উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল

পৃথিবীর উচ্চতম উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল কুইবেক, কানাডা

ভোরটেক্সিস শেম্যাটিক

টানা-পদ্ধতির উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল যেমন স্যাভোনিয়াস পদ্ধতির বায়ুকলে ঘূর্ণন-ফলক উত্তোলন পদ্ধতির বায়ুকলের যেমন দারিউস পদ্ধতির বায়ুকলের ঘূর্ণন-ফলক এবং চক্রীয় বায়ুকলের চেয়ে নিম্নতর প্রান্তীয়-গতির অনুপাতে চালিত হয়। উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল হলো এক ধরনের বায়ুকল যেখানে মূল ঘূর্ণন-দন্ড বায়ু প্রবাহে অনুপ্রস্থ অক্ষ (উল্লম্বই হতে হবে এমনটা নয়) বরাবর ঘূর্ণায়মান থাকে, যার প্রধান যন্ত্রাংশসমূহ বায়ুকলের পাদদেশে ভূমি সংলগ্ন স্থানে বিন্যস্ত থাকে। এই ধরনের নকশার ফলে জেনারেটর এবং গিয়ারবক্স বায়ুকলের মূল দন্ডের পাদদেশে ভূমি সংলগ্ন স্থানে বিন্যস্ত থাকে, যার ফলে প্রয়োজনীয় কর্মকাণ্ড পরিচালনা এবং যন্ত্রাংশ মেরামতের কাজ অনেক সহজে করা যায়। বায়ু সাপেক্ষে এই ধরনের বায়ুকলের নির্দিষ্টভাবে অবস্থানের কোনো বাধ্যবাধকতা নেই, যার ফলস্বরূপ বায়ু-সংবেদন এবং অভিযোজন পদ্ধতির প্রয়োজন হয় না। শুরুর দিকের নকশা গুলো যেমন স্যাভোনিয়াস বায়ুকল, দারিউস বায়ুকল, জিরোমিল বায়ুকল, ইত্যাদি বায়ুকলের প্রধান সমস্যাগুলোর মধ্যে অন্যতম ছিল প্রতিটি আবর্তনের সময় উল্লেখযোগ্য হারে টর্ক পরিবর্তন এবং বহিঃশক্তির প্রভাবে ঘূর্ণন-ফলক বেঁকিয়ে যাওয়া।

একটি উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকলের ঘূর্ণন-অক্ষ বায়ুর প্রবাহরেখার সাপেক্ষে ঋজু এবং ভূমি সাপেক্ষে উল্লম্ব। শাব্দিক সংজ্ঞায় এই নীতির প্রয়োগ রয়েছে এমন একটি সাধারণ শব্দ হলো "তির্যক অক্ষ বায়ুকল" অথবা "আড়াআড়ি প্রবাহ বায়ুকল"। উদাহরণস্বরূপ, মূল দারিউস পেটেণ্ট তথা ইউ.এস. পেটেণ্ট ১৮৩৫০১৮-এ এই দুই নীতিরই প্রয়োগ রয়েছে।

টানা-পদ্ধতির উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল যেমন স্যাভোনিয়াস পদ্ধতির বায়ুকলে ঘূর্ণন-ফলক উত্তোলন পদ্ধতির বায়ুকলের যেমন দারিউস পদ্ধতির বায়ুকলের ঘূর্ণন-ফলক এবং চক্রীয় বায়ুকলের চেয়ে নিম্নতর প্রান্তীয়-গতির অনুপাতে চালিত হয়।

বায়ুগতিবিদ্যা

একটি দারিউস বায়ুকলে ক্রিয়াশীল বল এবং বেগ চিত্র-১ এ প্রদর্শিত হয়েছে। ফলস্বরূপ প্রাপ্ত বেগ ভেক্টর, $\overrightarrow{W}$ , হলো নির্বিঘ্ন ঊর্ধ্বমুখী বায়ু বেগ, $\overrightarrow{U}$ , এবং আগুয়ান ঘূর্ণন-ফলকের গতি ভেক্টর, $-\overrightarrow{\omega }\times \overrightarrow{R}$ , -এর ভেক্টোরিয়াল যোগফল।

$\overrightarrow{W}=\overrightarrow{U}+(-\overrightarrow{\omega }\times \overrightarrow{R})$

চিত্র-১: বিভিন্ন দিগ্বলয়ী স্থান থেকে প্রদর্শিত দারিউস বায়ুকলে ক্রিয়াশীল বল ও বেগ

