पवनचक्कीमध्ये यॉ नियंत्रण प्रणाली कशी कार्य करते
आधुनिक पवनचक्की वाऱ्याच्या प्रवाहाची बदलती दिशा आणि वेग यांपासून शक्य तितकी ऊर्जा मिळवण्यासाठी तयार केल्या जातात. रोटर (पाती) नेहमी योग्य कोनात वाऱ्याच्या दिशेने राहील याची खात्री करण्यासाठी, पवनचक्कीला अशा यंत्रणेची आवश्यकता असते जी वाऱ्याच्या दिशेतील बदलांनुसार गोंडोला (नॅसेल) फिरवू शकेल. या यंत्रणेला 'यॉ नियंत्रण प्रणाली' (yaw control system) म्हणतात. सोप्या भाषेत सांगायचे झाल्यास, 'यॉ' म्हणजे पवनचक्कीचे एका उभ्या अक्षाभोवती फिरणे, जेणेकरून रोटरचे स्वीप प्लेन येणाऱ्या वाऱ्याच्या दिशेला समांतर राहील. या लेखात पवनचक्कीमधील 'यॉ नियंत्रण प्रणाली' कशी कार्य करते, तिचे मुख्य घटक, नियंत्रण धोरणे, आव्हाने आणि देखभाल यावर चर्चा केली आहे.
१. यॉ कंट्रोल महत्त्वाचे का आहे?
यॉ नियंत्रणाचे मुख्य उद्दिष्ट म्हणजे यॉ मिसअलाइनमेंट कमी करणे, म्हणजेच वाऱ्याची दिशा आणि रोटरच्या प्रवासाची दिशा यांमधील कोनीय फरक कमी करणे. जर रोटर वाऱ्याच्या दिशेशी संरेखित नसेल, तर वाऱ्याची काही ऊर्जा इष्टतमरित्या न वापरता रोटरमधून 'पार' होते. याचा परिणाम:
१. पॉवर आउटपुटमध्ये घट. सर्वसाधारणपणे, अलाइनमेंटमधील तफावत जितकी जास्त असेल, पॉवर आउटपुटमध्ये तितकीच जास्त घट होते.
२. संरचनात्मक भार वाढतात. जेव्हा वारा बाजूने येतो, तेव्हा वायुगतिकीय बले असममित होतात आणि ब्लेड, हब, ॲक्सल व टॉवरवर गतिशील भार निर्माण करतात.
३. कंपन आणि जलद झीज. चुकीच्या संरेखनामुळे कंपन वाढू शकते आणि यांत्रिक घटकांची झीज जलद होऊ शकते.
चांगल्या यॉ नियंत्रणामुळे, टर्बाइन आपली कार्यक्षमता टिकवून ठेवू शकते आणि तिचे सेवा आयुष्य वाढवू शकते.
२. यॉ प्रणालीची मूलभूत तत्त्वे
क्षैतिज-अक्षीय पवन टर्बाइन (HAWTs) सामान्यतः सक्रिय यॉ प्रणालीचा वापर करतात, जी मोटरच्या साहाय्याने नॅसेलला सक्रियपणे फिरवते. लहान टर्बाइनच्या विपरीत, जे कधीकधी वाऱ्याचा निष्क्रियपणे 'अनुसरण' करण्यासाठी शेपटीचा (व्हेन) वापर करतात, मोठ्या आकाराच्या टर्बाइनमध्ये नॅसेलच्या मोठ्या वस्तुमानामुळे आणि अचूक नियंत्रणाच्या गरजेमुळे जवळजवळ नेहमीच सक्रिय यॉ प्रणालीचा वापर केला जातो.
जेव्हा सेन्सर वाऱ्याच्या दिशेत बदल झाल्याचे ओळखतो, तेव्हा कंट्रोलर (PLC/SCADA कंट्रोलर) टर्बाइन किती फिरायला हवे याची गणना करतो. जर अलाइनमेंटमधील त्रुटीचा कोन एका विशिष्ट मर्यादेपेक्षा जास्त झाला, तर यॉ मोटर यॉ बेअरिंगवरील गिअर्सना जोडते, ज्यामुळे नॅसेल सरळ रेषेत येईपर्यंत फिरू लागते.
