הפקת חשמל: איך תחנת כוח הופכת אנרגיה לחשמל

• כיתה ט’
• אנרגיה וחום
• 7 דקות קריאה

מה קורה בתוך תחנת כוח, מה עושה הגנרטור, ולמה רק חלק מהאנרגיה של הדלק הופך לחשמל. עם שרטוט של שרשרת ההמרות ותרגיל פתור בנצילות.

התשובה בקצרה

הפקת חשמל היא המרה של צורת אנרגיה אחרת לאנרגיה חשמלית. תחנת כוח לא יוצרת אנרגיה, היא רק ממירה אותה:

1. הגנרטור: ברוב תחנות הכוח מסובבים מגנט ליד סליל של תיל. השינוי בשדה המגנטי שעובר בסליל יוצר בו זרם חשמלי.
2. מה מסובב אותו: בתחנה תרמית קיטור שנוצר מחום של דלק, בטורבינת רוח הרוח, ובתחנה הידרו־חשמלית מים שיורדים מגובה.
3. החריג: תא סולארי הופך אור לחשמל ישירות, בלי גנרטור ובלי חלקים זזים.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ט’ שלומדים אנרגיה והמרות אנרגיה, וגם לתלמידי כיתה ח’, שהפקת חשמל היא חלק מתוכנית הלימודים שלהם. כדאי להכיר קודם את צורות האנרגיה ואת חוק השימור, במאמר אנרגיה. עוד מאמרים בנושא מרוכזים בעמוד אנרגיה וחום.

איך גנרטור מייצר חשמל

גנרטור, או בעברית מחולל, הוא המכשיר שהופך תנועה לחשמל, אחת מהמרות האנרגיה בתחנת כוח. בתוכו יש מגנט וסליל, כלומר תיל שמלופף בהרבה כריכות. כשהמגנט מסתובב ליד הסליל, השדה המגנטי שעובר דרך הסליל משתנה כל הזמן. השינוי הזה יוצר בסליל מתח, ואם הסליל מחובר למעגל סגור, זורם בו זרם.

התופעה נקראת השראה אלקטרומגנטית. החוק שמתאר כמה מתח נוצר הוא חוק פאראדיי, ועליו יש מאמר נפרד: שטף מגנטי וחוק פאראדיי. שלושה דברים מגדילים את המתח: מגנט חזק יותר, יותר כריכות בסליל, וסיבוב מהיר יותר. מגנט שעומד במקום לא מייצר זרם, כי השדה בסליל לא משתנה.

בזמן הסיבוב הזרם מחליף כיוון שוב ושוב, ולכן גנרטור כזה מפיק זרם חילופין. ועוד דבר חשוב: כשזורם זרם בסליל, קשה יותר לסובב את הגנרטור, וככל שמושכים ממנו יותר זרם, קשה יותר. זה חוק לנץ בפעולה, וזו הסיבה שהחשמל לא מגיע “בחינם”. האנרגיה החשמלית מגיעה מהעבודה של מה שמסובב את הגנרטור.

איך מייצרים חשמל בתחנת כוח תרמית

בתחנת כוח תרמית שורפים דלק, למשל פחם או גז טבעי. החום מרתיח מים בדוד והופך אותם לקיטור בלחץ גבוה. הקיטור זורם דרך טורבינה, גלגל עם הרבה להבים, ומסובב אותה. הטורבינה מחוברת בציר לגנרטור, והגנרטור מפיק את החשמל. בכל שלב האנרגיה עוברת לצורה אחרת:

1. דלק: אנרגיה כימית, שאגורה בחומר.
2. שריפה: האנרגיה הכימית הופכת לאנרגיית חום.
3. קיטור וטורבינה: החום הופך לאנרגיית תנועה של הקיטור ושל הטורבינה המסתובבת.
4. גנרטור: אנרגיית התנועה הופכת לאנרגיה חשמלית.

גם בתחנת כוח גרעינית יש קיטור, טורבינה וגנרטור. ההבדל הוא שהחום מגיע מביקוע של אטומי אורניום, ולא משריפה.

מהתחנה החשמל יוצא לקווי מתח גבוה. שנאים מעלים את המתח לפני ההעברה, כדי להקטין את האנרגיה שאובדת לחום בחוטים, ומורידים אותו שוב לפני שהחשמל מגיע לבתים.

רוח, מים ושמש: הפקת חשמל בלי דלק

בתחנות שמשתמשות באנרגיה מתחדשת אין שריפה ואין קיטור. ברוח ובמים השרשרת קצרה יותר, אבל בסופה עדיין יש גנרטור. בשמש אין גם אותו:

מקור	שרשרת ההמרות	יש גנרטור?
תחנה תרמית	אנרגיה כימית ← חום ← אנרגיית תנועה ← אנרגיה חשמלית	כן
טורבינת רוח	אנרגיית תנועה של הרוח ← סיבוב הלהבים ← אנרגיה חשמלית	כן
תחנה הידרו־חשמלית	אנרגיית גובה של המים ← אנרגיית תנועה ← אנרגיה חשמלית	כן
תא סולארי	אור ← אנרגיה חשמלית	לא

• תחנה הידרו־חשמלית: סכר עוצר מים בגובה. כשהמים יורדים, אנרגיית הגובה שלהם מסובבת טורבינה שמחוברת לגנרטור. בטורבינת רוח הרוח עושה את אותו תפקיד.
• תאים סולאריים: כאן אין גנרטור בכלל. האור שפוגע בתא מעביר אנרגיה לאלקטרונים בחומר, ונוצר זרם ישר, בלי שום חלק שזז. כדי לחבר את התאים לרשת, ממיר הופך את הזרם הישר לזרם חילופין.

