परिवर्तनीय गति पवन टरबाइन

एक चर गति पवन टर्बाइन वह है जिसे विशेष रूप से रोटर गति की एक विस्तृत श्रृंखला पर संचालित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह निश्चित गति पवन टरबाइन के सीधे विपरीत है जहां रोटर की गति लगभग स्थिर होती है। रोटर की गति को बदलने का कारण हवा में अधिकतम वायुगतिकीय शक्ति को पकड़ना है, क्योंकि हवा की गति बदलती रहती है। एक निश्चित ब्लेड पिच कोण के लिए वायुगतिकीय दक्षता, या शक्ति $$C_p$$ का गुणांक, पवन टर्बाइन को इष्टतम टिप-गति अनुपात पर संचालित करके प्राप्त किया जाता है जैसा कि निम्नलिखित ग्राफ में दिखाया गया है।

टिप-गति अनुपात निम्नलिखित अभिव्यक्ति द्वारा दिया गया है,

$$ \lambda = \frac{\omega R}{v} $$

जहां $$\omega$$ रोटर की गति है (रेडियन प्रति सेकंड में), $$R$$ रोटर की त्रिज्या है, और $$v$$ हवा की गति है। जैसे ही हवा की गति बदलती है, अधिकतम दक्षता बनाए रखने के लिए रोटर की गति भिन्न होनी चाहिए।

पृष्ठभूमि
पवन टर्बाइनों को ग्रिड से जोड़ने की आवश्यकता से पहले, टर्बाइन निश्चित-गति के थे। यह कोई समस्या नहीं थी क्योंकि टर्बाइनों को ग्रिड की आवृत्ति के साथ सिंक्रोनाइज़ नहीं करना पड़ता था।

1939 में पहली बार से लेकर 1970 के दशक में चर गति ग्रिड से जुड़ी हवा टर्बाइनों के विकास तक, सभी ग्रिड से जुड़ी हवा टर्बाइन निश्चित गति वाली हवा टर्बाइन थे।

2003 तक, लगभग सभी ग्रिड से जुड़े पवन टर्बाइन बिल्कुल स्थिर गति (सिंक्रोनस जेनरेटर) या स्थिर गति (इंडक्शन जनरेटर) के कुछ प्रतिशत के भीतर काम करते हैं।

इतिहास
गामा 60 पवन टरबाइन - एक 1.5 मेगावाट दो-ब्लेड यॉ कंट्रोल टर्बाइन, जो समुद्री पवन महासागर प्रौद्योगिकी बी.वी. द्वारा आगे विकसित किया जा रहा है, टीटर हिंज के साथ दुनिया की पहली चर गति वाली पवन टरबाइन थी।

टॉर्क रोटर-गति आरेख
एक पवन टर्बाइन के लिए प्राप्त शक्ति निम्नलिखित सूत्र द्वारा दी गई है:

$$ P = \frac{1}{2}\rho\pi R^2 v^3 C_p(\lambda) $$

जहां $$P$$ वायुगतिकीय शक्ति है और $$\rho$$ वायु का घनत्व है। शक्ति गुणांक इस बात का प्रतिनिधित्व करता है कि पवन टरबाइन द्वारा पवन में उपलब्ध शक्ति का कितना हिस्सा कब्जा कर लिया जाता है और ऊपर दिए गए ग्राफ़ में देखा जा सकता है।

टोक़, $$Q$$, रोटर शाफ्ट पर रोटर की गति से निकाली गई शक्ति के अनुपात द्वारा दिया जाता है:

$$ Q = \frac{P}{\omega} $$

इस प्रकार हम टॉर्क और शक्ति के लिए निम्नलिखित भाव प्राप्त कर सकते हैं:

$$ P = \frac{1}{2\lambda^3}\rho\pi R^5 \omega^3 C_p(\lambda) $$

और

$$ Q = \frac{1}{2\lambda^3}\rho\pi R^5 \omega^2 C_p(\lambda) = \frac{1}{2\lambda}\rho\pi R^3 v^2 C_p(\lambda) $$

