ہوائی ٹربائن کیسے کام کرتی ہے

ماڈل کیا دکھاتا ہے

موٹروے سے دیکھیں تو ہوائی ٹربائن بمشکل حرکت کرتی دکھائی دیتی ہے۔ بلیڈ تقریباً ہر پانچ سیکنڈ میں ایک چکر لگاتے ہیں، اتنا آہستہ کہ گنے جا سکیں۔ پھر بھی ان بلیڈوں کے سرے تقریباً 300 km/h کی رفتار سے چلتے ہیں، اور ٹاور کے اوپر کی مشین چند ہزار گھروں کو بجلی دے سکتی ہے۔ یہ نمائش ایک بڑی ٹربائن کو کھول کر دکھاتی ہے کہ ایک سست اور بھاری روٹر چلتی ہوا کو بجلی میں کیسے بدلتا ہے، اور ہوا تیز ہونے پر وہ جان بوجھ کر طاقت کیوں چھوڑ دیتا ہے۔

ماڈل NREL 5 MW ریفرنس ٹربائن ہے۔ امریکہ کی نیشنل رینیوایبل انرجی لیبارٹری (جو اب نیشنل لیبارٹری آف دی راکیز، NLR کہلاتی ہے) کے محققین نے اسے 2009 میں طے کیا، تاکہ ہر کوئی ایک ہی مشین پر سمولیشن چلا سکے۔ یہ ایک اصل ٹربائن، REpower 5M، سے بہت قریب ہے۔ روٹر 126 m چوڑا ہے، حب زمین سے 90 m اوپر ہے اور تینوں بلیڈ 61.5 m لمبے ہیں۔ ماڈل کا ہر ناپ میٹر میں بنا ہے، اس لیے ٹاور کے نیچے کھڑی سروس وین بھی درست تناسب میں ہے۔

ہوا کی رفتار کے سلائیڈر سے پاور کرو پر آگے پیچھے چلیں۔ روٹر تیز ہوتا ہے، بلیڈ اپنے بیئرنگ پر گھومتے ہیں اور چارٹ پر سرخ نقطہ ساتھ چلتا ہے۔ ہوا کی سمت کا سلائیڈر نیسیل کو گھماتا ہے، اور ہوا میں نقطے دکھاتے ہیں کہ 630 m دور دوسری ٹربائن تک پہنچنے سے پہلے روٹر کے پیچھے ہوا کیسے سست ہوتی ہے۔

ہوا میں طاقت کہاں سے آتی ہے

چلتی ہوا میں حرکی توانائی ہوتی ہے۔ ہر سیکنڈ روٹر جتنا چوڑا اور ہوا کی رفتار جتنا لمبا ہوا کا ایک ستون روٹر ڈسک سے گزرتا ہے۔ اس کی کمیت ہوا کی رفتار کے ساتھ بڑھتی ہے اور فی کلوگرام توانائی رفتار کے مربع کے ساتھ، اس لیے ہوا کی لائی ہوئی طاقت رفتار کے مکعب کے ساتھ بڑھتی ہے:

P = ½ ρ A v³

یہاں ρ ہوا کی کثافت ہے (سطح سمندر پر 1.225 kg/m³)، A بلیڈوں کا گھیرا ہوا رقبہ ہے اور v ہوا کی رفتار۔ اس روٹر کے لیے A = π × 63² = 12,469 m²۔ 8 m/s پر اس سے 3.91 MW ڈسک سے گزرتا ہے۔ 11.4 m/s پر یہ 11.3 MW ہے، اور 25 m/s پر 119 MW۔

اسی مکعب کی وجہ سے جگہ کا انتخاب اتنا اہم ہے۔ 6 m/s اور 12 m/s کی ہوا سننے میں ملتی جلتی لگتی ہیں، مگر دوسری میں آٹھ گنا طاقت ہوتی ہے۔ روٹر کے فی مربع میٹر پر 8 m/s کی ہوا 314 W اور 12 m/s کی ہوا 1,058 W لاتی ہے۔

ٹربائن اس کا صرف ایک حصہ لیتی ہے۔ جتنا حصہ وہ لیتی ہے اسے پاور کوایفیشنٹ، Cp، کہتے ہیں، اور شافٹ کی طاقت کی پوری مساوات ہے P = ½ ρ A v³ Cp۔ اسٹیج کے کونے کا ریڈ آؤٹ اسے موجودہ اعداد کے ساتھ لکھتا ہے، اور 94.4 % کی جنریٹر کارکردگی سے ضرب دیتا ہے۔

کوئی روٹر 59.3 % سے زیادہ کیوں نہیں پکڑ سکتا

روٹر ہوا کو پوری طرح روک نہیں سکتا۔ اگر روکے تو ہوا اس کے آگے جمع ہو جائے گی اور آگے کچھ نہیں بہے گا۔ اگر ہوا کو چھوئے بغیر گزر جانے دے تو کچھ نہیں لیتا۔ بہترین نتیجہ بیچ میں کہیں ہے، اور 1919 میں جرمن انجینئر البرٹ بیٹز نے حساب لگایا کہ کہاں۔

