ऊर्ध्वाधर-अक्ष पवन टरबाइन

विश्व की सबसे ऊंची ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन, कैप-चैट, क्यूबेक

चक्राकार स्कीमैटिक

ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन (वीएडब्ल्यूटी) एक प्रकार की पवन टर्बाइन है जहां मुख्य रोटर-शाफ्ट को वायु के विपरीत दिशा में लगाया जाता है जबकि मुख्य संयंत्र टर्बाइन की सतह पर स्थित होते हैं। यह प्रक्रिया जनित्र और गियरबॉक्स को सतह के निकट स्थित करने की स्वीकृति देती है, जिससे सफाई और पुनर्निर्माण की सुविधा प्राप्त होती है। वीएडब्ल्यूटी को वायु की ओर इंगित करने की आवश्यकता नहीं होती है क्योकि यह वायु संवेदक और निर्देशन संयंत्र की आवश्यकता को हटा देता है। प्रारम्भिक प्रारूपों (सेवोनियस, डैरियस और जीरोमिल) की प्रमुख कमियों में प्रत्येक क्रांति के समय महत्वपूर्ण टॉर्क तरंग और ब्लेड पर बड़े झुकने वाले आघुर्ण बल सम्मिलित थे। बाद के प्रारूपों मे ब्लेडों को हेलिकली (गोरलोव प्रकार) घूर्णन टॉर्क तरंगों से संबोधित किया गया था। सवोनियस ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन व्यापक नहीं होते हैं, लेकिन छोटे क्षैतिज-अक्षीय पवन टर्बाइन (एचएडब्ल्यूटी) की तुलना में उनकी ऊर्जा और अशांत प्रवाह क्षेत्रों में अपेक्षाकृत प्रदर्शन और उन्हें शहरी (अर्बन) वातावरण में वितरित ऊर्जा के उपकरणों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाती है।

ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन की धुरी वायु की प्रवाह रेखाओं के लंबवत और सतह पर लंबवत होती है। एक अधिक सामान्य शब्द जिसमें यह विकल्प सम्मिलित है। उदाहरण के लिए "अनुप्रस्थ अक्षीय पवन टर्बाइन" या "अनुप्रस्थ प्रवाह पवन टर्बाइन" के मूल डैरियस पेटेंट, यूएस पेटेंट 1835018 में दोनों विकल्प सम्मिलित हैं।

सैवोनियस रोटर जैसे ड्रैग प्रकार के टर्बाइन के ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन सामान्यतः लिफ्ट-आधारित ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन जैसे डैरियस रोटर और साइक्लोटर्बाइन की तुलना में अपेक्षाकृत कम टिप-गति अनुपात पर कार्य करते हैं।

कंप्यूटर मॉडलिंग से पता चलता है कि ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइनों का उपयोग करके निर्मित पवन संयंत्र ऊर्जा को पारंपरिक क्षैतिज अक्षीय पवन टर्बाइनों की तुलना में 15% अधिक कुशल बनाते हैं क्योंकि वे अपेक्षाकृत कम वायुमंडलीय विक्षोभ उत्पन्न करते हैं।

सामान्य वायुगतिकी

डैरियस टर्बाइन में कार्य करने वाली ऊर्जाओ और वेगों को चित्र 1 में दर्शाया गया है। जिसका परिणामी वेग सदिश ${\vec {W}}$ वायुमंडलीय प्रवाह के विपरीत दिशा में वायु का वेग ${\vec {U}}$ और आगे बढ़ने वाले ब्लेड के वेग सदिश $-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}$ का सदिश योग है:

${\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)$

इस प्रकार प्रत्येक चक्र के समय आने वाले द्रव का वेग भिन्न-भिन्न होता है जो अधिकतम वेग $\theta =0{}^{\circ }$ के लिए पाया जाता है और न्यूनतम वेग$\theta =180{}^{\circ }$ के लिए पाया जाता है जहां $\theta$ कक्षीय ब्लेड की स्थिति है। ब्लेड का कोण $\alpha$ आने वाली वायु की गति W और ब्लेड के कॉर्ड के बीच का कोण है। परिणामी वायुप्रवाह संयंत्र के विपरीत दिशा क्षेत्र में ब्लेड पर एक अलग धनात्मक कोण बनता है जो संयंत्र ऊर्जा के निम्न प्रवाह क्षेत्र में ऊर्जा संकेतक चिन्ह बनाता है।