उपरोक्त समीकरण से, हम पवन टरबाइन के लिए टॉर्क-गति आरेख का निर्माण कर सकते हैं। इसमें कई वक्र होते हैं: एक स्थिर शक्ति वक्र जो निरंतर शक्ति (हरे वक्र) के लिए टॉर्क और रोटर गति के बीच संबंध को प्लॉट करता है; निरंतर हवा की गति घटता है, जो निरंतर हवा की गति के लिए टॉर्क और रोटर गति के बीच संबंध की साजिश रचता है (धराशायी ग्रे घटता); और निरंतर दक्षता घटता है, जो निरंतर क्षमता $$C_p$$ के लिए टॉर्क और रोटर गति के बीच संबंध की साजिश रचता है. यह आरेख नीचे प्रस्तुत किया गया है:



टिप्पणियाँ
हरा वक्र: शक्ति का प्लॉट = मूल्यांकन शक्ति जिससे $$P = Q\omega$$

ग्रे वक्र: हवा की गति को स्थिर माना जाता है जिससे $$Q \propto \omega^2 C_p(\lambda)$$

नीला वक्र: स्थिर $$C_p(\lambda)$$ जिससे $$Q \propto \omega^2$$

ब्लेड बल
अधिक जानकारी के लिए, ब्लेड तत्व संवेग सिद्धांत देखें

निम्नलिखित आकृति पर विचार करें:

यह स्पष्ट हवा की गति का चित्रण है, जैसा कि एक ब्लेड (चित्र के बाईं ओर) द्वारा देखा गया है। स्पष्ट हवा की गति हवा की मुक्त-धारा वेग और रोटर गति दोनों से प्रभावित होती है। इस आकृति से हम देख सकते हैं कि दोनों कोण $$\theta$$ और स्पष्ट हवा की गति $$W$$ रोटर गति $$\omega$$ के कार्य हैं. विस्तार से, लिफ्ट और ड्रैग फोर्स $$\omega$$ का भी कार्य होगा. इसका मतलब यह है कि ब्लेड पर कार्य करने वाली अक्षीय और स्पर्शरेखा बल रोटर गति के साथ बदलती हैं। अक्षीय दिशा में बल निम्न सूत्र द्वारा दिया जाता है:

स्टाल विनियमित
जैसा कि पहले चर्चा की गई है, एक पवन टर्बाइन आदर्श रूप से कम मूल्यांकित शक्ति के लिए अपनी अधिकतम दक्षता पर काम करेगा। एक बार मूल्यांकित शक्ति हिट हो जाने के बाद, शक्ति सीमित हो जाती है। यह दो कारणों से है: जनरेटर जैसे ड्राइवट्रेन उपकरण पर रेटिंग; और दूसरा ब्लेड पर भार कम करने के लिए। पवन टर्बाइन के लिए एक संचालन रणनीति को  इस प्रकार उप-मूल्यांकन -शक्ति  घटक और मूल्यांकन -शक्ति  घटक में विभाजित किया जा सकता है।

मूल्यांकित शक्ति के नीचे
मूल्यांकित शक्ति से कम, पवन टर्बाइन आदर्श रूप से इस तरह से काम करेगा $$C_p = C_{p~max}$$. टॉर्क-रोटर गति आरेख पर, यह इस प्रकार दिखता है:

जहां काली रेखा चर गति स्टॉल-विनियमित पवन टर्बाइन के लिए परिचालन रणनीति के प्रारंभिक खंड का प्रतिनिधित्व करती है। आदर्श रूप से, हम मूल्यांकित शक्ति हिट होने तक अधिकतम दक्षता वक्र पर बने रहना चाहेंगे। चूंकि, जैसे-जैसे रोटर की गति बढ़ती है, शोर का स्तर बढ़ता जाता है। इसका मुकाबला करने के लिए रोटर की गति को एक निश्चित मूल्य से ऊपर बढ़ने की अनुमति नहीं है। यह नीचे चित्र में दिखाया गया है:



मूल्यांकन शक्ति और इसके बाद के संस्करण
एक बार जब हवा की गति एक निश्चित स्तर तक पहुँच जाती है, जिसे मूल्यांकन हवा की गति कहा जाता है, तो टरबाइन को उच्च हवा की गति के लिए बिजली के किसी भी बड़े स्तर का उत्पादन करने में सक्षम नहीं होना चाहिए। स्टाल-विनियमित चर गति पवन टरबाइन में कोई पिचिंग तंत्र नहीं है। चूंकि, रोटर की गति परिवर्तनशील है। उचित रूप से डिज़ाइन किए गए नियंत्रक द्वारा रोटर की गति को या तो बढ़ाया या घटाया जा सकता है। ब्लेड बल अनुभाग में चित्रित चित्र के संदर्भ में, यह स्पष्ट है कि स्पष्ट हवा की गति और रोटेशन के विमान के बीच का कोण रोटर की गति पर निर्भर है। इस कोण को हमले का कोण कहा जाता है।