روٹر کو ایک پتلی ڈسک سمجھیں جو ہوا کو سست کرتی ہے۔ ڈسک پر ہوا جس حصے سے سست ہوتی ہے اسے a کہیں، یعنی محوری انڈکشن فیکٹر۔ کمیت اور معیارِ حرکت کے تحفظ سے Cp = 4a(1 − a)² ملتا ہے۔ سب سے بڑی قدر a = 1/3 پر آتی ہے، جب ڈسک پر ہوا اپنی رفتار کے دو تہائی تک اور بہت پیچھے ایک تہائی تک سست ہو جاتی ہے۔ زیادہ سے زیادہ قدر ہے

Cp = 16/27 ≈ 0.593

حساب سے بھی وہی چوٹی ملتی ہے: a = 0.3333 پر 0.59259۔ یہی بیٹز کی حد ہے، جو پاور چارٹ پر نیلی نقطے دار لکیر ہے۔ NREL روٹر اپنی بہترین حالت میں 0.482 کا پاور کوایفیشنٹ پاتا ہے، یعنی حد کا 81 %۔ باقی بلیڈوں پر رگڑ، ویک میں رہ جانے والی گھومتی ہوا اور سروں کے پاس سے نکل جانے والی ہوا میں ضائع ہو جاتا ہے۔

بلیڈ ایک پر ہے جو پہلو کی طرف چلتا ہے

ہر بلیڈ ہوائی جہاز کے پر کی طرح کام کرتا ہے۔ فرق یہ ہے کہ وہ ہوا کے آر پار ایک دائرے میں چلتا ہے، اس لیے جس ہوا سے وہ ملتا ہے وہ ایک ساتھ دو سمتوں سے آتی ہے۔ ہوا روٹر کی سطح سے گزرتی ہے، اور بلیڈ کی اپنی حرکت سطح کے ساتھ ساتھ سامنے کی ہوا بناتی ہے۔ دونوں کا مجموعہ نسبتی ہوا ہے، اور بلیڈ اصل میں اسی کو محسوس کرتا ہے۔

اسٹیج کے نچلے کونے کا چھوٹا پینل یہ چیز مرکز سے 47 m دور، یعنی باہر کی طرف تین چوتھائی فاصلے پر، بلیڈ کے ایک ٹکڑے کے لیے دکھاتا ہے۔ 8 m/s پر وہ ٹکڑا 45 m/s سے چلتا ہے، جبکہ ڈسک سے گزرتی ہوا (جو روٹر سے پہلے ہی سست ہو چکی ہے) تقریباً 6.6 m/s ہے۔ اس لیے نسبتی ہوا روٹر کی سطح سے صرف 8.3° کے زاویے پر آتی ہے۔ ایئرفوائل اس طرح لگایا گیا ہے کہ وہ اس ہوا سے تقریباً 6° کے چھوٹے زاویۂ حملہ پر ملے، جہاں کم رگڑ میں اچھی لفٹ ملتی ہے۔ لفٹ نسبتی ہوا کے تقریباً قائمہ زاویے پر ہوتی ہے، اس لیے وہ چلنے کی سمت میں آگے جھکتی ہے اور بلیڈ کو گھماتی ہے۔

حب کے پاس بلیڈ آہستہ چلتا ہے مگر ہوا وہی رہتی ہے، اس لیے نسبتی ہوا زیادہ کھڑے زاویے پر آتی ہے۔ اسی وجہ سے بلیڈ مروڑا ہوا ہوتا ہے۔ NREL جدول میں کارڈ کی لکیر جڑ کے پاس 13.3° پر ہے اور سرے پر گھٹ کر 0.1° ہو جاتی ہے۔ بلیڈ 1 پر نارنجی حصے تین ٹکڑے دکھاتے ہیں: 47.25 m والا 15.85 m والے سے 8.9° زیادہ ہموار ہے۔

ٹکڑوں کی شکل بھی بدلتی ہے۔ جڑ ایک گول نلکی ہے، کیونکہ اسے 61.5 m لمبے شہتیر کا جھکاؤ حب تک پہنچانا ہوتا ہے۔ باہر کی طرف یہ موٹا DU ایئرفوائل بنتا ہے (چوڑائی کا 40 % سے 21 % موٹا)، اور بیرونی ایک تہائی میں پتلی NACA 64 شکل ہے۔ سب سے چوڑا کارڈ، 4.65 m، جڑ کے پاس ہے، اور سرے کے پاس کارڈ گھٹ کر 1.42 m رہ جاتا ہے۔

سرے کی رفتار اور ٹپ اسپیڈ تناسب

ٹپ اسپیڈ تناسب، λ، بلیڈ کے سرے کی رفتار کو ہوا کی رفتار سے تقسیم کرنے سے ملتا ہے۔ یہی عدد طے کرتا ہے کہ روٹر کتنا اچھا کام کرے گا۔ اگر روٹر ہوا کے حساب سے بہت آہستہ گھومے تو بلیڈ ہوا سے بہت کھڑے زاویے پر ملتے ہیں اور اسٹال ہو جاتے ہیں۔ بہت تیز گھومے تو زاویہ بہت چھوٹا یا منفی ہو جاتا ہے اور بلیڈ بریک کی طرح کام کرنے لگتے ہیں۔

