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पवन टरबाइन का ब्लेड केवल "हवा पकड़ने वाला तख्ता" नहीं है। यह एयरफ़ॉइल के उत्प्लावन बल और घर्षण का उपयोग करके घूर्णी बल उत्पन्न करता है, जिससे गियरबॉक्स या डायरेक्ट-ड्राइव जनरेटर को एक बड़ा, कम गति वाला घूर्णन मिलता है। जनरेटर की शक्ति को वोल्टेज, आवृत्ति और प्रतिक्रियाशील शक्ति के लिए कनवर्टर द्वारा नियंत्रित किया जाता है, फिर यह ट्रांसफार्मर और ट्रांसमिशन लाइन के माध्यम से ग्रिड तक पहुँचती है। पवन ऊर्जा को एक समग्र मशीन के रूप में समझने का अर्थ है केवल हवा की शक्ति ही नहीं, बल्कि अशांति, थकान, पूर्वानुमान, रखरखाव और ग्रिड नियंत्रण जैसे पहलुओं को भी एक साथ देखना।

डेनमार्क के पास मिडल ग्रुंडेन अपतटीय पवन फार्मअपतटीय पवन ऊर्जा का उदाहरण

चित्र: Middelgrunden पवन फार्म (किम हैनसेन / रिचर्ड बार्ट्ज़, CC BY-SA 3.0), विकिमीडिया कॉमन्स। टरबाइन की दूरी दर्शाने वाली एक फील्ड तस्वीर, यह हर मौजूदा टरबाइन के लिए विनिर्देश नहीं है।

0. 30-सेकंड का सारांश

  • पवन ऊर्जा से प्राप्त की जा सकने वाली आदर्श शक्ति P=\frac12\rho A v^3 C_p है। क्योंकि यह पवन गति के घन के समानुपाती होता है, इसलिए पवन संसाधनों में मामूली अंतर भी वार्षिक उत्पादन में बड़ा अंतर ला सकता है।

कोई भी टरबाइन पवन की गतिज ऊर्जा का 100% पुनर्प्राप्त नहीं कर सकता; इसकी अधिकतम सीमा बेट्ज़ सीमा है, जो लगभग 59.3% है। एक वास्तविक मशीन का प्रदर्शन पवन गति, ब्लेड कोण, नियंत्रण और अशांति के साथ बदलता रहता है।

पिच नियंत्रण ब्लेड कोण को समायोजित करता है, यॉ नियंत्रण नैकेल को पवन की दिशा में इंगित करता है, और जनरेटर टॉर्क नियंत्रण रोटर की गति को नियंत्रित करता है। तेज़ हवाओं में, सुरक्षा के लिए आउटपुट को कम कर दिया जाता है और टरबाइन बंद हो जाता है।

तटीय क्षेत्र में, परिवहन, शोर और भूदृश्य का प्रभुत्व होता है; अपतटीय (स्थिर तल वाले) क्षेत्रों में, नींव, सबसी केबल, तूफान और रखरखाव पोत का प्रभुत्व होता है; अपतटीय क्षेत्र में, लंगर और गति का प्रभुत्व होता है।

ग्रिड इंटरकनेक्शन में, परिवर्तनीय गति वाले इनवर्टर सक्रिय शक्ति, प्रतिक्रियाशील शक्ति, वोल्टेज और आवृत्ति प्रतिक्रिया को नियंत्रित करते हैं। बैटरी, जलविद्युत और मांग प्रतिक्रिया प्रणालियों के संयोजन से पूर्वानुमान त्रुटि की भरपाई की जाती है।

1. पवन की गतिज ऊर्जा और बेट्ज़ सीमा

Diagram 1 · Use the button to switch views
Wind turbine power curve from cut-in through rated output to cut-out

चित्र 1 — कट-इन से नीचे कोई उपयोगी आउटपुट नहीं है; कट-इन और रेटेड गति के बीच, शक्ति तेजी से बढ़ती है; रेटेड गति से ऊपर, पिच नियंत्रण कट-आउट तक आउटपुट को सीमित करता है।

\rho घनत्व वाली हवा v गति से A=\pi R^2 परिक्रमण क्षेत्र से गुजरती है और प्रति इकाई समय में गतिज ऊर्जा वहन करती है।

P_{wind}=\frac12\rho A v^3

यदि टरबाइन के पीछे वेक गति को पूरी तरह से शून्य कर दिया जाए, तो हवा का प्रवाह पूरी तरह से रुक जाएगा — इसलिए संवेग संरक्षण के माध्यम से टरबाइन के पार गति में गिरावट को अनुकूलित करके निष्कर्षणीय अंश को सीमित किया जाता है।