एयरफ़ॉइल के लिए लिफ्ट और ड्रैग गुणांक हमले के कोण से संबंधित हैं। विशेष रूप से, हमले के उच्च कोणों के लिए, एक एयरफ़ॉइल स्टॉल (उड़ान)। यानी ड्रैग काफी हद तक बढ़ जाती है। लिफ्ट और ड्रैग फोर्स पवन टरबाइन के बिजली उत्पादन को प्रभावित करते हैं। यह एक ब्लेड पर कार्य करने वाली शक्तियों के विश्लेषण से देखा जा सकता है क्योंकि हवा ब्लेड के साथ परस्पर क्रिया करती है (निम्न लिंक देखें)। इस प्रकार, एयरफ़ॉइल को स्टाल करने के लिए मजबूर करने से शक्ति सीमित हो सकती है।

तो यह स्थापित किया जा सकता है कि अगर पवन टरबाइन के बिजली उत्पादन को सीमित करने के लिए हमले के कोण को बढ़ाने की जरूरत है, तो रोटर की गति कम होनी चाहिए। फिर से, इसे ब्लेड बल अनुभाग में चित्र से देखा जा सकता है। इसे टॉर्क-रोटर गति डायग्राम पर विचार करने से भी देखा जा सकता है। उपरोक्त टोक़-रोटर गति आरेख के संदर्भ में, उच्च हवा की गति पर रोटर की गति को कम करके, टर्बाइन स्टाल क्षेत्र में प्रवेश करती है, इस प्रकार बिजली उत्पादन को कुछ सीमित कर देती है।



पिच विनियमित
पिच विनियमन इस प्रकार पवन टरबाइन को ब्लेड पर हवा के हमले के कोण को सक्रिय रूप से बदलने की अनुमति देता है। इसे स्टॉल-विनियमित पवन टर्बाइन से अधिक पसंद किया जाता है क्योंकि यह बिजली उत्पादन के कहीं अधिक नियंत्रण को सक्षम बनाता है।

मूल्यांकित शक्ति के नीचे
स्टाल-विनियमित चर-गति पवन टर्बाइन के समान, प्रारंभिक परिचालन रणनीति $$C_{p~max}$$ वक्र पर काम करना है चूँकि ,शोर के स्तर जैसी बाधाओं के कारण, यह उप-मूल्यांकन हवा की गति की पूरी श्रृंखला के लिए संभव नहीं है। मूल्यांकन हवा की गति के नीचे, निम्नलिखित संचालन रणनीति कार्यरत है:



मूल्यांकित शक्ति से ऊपर
मूल्यांकन हवा की गति से ऊपर, पिचिंग तंत्र कार्यरत है। यह हमले के कोण पर अच्छे स्तर के नियंत्रण की अनुमति देता है, इस प्रकार टॉर्क पर नियंत्रण करता है। पिच कोण $$\beta$$ शून्य होने पर पिछले टोक़ रोटर-गति आरेख सभी भूखंड हैं। एक तीन आयामी भूखंड का उत्पादन किया जा सकता है जिसमें पिच कोण में विविधताएं सम्मिलित हैं।

अंततः मूल्यांकन हवा की गति से ऊपर 2डी प्लॉट में टर्बाइन नीचे दिए गए आरेख पर 'x' चिह्नित बिंदु पर काम करेगा।



गियरबॉक्स
निर्माता की इच्छाओं के आधार पर एक परिवर्तनीय गति में गियरबॉक्स हो सकता है या नहीं भी हो सकता है। गियरबॉक्स के बिना पवन टर्बाइनों को प्रत्यक्ष-चलन हवा टर्बाइन कहा जाता है। गियरबॉक्स का एक फायदा यह है कि जनरेटर को सामान्यतः रोटर को स्टेटर के भीतर उच्च गति से घुमाने के लिए डिज़ाइन किया जाता है। प्रत्यक्ष-चलन हवा  टर्बाइन इस विशेषता को प्रदर्शित नहीं करते हैं। गियरबॉक्स का नुकसान विश्वसनीयता और विफलता दर है।

