Optimized Blade Design for Homemade Windmills/घर पर बने पवन चक्कियों के लिए अनुकूलित ब्लेड डिजाइन

परियोजना डेटा

जगह	किंग्स्टन , कनाडा
स्थिति	बनाया गया मॉडलिंग
ओकेएच मैनिफेस्ट	डाउनलोड करना

Mech425 के सहयोग से बनाई गई इस परियोजना का उद्देश्य वायु धारा के संबंध में समतल, समान ब्लेड के लिए सर्वोत्तम कोण की पहचान करना है। ब्लेड के कोण को अधिकतम ऊर्जा को घूर्णी गति में परिवर्तित करने के लिए अनुकूलित किया जाना चाहिए। समतल ब्लेड का उपयोग ऊर्ध्वाधर अक्ष टर्बाइनों के साथ किया जाता है और डिज़ाइन का चयन आम तौर पर तब किया जाता है जब सादगी को प्राथमिकता दी जाती है या जब उपकरणों और आपूर्ति तक पहुँच सीमित होती है।

• इस परियोजना का चयन उन व्यक्तियों को सहायता प्रदान करने के लिए किया गया है जो पवन ऊर्जा का दोहन करके बिजली उत्पन्न करना चाहते हैं।
• लक्षित दर्शक वे लोग हैं जो व्यावसायिक रूप से उपलब्ध मॉडलों का खर्च नहीं उठा सकते हैं और उन्होंने अपना स्वयं का मॉडल बनाने का विकल्प चुना है

पवन चक्कियों के कई कार्य हैं और इन्हें जहाँ भी हवा की पहुँच हो, वहाँ संचालित किया जा सकता है। पवन चक्कियाँ अपने ब्लेड का उपयोग हवा में ऊर्जा को घूर्णी गति में बदलने के लिए करती हैं। इस घूर्णी गति का उपयोग या तो सीधे काम के लिए किया जा सकता है या फिर इसे फिर से बिजली में परिवर्तित किया जा सकता है। मूल रूप से, पवन चक्कियों का उपयोग मिलों में पीसने के लिए किया जाता था। आज भी, उनका उपयोग इसी उद्देश्य के लिए किया जाता है, लेकिन अब उनका उपयोग पानी पंप करने और बिजली उत्पादन तक भी हो गया है। कम आर्थिक रूप से विकसित देशों में, घर पर बनी पवन चक्कियों द्वारा उत्पन्न बिजली का उपयोग अक्सर बैटरी और सेल फोन चार्ज करने या प्रकाश उपकरणों, रेडियो और सिंचाई पंपों को चलाने के लिए किया जाता है।

व्यावसायिक रूप से उपलब्ध आधुनिक पवन टर्बाइनों को विशिष्ट पवन गति को संबोधित करने के लिए तैयार किया गया है और वे प्रत्येक टर्बाइन से मेगावाट बिजली पैदा करने में सक्षम हैं। हालाँकि, घर पर बनाए गए समाधान अक्सर कम तकनीक वाले होते हैं और अनुकूलन के मामले में उनकी बहुत कम जांच की गई है। इस रिपोर्ट का उद्देश्य सबसे अधिक मात्रा में बिजली पैदा करने के लिए आने वाली हवा के संबंध में ब्लेड को झुकाने के लिए सबसे अच्छे कोण की पहचान करना है।

विलियम कामक्वाम्बा ऐसे व्यक्ति का एक शानदार उदाहरण है जो इस रिपोर्ट में प्रस्तुत विश्लेषण से लाभ उठा सकता है। वह अपनी सरलता और परीक्षण और त्रुटि मानसिकता का उपयोग करके पवनचक्की बनाने में सक्षम था। उसने अपने आस-पास की स्क्रैप सामग्री को सफलतापूर्वक एक कार्यात्मक पवनचक्की में बदल दिया जो प्रकाश और सिंचाई दोनों प्रदान करती है। उनके काम ने उनके परिवार और दोस्तों को बेहतर जीवन प्रदान किया है, जबकि दुनिया भर के लोगों को प्रेरित किया है। हालाँकि, अपनी सीमित औपचारिक शिक्षा के आधार पर, उन्होंने डिज़ाइन को अनुकूलित करने के लिए इंजीनियरिंग गणनाओं को शामिल नहीं किया। जैसे-जैसे अधिक लोग पवन की क्षमता का दोहन करने की कोशिश करते हैं, इन उपकरणों को उनके सामाजिक लाभ को अधिकतम करने के लिए अनुकूलित करने में बहुत महत्व है।