נצילות: לאן הולכת שאר האנרגיה

בשום תחנת כוח לא כל האנרגיה הופכת לחשמל. את החלק שכן הופך לחשמל מודדים בנצילות:

בתחנה תרמית רוב האיבוד הוא חום. אחרי שהקיטור עבר בטורבינה, מקררים אותו כדי להפוך אותו בחזרה למים, והחום הזה יוצא לסביבה, למי קירור או לאוויר. גם החיכוך בחלקים המסתובבים והחוטים שמתחממים לוקחים חלק מהאנרגיה. האנרגיה לא נעלמת, היא פשוט לא הופכת לצורה שרצינו.

תרגיל פתור

הנתונים: תחנת כוח מקבלת מהדלק 1,000 מגה־ג׳אול של אנרגיה, ומפיקה 400 מגה־ג׳אול של אנרגיה חשמלית. מגה־ג׳אול הוא מיליון ג׳אול. המספרים נבחרו לתרגיל, והם לא נתונים של תחנה מסוימת.
השאלה: מה הנצילות של התחנה? כמה אנרגיה לא הפכה לחשמל? וכמה אנרגיה מהדלק צריך כדי להפיק 1,000 מגה־ג׳אול של חשמל באותה נצילות?

1. הנצילות: η = 400 / 1000 · 100% = 40%
2. האנרגיה שלא הפכה לחשמל, ורובה יצאה לסביבה כחום: 1000 − 400 = 600 MJ
3. כדי להפיק 1,000 מגה־ג׳אול של חשמל, מחלקים בנצילות כשבר עשרוני: E_in = 1000 / 0.4 = 2500 MJ

התשובה: הנצילות 40%. 600 מגה־ג׳אול לא הפכו לחשמל, ורובם יצאו כחום. כדי להפיק 1,000 מגה־ג׳אול של חשמל צריך 2,500 מגה־ג׳אול מהדלק. η = 40% · 600 MJ · 2500 MJ

הפקת חשמל מסביבנו

• פנס אופניים עם דינמו

  בחלק מהאופניים יש מחולל קטן שהגלגל מסובב, והוא מדליק את הפנס. זה גנרטור בקטן: אנרגיית התנועה של הגלגל הופכת לאנרגיה חשמלית, ורק כשהגלגל מסתובב.

• גנרטור נייד

  באירוע בשטח פתוח, רחוק מרשת החשמל, מביאים גנרטור עם מנוע ששורף דלק. המנוע מסובב את הגנרטור ישירות, בלי קיטור, אבל השרשרת דומה: אנרגיה כימית, חום, תנועה ואנרגיה חשמלית.

• מחשבון עם תא סולארי

  בחלק מהמחשבונים יש פס קטן של תאים סולאריים. הם הופכים את האור בחדר לחשמל שמפעיל את המחשבון.

שאלות נפוצות

איך מייצרים חשמל?

ברוב המקרים מסובבים גנרטור: מגנט שמסתובב ליד סליל יוצר בו זרם. את הסיבוב מספקים קיטור מדלק שנשרף, רוח, או מים שיורדים מגובה. בתאים סולאריים האור הופך לחשמל ישירות.

מה זה גנרטור?

מכשיר שהופך אנרגיית תנועה לאנרגיה חשמלית בעזרת השראה אלקטרומגנטית. יש בו מגנט וסליל, ואחד מהם מסתובב ביחס לשני.

למה לתחנת כוח אין נצילות של 100%?

כי בכל שלב בשרשרת חלק מהאנרגיה הופך לחום שיוצא לסביבה, בעיקר כשמקררים את הקיטור אחרי הטורבינה. האנרגיה לא נעלמת, אבל היא כבר לא חשמל.

יש גנרטור בלוח סולארי?

לא. תא סולארי הופך אור לחשמל ישירות, בלי מגנט, בלי טורבינה ובלי חלקים זזים. הוא מפיק זרם ישר.

מה ההבדל בין גנרטור למנוע חשמלי?

אותו עיקרון, בכיוון הפוך. גנרטור מקבל תנועה ומפיק זרם. מנוע חשמלי מקבל זרם ומפיק תנועה.

רוצים לתרגל עוד על אנרגיה?

בקורס של כיתה ט’ יש פרקים על אנרגיית גובה, אנרגיית תנועה, אנרגיה חשמלית ואנרגיית חום. כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש פתרון וידאו. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ט’

או מתחילים בחינם: חוברת הפיזיקה לכיתה ט’, להורדה