गियरबॉक्स के बिना पवन टरबाइन का एक उदाहरण एनर्कोन इ82 है।

जेनरेटर
परिवर्तनीय गति पवन टर्बाइनों के लिए, दो प्रकार के जनरेटर में से एक का उपयोग किया जा सकता है: एक डीएफआईजी (दोगुना फेड प्रेरण जनरेटर या एक एफआरसी (पूरी तरह से मूल्यांकन  परिवर्तक) है।

एक डीएफआईजी जनरेटर एसी शक्ति  या  प्रसारण प्रणाली से प्रतिक्रियाशील शक्ति प्राप्त करता है; यह विफलता की स्थिति में एक संचरण प्रणाली की भेद्यता को बढ़ा सकता है। डीएफआईजी विन्यास के लिए जनरेटर को घाव रोटर होने की आवश्यकता होगी; इस तरह के विन्यास के लिए गिलहरी पिंजरा रोटार का उपयोग नहीं किया जा सकता है।

एक पूरी तरह से मूल्यांकन परिवर्तक या तो प्रेरण जनरेटर या स्थायी चुंबक जनरेटर हो सकता है। डीएफआईजी के विपरीत, एफआरसी जनरेटर में गिलहरी पिंजरा रोटर लगा सकता है; इसका एक उदाहरण सीमेंस एसडब्ल्यूटी 3.6-107 है, जिसे उद्योग वर्कहॉर्स कहा जाता है। स्थायी चुंबक जनरेटर का एक उदाहरण सीमेंस SWT-2.3-113 है। एक स्थायी चुंबक जनरेटर का नुकसान उन सामग्रियों की लागत है जिन्हें सम्मिलित करने की आवश्यकता है।

ग्रिड कनेक्शन
एक स्थायी चुंबक तुल्यकालिक जनरेटर के साथ एक चर गति पवन टरबाइन पर विचार करें। जनरेटर एसी बिजली पैदा करता है। पवन टरबाइन द्वारा उत्पन्न एसी वोल्टेज की आवृत्ति जनरेटर के भीतर रोटर की गति का एक कार्य है:

$$ N = \frac{120f}{P} $$ जहां $$N$$ रोटर गति है, $$P$$ जनरेटर में ध्रुवों की संख्या है, और $$f$$ आउटपुट वोल्टेज की आवृत्ति है। यही है, जैसे हवा की गति बदलती है, रोटर की गति बदलती है, और इसलिए वोल्टेज की आवृत्ति भिन्न होती है। बिजली के इस रूप को सीधे ट्रांसमिशन सिस्टम से नहीं जोड़ा जा सकता है। इसके बजाय, इसे ठीक किया जाना चाहिए जिससे इसकी आवृत्ति स्थिर रहे। इसके लिए, शक्ति कन्वर्टर्स कार्यरत हैं, जिसके परिणामस्वरूप ट्रांसमिशन सिस्टम से पवन टरबाइन का डी-कपलिंग होता है। चूंकि अधिक पवन टर्बाइनों को एक राष्ट्रीय विद्युत प्रणाली में सम्मिलित किया जाता है, जड़ता कम हो जाती है। इसका मतलब यह है कि एकल उत्पादन इकाई के नुकसान से संचरण प्रणाली की आवृत्ति अधिक दृढ़ता से प्रभावित होती है।

शक्ति कन्वर्टर्स
जैसा कि पहले ही उल्लेख किया गया है, चर गति पवन टरबाइन द्वारा उत्पन्न वोल्टेज गैर-ग्रिड अनुरूप है। इन टर्बाइनों से बिजली के साथ ट्रांसमिशन नेटवर्क की आपूर्ति करने के लिए, सिग्नल को शक्ति परिवर्तक के माध्यम से पारित किया जाना चाहिए, जो यह सुनिश्चित करता है कि पवन टरबाइन द्वारा उत्पन्न होने वाली बिजली के वोल्टेज की आवृत्ति ट्रांसमिशन सिस्टम की आवृत्ति होती है जब यह ट्रांसमिशन सिस्टम पर स्थानांतरित। शक्ति  कन्वर्टर्स पहले सिग्नल को डीसी में परिवर्तित करते हैं, और फिर डीसी सिग्नल को एसी सिग्नल में परिवर्तित करते हैं। उपयोग की जाने वाली तकनीकों में पल्स चौड़ाई उतार - चढ़ाव सम्मिलित है।