বায়ু টারবাইন কীভাবে কাজ করে

মডেলটি কী দেখায়

মহাসড়ক থেকে দেখলে বায়ু টারবাইনকে মনে হয় যেন প্রায় নড়ছেই না। ব্লেডগুলো মোটামুটি প্রতি পাঁচ সেকেন্ডে একবার ঘোরে, এত ধীরে যে গোনা যায়। অথচ সেই ব্লেডের ডগা চলে প্রায় 300 km/h বেগে, আর টাওয়ারের মাথার যন্ত্রটি কয়েক হাজার বাড়িতে বিদ্যুৎ দিতে পারে। এই প্রদর্শনী একটি বড় টারবাইন খুলে দেখায়, একটি ধীর, ভারী রোটর কীভাবে চলমান বাতাসকে বিদ্যুতে বদলায়, আর বাতাস জোরালো হলে কেন সে ইচ্ছে করেই শক্তি ছেড়ে দেয়।

মডেলটি NREL 5 MW রেফারেন্স টারবাইন। যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল রিনিউয়েবল এনার্জি ল্যাবরেটরির (এখন ন্যাশনাল ল্যাবরেটরি অব দ্য রকিজ, NLR) গবেষকেরা 2009 সালে এটি নির্ধারণ করেন, যাতে সবাই একই যন্ত্রে সিমুলেশন চালাতে পারেন। এটি একটি আসল টারবাইন, REpower 5M-এর খুব কাছাকাছি। রোটর 126 m চওড়া, হাব মাটি থেকে 90 m ওপরে, আর তিনটি ব্লেডের প্রতিটি 61.5 m লম্বা। মডেলের প্রতিটি মাপ মিটারে আঁকা, তাই টাওয়ারের গোড়ার সার্ভিস ভ্যানটিও সঠিক অনুপাতে।

বাতাসের গতির স্লাইডার দিয়ে পাওয়ার কার্ভ বরাবর চলুন। রোটর দ্রুত হয়, ব্লেড নিজের বিয়ারিংয়ে ঘোরে আর চার্টের লাল বিন্দু সঙ্গে চলে। বাতাসের দিকের স্লাইডার ন্যাসেলকে ঘোরায়, আর বাতাসের বিন্দুগুলো দেখায় 630 m দূরের দ্বিতীয় টারবাইনে পৌঁছানোর আগে রোটরের পেছনে বাতাস কীভাবে ধীর হয়।

বাতাসের শক্তি কোথা থেকে আসে

চলমান বাতাসের গতিশক্তি আছে। প্রতি সেকেন্ডে রোটরের সমান চওড়া আর বাতাসের গতির সমান লম্বা একটি বাতাসের স্তম্ভ রোটর ডিস্কের ভেতর দিয়ে যায়। এর ভর বাতাসের গতির সঙ্গে বাড়ে, আর প্রতি কিলোগ্রামের শক্তি বাড়ে গতির বর্গের সঙ্গে, তাই বাতাসের বয়ে আনা শক্তি বাড়ে গতির ঘনের সঙ্গে:

P = ½ ρ A v³

এখানে ρ বাতাসের ঘনত্ব (সমুদ্রপৃষ্ঠে 1.225 kg/m³), A ব্লেডের ঘোরা এলাকা, আর v বাতাসের গতি। এই রোটরের জন্য A = π × 63² = 12,469 m²। 8 m/s-এ এতে ডিস্কের ভেতর দিয়ে যায় 3.91 MW। 11.4 m/s-এ তা 11.3 MW, আর 25 m/s-এ 119 MW।

এই ঘনের কারণেই জায়গা বাছাই এত গুরুত্বপূর্ণ। 6 m/s আর 12 m/s-এর বাতাস শুনতে কাছাকাছি, কিন্তু দ্বিতীয়টি আট গুণ শক্তি বয়ে আনে। রোটরের প্রতি বর্গমিটারে 8 m/s-এর হাওয়া আনে 314 W, আর 12 m/s-এর বাতাস আনে 1,058 W।

টারবাইন এর কেবল একটি অংশ নেয়। যে অংশটি নেয় তার নাম শক্তি সহগ, Cp, আর শ্যাফটের শক্তির পুরো সমীকরণ P = ½ ρ A v³ Cp। মঞ্চের কোণের রিডআউট বর্তমান সংখ্যা দিয়ে এটি লিখে দেখায়, আর জেনারেটরের 94.4 % দক্ষতা দিয়ে গুণ করে।

কোনো রোটর কেন 59.3 %-এর বেশি ধরতে পারে না

রোটর বাতাসকে পুরোপুরি থামাতে পারে না। থামালে বাতাস তার সামনে জমে যেত, আর কিছুই ভেতর দিয়ে যেত না। আবার বাতাসকে না ছুঁয়ে যেতে দিলে সে কিছুই পায় না। সেরা ফল মাঝামাঝি কোথাও, আর 1919 সালে জার্মান প্রকৌশলী আলবার্ট বেটজ হিসাব করে বের করেন ঠিক কোথায়।