३. यॉ नियंत्रण प्रणालीचे मुख्य घटक
अ) वाऱ्याचा वेग आणि दिशा सेन्सर
नॅसेलच्या वर सहसा खालील गोष्टी असतात:
– नॅसेलच्या सापेक्ष वाऱ्याची दिशा मोजण्यासाठी पवनचक्र.
– वाऱ्याचा वेग मोजण्यासाठीचे वातमापक.
याव करेक्शन करणे आवश्यक आहे की नाही हे ठरवण्यासाठी हा डेटा मुख्य इनपुट आहे.
ब) याव बेअरिंग
यॉ बेअरिंग हे एक मोठे, वलयाकार बेअरिंग आहे जे नॅसेलला टॉवरवर फिरण्यास मदत करते. या बेअरिंगला नॅसेलचे वजन, रोटरचा जोर आणि हवेच्या प्रवाहामुळे निर्माण होणारे गतिशील भार या एकत्रित भाराला तोंड देता आले पाहिजे.
c) यॉ ड्राइव्ह आणि यॉ मोटर
यॉ ड्राइव्हमध्ये सामान्यतः अनेक इलेक्ट्रिक मोटर्स (सुरक्षिततेसाठी अनेकदा एकापेक्षा जास्त) असतात, ज्या यॉ बेअरिंगवरील रिंग गिअरसोबत जुळणाऱ्या पिनियन गिअरला चालवतात. डिझाइन आणि टॉर्कच्या गरजेनुसार या मोटर्स आलटून पालटून किंवा एकाच वेळी चालू शकतात.
ड) यॉ ब्रेक
मोटर व्यतिरिक्त, नॅसेलला मुक्तपणे फिरण्यापासून रोखण्यासाठी एक ब्रेकिंग सिस्टीम असते. याव ब्रेक्स यासाठी आवश्यक आहेत:
– टर्बाइन इच्छित कोनावर पोहोचल्यावर त्याची स्थिती स्थिर करा.
– सतत होणाऱ्या लहान हालचालींना (याव हंटिंग) प्रतिबंध करा,
– वाऱ्याची विशिष्ट परिस्थिती असताना किंवा टर्बाइन थांबल्यावर नॅसेल धरून ठेवणे.
इ) टर्बाइन नियंत्रक (कंट्रोलर)
कंट्रोलर सेन्सरचे सिग्नल स्वीकारतो, नियंत्रण तर्कशास्त्र लागू करतो आणि नंतर मोटर्स व ब्रेक्सना आदेश पाठवतो. कंट्रोलर सुरक्षा इंटरलॉक्सची अंमलबजावणी देखील करतो: उदाहरणार्थ, सेन्सर निकामी झाल्यास, टर्बाइन विशिष्ट मोडमध्ये असताना किंवा वाऱ्याचा वेग अत्यधिक असताना होणारे विचलन रोखणे.
४. टर्बाइन केव्हा वळण घ्यायचे हे कसे ठरवते?
वाऱ्याची दिशा थोडीशी बदलली तरी टर्बाइन प्रत्येक वेळी स्वतःला दुरुस्त करत नाहीत. जर ते खूप संवेदनशील असतील, तर प्रणाली वारंवार हलेल आणि मोटर, यॉ ड्राइव्हमधील लहान गिअरबॉक्स आणि यॉ बेअरिंग्ज यांची झीज वेगाने होईल. त्यामुळे, यॉ नियंत्रणामध्ये सामान्यतः थ्रेशोल्ड (डेडबँड) आणि टाइम डिले या संकल्पनांचा वापर केला जातो.
अ) यॉ एरर आणि डेडबँड
– याव त्रुटी = मोजलेली वाऱ्याची दिशा – नॅसेलची सध्याची स्थिती
– डेडबँड ही एक सहनशीलता श्रेणी आहे, उदाहरणार्थ ±5° ते ±15° (उत्पादक आणि नियंत्रण धोरणांनुसार बदलते).
जर यॉ एरर अजूनही डेडबँडच्या आत असेल, तर टर्बाइन न फिरण्याचा निर्णय घेते.
