־10 מטר לשנייה. כל הגרסאות הגיעו לביצועים מיטביים באזור סדירות סיבוב דומה, אך קונפיגורציה בטווח הביניים (נקראת PR-5) בלטה בבירור, והשיגה תפוקת כוח הגבוהה ביותר על ידי הובלת האוויר בצורה חלקה יותר לאורך הלהב ללא יצירת גרר מופרז.

מציאת מספר הלהבים המתאים

לאחר שיהובצורת הספירלה נקבעה כטובה, החוקרים בחנו כמה להבים כדאי לטורבינה — ובדקו שתי, שלוש, ארבע, חמש ושש להבים. יותר להבים מספקים שטח פנים גדול יותר שעליו הרוח יכולה ללחוץ, מה שעוזר לטורבינה להניע את עצמה במהירויות נמוכות ולספק מומנט יציב. אך הכנסת יותר מדי להבים גם מעבה את הרוטור, ומגבירה סערות ומחיכוך באוויר, שיכולים לפגוע ביעילות כשהיא מסתובבת במהירות גבוהה יותר. הסימולציות ומדידות מנהרת הרוח הראו תבנית ברורה: גרסה בת שלושה להבים סיפקה את האיזון הטוב ביותר הכולל, והשיגה מקדם כוח מקסימלי של כ־0.264 ביחס מהירות קצה-להב מתון, בעוד שגרסאות עם יותר להבים סבלו מגרר נוסף ומאזורים סוערים מאחורי הרוטור. דגם דו־להבי הציג יתרון מסוים במהירויות סיבוב גבוהות יותר אך היה פחות מסוגל ברוחות נמוכות.

מבט אל תוך הזרימה

כדי להבין מדוע ההבדלים הללו מתרחשים, הצוות בחן מפות מפורטות של לחץ ומהירות סביב הלהבים. בעיצוב המוצלח ביותר בת שלושה להבים האוויר התגבר בצורה חלקה בצד השאיבה של כל להב והאט בצד הנגדי, ויצר הבדל לחץ חזק ואחיד שמניע את הסיבוב. הערפל מאחורי הטורבינה נשאר קומפקטי ויחסית מסודר, מה שמעיד על חילוץ אנרגיה יעיל עם טורבולנציה מתונה. לעומת זאת, הרוטור הדו־להבי הראה העמסה חלשה ומפוזרת יותר, בעוד שרוטורים עם חמש או שש להבים יצרו אזורי לחץ חופפים ועקבות רחבות ואיטיות — סימנים לכך שהאוויר עומס יתר והשטח הנוסף של הלהבים למעשה מפריע יותר מאשר עוזר.

מה זה אומר לגבי כוח רוח עירוני

במונחים יומיומיים, המחקר מראה כי טורבינת הספירלה של ארכימדס ניתנת לכוונון כך שתעבוד היטב במקומות שבהם טורבינות מגדל גדולות מתקשות: ברוחות עירוניות נמוכות ומשתנות. על ידי כוונון זהיר של קצב פתיחת הספירלה (יחס S1/S2) ובחירת פריסת שלושה להבים, המעצבים יכולים להשיג רוטור קומפקטי שמתחיל בקלות, פועל בייציבות וממירה חלק נכבד מאנרגיית הרוח לחשמל — ללא מערכות כיוונון מורכבות. אף שיעילות שיאו עדיין נמוכה יותר מזו של טורבינות שדה גדולות, העיצוב הספירלי הממוטב הזה מציע אפשרות מבטיחה לגגות ולמערכות מופצות בקנה מידה קטן, ומהווה מתווה מוצק לשיפורים עתידיים בצורה, במבנה ובחומרים.

ציטוט: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

מילות מפתח: טורבינת רוח עירונית, הרוטור בספירלת ארכימדס, אופטימיזציה של מספר הלהבים, דינמיקת זורם חישובית, אנרגיית רוח בקנה מידה קטן