C_{p,max}=\frac{16}{27}\simeq0.593

और इससे अधिक नहीं। C_p शक्ति गुणांक है, जो टिप-स्पीड अनुपात \lambda=\omega R/v और पिच कोण \beta का एक फलन C_p(\lambda,\beta) है। कम हवा की गति पर, टरबाइन इष्टतम \lambda गति प्राप्त करने के लिए गति बढ़ाती है; निर्धारित हवा की गति से ऊपर, आउटपुट को स्थिर रखने के लिए पिच को बदला जाता है।

2. ब्लेड, नैसेल, टावर

ब्लेड एयरफ़ॉइल के उत्प्लावन बल को स्पर्शरेखीय बल में परिवर्तित करता है। लंबे, पतले ब्लेड क्षेत्रफल बढ़ाते हैं, लेकिन गुरुत्वाकर्षण, अपकेंद्री बल और हवा के भार से थकान भी बढ़ाते हैं। हब और मुख्य शाफ्ट, जनरेटर, गियरबॉक्स और नियंत्रण कैबिनेट नैसेल के अंदर स्थित होते हैं, जबकि टावर और नींव भार को जमीन तक ले जाते हैं। जैसे-जैसे टरबाइन का आकार बढ़ता है, ब्लेड की प्राकृतिक आवृत्ति, टावर अनुनाद, नियंत्रण विलंबता, बिजली, नमक क्षरण और बर्फ जमना, ये सभी सीधे ब्लेड पर प्रभाव डालते हैं। डिजाइन।

3. पिच, यॉ और टॉर्क नियंत्रण

पिच नियंत्रण

ब्लेड पिच कोण \beta को बदलने से लिफ्ट और टॉर्क में परिवर्तन होता है। निर्धारित पवन गति से नीचे, \beta को उसके इष्टतम मान पर रखा जाता है; निर्धारित पवन गति से ऊपर, अधिकतम आउटपुट के लिए अटैक कोण को कम किया जाता है। रिडंडेंसी आवश्यक है ताकि यदि हाइड्रोलिक या इलेक्ट्रिक एक्चुएटर विफल हो जाए, तो भी ब्लेड फेदर (एक ऐसा कोण जो हवा को बिखेरता है) तक घूम सके।

यॉ नियंत्रण

यॉ नियंत्रण, जो नैकेल को हवा की दिशा में इंगित करता है, पवन वेन और एनीमोमीटर, जनरेशन आउटपुट और टॉवर टॉर्शन का उपयोग करता है। बार-बार यॉ करने से यॉ ड्राइव और केबल पर दबाव पड़ता है, इसलिए औसत पवन दिशा और टर्बुलेंस को फ़िल्टर किया जाता है ताकि थकान के मुकाबले जनरेशन हानि को संतुलित किया जा सके।

जनरेटर टॉर्क

परिवर्तनीय गति वाले टर्बाइनों में, इष्टतम टिप-स्पीड अनुपात को ट्रैक करने के लिए जनरेटर टॉर्क T_g को गति के साथ बदला जाता है। घूर्णी समीकरण गति है

J\dot\omega=T_a-T_g-T_f

जहाँ J जड़त्व है, T_a वायुगतिकीय टॉर्क है, और T_f हानि टॉर्क है। नियंत्रण योजनाएँ जो ग्रिड को अस्थायी रूप से जड़त्व प्रदान करती हैं, आवृत्ति में गिरावट को कम करने के लिए टरबाइन की घूर्णी गतिज ऊर्जा को अस्थायी रूप से मुक्त करती हैं — लेकिन रोटर द्वारा गति पुनः प्राप्त करने की अवधि के दौरान आउटपुट को कम करना पड़ता है।

4. स्थिर-गति, परिवर्तनीय-गति और ग्रिड अंतर्संबंध

स्थिर-गति प्रेरण जनरेटर बनाना सरल है, लेकिन हवा की गति में परिवर्तन आसानी से यांत्रिक टॉर्क में परिवर्तित होकर ग्रिड तक पहुँच जाते हैं। एक डबल-फेड प्रेरण जनरेटर (DFIG) परिवर्तनीय गति सीमा और प्रतिक्रियाशील शक्ति को नियंत्रित करने के लिए रोटर की तरफ एक आंशिक-क्षमता कनवर्टर का उपयोग करता है। एक पूर्ण-क्षमता कनवर्टर वाला स्थायी-चुंबक तुल्यकालिक जनरेटर जनरेटर को ग्रिड से विद्युत रूप से अलग करता है, जिससे गति की एक विस्तृत श्रृंखला पर नियंत्रण संभव हो पाता है — लेकिन इसके लिए कुछ अतिरिक्त ऊर्जा की आवश्यकता होती है। अधिक विद्युत-अर्धचालक और चुंबक लागत।