यह कोणीय वेग के ज्यामितीय विचारों से निम्नानुसार है जैसा कि संलग्न चित्र में देखा गया है:

$V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )$ और $V_{n}=U\sin(\theta )$

स्पर्शरेखा और सामान्य संयंत्रों के परिणाम के रूप में सापेक्ष वेग को हल करने से प्राप्त होता है:

$W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}$

इस प्रकार अधिकतम गति अनुपात की परिभाषाओं के साथ उपरोक्त को $\lambda =(\omega R)/U$ के संयोजित परिणामी वेग के लिए निम्नलिखित अभिव्यक्ति उत्पन्न होती है:

$W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}$

ब्लेड के आक्रमण कोण को इस प्रकार हल किया जाता है:

$\alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)$

समुद्रगामी ऊर्ध्वाधर अक्ष पवन टर्बाइन

जो उपरोक्त ऊर्जा को प्रतिस्थापित करते समय निम्न होता है:

$\alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)$

परिणामी वायुगतिकीय बल या तो लिफ्ट (L) - ड्रैग (D) घटकों या सामान्य (N) - स्पर्शरेखा (T) संयंत्रों में हल हो जाता है। बलों को क्वार्टर-कॉर्ड बिंदु पर कार्य करने वाला माना जाता है और वायुगतिकीय बलों को हल करने के लिए पिचिंग क्षण निर्धारित किया जाता है। वैमानिक शब्द लिफ्ट और ड्रैग आने वाले शुद्ध सापेक्ष वायुप्रवाह के बल और उसके साथ लगने बलों को संदर्भित करते हैं। स्पर्शरेखीय बल ब्लेड के वेग के साथ कार्य करता है जो ब्लेड को चारों ओर खींचता है और सामान्य बल रेडियल के रूप से कार्य करता है, जो शाफ्ट बीयरिंग के विरुद्ध दाब डालता है। ब्लेड के चारों ओर गतिशील स्टाल, सीमा परत आदि जैसे वायुगतिकीय बलों से सामना करने के समय लिफ्ट और ड्रैग बल उपयोगी होते हैं, जबकि वैश्विक प्रदर्शन, क्लांति भार आदि से सामना करने के लिए सामान्य-स्पर्शरेखा फ्रेम रखना अधिक सुविधाजनक होता है। लिफ्ट और ड्रैग गुणांक को सामान्यतः सापेक्ष वायु प्रवाह के गतिशील दाब द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है, जबकि सामान्य और स्पर्शरेखीय गुणांक को सामान्यतः द्रव के विपरीत वेग के गतिशील दाब द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है:

चित्र 1: विभिन्न प्रक्षेप स्थितियों के लिए डैरियस टर्बाइन में कार्य करने वाले बल और वेग

$C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}$

जहाँ A = ब्लेड क्षेत्र (स्वेप्ट क्षेत्र के साथ भ्रमित न हों, इसीलिए ब्लेड/रोटर की ऊंचाई रोटर व्यास के गुणा के बराबर है) और R = टर्बाइन की त्रिज्या है।

पवन टर्बाइन द्वारा अवशोषित की जाने वाली ऊर्जा P की ऊर्जा है:

$P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}$

जहाँ $C_{p}$ ऊर्जा गुणांक है, $\rho$ वायु घनत्व है, $A$ टर्बाइन का प्रवाह क्षेत्र है और $\nu$ वायु की गति है।

प्रकार

सवोनियस

सवोनियस पवन टर्बाइन (एसडब्ल्यूटी) एक ड्रैग-प्रकार की ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन है। जिसमे सामान्य प्रारूपों में दो या तीन ब्लेड वाला एक शाफ्ट सम्मिलित होता है जो आने वाली वायु को एकत्र करता है। इसके सरलीकृत जटिल प्रारूप और इसकी अपेक्षाकृत कम दक्षता के कारण इसका उपयोग तब किया जाता है जब विश्वसनीयता दक्षता से ऊर्जा अधिक महत्वपूर्ण होती है। सवोनियस पवन टर्बाइन की कम दक्षता का एक कारण यह है कि टर्बाइन का लगभग आधा भाग धनात्मक टॉर्क उत्पन्न करता है, जबकि दूसरा पक्ष वायु के विपरीत चलता है और इस प्रकार ऋणात्मक टॉर्क उत्पन्न करता है। सवोनियस पवन टर्बाइन का एक प्रकार हार्मनी पवन टर्बाइन है। जिसमें हेलिक्स के आकार के ब्लेड और उच्च गति वाली वायु की स्थिति के समय एक स्वचालित फर्लिंग संयंत्र होता है।