রোটরকে একটি পাতলা ডিস্ক ভাবুন যা বাতাসকে ধীর করে। ডিস্কে বাতাস যে ভগ্নাংশে ধীর হয় তাকে বলুন a, অক্ষীয় আবেশ গুণক। ভর ও ভরবেগের সংরক্ষণ থেকে পাওয়া যায় Cp = 4a(1 − a)²। সবচেয়ে বড় মান আসে a = 1/3-এ, যখন ডিস্কে বাতাস বাতাসের গতির দুই-তৃতীয়াংশে আর অনেক পেছনে এক-তৃতীয়াংশে নেমে আসে। সর্বোচ্চ মান

Cp = 16/27 ≈ 0.593

সংখ্যায় গণনা করলেও একই চূড়া পাওয়া যায়: a = 0.3333-এ 0.59259। এটাই বেটজ সীমা, পাওয়ার চার্টে নীল বিন্দুরেখা। NREL রোটর তার সেরা অবস্থায় 0.482 শক্তি সহগে পৌঁছায়, সীমার 81 %। বাকিটা হারায় ব্লেডের ঘর্ষণে, ওয়েকে রেখে যাওয়া ঘূর্ণিতে আর ডগার চারপাশ দিয়ে বেরিয়ে যাওয়া বাতাসে।

ব্লেড এক পাশে চলা একটি ডানা

প্রতিটি ব্লেড বিমানের ডানার মতো কাজ করে। তফাত হলো, সে বাতাসের আড়াআড়ি একটি বৃত্তে চলে, তাই যে বাতাসের সঙ্গে সে মেলে তা একসঙ্গে দুই দিক থেকে আসে। বাতাস রোটরের তল ভেদ করে বয়, আর ব্লেডের নিজের চলন তলের বরাবর সামনে থেকে একটা হাওয়া তৈরি করে। দুটির যোগফল আপেক্ষিক বাতাস, আর ব্লেড আসলে এটাকেই অনুভব করে।

মঞ্চের নিচে ডান দিকের ছোট প্যানেলটি কেন্দ্র থেকে 47 m দূরে, অর্থাৎ বাইরের দিকে তিন-চতুর্থাংশে, ব্লেডের একটি টুকরোর জন্য এটা আঁকে। 8 m/s-এ সেই টুকরো চলে 45 m/s-এ, আর ডিস্কের ভেতর দিয়ে যাওয়া বাতাস (রোটরে আগেই ধীর হওয়া) প্রায় 6.6 m/s। তাই আপেক্ষিক বাতাস রোটরের তল থেকে মাত্র 8.3° কোণে আসে। এয়ারফয়েলটি এমনভাবে বসানো যে সে এই বাতাসের সঙ্গে প্রায় 6°-এর ছোট আক্রমণ কোণে মেলে, যেখানে কম টানে অনেক উত্তোলন মেলে। উত্তোলন আপেক্ষিক বাতাসের প্রায় সমকোণে থাকে, তাই তা চলার দিকে সামনে ঝোঁকে আর ব্লেডকে ঘুরিয়ে টানে।

হাবের কাছে ব্লেড ধীরে চলে কিন্তু বাতাস একই, তাই আপেক্ষিক বাতাস আরও খাড়া কোণে আসে। এজন্যই ব্লেড মোচড়ানো। NREL তালিকায় কর্ড রেখা গোড়ার কাছে 13.3° আর ডগায় নেমে 0.1°। ব্লেড 1-এর কমলা অংশগুলো তিনটি টুকরো দেখায়: 47.25 m-এরটি 15.85 m-এরটির চেয়ে 8.9° বেশি সমতল।

টুকরোগুলোর আকারও বদলায়। গোড়া একটি গোল নল, কারণ তাকে 61.5 m লম্বা কড়িকাঠের বাঁকানো বল হাবে পৌঁছাতে হয়। বাইরের দিকে এটা মোটা DU এয়ারফয়েল হয় (চওড়ার 40 % থেকে 21 % পুরু), আর বাইরের এক-তৃতীয়াংশে থাকে পাতলা NACA 64 আকার। সবচেয়ে চওড়া কর্ড, 4.65 m, গোড়ার কাছে, আর ডগার কাছে কর্ড ছোট হয়ে 1.42 m।

ডগার গতি ও টিপ-স্পিড অনুপাত

টিপ-স্পিড অনুপাত, λ, হলো ব্লেডের ডগার গতিকে বাতাসের গতি দিয়ে ভাগ করা। রোটর কতটা ভালো কাজ করবে, এই সংখ্যাই তা ঠিক করে। বাতাসের তুলনায় রোটর খুব ধীরে ঘুরলে ব্লেড খুব খাড়া কোণে বাতাসের সঙ্গে মেলে আর স্টল করে। খুব দ্রুত ঘুরলে কোণ খুব ছোট বা ঋণাত্মক হয়ে যায়, আর ব্লেড ব্রেকের মতো কাজ করে।

