ऊर्ध्वाधर-अक्ष पवन टरबाइन

ऊर्ध्वाधर-अक्ष विंड टर्बाइन (वीएडब्ल्यूटी) एक प्रकार का विंड टर्बाइन है जहां मुख्य रोटर शाफ्ट को हवा के विपरीत दिशा में सेट किया जाता है जबकि मुख्य घटक टरबाइन के आधार पर स्थित होते हैं। यह व्यवस्था जनरेटर और गियरबॉक्स को जमीन के करीब स्थित करने की अनुमति देती है, जिससे सेवा और मरम्मत की सुविधा मिलती है। वीएडब्ल्यूटी को हवा की ओर इंगित करने की आवश्यकता नहीं है, जो पवन-संवेदन और अभिविन्यास तंत्र की आवश्यकता को हटा देता है। शुरुआती डिज़ाइनों (सेवोनियस, डैरियस और जीरोमिल) की प्रमुख कमियों में प्रत्येक क्रांति के दौरान महत्वपूर्ण टॉर्क तरंग और ब्लेड पर बड़े झुकने वाले क्षण शामिल थे। बाद के डिज़ाइनों ने ब्लेडों को हेलिकली (गोरलोव प्रकार) घुमाकर टॉर्क तरंग को संबोधित किया। सवोनियस ऊर्ध्वाधर-अक्ष पवन टर्बाइन (वीएडब्ल्यूटी) व्यापक नहीं हैं, लेकिन छोटे क्षैतिज-अक्ष पवन टर्बाइन (एचएडब्ल्यूटी) की तुलना में उनकी सादगी और अशांत प्रवाह-क्षेत्रों में बेहतर प्रदर्शन उन्हें शहरी वातावरण में वितरित पीढ़ी के उपकरणों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाता है।

एक ऊर्ध्वाधर अक्ष विंड टर्बाइन की धुरी हवा की धारा रेखाओं के लंबवत और जमीन पर लंबवत होती है। एक अधिक सामान्य शब्द जिसमें यह विकल्प शामिल है वह है "अनुप्रस्थ अक्ष विंड टर्बाइन" या "क्रॉस-फ्लो विंड टर्बाइन"। उदाहरण के लिए, मूल डैरियस पेटेंट, यूएस पेटेंट 1835018 में दोनों विकल्प शामिल हैं।

सैवोनियस रोटर जैसे ड्रैग-प्रकार के वीएडब्ल्यूटी आमतौर पर लिफ्ट-आधारित वीएडब्ल्यूटी जैसे डैरियस रोटर्स और साइक्लोटरबाइन की तुलना में कम टिप गति अनुपात पर काम करते हैं।

कंप्यूटर मॉडलिंग से पता चलता है कि ऊर्ध्वाधर-अक्ष पवन टर्बाइनों का उपयोग करके निर्मित पवन फार्म पारंपरिक क्षैतिज अक्ष पवन टर्बाइनों की तुलना में 15% अधिक कुशल हैं क्योंकि वे कम अशांति उत्पन्न करते हैं।

सामान्य वायुगतिकी
डैरियस टरबाइन में कार्य करने वाली ताकतों और वेगों को चित्र 1 में दर्शाया गया है। परिणामी वेग वेक्टर, $$\vec{W}$$ अबाधित अपस्ट्रीम वायु वेग, $$\vec{U}$$ और आगे बढ़ने वाले ब्लेड के वेग वेक्टर $$-\vec{\omega }\times\vec{R}$$ का सदिश योग है,