विलियम के बारे में अधिक जानकारी के लिए उनकी प्रेरणादायक कहानी नीचे देखी जा सकती है:

फ्लैट ब्लेड के लाभ

फ्लैट ब्लेड अन्य डिज़ाइनों की तुलना में कम आम हैं, लेकिन महत्वपूर्ण लाभ प्रदान करते हैं, खासकर कम आय वाले या दूरदराज के क्षेत्रों में। फ्लैट ब्लेड के उपयोग से मिलने वाले लाभों की सूची निम्नलिखित है:

• निर्माण में आसान
• कम डिज़ाइन और स्थानीय ज्ञान की आवश्यकता
• निर्माण के दौरान कम उपकरण और समय की आवश्यकता होती है
• यह सुनिश्चित करना आसान है कि ब्लेड एक समान आकार और साइज़ के हों

इंजीनियरिंग गणना

हवा में संग्रहीत गतिज ऊर्जा को बर्नौली के सिद्धांत के अनुसार पाया जा सकता है:

केई = 1 / 2( एम * वी ² )

हवा में ऊर्जा का पता लगाने के लिए, हमें सिलेंडर का द्रव्यमान पता लगाना होगा। यह सिलेंडर के आयतन को द्रव के घनत्व से गुणा करने पर आधारित है:

एम = ρ * वी

बेलनाकार स्तंभ द्वारा दर्शाए गए तरल पदार्थ का कुल आयतन है:

वी = ए * एल

हम बेलन के आधार का क्षेत्रफल इस प्रकार से गणना कर सकते हैं:

ए = 1 / 4(π * डी ² )

सिलेंडर की लंबाई पवनचक्की के बहे हुए क्षेत्र से गुज़रे तरल पदार्थ की मात्रा को दर्शाती है। इसकी गणना हवा के वेग को समय से गुणा करके की जाती है:

एल = वी * टी

इसे निम्न प्रकार सरलीकृत किया जा सकता है:

केई = 1/8(ρ * π * डी ² ) * वी ³ * टी

अंत में, हवा में शक्ति बस समय की प्रति इकाई ऊर्जा है

पी = π / 8(ρ * डी ² * वी ³ )

जैसा कि प्रदर्शित किया गया है, हवा में शक्ति हवा के वेग से और कुछ हद तक ब्लेड के व्यास से संबंधित है। द्रव में ऊर्जा की मात्रा घन में द्रव के वेग से संबंधित है और उच्च वायु गति के महत्व को इंगित करती है। इसलिए, ऊर्जा उत्पादन को बढ़ाने के लिए, सबसे महत्वपूर्ण कारक उच्च वायु गति वाले स्थान को ढूंढना है। यह पवनचक्की को अधिक ऊंचे स्थान पर रखने के लिए एक टावर बनाकर प्राप्त किया जा सकता है। यह जमीनी स्तर से किसी भी बाधा के प्रभाव को कम करने में मदद करेगा। टर्बाइन ब्लेड का आकार भी महत्वपूर्ण है और इसे अधिक शक्ति प्राप्त करने की विधि के रूप में भी माना जाना चाहिए।

अधिकतम संभव दक्षता

बेट्ज़ सीमा अल्बर्ट बेट्ज़ द्वारा विकसित की गई थी और इसका उद्देश्य अधिकतम संभव ऊर्जा को दर्शाना है जिसे कोई उपकरण किसी निश्चित गति पर द्रव की धारा से प्राप्त कर सकता है। पवनचक्की के मामले में, एक पतले रोटर की अधिकतम सैद्धांतिक दक्षता निम्नलिखित मान्यताओं के आधार पर पाई जा सकती है:

• रोटर को आदर्श माना जाता है, जिसमें ब्लेडों की संख्या अनंत होती है तथा कोई प्रतिरोध नहीं होता।
• रोटर में और बाहर प्रवाह अक्षीय है और संरक्षण समीकरणों के अनुसार है।
• तरल पदार्थ का मॉडल असंपीडनीय प्रवाह के आधार पर बनाया गया है।

बेट्ज़ सीमा ने शक्ति गुणांक के लिए सैद्धांतिक अधिकतम मान 0.593 होने की भविष्यवाणी की है। इसका मतलब है कि द्रव से निकाली गई शक्ति की सैद्धांतिक सीमा 59.3% है। इसकी तुलना में, वाणिज्यिक पवन टर्बाइन वर्तमान में ब्लेड डिज़ाइन और यांत्रिक प्रक्रिया से संबंधित थोड़ी अक्षमताओं के कारण 40 - 50% रूपांतरण प्राप्त करने में सक्षम हैं। ^[1]

ब्लेड का इष्टतम कोण

द्रव की धारा में उपलब्ध ऊर्जा की मात्रा नीचे दर्शाई गई है और यह द्रव वेग और ब्लेड के बहे हुए क्षेत्र दोनों से निकटता से संबंधित है। दूसरा महत्वपूर्ण घटक यह है कि आने वाले द्रव से कितनी ऊर्जा प्राप्त की जा सकती है। सपाट ब्लेड के लिए, द्रव की धारा की तुलना में पवनचक्की के ब्लेड जिस कोण पर झुके होते हैं, वह यह निर्धारित करेगा कि कितनी ऊर्जा को घूर्णी गति में परिवर्तित किया जा सकता है और फिर सार्थक कार्य के लिए सिस्टम द्वारा कैप्चर किया जा सकता है। इष्टतम कोण की गणना नीचे की गई है:

पवन दाब ब्लेड के प्रति इकाई क्षेत्र पर पवन द्वारा लगाया गया बल है और इसे इस प्रकार दिया जाता है: P = 1/2 (1 + c ) * ρ * v ²

• जहाँ c एक स्थिरांक है और लम्बी सपाट प्लेटों के लिए 1.0 के बराबर है।

पवनचक्की के ब्लेड के खिलाफ हवा का बल आने वाले प्रवाह का सामना करने वाले ब्लेड के क्षेत्र से गुणा किए गए हवा के दबाव पर आधारित है। इस घटना में कि ब्लेड आने वाली हवा की धारा के कोण पर झुका हुआ है, तो तरल पदार्थ के संपर्क में आने वाले ब्लेड का क्षेत्र sin θ के कारक से कम हो जाता है । इस प्रकार, ब्लेड पर हवा के बल को प्राप्त करने के लिए हवा के दबाव की गणना को A * sin θ से गुणा किया जाता है। इसके अलावा, घूर्णी गति में परिवर्तित हवा का बल आने वाले तरल प्रवाह के संबंध में ब्लेड के कोण से संबंधित है। यह संबंध cos θ के कारक द्वारा दिया गया है ।

इसके अलावा, ब्लेड को ब्लेड के कोण से संबंधित ड्रैग गुणांक का सामना करना पड़ेगा क्योंकि वे तरल पदार्थ के आने वाले प्रवाह के लंबवत अपनी धुरी पर घूमते हैं। इस ड्रैग गुणांक को D * cos θ द्वारा दर्शाया जाएगा ।

इसलिए, ब्लेड पर बल संतुलन निर्धारित करने के लिए संयुक्त गणना इस प्रकार है:

एफ = ρ * वी ² * ए * पाप θ * कॉस θ * डी * कॉस θ

ध्यान देने योग्य एक महत्वपूर्ण संबंध बल और θ के बीच का है । संयुक्त बल संतुलन बल और sin θ * cos θ * cos θ के बीच संबंध को इंगित करता है ।