NREL রোটরের সেরা অনুপাত 7.55। তখন 8 m/s-এ ডগা চলে 60 m/s-এ আর রোটর ঘোরে 9.2 rpm-এ। নিয়ন্ত্রক এর জন্য বাতাস মাপে না; জেনারেটরের গতি থেকে জেনারেটরের টর্ক ঠিক করে, যাতে রোটর নিজেই সেরা অনুপাতের কাছে থিতু হয়। 7 থেকে 10 m/s-এর মধ্যে রিডআউট দেখুন: বাতাস বদলায়, রোটরের গতিও বদলায়, আর λ থাকে 7.55-এ।

ডগা চিরকাল দ্রুত হতে পারে না। ডগার গতির সঙ্গে শব্দ দ্রুত বাড়ে, তাই NREL নকশা রোটরকে 12.1 rpm-এ সীমিত রাখে, অর্থাৎ ডগার গতি 80 m/s (287 km/h)। মডেলে রোটর 10.6 m/s-এ এই সীমায় পৌঁছায়। সেখান থেকে রেটেড বাতাস পর্যন্ত অনুপাত কমে আর Cp 0.482 থেকে নেমে প্রায় 0.47 হয়।

কম বাতাসে রোটরের একটি নিম্নসীমাও আছে। আসল যন্ত্র উৎপাদনের সময় কখনো 6.9 rpm-এর চেয়ে ধীরে ঘোরে না। মডেলে এই সীমা 3 থেকে 6 m/s পর্যন্ত চলে, তাই অনুপাত আদর্শের চেয়ে বেশি থাকে, আর রোটর 3 m/s-এ 33 kW ও 4 m/s-এ 181 kW বানায়।

12 rpm থেকে 1,174 rpm

ধীর রোটর বড় ঘোরানোর বল, অর্থাৎ টর্ক, তৈরি করে। রেটেড শক্তিতে প্রধান শ্যাফট 12.1 rpm-এ ঘোরার সময় প্রায় 42 লাখ নিউটন মিটার বহন করে। যে জেনারেটর এটা সরাসরি কাজে লাগাতে পারত তাকে খুব বড় হতে হতো। তাই NREL নকশা, REpower যন্ত্রের মতোই, গিয়ারবক্স ব্যবহার করে।

প্রধান শ্যাফট হাব থেকে প্রধান বিয়ারিংয়ের ওপর দিয়ে ন্যাসেলের ভেতরে যায়। গিয়ারের তিনটি ধাপ গতি 97 গুণ বাড়ায়, তাই দ্রুত শ্যাফটে 12.1 rpm হয়ে যায় 1,173.7 rpm। সেই শ্যাফটে পার্কিং ব্রেকের ডিস্ক থাকে আর সে জেনারেটর চালায়, যা শ্যাফটের শক্তির 94.4 % বিদ্যুতে বদলায়। ন্যাসেলের খোলস ভেদ করে দেখতে "ভেতরে দেখুন" চালু করুন। প্রধান শ্যাফটের কমলা চাবি রোটরের সঙ্গে ঘোরে; ব্রেক ডিস্কের দাগটা অনেক দ্রুত ঘোরে, যদিও পর্দা সেটাকে এমন গতিতে রাখে যাতে আপনি দেখতে পান।

কিছু টারবাইন গিয়ারবক্স বাদ দিয়ে অনেক মেরুর একটি বড়, ধীর জেনারেটর ব্যবহার করে, একে বলে ডাইরেক্ট ড্রাইভ। যুক্তরাষ্ট্রের জ্বালানি বিভাগ দুই ধরনের বিন্যাসেরই বর্ণনা দেয়। গিয়ারবক্স জেনারেটরকে ছোট রাখতে দেয়; ডাইরেক্ট ড্রাইভে গিয়ারবক্সেরই দরকার হয় না।

পাওয়ার কার্ভের চারটি অংশ

চার্টের কালো রেখাটি মডেলের পাওয়ার কার্ভ, আর এর আকার সব বড় টারবাইনেই এক।

3 m/s-এর কাট-ইন গতির নিচে শক্তি এত কম যে সংগ্রহ করে লাভ নেই। রোটর থেমে থাকে আর ব্লেডের কিনারা বাতাসের দিকে থাকে।

3 m/s থেকে রেটেড গতি পর্যন্ত ঘনের কারণে উৎপাদন খাড়াভাবে বাড়ে। রোটর যেখানে পারে সেরা টিপ-স্পিড অনুপাত মেনে চলে, আর বিন্দুটি নীল বেটজ রেখার নিচে একটা নির্দিষ্ট অনুপাতে থাকে।

11.4 m/s-এর রেটেড বাতাসে জেনারেটর 5 MW-এ পৌঁছায়। এর পরে কার্ভ সমতল: বেশি বাতাস মানে বেশি শক্তি নয়।