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

इस प्रकार प्रत्येक चक्र के दौरान आने वाले द्रव का वेग भिन्न-भिन्न होता है। अधिकतम वेग $$\theta =0{}^\circ $$ के लिए पाया जाता है और न्यूनतम $$\theta =180{}^\circ $$ के लिए पाया जाता है जहां $$\theta $$ अज़ीमुथल या कक्षीय ब्लेड स्थिति है। हमले का कोण, $$\alpha $$ आने वाली हवा की गति, डब्ल्यू और ब्लेड की कॉर्ड के बीच का कोण है। परिणामी वायुप्रवाह मशीन के अपस्ट्रीम ज़ोन में ब्लेड पर हमले का एक अलग, सकारात्मक कोण बनाता है, मशीन के डाउनस्ट्रीम ज़ोन में स्विचिंग साइन 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 घटकों के परिणाम के रूप में सापेक्ष वेग को हल करने से प्राप्त होता है:

$$ W= \sqrt{V_t^2+V_n^2} $$

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

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

हमले के कोण को इस प्रकार हल किया जाता है:

$$ \alpha = \tan^{-1} \left( \frac{V_n}{V_t} \right) $$ जो उपरोक्त पैदावार को प्रतिस्थापित करते समय:

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

परिणामी वायुगतिकीय बल या तो लिफ्ट (एल) - ड्रैग (डी) घटकों या सामान्य (एन) - स्पर्शरेखा (टी) घटकों 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 आर-पार (उठाने) और उसके साथ (खींचने) बलों को संदर्भित करते हैं। स्पर्शरेखीय बल ब्लेड के वेग के साथ कार्य करता है, ब्लेड को चारों ओर खींचता है, और सामान्य बल रेडियल रूप से कार्य करता है, जो शाफ्ट बीयरिंग के विरुद्ध दबाव डालता है। ब्लेड के चारों ओर गतिशील स्टाल, सीमा परत आदि जैसे वायुगतिकीय बलों से निपटने के दौरान लिफ्ट और ड्रैग बल उपयोगी होते हैं; जबकि वैश्विक प्रदर्शन, थकान भार आदि से निपटने के लिए, सामान्य-स्पर्शरेखा फ्रेम रखना अधिक सुविधाजनक होता है। लिफ्ट और ड्रैग गुणांक को आमतौर पर सापेक्ष वायु प्रवाह के गतिशील दबाव द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है, जबकि सामान्य और स्पर्शरेखा गुणांक को आमतौर पर अबाधित अपस्ट्रीम द्रव वेग के गतिशील दबाव द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है।

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

ए = ब्लेड क्षेत्र (स्वेप्ट एरिया के साथ भ्रमित न हों जो ब्लेड/रोटर की ऊंचाई रोटर व्यास के गुणा के बराबर है) आर = टरबाइन का त्रिज्या

विंड टर्बाइन द्वारा अवशोषित की जा सकने वाली शक्ति, P की मात्रा:

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

कहाँ $$C_{p}$$ शक्ति गुणांक है, $$\rho$$ वायु घनत्व है, $$A$$ टरबाइन का बह गया क्षेत्र है, और $$\nu$$ हवा की गति है.

सवोनियस
सवोनियस विंड टर्बाइन (SWT) एक ड्रैग-प्रकार वीएडब्ल्यूटी है। सामान्य डिज़ाइन में दो या तीन स्कूप वाला एक घूमने वाला शाफ्ट शामिल होता है जो आने वाली हवा को पकड़ता है। इसके सरलीकृत और मजबूत डिज़ाइन और इसकी अपेक्षाकृत कम दक्षता के कारण इसका उपयोग तब किया जाता है जब विश्वसनीयता दक्षता से अधिक महत्वपूर्ण होती है। सवोनियस विंड टर्बाइन की कम दक्षता का एक कारण यह है कि टरबाइन का लगभग आधा हिस्सा सकारात्मक टॉर्क उत्पन्न करता है, जबकि दूसरा पक्ष हवा के विपरीत चलता है और इस प्रकार नकारात्मक टॉर्क उत्पन्न करता है। एसडब्ल्यूटी का एक प्रकार हार्मनी विंड टर्बाइन है जिसमें हेलिक्स के आकार के ब्लेड और उच्च गति वाली हवा की स्थिति के दौरान एक स्वचालित फर्लिंग तंत्र है।