परिणामस्वरूप, ब्लेड का इष्टतम झुकाव वायु प्रवाह को ऐसा कोण प्रदान करेगा कि sin θ * cos θ * cos θ अधिकतम हो। यह मान नीचे दिए गए ग्राफ में प्रस्तुत किया गया है ताकि यह दिखाया जा सके कि θ को समायोजित करने पर मान कैसे बदलता है। 

कोण को रेडियन में समायोजित किया जाता है और लगभग 0.62 रेडियन या मोटे तौर पर 35.5 डिग्री पर अधिकतम मान इंगित करता है। इसका मतलब है कि हवा के बल का 38.5% अधिकतम रूपांतर घूर्णी गति में परिवर्तित हो जाता है। इसलिए, फ्लैट ब्लेड पवनचक्कियों का उपयोग करके इष्टतम मात्रा में ऊर्जा प्राप्त करने के लिए ब्लेड को आने वाली हवा की धारा से लगभग 35.5 डिग्री के कोण पर झुकाया जाना चाहिए।

इस ब्लेड कोण के लिए कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक (CFD) विश्लेषण का उद्देश्य दबाव वितरण और वायु प्रवाह की जांच करना था क्योंकि यह ब्लेड से गुजरता है। दुर्भाग्य से, CFD सॉफ़्टवेयर, फ़्लुएंट का लाइसेंस समाप्त हो गया है। गैम्बिट प्रोग्राम का उपयोग करके ब्लेड डिज़ाइन का मेश मॉडल नीचे शामिल किया गया है।

पूर्ण CFD विश्लेषण तब पोस्ट किया जाएगा जब फ्लूएंट या समकक्ष सॉफ्टवेयर प्रोग्राम तक पहुंच उपलब्ध हो जाएगी।

क्षेत्रीय विचार

इस तकनीक के लिए लक्षित क्षेत्र वे स्थान हैं जहाँ लोगों के पास उपकरण या आपूर्ति तक सीमित पहुँच है, जैसे कि उप सहारा अफ्रीका। इसके अलावा, क्षेत्र में उचित पवन संसाधन और कुछ प्रमुख सामग्रियों तक पहुँच होनी चाहिए। इन सामग्रियों में जनरेटर और मोटर जैसी कई तकनीकी रूप से उन्नत सामग्रियाँ शामिल हैं। हालाँकि, जब तक वे कार्यात्मक हैं और अपनी मूलभूत आवश्यकताओं को पूरा कर सकते हैं, तब तक इन्हें स्क्रैप यार्ड में पाया जा सकता है। जबकि कई लोग इन वस्तुओं को वहन करने में असमर्थ हैं, कई टूटी हुई कारें और उपकरण हैं जो पर्याप्त होंगे।

सामाजिक प्रभाव के संदर्भ में, बिजली तक पहुँच की क्षमता एक शक्तिशाली उपकरण है जो समुदायों को गरीबी से बाहर निकालने में मदद करने की क्षमता रखता है। इसके विपरीत, यह बार-बार दिखाया गया है कि यह आर्थिक विभाजन को बनाए रखने और उसे बढ़ाने में मदद करता है। यह महत्वपूर्ण है कि ऊर्जा को सम्मान के साथ संभाला जाए और इसका उपयोग दुर्भाग्यपूर्ण लोगों को और अधिक गरीब बनाने के साधन के रूप में न किया जाए।

सामग्री

नीचे दी गई सूची घर पर या स्क्रैप सामग्री का उपयोग करके पवनचक्की बनाने के लिए आवश्यक बुनियादी सामग्रियों को दर्शाती है। जैसा कि विलियम कामक्वाम्बा ने दिखाया है कि क्या संभव है और लोगों को दुनिया में प्रेरित किया है, उन्होंने अपनी पहली पवनचक्की बनाने के लिए जिन सामग्रियों का उपयोग किया, वे नीचे दिखाए गए हैं: ^[2]

यदि पवनचक्की का निर्माण किया जा रहा है और उसका उद्देश्य बिजली का भंडारण करना है, तो निम्नलिखित सामग्रियों की भी आवश्यकता होती है: ^[3]