NREL روٹر کے لیے بہترین تناسب 7.55 ہے۔ تب 8 m/s پر سرے 60 m/s سے چلتے ہیں اور روٹر 9.2 rpm پر گھومتا ہے۔ کنٹرولر اس کے لیے ہوا نہیں ناپتا؛ وہ جنریٹر کی رفتار سے جنریٹر کا ٹارک طے کرتا ہے، تاکہ روٹر خود ہی بہترین تناسب کے قریب ٹک جائے۔ 7 اور 10 m/s کے درمیان ریڈ آؤٹ دیکھیں: ہوا بدلتی ہے، روٹر کی رفتار ساتھ بدلتی ہے اور λ 7.55 پر رہتا ہے۔

سرے ہمیشہ تیز نہیں ہوتے جا سکتے۔ سرے کی رفتار کے ساتھ شور تیزی سے بڑھتا ہے، اس لیے NREL ڈیزائن روٹر کو 12.1 rpm پر روکتا ہے، یعنی سرے کی رفتار 80 m/s (287 km/h)۔ ماڈل میں روٹر 10.6 m/s پر اس حد تک پہنچتا ہے۔ وہاں سے ریٹڈ ہوا تک تناسب گھٹتا ہے اور Cp 0.482 سے پھسل کر تقریباً 0.47 ہو جاتا ہے۔

کم ہوا میں روٹر کی ایک نچلی حد بھی ہے۔ اصل مشین بجلی بناتے وقت کبھی 6.9 rpm سے آہستہ نہیں گھومتی۔ ماڈل میں یہ حد 3 سے 6 m/s تک لاگو رہتی ہے، اس لیے تناسب مثالی سے اونچا رہتا ہے اور روٹر 3 m/s پر 33 kW اور 4 m/s پر 181 kW بناتا ہے۔

12 rpm سے 1,174 rpm تک

سست روٹر بڑی گھمانے والی قوت، یعنی ٹارک، پیدا کرتا ہے۔ ریٹڈ طاقت پر مرکزی شافٹ 12.1 rpm پر گھومتے ہوئے تقریباً 42 لاکھ نیوٹن میٹر سہتا ہے۔ اسے براہ راست استعمال کرنے والا جنریٹر بہت بڑا ہوتا۔ NREL ڈیزائن، REpower مشین کی طرح، اس کی جگہ گیئر باکس لگاتا ہے۔

مرکزی شافٹ حب سے نیسیل میں ایک مرکزی بیئرنگ پر جاتا ہے۔ گیئر کے تین مرحلے رفتار کو 97 گنا بڑھاتے ہیں، اس لیے تیز شافٹ پر 12.1 rpm بن جاتا ہے 1,173.7 rpm۔ اس شافٹ پر پارکنگ بریک کی ڈسک ہے اور وہ جنریٹر چلاتا ہے، جو شافٹ کی 94.4 % طاقت کو بجلی میں بدلتا ہے۔ نیسیل کے خول کے آر پار دیکھنے کے لیے «اندر دیکھیں» چالو کریں۔ مرکزی شافٹ کی نارنجی چابی روٹر کے ساتھ گھومتی ہے؛ بریک ڈسک کا نشان کہیں تیز گھومتا ہے، اگرچہ اسکرین اسے اتنی رفتار پر رکھتی ہے کہ آپ دیکھ سکیں۔

کچھ ٹربائنیں گیئر باکس چھوڑ دیتی ہیں اور کئی قطبوں والا بڑا، سست جنریٹر لگاتی ہیں، جسے ڈائریکٹ ڈرائیو کہتے ہیں۔ امریکی محکمۂ توانائی دونوں ترتیبوں کو بیان کرتا ہے۔ گیئر باکس سے جنریٹر چھوٹا رہ سکتا ہے؛ ڈائریکٹ ڈرائیو میں گیئر باکس کی ضرورت ہی نہیں۔

پاور کرو کے چار حصے

چارٹ کی کالی لکیر ماڈل کا پاور کرو ہے، اور اس کی شکل ہر بڑی ٹربائن میں ایک جیسی ہوتی ہے۔

3 m/s کی کٹ اِن رفتار سے نیچے اتنی کم توانائی ہوتی ہے کہ جمع کرنا بیکار ہے۔ روٹر رکا رہتا ہے اور بلیڈ کا کنارہ ہوا کی طرف رہتا ہے۔

3 m/s سے ریٹڈ رفتار تک، مکعب کی وجہ سے پیداوار تیزی سے چڑھتی ہے۔ روٹر جہاں تک ممکن ہو بہترین ٹپ اسپیڈ تناسب پر چلتا ہے، اور نقطہ نیلی بیٹز لکیر سے ایک مقررہ حصہ نیچے رہتا ہے۔

11.4 m/s کی ریٹڈ ہوا پر جنریٹر 5 MW تک پہنچ جاتا ہے۔ اس کے بعد کرو سیدھا ہے: زیادہ ہوا کا مطلب زیادہ طاقت نہیں۔