25 m/s-এর কাট-আউট গতিতে টারবাইন নিজেকে রক্ষা করতে বন্ধ হয়। ব্লেড 90°-এ ঘোরে আর রোটর থামে। শক্তি সোজা শূন্যে নামে, তাই চার্টের ডান দিকে একটা খাড়া পতন।

পিচ কীভাবে শক্তিকে 5 MW-এ রাখে

18 m/s-এ বাতাস রোটর দিয়ে 44.5 MW বয়ে আনে, রেটিংয়ের নয় গুণ। ব্লেড যেখানে ছিল সেখানে থাকলে রোটর প্রায় 9.8 MW দিতে চাইত। স্বয়ংক্রিয় পিচ বন্ধ করে পিচ 0°-এ রাখলে এটা দেখা যায়: চার্টে একটি কমলা ভাঙা রেখা আসে, বিন্দু 5 MW-এর ওপরে ওঠে আর রিডআউট ওভারলোডের সতর্কতা দেয়।

প্রতিকার হলো প্রতিটি ব্লেডকে তার লম্বা অক্ষে বাতাসের দিকে ঘোরানো। একে বলে ফেদারের দিকে পিচ করা। ব্লেড ঘুরলে তার সামনের কিনারা আপেক্ষিক বাতাসের দিকে আরও তাক করে, আক্রমণ কোণ কমে আর উত্তোলন কমে যায়। প্রস্থচ্ছেদ প্যানেল এই বদল দেখায়: 18 m/s-এ 47 m-এর টুকরোটি প্রায় শূন্য আক্রমণ কোণে বাতাসের সঙ্গে মেলে।

NREL প্রতিবেদন প্রতিটি বাতাসের গতিতে রেটেড শক্তি ধরে রাখার প্রয়োজনীয় পিচ দেয়: 12 m/s-এ 3.8°, 15 m/s-এ 10.5°, 18 m/s-এ 14.9° আর 25 m/s-এ 23.5°। মডেলের শক্তি সহগ সূত্র এই মানগুলোর সঙ্গে মেলানো, তাই 18 m/s-এ আপনি যে পিচ পড়েন তা NREL-এর সংখ্যা। সেখানে শক্তি সহগ মাত্র 0.119: রোটর এখন ইচ্ছে করে বাতাসের শক্তির প্রায় আট ভাগের এক ভাগ নেয়।

পিচ মোটর 17 টনের একটি ব্লেডকে মুহূর্তে ঘোরাতে পারে না। NREL নিয়ন্ত্রক সেকেন্ডে 8°-এ সীমিত, মডেলও তাই। বাতাস হঠাৎ 8 থেকে 18 m/s-এ তুলুন, দেখবেন প্রায় দুই সেকেন্ড ধরে পিচ বাড়ছে, আর রোটর গতি ধরে রাখছে।

বাতাসের দিকে মুখ ফেরানো

রোটর তখনই ভালো কাজ করে যখন সে বাতাসের ঠিক মুখোমুখি থাকে। ন্যাসেলের ছাদের বায়ুদিকনির্দেশক আর কাপ অ্যানিমোমিটার দিক ও গতি মাপে, আর ইয় ড্রাইভ টাওয়ারের মাথার একটি বড় আংটি-বিয়ারিংয়ে পুরো ন্যাসেলকে ঘোরায়। DOE এই বিন্যাস বর্ণনা করে আপউইন্ড টারবাইনের জন্য, যাদের রোটর টাওয়ারের বাতাসমুখী দিকে থাকে, যেমন এটি।

ন্যাসেল আর রোটর মিলে প্রায় 350 টন, তাই NREL নকশা এদের সেকেন্ডে মাত্র 0.3° ঘোরায়। বাতাসের 30° বদলের সঙ্গে তাল মেলাতে লাগে 100 সেকেন্ড। মডেল তা 20 গুণ দ্রুত আঁকে। বাতাসের দিকের স্লাইডার সরান: ছাদের দিকনির্দেশক সঙ্গে সঙ্গে ঘোরে, ন্যাসেল ধীরে পিছু নেয়, আর রিডআউটে ইয় ভুল কমতে থাকে।

ভুল যতক্ষণ থাকে, রোটর কেবল বাতাসের সেই অংশটুকু পায় যা তার অক্ষ বরাবর বয়। মডেলের সরল ছবিতে শক্তি ভুলের কোসাইনের ঘনের সঙ্গে কমে। 30°-এ শক্তির 65 % থাকে।

টারবাইনের পেছনের ধীর বাতাস

বাতাস থেকে নেওয়া শক্তি বাতাসকে ধীর করে রেখে যায়। রোটরের পেছনে থাকে একটি ওয়েক: ধীর, ঘূর্ণিত বাতাসের একটি চওড়া হতে থাকা নল, যা পাশ থেকে দ্রুত বাতাস মিশলে ধীরে ধীরে সেরে ওঠে। প্রবাহের বিন্দুগুলো একে নীল রঙে দেখায়, আর ফিকে আংটিগুলো দেখায় এটা কতদূর ছড়িয়েছে।

