पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

पवन चक्की ऊर्जा उत्पादन बिजली उत्पादन का एक बढ़ता हुआ क्षेत्र है; 2020 में, दुनिया में कुल पवन ऊर्जा क्षमता 743GW है। जैसे-जैसे पवन संयंत्र कम प्रदूषण पैदा कर रहे हैं, पवन ऊर्जा उत्पादन की मांग बढ़ रही है।

पवन टरबाइन की दक्षता कई कारकों पर निर्भर करती है, जैसे टरबाइन का प्रकार, ब्लेड ज्यामिति, उपलब्ध पवन वेग आदि। 59% अधिकतम दक्षता है जिसे पवन टरबाइन द्वारा प्राप्त किया जा सकता है। पवन टरबाइन की व्यावहारिक दक्षता 30 -45% के बीच भिन्न होती है, और चरम हवा के दौरान यह 50% तक बढ़ सकती है।

यदि टरबाइन 100% दक्षता पर काम कर रहा है, तो टरबाइन से टकराने के बाद हवा की गति शून्य हो जाती है, जो असंभव है।  

पवन टरबाइन दक्षता
विंड टर्बाइन क्रेडिट: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Windmills_D1-D4_(Thornton_Bank).jpg
पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
पवन टरबाइन क्रेडिट:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wind_turbine.gif

पवन टरबाइन दक्षता सूत्र

दक्षता की गणना आवश्यक है; दक्षता विभिन्न पवन टर्बाइनों के प्रदर्शन और अधिकतम दक्षता के लिए इष्टतम हवा की गति की तुलना करने में मदद करती है।

पवन टरबाइन की दक्षता के लिए शक्ति का गुणांक अधिक सामान्य शब्द है। सीपी के रूप में परिभाषित किया गया है,

(1)   \प्रारंभ{संरेखण*} \अंत{}\mathbf{C_p= \frac{(ट्यूबाइन द्वारा उत्पादित बिजली)}{(इनपुट पवन की गतिज ऊर्जा)}} \end{align*}

पवन टरबाइन द्वारा उत्पादित बिजली की मात्रा की गणना जनरेटर आउटपुट से की जा सकती है। नीचे दिया गया समीकरण इनपुट गतिज ऊर्जा की गणना करता है,

कहा पे,

(2)   \प्रारंभ{संरेखण*} \mathbf{KE_{input}= \frac{1}{2} \rho AV^3} \end{align*}

A पवन टरबाइन का आच्छादित क्षेत्र है, V हवा की गति है, ρ वायु घनत्व है।

Cp का मान हवा की गति के अनुसार बदलता रहता है; इसलिए पवन टरबाइन की दक्षता संचालन के दौरान बदलती रहती है।

इसके अलावा, सीपी टर्बाइन भागों, यानी टरबाइन ब्लेड, शाफ्ट और जनरेटर पर निर्भर करता है। इसलिए, ब्लेड की वायुगतिकीय दक्षता का गुणन, शाफ्ट की यांत्रिक दक्षता और जनरेटर की विद्युत दक्षता Cp का मान प्रदान करती है।

पवन टरबाइन की अधिकतम दक्षता

पवन टरबाइन की अधिकतम संभव दक्षता 1919 में एक जर्मन भौतिक विज्ञानी अल्बर्ट बेट्ज़ द्वारा प्रस्तावित की गई है। यह अधिकतम संभव टरबाइन दक्षता में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।

बेट्ज़ की सीमा दर्शाती है कि 59.3% पवन टरबाइन की अधिकतम संभव दक्षता है। इसलिए, टर्बाइन दक्षता कभी भी ५९% से अधिक नहीं होती है, अन्य सभी नुकसानों सहित, यह व्यावहारिक मामलों में ३५-४५% मूल्य पर आता है।  

आइए मान लें कि पवन टरबाइन की दक्षता 100% है जिसका अर्थ है कि टरबाइन सभी वायु ऊर्जा की खपत करता है। यदि ऐसा होता है तो टर्बाइन से गुजरने के बाद हवा का वेग शून्य हो जाता है। इसका मतलब है कि हवा नहीं बह रही है, जो हवा के आगे के प्रवाह में बाधा डालती है। इस प्रकार, यह एक असंभव स्थिति है।

अब, यदि इनलेट और निकास वायु वेग समान हैं, तो इसका मतलब है कि कोई ऊर्जा नहीं निकाली जाती है, जो टर्बाइन को 0% दक्षता देती है। इसलिए इन सीमाओं को छोड़कर, अधिकतम संभव टरबाइन दक्षता 0 और 100% के बीच कहीं है।

बेट्ज़ ने साबित किया कि गणित और ठोस भौतिकी के साथ पवन टरबाइन के लिए अधिकतम संभव दक्षता 59.3% है।