25 m/s کی کٹ آؤٹ رفتار پر ٹربائن اپنی حفاظت کے لیے بند ہو جاتی ہے۔ بلیڈ 90° پر گھوم جاتے ہیں اور روٹر رک جاتا ہے۔ طاقت سیدھی صفر پر گرتی ہے، اسی لیے چارٹ کے دائیں کنارے پر ایک کھڑی ڈھلان ہے۔

پچ طاقت کو 5 MW پر کیسے رکھتی ہے

18 m/s پر ہوا روٹر سے 44.5 MW لے جاتی ہے، ریٹنگ کا نو گنا۔ اگر بلیڈ جہاں تھے وہیں رہتے تو روٹر تقریباً 9.8 MW دینے کی کوشش کرتا۔ یہ دیکھنے کے لیے خودکار پچ بند کریں اور پچ کو 0° پر رکھیں: چارٹ پر ایک نارنجی ٹوٹی لکیر آتی ہے، نقطہ 5 MW سے اوپر چڑھتا ہے اور ریڈ آؤٹ اوورلوڈ کی تنبیہ دیتا ہے۔

علاج یہ ہے کہ ہر بلیڈ کو اس کے اپنے لمبے محور پر ہوا کی طرف گھمایا جائے۔ اسے فیدر کی طرف پچ کرنا کہتے ہیں۔ بلیڈ گھومنے پر اس کا اگلا کنارہ نسبتی ہوا کی طرف زیادہ مڑتا ہے، زاویۂ حملہ گھٹتا ہے اور لفٹ کم ہو جاتی ہے۔ حصے کا پینل یہ تبدیلی دکھاتا ہے: 18 m/s پر 47 m والا ٹکڑا تقریباً صفر زاویۂ حملہ پر ہوا سے ملتا ہے۔

NREL رپورٹ ہر ہوا کی رفتار پر ریٹڈ طاقت قائم رکھنے کے لیے ضروری پچ بتاتی ہے: 12 m/s پر 3.8°، 15 m/s پر 10.5°، 18 m/s پر 14.9° اور 25 m/s پر 23.5°۔ ماڈل کا پاور کوایفیشنٹ فارمولا انہی قدروں پر بٹھایا گیا ہے، اس لیے 18 m/s پر آپ جو پچ پڑھتے ہیں وہ NREL کا عدد ہے۔ وہاں پاور کوایفیشنٹ صرف 0.119 ہے: روٹر اب جان بوجھ کر ہوا کی طاقت کا تقریباً آٹھواں حصہ لیتا ہے۔

پچ موٹریں 17 ٹن کے بلیڈ کو پل بھر میں نہیں گھما سکتیں۔ NREL کنٹرولر 8° فی سیکنڈ تک محدود ہے، اور ماڈل بھی۔ ہوا کو 8 سے سیدھا 18 m/s پر لے جائیں تو آپ دیکھیں گے کہ پچ تقریباً دو سیکنڈ میں چڑھتی ہے، جبکہ روٹر اپنی رفتار قائم رکھتا ہے۔

ہوا کی طرف مڑنا

روٹر تبھی اچھا کام کرتا ہے جب وہ ہوا کے بالکل سامنے ہو۔ نیسیل کی چھت پر لگے ہوا نما اور کپ اینیمومیٹر سمت اور رفتار ناپتے ہیں، اور یاؤ ڈرائیو ٹاور کے اوپر ایک بڑے چھلے نما بیئرنگ پر پوری نیسیل کو گھماتے ہیں۔ DOE یہ ترتیب اپ ونڈ ٹربائنوں کے لیے بیان کرتا ہے، جن کا روٹر ٹاور کی ہوا والی طرف ہوتا ہے، جیسے اس ٹربائن کا۔

نیسیل اور روٹر مل کر تقریباً 350 ٹن کے ہیں، اس لیے NREL ڈیزائن انہیں صرف 0.3° فی سیکنڈ سے گھماتا ہے۔ ہوا میں 30° کی تبدیلی کے ساتھ چلنے میں 100 سیکنڈ لگتے ہیں۔ ماڈل اسے 20 گنا تیز دکھاتا ہے۔ ہوا کی سمت کا سلائیڈر ہلائیں: چھت کا ہوا نما فوراً گھوم جاتا ہے، نیسیل آہستہ آہستہ پیچھے آتی ہے اور ریڈ آؤٹ میں یاؤ کی غلطی گھٹتی جاتی ہے۔

جب تک غلطی رہتی ہے، روٹر ہوا کا صرف وہ حصہ دیکھتا ہے جو اس کے محور کے ساتھ بہتا ہے۔ ماڈل کی سادہ تصویر میں طاقت غلطی کے کوسائن کے مکعب کے ساتھ گھٹتی ہے۔ 30° پر طاقت کا 65 % بچتا ہے۔