মডেলটি রিসো ন্যাশনাল ল্যাবরেটরির N. O. Jensen-এর 1983 সালে প্রকাশিত ওয়েক মডেল ব্যবহার করে। রোটরের ঠিক পেছনে বাতাস 1 − √(1 − Ct) ভগ্নাংশে ধীর হয়, যেখানে Ct থ্রাস্ট সহগ, আর ওয়েক সোজা রেখায় চওড়া হয়, প্রতি মিটার ভাটিতে 0.1 m হারে, যে মান Jensen ব্যবহার করেছিলেন। তারপর ধীরতা বাড়তে থাকা এলাকায় ছড়িয়ে পড়ে:

v_wake = v (1 − (1 − √(1 − Ct)) / (1 + 0.1 x / R)²)

8 m/s-এ মডেল রোটরের Ct = 0.59। 630 m-এ, অর্থাৎ পাঁচ ব্যাস ভাটিতে, ওয়েকের ব্যাসার্ধ বেড়ে 126 m আর বাতাস 7.3 m/s। এটা মাত্র 9 % ধীর, কিন্তু ঘনের কারণে দ্বিতীয় টারবাইন বানায় 1.34 MW, যেখানে প্রথমটি 1.78 MW, অর্থাৎ 76 %। বাতাস 20° ঘোরালে ওয়েক দ্বিতীয় রোটরের পাশ দিয়ে সরে যায়।

প্রায় 12 m/s-এর ওপরে ওয়েকের প্রভাব অনেক কম। প্রথম টারবাইন পিচ করছে আর বাতাসের ছোট অংশ নিচ্ছে, তাই কম ফাঁক রেখে যায়, আর দ্বিতীয় টারবাইন এমনিতেই রেটেড বাতাস পেরিয়ে গেছে।

টাওয়ার ও ভিত

টাওয়ার 87.6 m উঁচু স্টিলের নল, গোড়ায় 6 m আর মাথায় 3.87 m চওড়া, ফ্ল্যাঞ্জে বোল্ট দিয়ে জোড়া অংশে তৈরি। এর ওজন প্রায় 347 টন। একে ন্যাসেল আর রোটরের ভার বইতে হয়, আর তার চেয়েও বড় কথা, রোটরে বাতাসের ধাক্কা সইতে হয়, যা একে 90 m লম্বা লিভারের মতো বাঁকাতে চায়।

এই সবকিছু শেষ হয় ভিতে। মডেল স্থলের একটি সাধারণ ধরন দেখায়: কয়েক মিটার নিচে পোঁতা রিইনফোর্সড কংক্রিটের চওড়া স্ল্যাব, ওপরে একটি বেদি আর অ্যাঙ্কর বোল্টের আংটি, যা টাওয়ারের নিচের ফ্ল্যাঞ্জ আঁকড়ে ধরে। এখানে এর আকার মডেলের মান, 20 m চওড়া আর 3.6 m গভীর। চারপাশের মাটি কেটে সরানো যাতে আপনি দেখতে পান; আসল জায়গায় এটা ঢাকা থাকে আর ওপরে ঘাস জন্মায়।

এই টারবাইন অন্যদের তুলনায় কেমন

NREL টারবাইন 2009 সালের নকশা। তার পর থেকে গবেষণাগারগুলো আরও বড় রেফারেন্স টারবাইন প্রকাশ করেছে, আর DOE যুক্তরাষ্ট্রে আসলে তৈরি যন্ত্রের আকার নজরে রাখে। সারণি এদের পাশাপাশি রাখে। শেষ সারি DOE-র বৃদ্ধির হিসাব থেকে বের করা (1998 থেকে 1999-এর পর হাবের উচ্চতা 83 %, ঘোরা এলাকা প্রায় 670 % আর রেটিং 375 % বেড়েছে), তাই এটা আনুমানিক।

মঞ্চের নিচের তালিকা আরও এগোয়: 1941 সালের দুই-ব্লেডের স্মিথ-পুটনাম থেকে 22 MW IEA নকশা পর্যন্ত 22টি যন্ত্র, কোরিয়ার তামরা, হালিম ও দক্ষিণ-পশ্চিম প্রদর্শনী এলাকার সমুদ্র খামারসহ। একটি বেছে নিলে মঞ্চের টারবাইন সেই রোটরের আকার, হাবের উচ্চতা আর রেটিংয়ে নতুন করে আঁকা হয়, আকার বোঝাতে পাশে থাকে একজন মানুষ, একটি শহরের বাস আর সিওলের গগনচুম্বী 63 বিল্ডিং। সমুদ্রের টারবাইন সমুদ্রে মনোপাইলের ওপর দাঁড়ায়।

দুটি বিষয় চোখে পড়ে। মডেলের রোটর আজকের গড় স্থল টারবাইনের কাছাকাছি, কিন্তু রেটিং বেশি, কারণ এটা সমুদ্র গবেষণার জন্য নির্ধারিত, যেখানে বড় জেনারেটরে লাভ। আর রোটর যত বড়, তত ধীরে ঘোরে: 240 m IEA রোটরের সর্বোচ্চ 7.56 rpm, তবু তার ডগা NREL রোটরের চেয়ে দ্রুত চলে, 95 m/s-এ। NREL 5 MW প্রতিবেদন তার নিজের ডগার গতিসীমার কারণ হিসেবে শব্দের কথা বলে।