চিত্র:Vertical-axis wind turbine at Hartnell College Alisal Campus.gk.webm সুতরাং আগুয়ান প্রবাহী বেগ প্রতিটি চক্রের সময় পরিবর্তিত হয়। প্রাপ্ত সর্বাধিক বেগ, $\theta =0{}^{\circ }$ এবং সর্বনিম্ন বেগ, $\theta =180{}^{\circ }$, যেখানে $\theta$ হলো অ্যাজিমুথল বা কক্ষপথে ঘূর্ণন-ফলাকার অবস্থান। আক্রমণ কোণ, $\alpha$,হলো আগুন বায়ুর গতি, W, এবং ঘূর্ণন-ফলাকার কর্ডের মধ্যবর্তী কোণ। ফলস্বরূপ প্রাপ্ত বায়ুপ্রবাহ মেশিনের উজান অঞ্চলে ঘূর্ণন-ফলাকা অভিমুখে একটি পরিবর্তনশীল, ধনাত্মক আক্রমণ কোণ তৈরি করে, মেশিনের নিম্ন অঞ্চলে  প্রবাহিত অঞ্চলে সংকেত পরিবর্তন করে।

এটি কৌনিক বেগের জ্যামিতিক বিষয়গুলি অনুসরন করে যা সংলগ্ন চিত্রে দেখা গেছে যাচ্ছে:

$V_t=R\omega +U\cos (\theta )$

এবং:

$V_n=U\sin (\theta )$

আপেক্ষিক গতির সমাধান লক্ষ্যে স্পর্শক এবং স্বাভাবিক উপাদানগুলির ফল নিম্নরূপ:

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

সুতরাং, প্রান্তীয় গতির অনুপাত $\lambda =(\omega R)/U$-এর সূত্রের সাথে উপরের সমীকরণটি সংমিশ্রণ করে ফলস্বরূপ প্রাপ্ত বেগের জন্য নিম্নরূপ সমীকরণ পাওয়া যায়::

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

আক্রমণ কোণের সমাধান নিম্নরূপ:

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

উপরের সমীকরণ প্রতিস্থাপিত করার ফলে নিম্নরূপ ফলাফল পাওয়া যায়।:

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

ফলস্বরূপ বায়ুসংস্থান বল হয় উত্তোলন (L) - টান (D) উপাদান নতুবা স্বাভাবিক (N) - স্পর্শক (T) উপাদানগুলিতে বিশ্লিষ্ট করা হয়। কোয়ার্টার-কর্ড পয়েন্টে বলগুলো ক্রিয়াশীল থাকে বলে বিবেচনা করা হয়, এবং পিচের মুহুর্তটি বায়ুসংস্থানজনিত বলগুলো বিশ্লিষ্ট করে। বিমানচালনাসংক্রান্ত "উত্তোলন" এবং "টানা" এই শব্দ-দুটি দ্বারা সমীপবর্তী মোট আপেক্ষিক বায়ু প্রবাহ জুড়ে (উত্তোলন) এবং বরাবর "টানা" বলকে বোঝায়। ঘূর্ণন-ফলকগুলো চারপাশে টানতে টানতে স্পর্শক বল ব্লেডের বেগের বরাবর কাজ করে থাকে এবং দণ্ডের বিয়ারিং-এর বিরুদ্ধে চাপ দিয়ে  স্বাভাবিক বল চারদিক থেকে অরীয়ভাবে কাজ করে। ঘূর্ণন-ফলাকার চারপাশে যেমন বায়বীয় স্টল, সীমানা স্তর ইত্যাদির সাথে বায়ুসংক্রান্ত বলকে প্রাধান্য দিয়ে কাজ করার সময় উত্তোলন এবং টানা বল কার্যকর হয়; বৈশ্বিক কর্মক্ষমতা, ক্লান্তির ভার ইত্যাদির সাথে কাজ করার সময়, একটি স্বাভাবিক-স্পর্শক কাঠামো থাকা আরও সুবিধাজনক। উত্তোলন এবং টানা সহগগুলি সাধারণত আপেক্ষিক বায়ুপ্রবাহের গতিশীল চাপ দ্বারা স্বাভাবিক করা হয়, যখন স্বাভাবিক এবং স্পর্শক সহগগুলি সাধারণত নির্বিঘ্ন উজানে প্রবাহীর গতির গতিশীল চাপ দ্বারা স্বাভাবিক করা হয়।