ٹربائن کے پیچھے سست ہوا

ہوا سے لی گئی توانائی ہوا کو سست چھوڑ جاتی ہے۔ روٹر کے پیچھے ایک ویک ہوتا ہے: سست، گھومتی ہوا کی ایک پھیلتی نلکی، جو کناروں سے تیز ہوا ملنے پر آہستہ آہستہ سنبھلتی ہے۔ بہاؤ کے نقطے اسے نیلے رنگ میں دکھاتے ہیں، اور ہلکے چھلے دکھاتے ہیں کہ یہ کتنا پھیل چکا ہے۔

ماڈل وہ ویک ماڈل استعمال کرتا ہے جو ریسو نیشنل لیبارٹری کے N. O. Jensen نے 1983 میں شائع کیا تھا۔ روٹر کے بالکل پیچھے ہوا 1 − √(1 − Ct) حصے سے سست ہوتی ہے، جہاں Ct تھرسٹ کوایفیشنٹ ہے، اور ویک ہر میٹر آگے جانے پر 0.1 m کی شرح سے سیدھی لکیر میں چوڑا ہوتا ہے، یہی قدر Jensen نے استعمال کی۔ پھر سست روی بڑھتے رقبے پر پھیل جاتی ہے:

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

8 m/s پر ماڈل روٹر کا Ct = 0.59 ہے۔ 630 m پر، یعنی پانچ قطر آگے، ویک کا نصف قطر 126 m ہو چکا ہے اور ہوا 7.3 m/s ہے۔ یہ صرف 9 % سست ہے، مگر مکعب کی وجہ سے دوسری ٹربائن 1.34 MW بناتی ہے جبکہ پہلی 1.78 MW، یعنی 76 %۔ ہوا کو 20° گھمائیں تو ویک دوسرے روٹر کے پہلو سے نکل جاتا ہے۔

تقریباً 12 m/s سے اوپر ویک کا اثر بہت کم رہ جاتا ہے۔ پہلی ٹربائن پچ کر رہی ہوتی ہے اور ہوا کا چھوٹا حصہ لے رہی ہوتی ہے، اس لیے کم خلا چھوڑتی ہے، اور دوسری ٹربائن ویسے بھی ریٹڈ ہوا سے آگے ہوتی ہے۔

ٹاور اور بنیاد

ٹاور 87.6 m اونچی اسٹیل کی نلکی ہے، نیچے 6 m اور اوپر 3.87 m چوڑی، فلینج پر بولٹ سے جڑے حصوں سے بنی۔ اس کا وزن تقریباً 347 ٹن ہے۔ اسے نیسیل اور روٹر کا وزن اٹھانا ہوتا ہے اور، اس سے بھی اہم، روٹر پر ہوا کا دھکا سہنا ہوتا ہے، جو اسے 90 m لمبے لیور کی طرح جھکانے کی کوشش کرتا ہے۔

یہ سب آخر میں بنیاد پر آتا ہے۔ ماڈل خشکی کی ایک عام قسم دکھاتا ہے: سریے دار کنکریٹ کی ایک چوڑی سلیب جو چند میٹر نیچے دبی ہوتی ہے، جس پر ایک چبوترا اور اینکر بولٹوں کے چھلے ہیں جو ٹاور کے نچلے فلینج کو جکڑتے ہیں۔ یہاں اس کا سائز ماڈل کی قدر ہے، 20 m چوڑی اور 3.6 m گہری۔ اردگرد کی مٹی کاٹ کر ہٹائی گئی ہے تاکہ آپ اسے دیکھ سکیں؛ اصل جگہ پر یہ ڈھکی ہوتی ہے اور اوپر گھاس اگی ہوتی ہے۔

یہ ٹربائن دوسروں کے مقابلے میں کیسی ہے

NREL ٹربائن 2009 کا ڈیزائن ہے۔ تب سے تحقیقی تجربہ گاہوں نے بڑی ریفرنس ٹربائنیں شائع کی ہیں، اور DOE امریکہ میں واقعی بنی مشینوں کے سائز پر نظر رکھتا ہے۔ جدول انہیں ساتھ ساتھ رکھتا ہے۔ آخری قطار DOE کے اضافے کے اعداد سے نکالی گئی ہے (1998 سے 1999 کے بعد حب کی اونچائی 83 % بڑھی، گھیرا ہوا رقبہ تقریباً 670 % اور ریٹنگ 375 %)، اس لیے یہ اندازاً ہے۔

اسٹیج کے نیچے کی فہرست اور آگے جاتی ہے، جس میں 1941 کی دو بلیڈ والی اسمتھ پٹنم سے لے کر 22 MW کے IEA ڈیزائن تک 22 مشینیں ہیں، کوریا کے تامرا، ہالم اور جنوب مغربی مظاہرہ مقام کے سمندری فارموں سمیت۔ کوئی ایک چنیں تو اسٹیج کی ٹربائن اسی روٹر سائز، حب اونچائی اور ریٹنگ میں دوبارہ بنتی ہے، سائز سمجھانے کے لیے پاس میں ایک انسان، ایک شہری بس اور سیول کی بلند عمارت 63 بلڈنگ کے ساتھ۔ سمندری ٹربائنیں سمندر میں مونوپائل پر کھڑی ہوتی ہیں۔