নির্দিষ্ট ক্ষমতা ও ক্ষমতা গুণক

একটি বায়ুকল সবচেয়ে ভালো অবস্থায় কত দেয়, তা বলে তার রেটেড ক্ষমতা। এক বছরে সে আসলে কত বানায়, তা নির্ভর করে বাতাস কত ঘণ্টা তাকে সেই ক্ষমতায় পৌঁছাতে দেয় তার ওপর। এর জন্য প্রকৌশলীরা দুটি সংখ্যা ব্যবহার করেন। নির্দিষ্ট ক্ষমতা হলো রেটেড ক্ষমতাকে ঘূর্ণি-এলাকা দিয়ে ভাগ করলে যা পাওয়া যায়। ক্ষমতা গুণক হলো কোনো সময়ে আসলে তৈরি হওয়া শক্তিকে, যন্ত্রটি পুরো সময় রেটেড ক্ষমতায় চললে যে শক্তি তৈরি হতো তা দিয়ে ভাগ করা।

প্রদর্শনীর সংখ্যা দিয়ে নির্দিষ্ট ক্ষমতা হিসাব করা যাক। NREL 5 MW রোটর ঘেরে 12,469 m², তাই তার নির্দিষ্ট ক্ষমতা 50,00,000 W / 12,469 m² = 401 W/m²। IEA 15 MW আদর্শ রোটরের ব্যাস 240 m, তাই A = π × 120² = 45,239 m² এবং নির্দিষ্ট ক্ষমতা 1,50,00,000 / 45,239 = 332 W/m²। বড় রোটরের পেছনে অনুপাতে বড় জেনারেটর আছে, কিন্তু রোটরের প্রতি বর্গমিটারে হিসাব করলে সেটি ছোট।

নির্দিষ্ট ক্ষমতা কম মানে নিজের জেনারেটরের তুলনায় বড় রোটর। এমন রোটর দুর্বল বাতাসেও জেনারেটর ভরার মতো বাতাস ধরে, তাই রেটেড ক্ষমতার কাছাকাছি বেশি ঘণ্টা কাটায়। IEA Wind আদর্শ বায়ুকল নিয়ে NREL-এর প্রতিবেদন বলছে, জরিপে অংশ নেওয়া নকশাকারীরা স্থলভাগের আদর্শ বায়ুকলের জন্য 250 W/m²-এর নিচে নির্দিষ্ট ক্ষমতা চেয়েছিলেন, কারণ কম বাতাসের বায়ুকল অনেক বেশি ক্ষমতা গুণক পায়। একই প্রতিবেদনে Haliade-X সমুদ্রবায়ুকল সম্পর্কে GE-এর অনুমানও আছে: প্রায় 150 m উঁচু টাওয়ারে নির্দিষ্ট ক্ষমতা 315 W/m² এবং ক্ষমতা গুণক 63 %। এই 63 % একটি নকশার জন্য নির্মাতার অনুমান, মাপা জাতীয় গড় নয়। এই পাতায় মাপা গড় দেওয়া হয়নি, কারণ এখানে যাচাই করা কোনো উৎসে তা নেই।

ডগার গতি, রোটরের গতি ও শব্দ

ব্লেডের ডগার গতি হলো রোটরের কৌণিক বেগ (rad/s) গুণ ব্যাসার্ধ। সীমায় থাকা NREL রোটরে 12.1 rpm মানে 12.1 × 2π / 60 = 1.267 rad/s, আর 1.267 × 63 m = 79.8 m/s, যা NREL-এর সারণি 80 m/s লিখেছে। IEA 15 MW রোটরে 7.56 rpm থেকে 0.792 rad/s হয় এবং 0.792 × 120 m = 95 m/s।

ডগার গতির ঊর্ধ্বসীমা আছে বলে বড় রোটরকে ধীরে ঘুরতে হয়। ডগার গতি একই রেখে ব্যাসার্ধ দ্বিগুণ হলে rpm অর্ধেক হয়। তাই 240 m রোটর ঘোরে 7.56 rpm-এ আর 126 m রোটর 12.1 rpm-এ, যদিও বড়টির ডগা বেশি দ্রুত।

এই সীমা মূলত শব্দের কারণে। NREL-এর প্রতিবেদন বলছে, নিয়ন্ত্রকে যোগ করা 2½ অঞ্চলের কাজ রেটেড ক্ষমতায় ডগার গতি এবং তার সঙ্গে শব্দ সীমিত রাখা। IEA Wind-এর জরিপে বেশির ভাগ নকশাকারী স্থলভাগের আদর্শ বায়ুকলের জন্য সর্বোচ্চ ডগার গতি 80 থেকে 90 m/s এবং সমুদ্রবায়ুকলের জন্য 90 থেকে 110 m/s সুপারিশ করেন। এগুলো নকশার সিদ্ধান্ত, প্রকৃতির নিয়ম নয়।