पवन टर्बाइनों के प्रकार और उनकी क्षमताएँ

रोटेशन की धुरी और ब्लेड के डिजाइन के अनुसार विभिन्न प्रकार के पवन टर्बाइन उपलब्ध हैं। सबसे अधिक इस्तेमाल की जाने वाली पवन टरबाइन क्षैतिज अक्ष पवन टरबाइन है। हालांकि, उपयुक्त परिस्थितियों के लिए अन्य प्रकार के टर्बाइनों का भी उपयोग किया जाता है। विभिन्न प्रकार के टर्बाइन हैं,

आइए इन टर्बाइनों की दक्षता पर अलग से चर्चा करें,

क्षैतिज अक्ष पवन टरबाइन (HAWT) दक्षता

क्षैतिज अक्ष पवन टर्बाइन आमतौर पर बड़े पौधों के लिए उपयोग किए जाते हैं, जहां पर्याप्त जगह और हवा उपलब्ध होती है। टर्बाइन ब्लेड के घूर्णन की धुरी पृथ्वी की सतह के समानांतर है।

HAWT की दक्षता 35-50% के बीच भिन्न होती है। वर्तमान में, HAWT की दक्षता उच्चतम है।

पवन टरबाइन द्वारा कैप्चर की गई पवन ऊर्जा टरबाइन ब्लेड द्वारा कवर किए गए क्षेत्र पर निर्भर करती है। HAWT के लिए, क्षेत्र की गणना निम्नानुसार की जाती है,

(3)   \शुरू {संरेखण*} A= \pi L^2 \end{align*}

जहाँ L ब्लेड की लंबाई है। लंबाई 20 से 80 मीटर के बीच भिन्न होती है।

आमतौर पर इन पवन टरबाइनों का उपयोग बड़े उत्पादन संयंत्रों के लिए किया जाता है। सबसे आम क्षैतिज पवन टरबाइन 3 ब्लेड वाले होते हैं, और टर्बाइनों का रंग आमतौर पर विमान द्वारा दृश्यता के लिए सफेद होता है।

पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
HAWT क्रेडिट: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Micon-Turbine.JPG

लंबवत धुरी पवन टरबाइन (वीएडब्ल्यूटी) दक्षता

ऊर्ध्वाधर अक्ष पवन टर्बाइनों का उपयोग आमतौर पर छोटे ऊर्जा उत्पादन के लिए किया जाता है जहां स्थान की कमी होती है। ऊर्ध्वाधर अक्ष पवन टर्बाइनों के ब्लेड के घूर्णन की धुरी पृथ्वी की सतह के लंबवत है।

HAWT की तुलना में VAWT की दक्षता कम है। 

जैसा कि चर्चा की गई है, दक्षता हवा के संपर्क में आने वाले टरबाइन ब्लेड के क्षेत्र पर निर्भर करती है। VAWT के लिए, उजागर क्षेत्र है,

(4)   \शुरू करें{संरेखित करें*} A= DH\end{align*}

जहां डी और एच ब्लेड के व्यास और ऊंचाई हैं।

विभिन्न प्रकार के VAWT उपलब्ध हैं। डैरियस विंड टर्बाइन और सैवोनियस विंड टर्बाइन सामान्य VAWT हैं। इन दोनों की दक्षता पर नीचे चर्चा की गई है।

पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
ऊर्ध्वाधर अक्ष पवन टरबाइन। श्रेय: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/1f/Vertical_Axis_Wind_Turbine_offshore.gif

डेरियस पवन टरबाइन दक्षता

डैरियस पवन टरबाइन एक VAWT है।

डेरियस पवन टरबाइन की दक्षता 30-40% के बीच है। इन टर्बाइनों का उपयोग सीमित है, भले ही इनमें उच्च दक्षता हो, मुख्य रूप से स्वयं शुरू करने में असमर्थता के कारण।

डेरियस टर्बाइन एक लिफ्ट आधारित टर्बाइन है। आंकड़ा एक डेरियस पवन टरबाइन को दर्शाता है। जैसा कि नीचे दिखाया गया है, कई एयरोफिल ब्लेड एक ऊर्ध्वाधर शाफ्ट पर लगे होते हैं जो घूमता है। वक्रता के कारण इन टर्बाइनों के लिए ब्लेड केवल तनाव में हैं। डिजाइन फ्रांसीसी इंजीनियर जॉर्जेस जीन मैरी डेरियस द्वारा विकसित किया गया है। ये आमतौर पर मानव आवास के पास, किसी इमारत के शीर्ष पर या सड़क के केंद्र में उपयोग किए जाते हैं। हालांकि, चरम स्थितियों में टरबाइन की सुरक्षा कठिन है।

पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
डेरियस विंड टर्बाइन क्रेडिट:https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Darrieus-Rotor_Ennabeuren-3256.jpg

सवोनियस पवन टरबाइन दक्षता

Savonius पवन टरबाइन एक अलग प्रकार का VAWT है। दुर्भाग्य से, इन टर्बाइनों की दक्षता बहुत कम है।

Savonius पवन टरबाइन की दक्षता 10-17% के बीच भिन्न होती है। हालांकि दक्षता बहुत कम है, टर्बाइन की सरल संरचना और विश्वसनीयता के कारण, इनका उपयोग उपयुक्त स्थानों में थोड़ी मात्रा में बिजली का उत्पादन करने के लिए किया जाता है।  

सैवोनियस टर्बाइन ड्रैग आधारित टर्बाइन है। यह आंकड़ा एक वास्तविक सवोनियस पवन टरबाइन दिखाता है। ब्लेड का शीर्ष दृश्य भी नीचे की आकृति में दिखाया गया है।

पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
सवोनियस विंड टर्बाइन क्रेडिट: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius_wind_turbine.jpg
पवन टरबाइन दक्षता: पूर्ण अंतर्दृष्टि और अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न
Savonius पवन टरबाइन का शीर्ष दृश्य। श्रेय: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Savonius-rotor_en.svg

फ़िनिश इंजीनियर सिगर्ड जोहान्स सैवोनियस ने 1922 में सेवोनियस पवन विकसित किया। सैवोनियस पवन टरबाइन, बैरल डिज़ाइन और बर्फ पवन डिज़ाइन के लिए ब्लेड डिज़ाइन दो प्रकार के होते हैं। शीर्ष दृश्य बैरल पवन टरबाइन ऊपर दिखाया गया है। ब्लेड अर्ध-बेलनाकार हैं; बैरल केंद्र में नहीं मिल रहे हैं; वे केंद्र से दूर हैं, जो ब्लेड में हवा की मुक्त गति को सक्षम बनाता है।

ब्लेड रहित पवन टरबाइन दक्षता

ब्लेड रहित पवन टरबाइन एक विशेष प्रकार की पवन टरबाइन हैं, इन टर्बाइनों में घूमने वाले ब्लेड नहीं होते हैं, और टरबाइन भंवर-प्रेरित कंपन पर आधारित काम करते हैं।

ब्लेड रहित पवन टरबाइन की दक्षता किसी भी अन्य पवन टरबाइन की तुलना में बहुत कम होती है। हालांकि, हल्के, लागत-प्रभावशीलता और कम रखरखाव ब्लेड रहित पवन टरबाइन के फायदे हैं। इसके अलावा, टरबाइन को कम जगह की आवश्यकता होती है; इसलिए, सामान्य पवन टरबाइन की तुलना में अधिक टर्बाइन स्थापित किए जा सकते हैं।

आर्किमिडीज पवन टरबाइन दक्षता

आर्किमिडीज पवन टरबाइन हाल ही में विकसित तकनीक है। ये छोटी संरचनाएं हैं और इन्हें छतों, सड़कों आदि पर इस्तेमाल किया जा सकता है।

पारंपरिक पवन टर्बाइनों की तुलना में आर्किमिडीज पवन टर्बाइन अधिक कुशल होते हैं। इसके अलावा, टरबाइन पारंपरिक टर्बाइनों से संबंधित कई अन्य समस्याओं को कम करता है। 

उदाहरण के लिए, आर्किमिडीज पवन टर्बाइनों द्वारा उत्पादित शोर पारंपरिक टर्बाइन की तुलना में काफी कम है। टरबाइन का आकार नॉटिलस शेल के सर्पिल के समान बनाया गया है। यह आकार टरबाइन को हवा के प्रवाह के अनुसार टरबाइन के चेहरे को स्व-समायोजित करने में सक्षम बनाता है। 

पवन टरबाइन दक्षता को प्रभावित करने वाले कारक

पवन टरबाइन की दक्षता की चर्चा पहले ही ऊपर की जा चुकी है, जिससे टरबाइन दक्षता को प्रभावित करने वाले कारक हैं,

  • हवा की गति।
  • वायु घनत्व।
  • ब्लेड त्रिज्या।
  • पवन टरबाइन का प्रकार

पवन टरबाइन दक्षता तुलना

आइए यहां पवन टरबाइन दक्षता समाप्त करें। पवन टरबाइन दक्षता नीचे सारणीबद्ध है।

टरबाइनदक्षता
क्षैतिज अक्ष पवन टरबाइन30-45
ऊर्ध्वाधर अक्ष पवन टरबाइन10-40
डेरियस पवन टरबाइन30-40
सवोनियस पवन टरबाइन10-17
ब्लेड रहित पवन टर्बाइनबहुत कम

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