ऊर्ध्वाधर-अक्ष पवन टरबाइन

ऊर्ध्वाधर-अक्षीय विंड टर्बाइन (वीएडब्ल्यूटी) एक प्रकार का विंड टर्बाइन है जहां मुख्य रोटर-शाफ्ट को वायु के विपरीत दिशा में लगाया जाता है जबकि मुख्य घटक टर्बाइन के आधार पर स्थित होते हैं। यह व्यवस्था जनरेटर और गियरबॉक्स को सतह के निकट स्थित करने की स्वीकृति देती है, जिससे सेवा और मरम्मत की सुविधा प्राप्त होती है। वीएडब्ल्यूटी को वायु की ओर इंगित करने की आवश्यकता नहीं होती है, क्योकि यह वायु-संवेदक और अभिविन्यास तंत्र की आवश्यकता को हटा देता है। प्रारम्भिक प्ररूपों (सेवोनियस, डैरियस और जीरोमिल) की प्रमुख कमियों में प्रत्येक क्रांति के समय महत्वपूर्ण टॉर्क तरंग और ब्लेड पर बड़े झुकने वाले क्षण सम्मिलित थे। बाद के डिज़ाइनों ने ब्लेडों को हेलिकली (गोरलोव प्रकार) घुमाकर टॉर्क तरंग को संबोधित किया गया था। सवोनियस ऊर्ध्वाधर-अक्षीय विंड टर्बाइन (वीएडब्ल्यूटी) व्यापक नहीं हैं, लेकिन छोटे क्षैतिज-अक्षीय विंड टर्बाइन (एचएडब्ल्यूटी) की तुलना में उनकी कार्य और अशांत प्रवाह-क्षेत्रों में अपेक्षाकृत प्रदर्शन उन्हें शहरी वातावरण में वितरित पीढ़ी के उपकरणों के लिए एक अच्छा विकल्प बनाता है।

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

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

कंप्यूटर मॉडलिंग से पता चलता है कि ऊर्ध्वाधर-अक्षीय विंड टर्बाइनों का उपयोग करके निर्मित विंड फार्म पारंपरिक क्षैतिज अक्षीय विंड टर्बाइनों की तुलना में 15% अधिक कुशल 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। 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। अधिकतम वेग $$\theta =0{}^\circ $$ के लिए पाया जाता है और न्यूनतम $$\theta =180{}^\circ $$ 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 मशीन के विपरीत दिशा ज़ोन में ब्लेड पर एक अलग घनात्मक कोण बनता है जो 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 $$\lambda =(\omega R) /U$$ के 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:

$$ \alpha = \tan^{-1} \left( \frac{V_n}{V_t} \right) $$

जो उपरोक्त ऊर्जा 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 सामान्यतः सापेक्ष वायु प्रवाह के गतिशील दबाव द्वारा सामान्यीकृत किया जाता है, जबकि सामान्य और स्पर्शरेखा गुणांक को सामान्यतः 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 = टर्बाइन 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, $$A$$ टर्बाइन का बह गया क्षेत्र है, और $$\nu$$ वायु 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 सम्मिलित होता है जो आने वाली वायु 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 टर्बाइन का लगभग आधा हिस्सा सकारात्मक टॉर्क उत्पन्न करता है, जबकि दूसरा पक्ष वायु 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 वायु 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 सम्मिलित थे। हालाँकि, ऐसे डिज़ाइन भी हैं जो सीधे ऊर्ध्वाधर एयरफ़ोइल का उपयोग करते हैं, जिन्हें एच-रोटर या गिरोमिल डेरियस विंड टर्बाइन कहा जाता है। इसके अलावा, क्रांति के दौरान टॉर्क को समान रूप से फैलाकर टर्बाइन 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 वायु से अधिक बिजली निकाल सकते हैं।

परिक्रामी पंख
घूमने वाले पंख वाले विंड टर्बाइन या घूमने वाले पंख वाले विंड 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-अक्षीय विंड टर्बाइनों (एचएडब्ल्यूटी) की तुलना में कई लाभ प्रदान करते हैं:
 * सर्वदिशात्मक वीएडब्ल्यूटी को वायु 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 वायु में सैकड़ों फीट कार्य करने की आवश्यकता के बजाय गियरबॉक्स सतही 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 विंड फार्मों पर स्थापित किया जा सकता है, जो बिजली उत्पादन को पूरक बनाता है। * वीएडब्ल्यूटी एचएडब्ल्यूटी के लिए अनुपयुक्त परिस्थितियों में कार्य कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, सवोनियस रोटर, जो अनियमित, धीमी वायु वाले सतही स्तर के संदर्भों में कार्य 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 वायु 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 टर्बाइन 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 अक्षीय 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, टर्बाइन रिक्ति और रोटर्स की संख्या सम्मिलित 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 टर्बाइन 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 वायु 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 विंड-ऊर्जा शोधकर्ताओं ने अपतटीय विंड 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 विंड ऊर्जा का अर्थशास्त्र भूमि-आधारित टर्बाइनों से अलग है। वीएडब्ल्यूटी तीन बड़े फायदे प्रदान करता है जो विंड ऊर्जा की लागत को कम कर सकते हैं: गुरुत्वाकर्षण का कम टर्बाइन 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 सम्मिलित किया गया था।

डुलास, एंग्लिसी को मार्च 2014 में पोर्ट टैलबोट वॉटरसाइड पर ब्रेकवाटर पर एक प्रोटोटाइप वीएडब्ल्यूटी स्थापित करने की अनुमति मिली। टर्बाइन 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 विंड ढाल सम्मिलित है जो वायु को आगे बढ़ने वाले ब्लेडों से रोकती है, और इस प्रकार ऊपर चर्चा किए गए "एग-बीटर" प्रकार के वीएडब्ल्यूटी के विपरीत, एक वायु-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.