ब) वेळेचा विलंब आणि डेटा फिल्टरिंग
वादळी वाऱ्यांमुळे वाऱ्याची दिशा बदलते. त्यामुळे, सेन्सर डेटा सामान्यतः असा असतो:
मूव्हिंग ॲव्हरेज वापरून फिल्टर केलेले,
– एका ठराविक कालावधीत (उदा. १०-६० सेकंद) मूल्यांकन केले जाते,
जेणेकरून टर्बाइन क्षणिक 'आवाजा'ला प्रतिसाद देणार नाही.
क) यॉ स्टेप स्ट्रॅटेजी
सतत फिरण्याऐवजी, टर्बाइन अनेकदा लहान टप्प्यांमध्ये फिरतात. ते काही अंश फिरतात, थांबतात, परिस्थितीचे पुनर्मूल्यांकन करतात आणि आवश्यक असल्यास पुन्हा सुरू होतात. या पद्धतीमुळे दोलन कमी होण्यास आणि यांत्रिक भार नियंत्रित करण्यास मदत होते.
५. क्रमशः यॉ नियंत्रण कार्यप्रक्रिया
मोठ्या आकाराच्या टर्बाइनसाठी खालीलप्रमाणे एक सामान्य कार्यप्रवाह आहे:
१. वाऱ्याच्या स्थितीचे मापन. वातचक्र नॅसेलच्या सापेक्ष वाऱ्याची दिशा दर्शवते, तर वातवेगमापक वाऱ्याचा वेग मोजतो.
२. अलाइनमेंटमधील त्रुटीची गणना. कंट्रोलर यॉ एररची गणना करतो आणि ती डेडबँडपेक्षा जास्त आहे की नाही हे तपासतो.
३. कार्यान्वयन स्थिती तपासणी. ही प्रणाली सुनिश्चित करते की टर्बाइन सुरक्षित यॉ स्थितीत आहे: कोणतेही गंभीर अलार्म नाहीत, ब्रेक तयार आहेत, मोटर्स उपलब्ध आहेत आणि केबल फिरण्याची मर्यादा सुरक्षित आहे (टॉवरच्या आत केबल्स असलेल्या डिझाइनसाठी).
४. यॉ ब्रेक सोडा (आवश्यक असल्यास). नॅसेलला हलण्याची परवानगी देण्यासाठी ब्रेक सोडले जाऊ शकतात.
५. यॉ मोटर सक्रियकरण. मोटर नॅसेलला वाऱ्याच्या दिशेने फिरवते. भार कमी करण्यासाठी यॉचा दर तुलनेने कमी ठेवला जातो (उदा., प्रति सेकंद काही अंश).
६. ब्रेकिंग आणि पोझिशन लॉकिंग. लक्ष्यित कोन जवळ येताच, मोटर थांबते आणि ब्रेक नॅसेलला स्थिर ठेवतात.
७. पडताळणी. यॉ एरर कमी झाला आहे की नाही हे पाहण्यासाठी सेन्सर पुन्हा वाचन करतो. तसे न झाल्यास, हे चक्र पुन्हा सुरू होते.
६. यॉ नियंत्रणाचा पिच आणि पॉवर नियंत्रणाशी असलेला संबंध
याव नियंत्रण हे स्वतंत्रपणे अस्तित्वात नसते. आधुनिक टर्बाइनमध्ये, तीन मुख्य पूरक नियंत्रणे असतात:
– पिच नियंत्रण: शक्ती आणि भार नियंत्रित करण्यासाठी ब्लेडचा कोन बदलतो.
– रोटर गती नियंत्रण: जनरेटर आणि कन्व्हर्टरद्वारे रोटरचे फिरणे समायोजित करते.
– यॉ नियंत्रण: रोटर वाऱ्याच्या दिशेने राहील याची खात्री करते.
उदाहरणार्थ, अतिशय जोरदार वाऱ्यात, टर्बाइन एका विशिष्ट पिचवर पॉवर लिमिटेशन मोडमध्ये प्रवेश करू शकते. अशा परिस्थितीत, लोड वाढणे टाळण्यासाठी यॉ सिस्टीम अधिक सावधपणे चालवली जाऊ शकते. याउलट, सामान्य उत्पादन परिस्थितीत, कार्यक्षमता साधण्यासाठी यॉ अधिक सक्रिय असेल.