पेचदार डैरियस टर्बाइन

डेरियस

दो-स्कूप सवोनियस टर्बाइन का स्कीमैटिक चित्रण।

डैरियस पवन टर्बाइन एक लिफ्ट-प्रकार का ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन है। जिसके मूल प्रारूपों में घूर्णन शाफ्ट पर संबद्ध ब्लेड के साथ कई घूर्णन एयरोफ़ॉइल ब्लेड सम्मिलित होते है। हालाँकि कुछ ऐसे ब्लेड भी हैं जो सीधे ऊर्ध्वाधर एयरफ़ोइल का उपयोग करते हैं, जिन्हें एच-रोटर या गिरोमिल डेरियस पवन टर्बाइन कहा जाता है। इसके अतिरिक्त क्रांति के समय टॉर्क को सामान्य रूप से पवन टर्बाइन पर टॉर्क तरंग प्रभाव को अपेक्षाकृत कम करने के लिए डैरियस पवन टर्बाइन के ब्लेड को हेलिक्स के आकार का किया जा सकता है।

इसमे प्रायः लिफ्ट-प्रकार के उपकरण होने के कारण डैरियस पवन टर्बाइन ड्रैग-प्रकार के पवन टर्बाइन जैसे सवोनियस पवन टर्बाइन की तुलना में वायु से अधिक विद्युत उत्पन्न कर सकते हैं।

घूर्णी पंख

घूर्णी पंख वाले पवन टर्बाइन या घुमावदार पंख वाले पवन टर्बाइन लिफ्ट-प्रकार के ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन की एक नई श्रेणी हैं जो एयरफ़ोइल के केंद्र के माध्यम से चलने वाले ऊर्ध्वाधर शाफ्ट के चारों ओर 360-डिग्री घूर्णन उत्पन्न करने के लिए 1 लंबवत शाफ्ट और गैर-पेचदार एयरफ़ॉइल का उपयोग करते हैं।

लाभ

ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन पारंपरिक क्षैतिज-अक्षीय पवन टर्बाइनों की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं:

• सर्वदिशात्मक ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन को वायु को नियंत्रित करने की आवश्यकता नहीं हो सकती है। इसका अर्थ यह है कि उन्हें रोटर और ब्लेड पिच को घुमाने के लिए एक जटिल उपकरण और मोटर की आवश्यकता नहीं होती है।
• ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइनों का गियरबॉक्स प्रतिस्थापन और संरक्षण अधिक कुशल होता है क्योंकि टर्बाइनों को वायु में सैकड़ों फीट ऊपर कार्य करने की आवश्यकता के अतिरिक्त गियरबॉक्स सतह स्तर पर प्रयुक्त करने योग्य होते है। मोटर और गियरबॉक्स की विफलता सामान्यतः महत्वपूर्ण संचालन और संरक्षण संबंधी विचार है।
• कुछ प्रारूपों में पेंच-पाइल फ़ाउंडेशन का उपयोग किया जा सकता है, जो कंक्रीट के मार्ग परिवहन और स्थापना के पर्यावरणीय प्रभाव को कम करता है। पेंचों को टर्बाइन के अंत में पूरी तरह से पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है।
• ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइनों को सम्मिलित क्षैतिज-अक्षीय पवन टर्बाइनों के नीचे एचएडब्ल्यूटी पवन टर्बाइनों पर स्थापित किया जा सकता है जो विद्युत उत्पादन को पूरक बनाते हैं।
• ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन क्षैतिज-अक्षीय पवन टर्बाइन के लिए अनुपयुक्त परिस्थितियों में कार्य कर सकते हैं। उदाहरण के लिए सवोनियस रोटर, जो अनियमित, धीमी वायु गति वाले सतह स्तर के संदर्भों में कार्य कर सकता है। प्रायः दूरस्थ या अप्राप्य स्थानों में उपयोग किया जाता है। हालांकि यह सबसे 'अक्षम', ड्रैग-प्रकार का ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन है।
• क्षैतिज-अक्षीय पवन टर्बाइनों की तुलना में अपेक्षाकृत कम ध्वनि उत्पन्न करते है।
• ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइनों मे पक्षियों के लिए अपेक्षाकृत कम जोखिम होता है।