इनवर्टर आमतौर पर ग्रिड-फॉलोइंग नियंत्रण का उपयोग करते हैं, जो पीएलएल के माध्यम से ग्रिड चरण को ट्रैक करता है, लेकिन कमजोर अपतटीय ग्रिड या पृथक द्वीपों के लिए ग्रिड-फॉर्मिंग नियंत्रण की आवश्यकता होती है। टर्बाइनों के एक समूह की देखरेख करने वाला एक फार्म नियंत्रक व्यक्तिगत टर्बाइनों के आउटपुट, प्रतिक्रियाशील शक्ति, रैंप दर और कटौती का समन्वय करता है, ग्रिड ऑपरेटर के आदेशों, मौसम पूर्वानुमानों और बैटरी की चार्ज स्थिति को एक ही नियंत्रण पदानुक्रम में भेजता है।

5. तटवर्ती, स्थिर तल वाले अपतटीय और तैरते हुए

प्रकार खूबियाँ मुख्य चुनौतियाँ अनुसंधान केंद्र
तटवर्ती निर्माण/रखरखाव अपेक्षाकृत आसान; ट्रांसमिशन के निकट शोर, भूदृश्य, सड़क परिवहन, अशांति उच्च भूभाग अनुकूलन, पूर्वानुमान, पुन: विद्युतीकरण
स्थिर तल वाले अपतटीय तेज हवा, बड़े पैमाने पर संभव, आबादी से दूर नींव, सबसी केबल, शिपिंग, संक्षारण 15 डिग्री सेल्सियस पर थकान मेगावाट श्रेणी, बंदरगाह/निर्माण लॉजिस्टिक्स

फ्लोटिंग ऑफशोर | गहरे पानी में तैनात किया जा सकता है | मूरिंग, गति, तूफान, सबसी केबल | युग्मित नियंत्रण, हल्के फ्लोटर, रखरखाव रोबोट |

समुद्र में, टरबाइन, फ्लोटर, मूरिंग, लहरें और पावर केबल सभी आपस में जुड़े होते हैं। ब्लेड पिच में परिवर्तन से वायुगतिकीय भार बदलता है, जो टावर और फ्लोटर की गति को प्रभावित करता है; जनरेटर टॉर्क में परिवर्तन से रोटर की गति और मूरिंग का भार बदलता है। अनुसंधान एकल पीआईडी से आगे बढ़कर मॉडल प्रेडिक्टिव कंट्रोल, लोड-मिटिगेशन कंट्रोल और डिजिटल ट्विन की ओर बढ़ रहा है जो थकान जीवन को बढ़ाते हैं।

6. पूर्वानुमान, रखरखाव और पर्यावरण

पवन ऊर्जा पूर्वानुमान मौसम मॉडल, लिडार, उपग्रह डेटा, नैकेल पवन गति और पड़ोसी टर्बाइनों के वेक डेटा को मिलाकर मिनटों से लेकर दिनों तक के पूर्वानुमान वितरण उत्पन्न करता है। पूर्वानुमान में बड़ी त्रुटि होने पर, बैटरी क्षमता को आरक्षित रखा जाता है, और थर्मल, हाइड्रो और मांग प्रतिक्रिया की पूर्व-व्यवस्था की जाती है।

रखरखाव मुख्य शाफ्ट पर कंपन, तापमान और तेल विश्लेषण की निगरानी करता है। बेयरिंग, गियरबॉक्स, जनरेटर, पिच बेयरिंग और ब्लेड। ड्रोन इमेजिंग और ध्वनिक निरीक्षण द्वारा ब्लेड के विखंडन और बिजली गिरने से हुए नुकसान की जाँच की जाती है, और हवा की स्थितियों के साथ विसंगति संकेतों को मिलाकर शटडाउन का समय निर्धारित किया जाता है। पक्षियों और चमगादड़ों, समुद्री स्तनधारियों, मत्स्य पालन और समुद्र तल के पारिस्थितिकी तंत्र पर पड़ने वाले प्रभावों का आकलन स्थान निर्धारण, परिचालन नियंत्रण और निगरानी के साथ-साथ किया जाना चाहिए - अलग-अलग नहीं।

7. सारांश

पवन ऊर्जा एक ऐसी प्रणाली है जो हवा की गति को क्रमानुसार ब्लेड, शाफ्ट, जनरेटर, इन्वर्टर, ट्रांसफार्मर और ग्रिड तक पहुँचाती है। हवा की गति का घन नियम और बेट्ज़ सीमा उत्पादन की अधिकतम सीमा निर्धारित करते हैं; पिच, यॉ और टॉर्क नियंत्रण यांत्रिक भार और बिजली की गुणवत्ता निर्धारित करते हैं; पूर्वानुमान और रखरखाव उपलब्धता निर्धारित करते हैं। अपतटीय/तैरते टर्बाइनों या ग्रिड-निर्माण इन्वर्टरों पर शोध पढ़ते समय, उनकी तुलना केवल रूपांतरण दक्षता के आधार पर ही नहीं, बल्कि थकान, केबलिंग, बंदरगाहों, मौसम, पर्यावरण और ग्रिड संचालन को भी शामिल करके करना उचित है।

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