७. यॉ सिस्टीममधील सामान्य आव्हाने आणि समस्या
अ) यॉ हंटिंग
जेव्हा वाऱ्याच्या दिशेचा अस्पष्ट संकेत किंवा खूप लहान डेडबँडमुळे टर्बाइनची फिरण्याची दिशा वारंवार बदलते, तेव्हा असे घडते. यामुळे मोटर, ब्रेक आणि बेअरिंग्जची झीज होते.
ब) यॉ बेअरिंग आणि गिअरची झीज
जड भार आणि वारंवार होणाऱ्या हालचालींमुळे, स्नेहन आणि तपासणी अत्यावश्यक आहे. गिअरची चुकीची जुळणी, अपुरे स्नेहन किंवा अशुद्धींचा प्रवेश यामुळे नुकसान वेगाने होऊ शकते.
c) सेन्सर बिघाड
जर वातचक्र खराब झाले असेल किंवा वातवेगमापक चुकीचे वाचन देत असेल, तर टर्बाइन चुकीच्या दिशेने असू शकते. अनेक टर्बाइन सदोष सेन्सर शोधण्यासाठी निदान आणि अतिरिक्त प्रणालीचा वापर करतात.
ड) केबल पिळण्याची मर्यादा
काही डिझाइनमध्ये, जर यॉ (yaw) एका दिशेने जास्त फिरवला गेला, तर नॅसेलच्या आतील इलेक्ट्रिकल आणि सिग्नल केबल्स पिळवटल्या जाऊ शकतात. त्यामुळे, नॅसेलला पूर्ववत करण्यासाठी ट्विस्ट सेन्सर आणि अनट्विस्ट प्रक्रिया यांसारख्या ट्विस्ट मॅनेजमेंट सिस्टीम बसवलेल्या असतात.
८. काळजी आणि सर्वोत्तम पद्धती
यॉ सिस्टीम सर्वोत्तम रीतीने कार्य करण्यासाठी, ऑपरेटर सामान्यतः खालील गोष्टी लागू करतात:
– वाऱ्याची दिशा मोजणारे सेन्सर वेळोवेळी कॅलिब्रेट करा.
– ब्रेक आणि मोटरची तपासणी: तापमान, विद्युत प्रवाह आणि ब्रेकिंग प्रतिसाद.
– निर्मात्याच्या वेळापत्रकानुसार यॉ बेअरिंग्ज आणि गिअर्सना वंगण लावा.
– SCADA डेटा विश्लेषण: यॉची वारंवारता, कालावधी आणि त्रुटींच्या नमुन्यांचे निरीक्षण करा. नमुन्यांमधील बदल सुरुवातीच्या समस्या दर्शवू शकतात.
– रिंग गियर, बोल्ट आणि नॅसेल संरचनेची दृश्य तपासणी.
निष्कर्ष
पवनचक्की वाऱ्याच्या दिशेने तोंड करून ठेवण्यासाठी आणि सुरक्षित संरचनात्मक भार कायम राखत कार्यक्षमतेने वीज निर्माण करण्यासाठी यॉ नियंत्रण प्रणाली महत्त्वाची आहे. वाऱ्याचा वेग आणि दिशा दर्शवणाऱ्या सेन्सर्सचा वापर करून, नियंत्रक हे ठरवतो की दिशाहीनता दुरुस्त करण्याइतकी मोठी केव्हा झाली आहे, त्यानंतर तो मोटरद्वारे यॉ ड्राइव्ह लागू करतो आणि ब्रेक्सच्या साहाय्याने स्थिती स्थिर ठेवतो. डेडबँड, सिग्नल फिल्टरिंग आणि यॉ स्टेपिंग यांसारख्या कार्यप्रणालींचा उपयोग अनेकदा परस्परविरोधी असलेल्या दोन उद्दिष्टांमध्ये संतुलन साधण्यासाठी केला जातो: वाऱ्यातील बदलांना जलद प्रतिसाद देणे आणि घटकांची झीज कमी करणे. यॉ प्रणाली अत्यंत प्रतिकूल वातावरणात कार्यरत असल्यामुळे आणि लक्षणीय भार वाहून नेत असल्यामुळे, त्यांच्या संपूर्ण कार्यकाळात पवनचक्कीची इष्टतम कार्यक्षमता टिकवून ठेवण्यासाठी विश्वसनीय रचना आणि नियोजित देखभालीची आवश्यकता असते.