• डीप साइकिल बैटरी 12V (यदि उपयोगकर्ता विद्युत ऊर्जा संग्रहीत करना चाहता है)
• बैटरी कितनी चार्ज होगी, इसे नियंत्रित करने के लिए चार्ज नियंत्रक
• डीसी/एसी कनवर्टर
• ब्रिज रेक्टिफायर (यह सुनिश्चित करने के लिए कि बिजली बैटरियों में प्रवाहित हो)

औजार

अगर आपके पास उपलब्ध औजारों पर कोई प्रतिबंध नहीं है, तो आरी, स्क्रू ड्राइवर, स्क्रू, हथौड़ा, कील, वॉशर, नट और बोल्ट, लेवल और मार्कर रखना उपयोगी होगा। इसके अलावा, प्लायर्स और वोल्टेज, एम्परेज और रेजिस्टेंस मीटर से बिजली का काम आसान हो जाएगा। हालाँकि, दुनिया के ग्रामीण इलाकों में लोगों को उपलब्ध संसाधनों के साथ अधिक रचनात्मक होने के लिए मजबूर होना पड़ता है। यहाँ कुछ उदाहरण दिए गए हैं कि यह कैसे होता है: ^[4]

• चपटे ब्लेड को पीवीसी पाइप को लंबाई में काटकर, आरी या इसी तरह के उपकरण का उपयोग करके बनाया जा सकता है, और फिर पाइप को आग पर गर्म करके बनाया जा सकता है। गर्म होने के बाद, इसे एक लंबे, चपटे ब्लेड में ढाला जा सकता है।
• बोतल के ढक्कन को हथौड़े से पीटकर सपाट करके और बीच में छेद करके वॉशर बनाया जा सकता है।

इन परिस्थितियों में, कीलें, पत्थर, आग और लकड़ी पवन टरबाइन बनाने के लिए उपकरण बन जाते हैं। स्टील या पत्थरों का इस्तेमाल हथौड़ों के रूप में किया जा सकता है और साइकिल के स्पोक को पत्थर पर घिसकर सपाट किनारा बनाया जा सकता है और प्लास्टिक की थैलियों को पिघलाकर एक सिरे पर हैंडल बनाया जा सकता है। इसके अलावा, मक्के के भुट्टे से हैंडल और बाहर निकलने वाली कील के रूप में ड्रिल बनाई जा सकती है। फिर कील को खुली आग पर तब तक गर्म किया जा सकता है जब तक कि वह लाल न हो जाए और फिर कुछ सामग्रियों में घुसने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

कौशल और ज्ञान

पवन टर्बाइनों की ऊर्जा उत्पादन क्षमता से लाभ उठाने के लिए, यह समझना महत्वपूर्ण है कि किसी दिए गए स्थान पर कितनी हवा उपलब्ध है। ब्यूफोर्ट स्केल विभिन्न दृश्य संकेतों के आधार पर हवा की गति का संकेत देता है। जबकि ये संकेत जमीन पर हवा की गति के संकेत देते हैं, ऊंचाई बढ़ने पर हवा में ऊर्जा की मात्रा अधिक होने की संभावना है। यह पृथ्वी की सतह पर विकसित होने वाली सीमा परत पर आधारित है, साथ ही जमीन पर विभिन्न अवरोधों पर भी आधारित है जो हवा के प्रवाह को प्रभावित करते हैं। ब्यूफोर्ट स्केल नीचे दिया गया है: ^[5]

भौतिक पहचान कारकों की अधिक संपूर्ण सूची प्राप्त करने के लिए कृपया इस लिंक का अनुसरण करें।

इसके अलावा, ऑपरेटिंग लाइट, रेडियो या बैटरी चार्ज करने जैसे अनुप्रयोगों के लिए उपयोग की जाने वाली बिजली को संचारित करने के लिए, वांछित डिवाइस को बिजली देने के लिए आवश्यक वोल्टेज और एम्परेज जैसे विद्युत सिद्धांत की समझ होना महत्वपूर्ण है। इस ज्ञान की रूपरेखा यहाँ पाई जा सकती है।