সমুদ্রবায়ুকলকে কী ধরে রাখে

প্রদর্শনী স্থলের ভিত আঁকে, কিন্তু NREL-এর 5 MW প্রতিবেদন বলছে, সমুদ্রে ঠেকনা কাঠামো নির্ভর করে জায়গার পানির গভীরতা, মাটি, বাতাস ও ঢেউয়ের ওপর। প্রধান ধরনগুলো তাতে বলা আছে: তলদেশে গাঁথা মনোপাইল, গ্র্যাভিটি ভিত, ট্রাইপড, কোয়াডপড ও জালির জ্যাকেটের মতো স্পেস-ফ্রেম কাঠামো, আর ভাসমান কাঠামো।

IEA 15 MW আদর্শ বায়ুকল মনোপাইল ব্যবহার করে, অর্থাৎ সমুদ্রতলে ঠুকে বসানো একটি ইস্পাতের নল। এটি 30 m গভীর পানির জন্য নকশা করা। পাইলের বাইরের ব্যাস 10 m, তলদেশের ভেতরে ঢোকানো 45 m, ওজন 1,318 t; তার ওপরের টাওয়ারের ওজন 860 t। হাব 150 m উচ্চতায়, ফলে 120 m পর্যন্ত লম্বা ব্লেডের সবচেয়ে নিচু বিন্দু আর পানির তলের মাঝে 30 m ফাঁক থাকে। প্রতিবেদন বলছে, 10 m পাইল তৈরি ও বসানোর প্রযুক্তির সীমার কাছাকাছি। আরও গভীর পানির জন্য একই যন্ত্রের একটি ভাসমান সংস্করণ আছে, যা ইউনিভার্সিটি অব মেইনের নকশা করা অর্ধ-নিমজ্জিত প্ল্যাটফর্মের ওপর বসে এবং আলাদা প্রতিবেদনে বর্ণিত। মার্কিন জ্বালানি বিভাগ ভাসমান বায়ুশক্তির নকশা ও নির্মাণ নিয়ে গবেষণায় অর্থও দিয়েছে।

নকশাকে অনুনাদও এড়াতে হয়। প্রতিবেদন অনুযায়ী টাওয়ার ও পাইলের প্রথম স্বাভাবিক কম্পাঙ্ক 0.17 Hz, যা সব বাতাসের গতিতে রোটরের ঘূর্ণন কম্পাঙ্ক (1P) ও ব্লেড অতিক্রমের কম্পাঙ্কের (3P) মাঝখানে থাকে। তাতে আরও বলা আছে, এটি মার্কিন পূর্ব উপকূলের একটি সাধারণ জায়গার সবচেয়ে শক্তিশালী ঢেউয়ের কম্পাঙ্ক, 0.10 থেকে 0.13 Hz, থেকেও দূরে।

প্রচলিত ভুল ধারণা

বেশি বাতাস মানে সীমাহীন ক্ষমতা নয়। 11.4 m/s থেকে মডেল বায়ুকল 5 MW ধরে রাখে, আর 25 m/s-এর ওপরে কিছুই বানায় না। বাতাস তখনও বেশি ক্ষমতা বয়ে আনে; বায়ুকলই তা না নেওয়ার সিদ্ধান্ত নেয়।

বেৎজ সীমা ব্লেডের ত্রুটি নয়। এটি খোলা বাতাসে যেকোনো রোটরের জন্য প্রযোজ্য। 59.3 % হলো রোটরের চাকতি দিয়ে যাওয়া বাতাসের ক্ষমতার অংশ। NREL রোটর সবচেয়ে ভালো অবস্থায় 48.2 % নেয়।

ব্লেডের ডগা বাতাসের গতিতে চলে না। সেরা সেটিংয়ে সে বাতাসের চেয়ে 7.55 গুণ দ্রুত চলে, আর ব্লেড যে আপেক্ষিক বাতাস অনুভব করে তার বেশির ভাগ আসে তার নিজের গতি থেকে।

রেটেড ক্ষমতা গড় উৎপাদন নয়। 5 MW-এর যন্ত্র কদাচিৎ 5 MW-এ চলে। গড় উৎপাদনকে রেটেড ক্ষমতা দিয়ে ভাগ করলে ক্ষমতা গুণক মেলে, আর ঘনের নিয়ম ব্যাখ্যা করে কেন তা 100 %-এর অনেক নিচে থাকে: বেশির ভাগ ঘণ্টায় বাতাস রেটেড বাতাসের চেয়ে দুর্বল।