डेरियस
डैरियस विंड टर्बाइन एक लिफ्ट-प्रकार वीएडब्ल्यूटी है। मूल डिज़ाइन में घूर्णन शाफ्ट पर जुड़ी युक्तियों के साथ कई घुमावदार एयरोफ़ॉइल ब्लेड शामिल थे। हालाँकि, ऐसे डिज़ाइन भी हैं जो सीधे ऊर्ध्वाधर एयरफ़ोइल का उपयोग करते हैं, जिन्हें एच-रोटर या गिरोमिल डेरियस पवन टर्बाइन कहा जाता है। इसके अलावा, क्रांति के दौरान टॉर्क को समान रूप से फैलाकर टरबाइन पर टॉर्क तरंग प्रभाव को कम करने के लिए डैरियस विंड टर्बाइन के ब्लेड को हेलिक्स का आकार दिया जा सकता है।

लिफ्ट-प्रकार के उपकरण होने के कारण, डैरियस विंड टर्बाइन ड्रैग-प्रकार के विंड टर्बाइन, जैसे सवोनियस विंड टर्बाइन की तुलना में हवा से अधिक बिजली निकाल सकते हैं।

परिक्रामी पंख
घूमने वाले पंख वाले पवन टर्बाइन या घूमने वाले पंख वाले पवन टर्बाइन लिफ्ट-प्रकार के वीएडब्ल्यूटी की एक नई श्रेणी हैं जो एयरफ़ोइल के केंद्र के माध्यम से चलने वाले ऊर्ध्वाधर शाफ्ट के चारों ओर 360-डिग्री रोटेशन उत्पन्न करने के लिए 1 लंबवत खड़े, गैर-पेचदार एयरफ़ॉइल का उपयोग करते हैं।

फायदे
वीएडब्ल्यूटी पारंपरिक क्षैतिज-अक्ष पवन टर्बाइनों (एचएडब्ल्यूटी) की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं:
 * सर्वदिशात्मक वीएडब्ल्यूटी को हवा को ट्रैक करने की आवश्यकता नहीं हो सकती है। इसका मतलब यह है कि उन्हें रोटर और ब्लेड पिच को घुमाने (घूमने) के लिए एक जटिल तंत्र और मोटर्स की आवश्यकता नहीं होती है।
 * गियरबॉक्स प्रतिस्थापन और रखरखाव सरल और अधिक कुशल है, क्योंकि ऑपरेटर को हवा में सैकड़ों फीट काम करने की आवश्यकता के बजाय गियरबॉक्स जमीनी स्तर पर पहुंच योग्य है। मोटर और गियरबॉक्स की विफलता आम तौर पर महत्वपूर्ण संचालन और रखरखाव संबंधी विचार हैं।
 * कुछ डिज़ाइनों में स्क्रू पाइल फ़ाउंडेशन का उपयोग किया जा सकता है, जो कंक्रीट के सड़क परिवहन और स्थापना के पर्यावरणीय प्रभाव को कम करता है। पेंच ढेर को जीवन के अंत में पूरी तरह से पुनर्नवीनीकरण किया जा सकता है।
 * वीएडब्ल्यूटी को मौजूदा एचएडब्ल्यूटी के नीचे एचएडब्ल्यूटी पवन फार्मों पर स्थापित किया जा सकता है, जो बिजली उत्पादन को पूरक बनाता है। * वीएडब्ल्यूटी एचएडब्ल्यूटी के लिए अनुपयुक्त परिस्थितियों में काम कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, सवोनियस रोटर, जो अनियमित, धीमी हवा वाले जमीनी स्तर के संदर्भों में काम कर सकता है, अक्सर दूरस्थ या अप्राप्य स्थानों में उपयोग किया जाता है, हालांकि यह सबसे 'अक्षम', ड्रैग-प्रकार, वीएडब्ल्यूटी है।
 * एचएडब्ल्यूटी की तुलना में कम शोर
 * पक्षियों के लिए खतरा कम