तकनीकी निर्देश

विलियम नीचे दिखाए गए योजनाबद्ध के आधार पर अपनी पवनचक्की बनाने में सक्षम था। ^[6] फिर इसे लकड़ी से बनाए गए एक बड़े टॉवर पर लगाया गया। कुल मिलाकर, मशीन अवधारणा में काफी सरल है, जिसमें प्रमुख सीमाएँ उपलब्ध सामग्री और उपकरणों तक सीमित पहुँच हैं। परीक्षण के माध्यम से, विलियम ने पाया कि उनके डिज़ाइन का उपयोग करके, एक चार ब्लेड वाली पवनचक्की अपने तीन ब्लेड वाले समकक्ष की तुलना में अधिक बिजली उत्पन्न करने में सक्षम थी। ^[7]

अनुमानित लागत

William has disclosed that his windmill cost approximately $15 to produce and that the bicycle generator was the most difficult to attain.^[8] An estimate of the costs for the various components has been compiled based on what he has been able to find for free in the scrap yard or from family.

In rural settings, the cost for the parts will vary significantly based on the materials that can be salvaged or must be purchased either locally or from neighbouring villages. Therefore, it is more appropriate to offer a range of anticipated costs based on the variability of how accessible certain materials are. While this is purely an estimate, it offers an idea as to how much one might expect to pay for the parts.

As indicated, the range of costs is approximately $0 - $99 and provides a general range of project costs based on how much can be salvaged. Based on these estimates, William's $15 budget appears to be at the lower end of the range as he was able to find the majority of his materials from what others considered to be waste.

Beyond the initial cost, the power harnessed from the wind has an opportunity to become an income generating technology. Cell phones have provided jobs to many people who rent their phones to individuals looking to call neighboring markets to determine the price for various goods. Similarly, power can be sold to people looking to charge their cell phones or other batteries that can be used for lighting applications or to listen to radios. 

Common Mistakes

There are many variations to the windmill design used by William Kamkwamba and refined throughout this section. However, there are some variations that are commonly used and have a negative impact on performance. One of these examples is using wood as the material to create blades. Wood is a poor choice as it is a heavier substance and therefore requires more energy to begin rotation and achieve more spin. Other materials should be considered.

Also, it is very important that blades are evenly shaped as this can cause a wobble to occur. The wobble will result in reduced performance and will shorten the windmill's life based on additional vibrations. The windmill blades should also be placed high above all other obstructions in order to obtain a more powerful and consistent wind stream. A good rule of thumb is to place the turbine twice as high as any nearby obstructions.

Other Designs

If you happen to have access to additional equipment such as saws and sand paper, then it may be possible to use the design showcased in the video below. Also, be sure to note that the wind turbine is able to pivot and uses a tail to direct the blades into the wind.

References

पृष्ठ डेटा

का हिस्सा	मैक425
कीवर्ड	इंजीनियरिंग , पवन ऊर्जा
एसडीजी	एसडीजी07 सस्ती और स्वच्छ ऊर्जा
लेखक	हावर्ड स्वार्टज़
लाइसेंस	सीसी-बाय-एसए-3.0
संगठनों	क्वीन्स यूनिवर्सिटी
भाषा	अंग्रेज़ी (en)
अनुवाद	इतालवी , हिन्दी , फ्रेंच
संबंधित	3 उपपृष्ठ , 17 पृष्ठ यहां लिंक करें
प्रभाव	48,767 पृष्ठ दृश्य ( अधिक )
बनाया था	3 अप्रैल, 2010 हावर्ड स्वार्टज़ द्वारा
संशोधित	6 मार्च, 2024 को 14.139.204.210 द्वारा
उद्धृत करें	हॉवर्ड स्वार्ट्ज (2010–2024)। "होममेड विंडमिल्स के लिए अनुकूलित ब्लेड डिज़ाइन" । एप्रोपीडिया । 29 जुलाई, 2024 को पुनःप्राप्त .
एपीआई प्रश्न	बुनियादी , अर्थ , HTML , फ़ाइलें , अधिक