$C_L=\frac{F_L}{1/2\rho A{W}^2};C_D=\frac{D}{1/2\rho A{W}^2};C_T=\frac{T}{1/2\rho A{U}^{2}R};C_N=\frac{N}{1/2\rho A{U}^2}$

A = ঘূর্ণন-ফলাকার ক্ষেত্রফল (মনে রাখতে হবে, বায়ুকল কর্তৃক অন্তর্ভুক্ত এলাকার ক্ষেত্রফলের সাথে বিভ্রান্ত হওয়ার দরকার নেই, যা ঘূর্ণন-ফলাকার উচ্চতার সমান / ঘূর্ণন ফলাকার পরিধির চেয়ে বেশি), R = বায়ুকলের বস্যার্ধ

ক্ষমতার মোট পরিমান, P, যা বায়ুকল কর্তৃক শোষিত হতে পারে:

$P=\frac{1}{2}{C}_p\rho A{\nu }^3$

যেখানে $C_p$ হলো ক্ষমতা সহগ, $\rho$ হলো বায়ুর ঘনত্ব, $A$হলো বায়ুকল কর্তৃক অন্তর্ভুক্ত এলাকার ক্ষেত্রফল, এবং $\nu$ হলো বায়ুর গতি।

সুবিধা

প্রথাগত আনুভূমিক অক্ষ বায়ুকলের চেয়ে উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল বেশ কয়েকটি সুবিধা প্রদান করে:

• সর্বতোমুখী হওয়ায় এই বায়ুকলের বিশেষ কিছু আকৃতিতে বাতাসের গতিপথ অনুসরণের কোনো প্রয়োজন হয় না। এর মানে হলো সর্পিল গতিতে রোটর চালনা করা এবং ঘূর্ণন-ফলক নির্দিষ্ট স্থানে স্থাপন করার জন্য এই বায়ুকলে কোন জটিল প্রক্রিয়া এবং মোটর এর দরকার হয় না।
• প্রচন্ড ঝড়ো হাওয়ায় এই ধরনের বায়ুকল আনুভূমিক অক্ষ বায়ুকলের চেয়ে সাধারণত অধিকতর ভালো কাজ করে। এমন ঝড়ো হাওয়ায় আনুভূমিক অক্ষ বায়ুকল কার্যকরীভাবে শক্তি উৎপাদন করতে পারে না, উপরন্তু যা দ্রুততর ক্ষয় বয়ে আনে।
• এই ধরনের একটি বায়ুকল-এর গিয়ারবক্স অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকলের তুলনায় ক্ষয়ের শিকার কম হয়।
• যন্ত্রাংশ ভূমি সংলগ্ন হওয়ায় এই ধরনের বায়ুকলে যন্ত্রাংশ পরিবর্তন এবং রক্ষনাবেক্ষন সহজ এবং বেশ কার্যকরী, তাই প্রয়োজনীয় কার্য-সম্পাদনের জন্য মেরামত সংলগ্ন স্থানে ক্রেন অথবা এই জাতীয় বিশাল ও ভারী যন্ত্রপাতি আনার কোনো প্রয়োজন হয় না। এর ফলে খরচ সাশ্রয় হয় এবং পরিবেশের উপর বিরূপ প্রভাব পড়ে কম।
• উপযুক্ত পরিস্থিতিতে এই ধরনের বায়ুকলের কিছু ডিজাইন স্ক্রু পাইল ফাউন্ডেশন ব্যবহার করতে পারে, যা রাস্তায় কংক্রিটের পরিবহন এবং ইনস্টলেশনটির কার্বন ব্যয়কে ব্যাপকভাবে হ্রাস করে। স্ক্রু পাইলগুলি তাদের জীবনকাল শেষে সম্পূর্ণ পুনর্ব্যবহারযোগ্য হতে পারে।
• দারিউস নকশা অনুযায়ী ডানাগুলির একটি ধ্রুব ঘূর্ণন পদ্ধতি থাকে এবং তাই কোনও অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকলের ব্লেডগুলির তুলনায় উৎপাদন করা সহজ, যার আকার এবং কাঠামো আরও জটিল।
• এই ধরনের বায়ুকলগুলিকে বায়ু খামারে আরও নিবিড়ভাবে গোষ্ঠীভুক্ত করা যায়, যা স্থলভাগের প্রতি এককে উৎপাদিত শক্তি বৃদ্ধি করে।
• অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকল খামারে বিদ্যমান অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকল এর নিচে এই ধরনের বায়ুকল স্থাপন করা যেতে পারে; এটি বিদ্যমান ফার্মের উৎপাদিত শক্তি পরিপূরণে সহায়ক হতে পারে।
• ক্যালটেকের গবেষণায় আরও প্রমাণিত হয়েছে একই আকারের অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকল খামারের চেয়ে উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল ব্যবহার করে সাবধানে ডিজাইন করা বায়ু ফার্মে দশগুণ বেশি উৎপাদিত শক্তি অর্জন করা সম্ভব।