नुकसान
जब वीएडब्ल्यूटी विंड टर्बाइन का वेग बढ़ता है, तो शक्ति भी बढ़ती है, हालांकि एक निश्चित चरम बिंदु पर, शक्ति उत्तरोत्तर कम होकर शून्य हो जाती है, भले ही विंड टर्बाइन का वेग अपने उच्चतम स्तर पर हो। जैसे कि, उच्च हवा की स्थिति में विंड टर्बाइन के वेग को धीमा करने के लिए डिस्क ब्रेक का उपयोग किया जाता है। हालाँकि, कभी-कभी डिस्क ब्रेक के ज़्यादा गरम होने के कारण टरबाइन में आग लग सकती है।

वीएडब्ल्यूटी अक्सर ब्लेड के गतिशील स्टाल से पीड़ित होते हैं क्योंकि हमले का कोण तेजी से बदलता है।

प्रत्येक घुमाव के दौरान लागू बलों में व्यापक भिन्नता के कारण वीएडब्ल्यूटी के ब्लेड थकान-प्रवण होते हैं। लंबवत उन्मुख ब्लेड प्रत्येक मोड़ के दौरान मुड़ और मुड़ सकते हैं, जिससे उनका उपयोग करने योग्य जीवनकाल छोटा हो जाता है।

ड्रैग-प्रकारों के अलावा, वीएडब्ल्यूटी विंड टर्बाइन#क्षैतिज अक्ष की तुलना में कम विश्वसनीय साबित हुए हैं। हालाँकि आधुनिक डिज़ाइनों ने कई शुरुआती मुद्दों पर काबू पा लिया है।

अनुसंधान
2021 के एक अध्ययन ने एक वीएडब्ल्यूटी कॉन्फ़िगरेशन का अनुकरण किया जिसने वीएडब्ल्यूटी को तुलनीय एचएडब्ल्यूटी इंस्टॉलेशन को 15% से मात देने की अनुमति दी। 11,500 घंटे के सिमुलेशन ने आंशिक रूप से ग्रिड निर्माण का उपयोग करके बढ़ी हुई दक्षता का प्रदर्शन किया। एक प्रभाव ग्रिड-व्यवस्थित एचएडब्ल्यूटी से उत्पन्न होने वाली डाउनस्ट्रीम अशांति से बचना है जो दक्षता को कम करता है। अन्य अनुकूलन में सरणी कोण, रोटेशन दिशा, टरबाइन रिक्ति और रोटर्स की संख्या शामिल है।

2022 में नॉर्वे की वर्ल्ड वाइड विंड ने काउंटर-रोटेटिंग ब्लेड के दो सेट के साथ फ्लोटिंग वीएडब्ल्यूटी पेश की। दो सेट संकेंद्रित शाफ्टों से जुड़े होते हैं। प्रत्येक में एक संलग्न टरबाइन है। एक रोटर (इलेक्ट्रिक) से जुड़ा होता है, दूसरा स्टेटर से। 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 दावा किया। एचएडब्ल्यूटी को टॉवर के शीर्ष पर भारी ड्राइवट्रेन, गियरबॉक्स, जनरेटर और ब्लेड की आवश्यकता होती है, जिससे पानी के नीचे भारी संतुलन की आवश्यकता होती है। वीएडब्ल्यूटी अधिकांश भारी घटकों को टावर के निचले भाग में रखता है, जिससे प्रतिसंतुलन की आवश्यकता कम हो जाती है। ब्लेड एक शंक्वाकार क्षेत्र को स्वीप करते हैं, जो प्रत्येक टावर की हवा की अशांति को कम करने में मदद करता है, जिससे अधिकतम टावर घनत्व बढ़ जाता है। कंपनी का दावा है कि वह 400 मीटर (1,300 फीट) 40-मेगावाट इकाई का निर्माण करेगी।