دو باتیں نمایاں ہیں۔ ماڈل کا روٹر آج کی اوسط زمینی ٹربائن کے قریب ہے، مگر اس کی ریٹنگ زیادہ ہے، کیونکہ اسے سمندری مطالعوں کے لیے طے کیا گیا تھا جہاں بڑا جنریٹر فائدہ مند ہوتا ہے۔ اور روٹر جتنا بڑا، اتنا آہستہ گھومتا ہے: 240 m کا IEA روٹر زیادہ سے زیادہ 7.56 rpm پر گھومتا ہے، پھر بھی اس کے سرے NREL روٹر سے تیز، 95 m/s سے چلتے ہیں۔ NREL 5 MW رپورٹ اپنی سرے کی رفتار کی حد کی وجہ شور بتاتی ہے۔

مخصوص طاقت اور صلاحیت عامل

ہوائی ٹربائن کی ریٹڈ طاقت بتاتی ہے کہ وہ بہترین حالت میں کتنی دیتی ہے۔ ایک سال میں وہ اصل میں کتنی بناتی ہے، اس کا انحصار اس پر ہے کہ ہوا اسے کتنے گھنٹے وہاں تک پہنچنے دیتی ہے۔ انجینئر اس کے لیے دو عدد استعمال کرتے ہیں۔ مخصوص طاقت ریٹڈ طاقت کو گھیرے گئے رقبے سے تقسیم کرنے پر ملتی ہے۔ صلاحیت عامل کسی مدت میں اصل میں بننے والی توانائی کو اس توانائی سے تقسیم کرنے پر ملتا ہے جو مشین پورا وقت ریٹڈ طاقت پر چل کر بناتی۔

نمائش کے اعداد سے مخصوص طاقت نکالتے ہیں۔ NREL 5 MW روٹر 12,469 m² رقبہ گھیرتا ہے۔ اس کی مخصوص طاقت: 5,000,000 W کو 12,469 m² سے تقسیم کریں۔ نتیجہ 401 W/m² ہے۔

IEA 15 MW حوالہ روٹر کا قطر 240 m ہے۔ رقبہ A = π × 120² ہے۔ نتیجہ 45,239 m²۔ مخصوص طاقت: 15,000,000 W کو 45,239 m² سے تقسیم کریں۔ نتیجہ 332 W/m²۔ بڑے روٹر کے پیچھے تناسب سے بڑا جنریٹر ہے، مگر روٹر کے ہر مربع میٹر کے حساب سے چھوٹا۔

کم مخصوص طاقت کا مطلب ہے اپنے جنریٹر کے لیے بڑا روٹر۔ ایسا روٹر کمزور ہوا میں بھی جنریٹر بھرنے جتنی ہوا پکڑ لیتا ہے، اس لیے ریٹڈ طاقت کے آس پاس زیادہ گھنٹے گزارتا ہے۔ IEA Wind حوالہ ٹربائنوں پر NREL کی رپورٹ کے مطابق سروے میں شامل ڈیزائنروں نے زمینی حوالہ ٹربائن کے لیے 250 W/m² سے کم مخصوص طاقت مانگی، کیونکہ کم ہوا والی ٹربائنیں کہیں زیادہ صلاحیت عامل حاصل کرتی ہیں۔ وہی رپورٹ Haliade-X سمندری ٹربائن کے لیے GE کا اندازہ بھی دیتی ہے: تقریباً 150 m اونچے ٹاور پر مخصوص طاقت 315 W/m² اور صلاحیت عامل 63 %۔ یہ 63 % ایک ڈیزائن کے لیے بنانے والے کا اندازہ ہے، ناپا گیا قومی اوسط نہیں۔ اس صفحے پر ناپے گئے اوسط نہیں دیے گئے، کیونکہ یہاں جانچے گئے کسی ماخذ میں وہ نہیں ملے۔

سرے کی رفتار، روٹر کی رفتار اور شور

بلیڈ کے سرے کی رفتار روٹر کی زاویائی رفتار (rad/s) ضرب رداس ہے۔ NREL روٹر کی حد پر 12.1 rpm کا مطلب 12.1 × 2π / 60 ہے۔ نتیجہ 1.267 rad/s۔

اب 1.267 کو 63 m سے ضرب دیں۔ نتیجہ 79.8 m/s۔ NREL کا جدول اسے 80 m/s لکھتا ہے۔

IEA 15 MW روٹر میں 7.56 rpm سے 0.792 rad/s بنتا ہے۔ اسے 120 m سے ضرب دیں۔ نتیجہ 95 m/s۔

سرے کی رفتار پر حد ہے، اس لیے بڑے روٹر کو آہستہ گھومنا پڑتا ہے۔ سرے کی وہی رفتار رکھتے ہوئے رداس دگنا ہو تو rpm آدھی رہ جاتی ہے۔ اسی لیے 240 m کا روٹر 7.56 rpm پر اور 126 m کا روٹر 12.1 rpm پر گھومتا ہے، حالانکہ بڑے کے سرے زیادہ تیز ہیں۔