हानि

जब ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइनों का वेग बढ़ता है, तो उनकी ऊर्जा भी बढ़ती है। हालांकि एक निश्चित चरम बिंदु पर ऊर्जा उत्पन्न होकर अपेक्षाकृत कम या शून्य हो जाती है। यद्यपि पवन टर्बाइन का वेग अपने उच्चतम स्तर पर हो। जैसे कि उच्च वायु की स्थिति में पवन टर्बाइन के वेग को धीमा करने के लिए डिस्क ब्रेक का उपयोग किया जाता है। हालाँकि कभी-कभी डिस्क ब्रेक के अधिक गर्म होने के कारण टर्बाइन में आग लग सकती है।

ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन प्रायः ब्लेड के गतिशील स्टाल से पीड़ित होते हैं क्योंकि इनका आक्रमण कोण प्रायः तीव्रता से परिवर्तित होता है।

प्रत्येक घूर्णन के समय प्रयुक्त बलों में व्यापक भिन्नता के कारण ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइनों के ब्लेड क्लांति-प्रवण होते हैं। लंबवत उन्मुख ब्लेड प्रत्येक घूर्णन के समय मुड़ सकते हैं, जिससे उनका उपयोग करने का जीवनकाल अपेक्षाकृत छोटा हो जाता है।

ड्रैग-प्रकार के अतिरिक्त ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन क्षैतिज अक्षीय पवन टर्बाइनों की तुलना में कम विश्वसनीय सिद्ध हुए हैं। हालाँकि आधुनिक प्रारूपों ने कई प्रारम्भिक समस्याओ पर नियंत्रण कर लिया है।

अनुसंधान

2021 के एक अध्ययन मे ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन के संशोधन का अनुकरण किया गया था। जिसमे ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन को तुलनीय क्षैतिज अक्षीय पवन टर्बाइनों के स्थापन को 15% से अधिक कुशल होने की स्वीकृति है। 11,500 घंटे के अनुरूपण ने आंशिक रूप से ग्रिड निर्माण का उपयोग करके बढ़ी हुई दक्षता का प्रदर्शन किया है। एक प्रभाव ग्रिड-व्यवस्थित ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन से उत्पन्न होने वाली प्रवाह की ओर बचना है जो दक्षता को अपेक्षाकृत कम करती है। अन्य अनुकूलन में टर्बाइन कोण, घूर्णन दिशा, टर्बाइन रिक्ति और रोटर की संख्याएं सम्मिलित है।

2022 में नॉर्वे की विश्वव्यापक पवन टर्बाइन ने प्रतिघूर्णी ब्लेड के दो टर्बाइनों के साथ घूर्णन ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन को प्रस्तुत किया है। जिसमे दो टर्बाइन संकेंद्रित शाफ्टों से जुड़े होते हैं। प्रत्येक में एक संलग्न टर्बाइन होता है, जिसमे एक रोटर (इलेक्ट्रिक) दूसरा स्टेटर से जुड़ा होता है। इसका प्रभाव स्थिर स्टेटर की तुलना में एक दूसरे के सापेक्ष उनकी गति को दोगुना करने का होता है। उन्होंने सबसे बड़े एचएडब्ल्यूटी की तुलना में आउटपुट को दोगुना से अधिक करने का निश्चय किया है। क्षैतिज अक्षीय पवन टर्बाइनों को टॉवर के शीर्ष पर भारी ड्राइवट्रेन, गियरबॉक्स, जनित्र और ब्लेड की आवश्यकता होती है, जिससे पानी के नीचे भारी संतुलन की आवश्यकता होती है। ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन अधिकांश भारी संयंत्रों को टावर के निचले भाग में रखता है, जिससे प्रतिसंतुलन की आवश्यकता अपेक्षाकृत कम हो जाती है और ब्लेड एक शंक्वाकार क्षेत्र को स्वीप करते हैं, जो प्रत्येक टावर के वायु के प्रवाह को कम करने में सहायता करता है, जिससे अधिकतम टावर घनत्व बढ़ जाता है। इसकी निर्माण संस्था का कहना है कि यह ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन 400 मीटर (1,300 फीट) 40-मेगावाट की विद्युत को उत्पन्न कर सकती है।