অসুবিধা

উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল প্রযুক্তির সামনে অন্যতম বড় অসামান্য চ্যালেঞ্জ হল এই ধরনের বায়ুকলে আক্রমণ কোণটি দ্রুত পরিবর্তিত হওয়ায় ঘূর্ণন-ফলাকার  গতিশীলতা ধীরে ধীরে কমে যায়।

প্রতিটি ঘূর্ণনের সময় প্রয়োগকৃত শক্তির বিস্তৃত পরিবর্তনের কারণে একটি এই ধরনের বায়ুকলের ঘূর্ণন-ফলাকা ক্লান্তি-প্রবণ হয়। আধুনিক সংমিশ্রিত পদার্থের ব্যবহার এবং ডিজাইনের উন্নতির মাধ্যমে এই সমস্যা কাটিয়ে উঠা সম্ভব- যেমন, বায়ুগতিক ফলাকা-প্রান্ত ব্যবহার করা, যা কিনা বিস্তৃত পাখার সংযোগগুলিকে স্থির ভার দেয়। উল্লম্বমুখী ঘূর্ণন-ফলাকা প্রতিটি মোড়ের সময় মোচড় ও বাঁক দিতে পারে, যা হলো তাদের ভেঙে যাওয়ার অন্যতম প্রধান কারণ।

অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকলগুলির চেয়ে উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকলগুলো কম নির্ভরযোগ্য বলে প্রমাণিত হয়েছে, যদিও উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকলের আধুনিক ডিজাইনগুলি ইতোমধ্যে প্রাথমিক নকশার সাথে জড়িত অনেকগুলি সমস্যার সমাধান  করেছে।

প্রয়োগ

বাতির খুঁটি বায়ুকল

স্বতন্ত্র (বাড়ি বা অফিস) ব্যবহারের উদ্দেশ্যে তৈরি উইন্ডস্পায়ার নামে একটি ছোট উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল ২০০০ এর দশকের গোড়ার দিকে মার্কিন সংস্থা মারিয়াহ পাওয়ার কর্তৃক নির্মাণ করা হয়েছিল। সংস্থাটি জানিয়েছে যে ২০০৮ সালের জুনের মধ্যে মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রে বেশ কয়েকটি ইউনিট স্থাপন করা হয়েছিল।

আর্বরউইন্ড, মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের অ্যান-আর্বর ভিত্তিক একটি সংস্থা, পেটেন্ট করা একটি ছোট উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল উৎপাদন করে যা ২০১৩ সাল অবধি মার্কিন যুক্তরাষ্ট্রের বেশ কয়েকটি স্থানে ইনস্টল করা হয়েছে।

২০১১ সালে স্যান্ডিয়া ন্যাশনাল ল্যাবরেটরিজ-এর  বায়ু-শক্তি গবেষকরা উপকূলীয় বায়ু খামারে উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল ডিজাইন প্রযুক্তি প্রয়োগ করে  পাঁচ বছরের গবেষণা শুরু করেছিলেন। গবেষকরা বলেছিলেন: "স্থাপন ও পরিচালনা সংক্রান্ত চ্যালেঞ্জগুলির দরুন উপকূলবর্তী অগভীর সমুদ্রে বায়ু-বিদ্যুতের অর্থনীতি স্থল ভিত্তিক বায়ু-বিদ্যুতের চেয়ে পৃথক"। উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল তিনটি বড় সুবিধা দেয় যা বায়ু শক্তির ব্যয় হ্রাস করতে পারে: বায়ুকলের নিম্নতর ভরকেন্দ্র; যন্ত্রাংশের জটিলতা হ্রাস; এবং খুব বড় আকারের বায়ুকলগুলোর ক্ষেত্রে কর্মক্ষমতার আরও ভাল প্রসারণ। একটি নিম্নতর ভরকেন্দ্র মানেই উন্নত স্থিতিশীলতা এবং নিম্ন মহাকর্ষীয় ক্লান্তি ভার। এর পাশাপাশি, এই ধরনের বায়ুকলে ড্রাইভট্রেন পৃষ্ঠের কাছাকাছি হওয়ায়, সম্ভাব্যভাবে রক্ষণাবেক্ষণকে সহজ এবং কম সময়সাপেক্ষ করে তোলে। কম যন্ত্রাংশ, নিম্নতর ক্লান্তির ভার এবং সহজ-সরল রক্ষণাবেক্ষণ পরিচালনা ব্যয় বহুলাংশে কমিয়ে দেয়।