یہ حد زیادہ تر شور کی وجہ سے ہے۔ NREL کی رپورٹ کے مطابق کنٹرولر میں شامل کیا گیا علاقہ 2½ ریٹڈ طاقت پر سرے کی رفتار، اور اس کے ساتھ شور، محدود کرنے کے لیے ہے۔ IEA Wind کے سروے میں زیادہ تر ڈیزائنروں نے زیادہ سے زیادہ سرا رفتار زمینی حوالہ ٹربائن کے لیے 80 سے 90 m/s اور سمندری کے لیے 90 سے 110 m/s تجویز کی۔ یہ ڈیزائن کے انتخاب ہیں، قدرت کے قانون نہیں۔

سمندری ٹربائن کو کیا تھامتا ہے

نمائش زمینی بنیاد دکھاتی ہے، مگر NREL کی 5 MW رپورٹ بتاتی ہے کہ سمندر میں سہارا دینے والے ڈھانچے جگہ کی پانی کی گہرائی، مٹی، ہوا اور لہروں پر منحصر ہوتے ہیں۔ وہ بنیادی اقسام گنواتی ہے: تہہ میں گڑے مونوپائل، کشش ثقل کی بنیادیں، ٹرائی پوڈ، کواڈ پوڈ اور جالی دار جیکٹ جیسے اسپیس فریم ڈھانچے، اور تیرتے ڈھانچے۔

IEA 15 MW حوالہ ٹربائن مونوپائل استعمال کرتی ہے، یعنی سمندر کی تہہ میں ٹھونکی گئی ایک فولادی نلی۔ یہ 30 m گہرے پانی کے لیے ڈیزائن کی گئی ہے۔ پائل کا بیرونی قطر 10 m ہے۔ وہ تہہ میں 45 m گڑا ہے اور اس کا وزن 1,318 t ہے۔ اس کے اوپر کے ٹاور کا وزن 860 t ہے۔ ہب 150 m کی بلندی پر ہے، اس لیے 120 m تک لمبے بلیڈ کے سب سے نچلے نقطے اور پانی کی سطح کے بیچ 30 m کا فاصلہ رہتا ہے۔ رپورٹ کہتی ہے کہ 10 m کا پائل تیاری اور تنصیب کی حدوں کے قریب ہے۔ زیادہ گہرے پانی کے لیے اسی مشین کا تیرتا ورژن ہے، جو یونیورسٹی آف مین کے ڈیزائن کیے نیم غوطہ پلیٹ فارم پر ٹکا ہے اور الگ رپورٹ میں بیان ہوا ہے۔ امریکی محکمہ توانائی نے تیرتی ہوائی توانائی کے ڈیزائن اور تیاری پر تحقیق کے لیے رقم بھی دی ہے۔

ڈیزائن کو گمک سے بھی بچنا ہوتا ہے۔ رپورٹ ٹاور اور پائل کی پہلی قدرتی تعدد 0.17 Hz بتاتی ہے، جو ہوا کی تمام رفتاروں پر روٹر کی گردشی تعدد (1P) اور بلیڈ گزرنے کی تعدد (3P) کے درمیان رہتی ہے۔ وہ مزید کہتی ہے کہ یہ امریکی مشرقی ساحل کی ایک عام جگہ کی سب سے زیادہ توانائی والی لہروں کی تعدد، 0.10 سے 0.13 Hz، سے بھی دور ہے۔

عام غلط فہمیاں

زیادہ ہوا کا مطلب بے حد طاقت نہیں۔ 11.4 m/s سے ماڈل ٹربائن 5 MW پر رہتی ہے، اور 25 m/s سے اوپر کچھ نہیں بناتی۔ ہوا اب بھی زیادہ طاقت لاتی ہے؛ ٹربائن جان بوجھ کر اسے نہیں لیتی۔

بیٹز حد بلیڈ کی خرابی نہیں۔ یہ کھلی ہوا میں کسی بھی روٹر پر لاگو ہوتی ہے۔ 59.3 % روٹر کی ڈسک سے گزرنے والی ہوا کی طاقت کا حصہ ہے۔ NREL روٹر بہترین حالت میں 48.2 % لیتا ہے۔

بلیڈ کا سرا ہوا کی رفتار سے نہیں چلتا۔ بہترین ترتیب پر وہ ہوا سے 7.55 گنا تیز چلتا ہے، اور بلیڈ جو اضافی ہوا محسوس کرتا ہے وہ زیادہ تر اس کی اپنی حرکت سے بنتی ہے۔

ریٹڈ طاقت اوسط پیداوار نہیں۔ 5 MW کی مشین شاذ ہی 5 MW پر چلتی ہے۔ اوسط پیداوار کو ریٹڈ طاقت سے تقسیم کرنے پر صلاحیت عامل ملتا ہے، اور مکعب کا قانون بتاتا ہے کہ وہ 100 % سے اتنا نیچے کیوں رہتا ہے: زیادہ تر گھنٹوں میں ہوا ریٹڈ ہوا سے کمزور ہوتی ہے۔