अनुप्रयोग

विंडस्पायर व्यक्तिगत (घर या कार्यालय) उपयोग के लिए एक छोटा ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन 2000 के दशक के प्रारम्भ में अमेरिकी संस्था मारिया पावर द्वारा विकसित किया गया था। संस्था ने बताया कि जून 2008 तक पूरे अमेरिका में इसकी कई इकाइयाँ स्थापित कर दी गई थीं।

ऐनआर्बर मिशिगन मे स्थित एक संस्था आर्बरविंड के पेटेंट किए गए छोटे ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन का उत्पादन करती है, जिसे 2013 तक कई अमेरिकी स्थानों पर स्थापित किया गया है।

प्रकाश ध्रुव पवन टर्बाइन

2011 में सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज के पवन-ऊर्जा शोधकर्ताओं ने समुद्रगामी पवन टर्बाइनों में वीएडब्ल्यूटी प्रारूपित तकनीक को प्रयुक्त करने के पांच साल का अध्ययन प्रारम्भ किया था। शोधकर्ताओं ने कहा कि स्थापना और परिचालन समस्याओ के कारण समुद्रगामी पवन ऊर्जा का अर्थशास्त्र भूमि-आधारित टर्बाइनों से अलग है। वीएडब्ल्यूटी तीन बड़े लाभ गुरुत्वाकर्षण का कम टर्बाइन केंद्र; कम मशीन जटिलता और बहुत बड़े आकार के लिए विस्‍तार क्षमता प्रदान करता है जो पवन ऊर्जा की लागत को अपेक्षाकृत कम कर सकते हैं। गुरुत्वाकर्षण के निचले केंद्र का अर्थ है कि पानी की स्थिरता में सुधार और कम गुरुत्वाकर्षण भार हो। इसके अतिरिक्त ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन पर ड्राइवट्रेन सतह पर या उसके निकट है जो संभावित रूप से संरक्षण को आसान और अपेक्षाकृत कम समय लागत बनाता है। जिससे टर्बाइन का भार और सरल संरक्षण के सभी के कारणों की लागत अपेक्षाकृत कम हो सकती है।

कैल्टेक वैमानिकी प्रोफेसर जॉन डाबिरी द्वारा 2010 के प्रारम्भ में दक्षिणी कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान में 24 वाट ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन प्रदर्शन प्लॉट को स्थापित किया गया था। जिसके प्रारूप को 2013 में अलास्का के इगिउगिग गांव में स्थापित 10 वाट जनित्र संयंत्र में सम्मिलित किया गया था।

डुलास और एंग्लिसी को मार्च 2014 में पोर्ट टैलबोट वॉटरसाइड के ब्रेकवाटर पर एक प्रोटोटाइप ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन स्थापित करने की स्वीकृति प्राप्त हुई। यह टर्बाइन एक नया प्रारूप था जिसकी आपूर्ति वेल्स स्थित सी-एफईसी (स्वानसी) द्वारा की गई थी। और इसे दो साल के परीक्षण के लिए संचालित किया जा सकता है। इस ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन में एक विंडशील्ड सम्मिलित होती है जो वायु को आगे बढ़ने वाले ब्लेडों से रोकती है और इस प्रकार ऊपर चर्चा किए गए "एग-बीटर" प्रकार के ऊर्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन के विपरीत वायु की दिशा मे एक स्थिति निर्धारण संयंत्र की आवश्यकता होती है।

आर्किटेक्ट माइकल रेनॉल्ड्स (अपने अर्थशिप हाउस प्रारूप के लिए जाने जाते हैं) ने डायनास्फेयर नामक चौथी पीढ़ी का र्ध्वाधर-अक्षीय पवन टर्बाइन विकसित किया है। इसमें दो 1.5 किलोवाट के जनित्र (जनरेटर) होते हैं। यह अपेक्षाकृत बहुत कम गति पर विद्युत का उत्पादन कर सकता है।

यह भी देखें

• अपरंपरागत पवन टर्बाइन
• अनुप्रस्थ-प्रवाह टर्बाइन

बाहरी संबंध

• Cellar Image of the Day Shows a वीएडब्ल्यूटी transverse to the wind, yet with the axis horizontal, but such does not allow the machine to be called a एचएडब्ल्यूटी.