अनुप्रयोग


विंडस्पायर, व्यक्तिगत (घर या कार्यालय) उपयोग के लिए एक छोटा वीएडब्ल्यूटी, 2000 के दशक की शुरुआत में अमेरिकी कंपनी मारिया पावर द्वारा विकसित किया गया था। कंपनी ने बताया कि जून 2008 तक पूरे अमेरिका में कई इकाइयाँ स्थापित कर दी गई थीं।

आर्बरविंड, एक एन आर्बर, मिशिगन स्थित कंपनी, एक पेटेंट किए गए छोटे वीएडब्ल्यूटी का उत्पादन करती है जिसे 2013 तक कई अमेरिकी स्थानों पर स्थापित किया गया है।

2011 में, सैंडिया नेशनल लेबोरेटरीज के पवन-ऊर्जा शोधकर्ताओं ने अपतटीय पवन फार्मों में वीएडब्ल्यूटी डिजाइन तकनीक को लागू करने का पांच साल का अध्ययन शुरू किया। शोधकर्ताओं ने कहा: "स्थापना और परिचालन चुनौतियों के कारण, अपतटीय पवन ऊर्जा का अर्थशास्त्र भूमि-आधारित टर्बाइनों से अलग है। वीएडब्ल्यूटी तीन बड़े फायदे प्रदान करता है जो पवन ऊर्जा की लागत को कम कर सकते हैं: गुरुत्वाकर्षण का कम टरबाइन केंद्र; कम मशीन जटिलता; और बहुत बड़े आकार के लिए बेहतर स्केलेबिलिटी। गुरुत्वाकर्षण के निचले केंद्र का मतलब है पानी में स्थिरता में सुधार और कम गुरुत्वाकर्षण थकान भार। इसके अतिरिक्त, वीएडब्ल्यूटी पर ड्राइवट्रेन सतह पर या उसके करीब है, संभावित रूप से रखरखाव को आसान और कम समय लेने वाला बनाता है। कम हिस्से, कम थकान भार और सरल रखरखाव सभी के कारण रखरखाव लागत कम हो जाती है।"

कैल्टेक वैमानिकी प्रोफेसर जॉन डाबिरी द्वारा 2010 की शुरुआत में दक्षिणी कैलिफोर्निया प्रौद्योगिकी संस्थान में 24-यूनिट वीएडब्ल्यूटी प्रदर्शन प्लॉट स्थापित किया गया था। उनके डिज़ाइन को 2013 में अलास्का के इगिउगिग गांव में स्थापित 10-यूनिट जेनरेटिंग फ़ार्म में शामिल किया गया था।

डुलास, एंग्लिसी को मार्च 2014 में पोर्ट टैलबोट वॉटरसाइड पर ब्रेकवाटर पर एक प्रोटोटाइप वीएडब्ल्यूटी स्थापित करने की अनुमति मिली। टरबाइन एक नया डिज़ाइन है, जिसकी आपूर्ति वेल्स स्थित सी-एफईसी (स्वानसी) द्वारा की गई है और इसे दो साल के परीक्षण के लिए संचालित किया जाएगा। इस वीएडब्ल्यूटी में एक पवन ढाल शामिल है जो हवा को आगे बढ़ने वाले ब्लेडों से रोकती है, और इस प्रकार ऊपर चर्चा किए गए "एग-बीटर" प्रकार के वीएडब्ल्यूटी के विपरीत, एक हवा-दिशा सेंसर और एक पोजिशनिंग तंत्र की आवश्यकता होती है।

आर्किटेक्ट माइकल रेनॉल्ड्स (अपने अर्थशिप हाउस डिज़ाइन के लिए जाने जाते हैं) ने डायनास्फेयर नामक चौथी पीढ़ी का वीएडब्ल्यूटी विकसित किया। इसमें दो 1.5 किलोवाट जनरेटर हैं और यह बहुत कम गति पर बिजली का उत्पादन कर सकता है।

यह भी देखें

 * अपरंपरागत विंड टर्बाइन
 * क्रॉस-फ्लो पंखा

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.