اسکرین پر آزمائیں

1. ہوا کی رفتار کا سلائیڈر 8 m/s پر رکھیں۔ ریڈ آؤٹ میں سرا رفتار کا تناسب 7.55 اور تقریباً 9.2 rpm نظر آتا ہے۔ 10 m/s کریں: تناسب وہی رہتا ہے اور rpm بڑھتی ہے۔
2. 10.6 m/s تک جائیں۔ روٹر 12.1 rpm پر رک جاتا ہے اور تناسب گرنے لگتا ہے۔
3. 11.4 m/s پار کریں۔ طاقت کی لکیر 5 MW پر سیدھی ہو جاتی ہے اور پچ زاویہ بڑھنے لگتا ہے۔
4. خودکار پچ بند کریں اور 18 m/s پر پچ 0° رکھیں۔ نقطہ دار منحنی 5 MW سے اوپر چڑھتی ہے اور ریڈ آؤٹ اوور لوڈ کی وارننگ دیتا ہے۔
5. «اندر دیکھیں» چالو کریں۔ مرکزی شافٹ کی نارنجی کیل آہستہ گھومتی ہے؛ بریک ڈسک کا نشان کہیں تیز گھومتا ہے، مگر اسکرین اسے ایسی رفتار پر رکھتی ہے جسے آپ دیکھ سکیں۔
6. ہوا کی سمت کا سلائیڈر ہلائیں اور یاؤ کی غلطی کو گھٹتے دیکھیں۔ پھر فہرست سے IEA Wind 15 MW حوالہ ٹربائن چنیں اور بس اور 63 بلڈنگ کے پاس اس کے روٹر اور ہب کا NREL مشین سے موازنہ کریں۔

ماڈل کیا چھوڑ دیتا ہے

ماڈل میں ہوا یکساں ہے اور ہر اونچائی پر ایک جیسی۔ اصل ہوا میں جھونکے آتے ہیں، وہ مڑتی ہے اور اوپر زیادہ تیز ہوتی ہے، اس لیے اپنے دائرے کے سب سے اوپر بلیڈ کو نیچے سے زیادہ ہوا ملتی ہے۔

پاور کوایفیشنٹ ایک عام فارمولے سے آتا ہے جو کنٹرول کی کئی نصابی کتابوں میں استعمال ہوتا ہے، اور اسے NREL کی چوٹی (7.55 کے ٹپ اسپیڈ تناسب پر 0.482) اور NREL پچ جدول پر بٹھایا گیا ہے۔ یہ بلیڈ ایلیمنٹ حساب نہیں ہے، اس لیے ان نقاط کے درمیان کے اعداد ماڈل کی قدریں ہیں۔ حصے کے پینل کا زاویۂ حملہ پورے روٹر کا انڈکشن فیکٹر لیتا ہے اور بلیڈ کے پاس کے گھماؤ کو چھوڑ دیتا ہے، اس لیے یہ رہنمائی ہے، پیمائش نہیں۔

NREL کنٹرولر میں ایک ہموار آغاز کا علاقہ اور جنریٹر سلپ والا ایک رفتار کا علاقہ ہوتا ہے؛ ماڈل ان کی جگہ سادہ حدیں رکھتا ہے۔ یہ ٹاور کا سایہ، بلیڈ کا جھکنا، برف، گرڈ یا جنریٹر کو گرڈ سے ملانے والا کنورٹر شامل نہیں کرتا۔ اسکرین پر یاؤ اصل سے 20 گنا تیز ہے اور بہاؤ کے نقطے ہوا سے 4 گنا تیز چلتے ہیں۔

حل شدہ مثال: 150 m کا روٹر، 10 m/s کی ہوا

نمائش کا فارمولا ہر سائز پر چلتا ہے، تو ایسا روٹر آزمائیں جو ماڈل میں نہیں ہے۔ فرض کریں روٹر کا قطر 150 m، ہوا 10 m/s، سطح سمندر کی ہوا 1.225 kg/m³، طاقت کا عددی سر 0.45 اور جنریٹر کی کارکردگی 94.4 % ہے۔ یہ مشق کے لیے فرض کی گئی قدریں ہیں، کسی مخصوص مشین کے اعداد نہیں۔

گھیرا گیا رقبہ A = π × 75² ہے۔ نتیجہ 17,671 m²۔

ہوا ڈسک سے جتنی طاقت لاتی ہے: ½ × 1.225 × 17,671 × 10³۔ نتیجہ 10.8 MW، یعنی ہر مربع میٹر پر 612 W۔

بیٹز حد اس کا زیادہ سے زیادہ 16/27 لینے دیتی ہے۔ یعنی 6.41 MW۔

طاقت کا عددی سر 0.45 ہو تو شافٹ پر 4.87 MW ملتا ہے۔ جنریٹر اسے 4.60 MW بجلی میں بدلتا ہے۔

اس سے دو سبق ملتے ہیں۔ قطر دگنا کرنے سے رقبہ چار گنا ہوگا، مگر ہوا کی رفتار دگنی ہونے سے طاقت آٹھ گنا ہوگی۔ اور اچھا روٹر بھی ہوا کی لائی طاقت کے آدھے سے کافی کم ہی دیتا ہے۔