পর্দায় চেষ্টা করুন

1. বাতাসের গতির স্লাইডার 8 m/s-এ আনুন। রিডআউটে ডগার গতির অনুপাত 7.55 এবং প্রায় 9.2 rpm দেখা যায়। 10 m/s করুন: অনুপাত একই থাকে, rpm বাড়ে।
2. 10.6 m/s পর্যন্ত যান। রোটর 12.1 rpm-এ থেমে যায় এবং অনুপাত কমতে শুরু করে।
3. 11.4 m/s পার করুন। ক্ষমতার রেখা 5 MW-এ সমতল হয়ে যায় এবং পিচ কোণ বাড়তে শুরু করে।
4. স্বয়ংক্রিয় পিচ বন্ধ করুন এবং 18 m/s-এ পিচ 0° রাখুন। বিন্দুযুক্ত বক্ররেখা 5 MW-এর ওপরে ওঠে এবং রিডআউট ওভারলোডের সতর্কতা দেয়।
5. "ভেতরে দেখুন" চালু করুন। মূল শ্যাফটের কমলা কী ধীরে ঘোরে; ব্রেক ডিস্কের চিহ্ন অনেক দ্রুত ঘোরে, তবে পর্দা তাকে এমন গতিতে ধরে রাখে যা আপনি অনুসরণ করতে পারেন।
6. বাতাসের দিকের স্লাইডার সরান এবং ইয় ভুল কমতে দেখুন। তারপর তালিকা থেকে IEA Wind 15 MW আদর্শ বায়ুকল বেছে নিন এবং বাস ও 63 বিল্ডিংয়ের পাশে তার রোটর ও হাবের সঙ্গে NREL যন্ত্রের তুলনা করুন।

মডেল যা বাদ দেয়

মডেলে বাতাস স্থির আর সব উচ্চতায় একই। আসল বাতাসে দমকা আসে, দিক বদলায়, আর ওপরে বেশি জোরালো হয়, তাই বৃত্তের মাথায় থাকা ব্লেড নিচের চেয়ে বেশি বাতাস পায়।

শক্তি সহগ এসেছে একটি সাধারণ সূত্র থেকে, যা অনেক নিয়ন্ত্রণ পাঠ্যবইয়ে ব্যবহৃত হয়, আর একে NREL-এর চূড়া (7.55 টিপ-স্পিড অনুপাতে 0.482) ও NREL পিচ তালিকার সঙ্গে মেলানো হয়েছে। এটা ব্লেড-এলিমেন্ট গণনা নয়, তাই ওই বিন্দুগুলোর মাঝের সংখ্যা মডেলের মান। প্রস্থচ্ছেদ প্যানেলের আক্রমণ কোণ পুরো রোটরের আবেশ গুণক নেয় আর ব্লেডের কাছের ঘূর্ণি উপেক্ষা করে, তাই এটা আন্দাজ, পরিমাপ নয়।

NREL নিয়ন্ত্রকের একটি মসৃণ শুরুর অঞ্চল আর জেনারেটর স্লিপসহ একটি গতির অঞ্চল আছে; মডেল এদের বদলে সরল সীমা ব্যবহার করে। এটা টাওয়ারের ছায়া, ব্লেডের বাঁকা হওয়া, বরফ, গ্রিড বা জেনারেটরকে গ্রিডের সঙ্গে মেলানো কনভার্টার ধরে না। পর্দায় ইয় বাস্তবের চেয়ে 20 গুণ দ্রুত, আর প্রবাহের বিন্দু বাতাসের চেয়ে 4 গুণ দ্রুত চলে।

একটি সমাধান করা উদাহরণ: 150 m রোটর, 10 m/s বাতাস

প্রদর্শনীর সূত্র যেকোনো আকারে খাটে, তাই মডেলে নেই এমন একটি রোটর পরীক্ষা করা যাক। ধরুন রোটরের ব্যাস 150 m, বাতাস 10 m/s, সমুদ্রতলের বাতাস 1.225 kg/m³, ক্ষমতা সহগ 0.45 এবং জেনারেটরের দক্ষতা 94.4 %। এগুলো অনুশীলনের জন্য ধরা মান, কোনো নির্দিষ্ট যন্ত্রের সংখ্যা নয়।

ঘেরা এলাকা A = π × 75² = 17,671 m²। বাতাস চাকতির ভেতর দিয়ে ½ × 1.225 × 17,671 × 10³ = 10.8 MW বয়ে আনে, অর্থাৎ প্রতি বর্গমিটারে 612 W। বেৎজ সীমা এর বড়জোর 16/27, অর্থাৎ 6.41 MW, নিতে দেয়। ক্ষমতা সহগ 0.45 হলে শ্যাফটে 4.87 MW মেলে, আর জেনারেটর তা 4.60 MW বিদ্যুতে বদলায়।

এখান থেকে দুটি শিক্ষা মেলে। ব্যাস দ্বিগুণ করলে এলাকা চার গুণ হবে, কিন্তু বাতাসের গতি দ্বিগুণ হলে ক্ষমতা আট গুণ হবে। আর ভালো রোটরও বাতাস তার ভেতর দিয়ে যে ক্ষমতা বয়ে আনে তার অর্ধেকেরও অনেক কম দেয়।