২০১০ এর দশকের গোড়ার দিকে ক্যালটেক অ্যারোনটিক্যাল-এর অধ্যাপক জন ডাবিরি দক্ষিণ ক্যালিফোর্নিয়ায় ২৪-ইউনিটের একটি উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকল প্রদর্শনের প্লট স্থাপন করেছিলেন। তার নকশা করা বায়ুকলটি আলাস্কার ইগিউগিগ গ্রামে ২০১৩ সালে ইনস্টল করা ১০-ইউনিট উৎপাদনের খামারে সংযুক্ত করা হয়েছিল।

ডুলাস, অ্যাংলেজি ২০১৪ সালের মার্চ মাসে পোর্ট টালবোট-এর জলাশয় সংলগ্ন তরঙ্গবেগ-নিরোধক প্রাচীরে উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকলের একটি আদি-নমুনা স্থাপন করার অনুমতি পেয়েছিল। এটি হলো ওয়েলস-ভিত্তিক সি-এফ.ই.সি. (সোয়ানসি) দ্বারা সরবরাহিত নতুন নকশার একটি বায়ুকল এবং এটি দুই বছরের জন্য পরীক্ষামূলকভাবে পরিচালিত হওয়ার কথা ছিল। নতুন নকশার এই বায়ুকলটিতে একটি বায়ু প্রতিরোধক অন্তর্ভুক্ত রয়েছে যা ঘূর্ণনরত-ফলাকা হতে উৎপন্ন প্রবল বায়ুকে বাধা দেয় এবং এই জন্য বায়ুর দিক নির্ণয়কারী সেন্সর এবং অবস্থান নির্ধারণ ব্যবস্থার প্রয়োজন হয়, অর্থাৎ যা উপরে বর্ণিত ডিম্ ফেটানোর যন্ত্রের মতো দেখতে উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকলের  বিপরীত।

৪ ন্যাভিটাস (ব্ল্যাকপুল) ২০১৩ সালের জুন মাস থেকে সিমেন্স পাওয়ার ট্রেন দ্বারা চালিত উল্লম্ব অক্ষ বায়ুকলের দুটি প্রোটোটাইপ পরিচালনা করছে, যা ২০১৫ সালের জানুয়ারি মাসে বাজারে প্রবেশের কথা ছিল এবং আগ্রহী পক্ষগুলিকে বিনামূল্যে এই প্রযুক্তির শেয়ার দেয়ার কথা ছিল। ৪ ন্যাভিটাস  এখন তাদের প্রোটোটাইপটি ১ মেগাওয়াটে উন্নীত করার কাজ নিয়ে প্রক্রিয়াধীন রয়েছে (পি.ই.আর.এ. প্রযুক্তি নিয়ে কাজ করে), এবং তারপরে অগভীর সমুদ্রে অবস্থিত পন্টুনে বায়ুকল ভাসানোর কর্মকাণ্ড প্রক্রিয়াধীন রয়েছে। এটি উপকূলবর্তী অগভীর সমুদ্রে বায়ু শক্তির ব্যয় হ্রাস করবে।

ডাইনাস্ফিয়ার হল মাইকেল রেনল্ডস (যিনি তার আর্থশীপ হাউস ডিজাইনের জন্য পরিচিত) কর্তৃক নকশা করা চতুর্থ প্রজন্মের উল্লম্ব অক্ষ উইন্ডমিল। এই উইন্ডমিলগুলির দুটি ১.৫ কিলোওয়াট জেনারেটর রয়েছে এবং খুব কম গতিতে বিদ্যুৎ উৎপাদন করতে পারে।

আরও দেখুন

• অনুভূমিক অক্ষ বায়ুকল
• অ-প্রথাসিদ্ধ বায়ুকল