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जल और समुद्री ऊर्जा कैलकुलेटर

ज्वारीय ऊर्जा कैलकुलेटर: टाइडल रेंज बैराज और टाइडल स्ट्रीम टरबाइन

बेसिन के क्षेत्र और टाइडल रेंज से ज्वारीय लैगून/बैराज का, या धारा की रफ़्तार और रोटर के आकार से टाइडल स्ट्रीम टरबाइन का सालाना उत्पादन आँकें। साल के हर दीर्घ ज्वार–लघु ज्वार चक्र का सिमुलेशन होता है।

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नतीजे

6 MW से हर साल 13.6 GWh, यानी 25.9% कैपेसिटी फैक्टर। उत्पादन का अनुमान सालों पहले लगाया जा सकता है, पर यह हर ज्वार के साथ घटता-बढ़ता है और दीर्घ–लघु ज्वार चक्र के साथ झूलता है। LCOE ≈ 422 €/MWh।
सालाना बिजली
13.6GWh
EU के 3,785 औसत घर
कैपेसिटी फैक्टर
25.9%
2,271 फ़ुल-लोड घंटे
स्थापित क्षमता
6MW
औसत पावर
1.6MW
रेटेड धारा रफ़्तार
3.13m/s
रोटर 18 m · Cp 0.42
औसत गतिज पावर डेंसिटी
4.67kW/m²
समय-औसत ½ρ|u|³
चलने के घंटे
6,457घंटे/साल
रेटेड पावर पर 640 घंटे
LCOE
422€/MWh
कैपेक्स 45 M€
प्रोजेक्ट IRR
-7.6%
200 €/MWh पर
दो हफ़्ते का उत्पादन: दीर्घ से लघु ज्वार तक
  • धारा u = U_peak(t)·sin(2πt/12.42 h) के हिसाब से चलती है, जिसमें अधिकतम मान 14.77 दिन में आपके दीर्घ और लघु ज्वार वाले मानों के बीच साइनसॉइडल रूप से बदलता है; ज्वार/भाटे की असमानता, टर्बुलेंस और गहराई के साथ रफ़्तार का प्रोफ़ाइल मॉडल में नहीं हैं।
  • सतह की नहीं, हब की गहराई पर धारा डालें। बड़े ऐरे में वेक और ब्लॉकेज का असर मायने रखता है; यह मॉडल हर टरबाइन को अलग-अलग मानता है।

यह ज्वारीय ऊर्जा कैलकुलेटर कैसे काम करता है

ज्वार से बिजली बनाने के दो बिल्कुल अलग तरीके हैं, और कैलकुलेटर दोनों को मॉडल करता है।

टाइडल रेंज (बैराज और लैगून) में ऊंचे ज्वार के समय पानी को दीवार के पीछे रोक लिया जाता है और ऊंचाई का फ़र्क बनने पर उसे लो-हेड टरबाइनों से छोड़ा जाता है। यानी यह चंद्रमा से चलने वाली पनबिजली है। उपलब्ध ऊर्जा बेसिन के क्षेत्र और ज्वार की रेंज के वर्ग के साथ बढ़ती है।

टाइडल स्ट्रीम टरबाइन तेज़ धाराओं में लगाए जाते हैं, पानी के नीचे पवन टरबाइन की तरह। इनकी पावर रोटर के क्षेत्र और धारा की रफ़्तार के घन के साथ बढ़ती है। समुद्री पानी हवा से लगभग 840 गुना घना है, इसलिए 3 m/s की धारा में 18 m का टाइडल रोटर उतनी बिजली बनाता है जितनी 12 m/s की हवा में 70–80 m का पवन रोटर, पर सिर्फ़ वहीं जहां धाराएं तेज़ हों।

ज्वार 12.42 घंटे के चंद्र अर्ध-दैनिक चक्र पर चलते हैं, और उनका आयाम 14.77 दिन के स्प्रिंग–नीप चक्र में बढ़ता-घटता है। कैलकुलेटर पूरे साल का सिमुलेशन करता है: बैराज के लिए हर ज्वार और स्ट्रीम टरबाइन के लिए हर 10 मिनट, जिसमें रेंज या पीक धारा आपके स्प्रिंग और नीप मानों के बीच बदलती रहती है।

फ़ॉर्मूले

Barrage / lagoon, per tide: E = ½ × ρ × g × A × R² Annual: E_year = Σ_tides min(E_tide × extraction factor, P_installed × generating hours) × availability

Tidal stream: P(t) = min(P_rated, ½ × ρ × A_rotor × Cp × |u(t)|³ × η) u(t) = U_peak(t) × sin(2π t / 12.42 h), U_peak varies between spring and neap over 14.77 days

समुद्री पानी के लिए ρ = 1,025 kg/m³। एक्सट्रैक्शन फैक्टर (एब जनरेशन के लिए डिफ़ॉल्ट 38%, फ़्लड के लिए 32%, दोतरफ़ा संचालन के लिए 50%) टरबाइन की दक्षता, उत्पादन शुरू होने से पहले ज़रूरी हेड और उस हेड के बनने के इंतज़ार में लगे समय का हिसाब रखता है।

उदाहरण: एक टाइडल स्ट्रीम ऐरे

डिफ़ॉल्ट मॉडल में 18 m रोटर वाले 1.5 MW के चार टरबाइन हैं, जो ऐसे चैनल में लगे हैं जहां गहराई-औसत पीक धारा स्प्रिंग पर 3.5 m/s और नीप पर 1.8 m/s तक पहुंचती है। यह स्कॉटलैंड के Pentland Firth में MeyGen प्रोजेक्ट के पहले चरण जैसा है।

  • Cp = 0.42 और 90% ड्राइवट्रेन दक्षता के साथ हर टरबाइन लगभग 3.1 m/s पर रेटेड पावर तक पहुंचता है।
  • धारा 1 m/s से ऊपर होते ही टरबाइन बिजली बनाने लगते हैं (साल में करीब 6,450 घंटे), पर पूरी पावर पर सिर्फ़ लगभग 640 घंटे चलते हैं, ज़्यादातर स्प्रिंग ज्वार के दौरान।
  • 92% उपलब्धता के साथ ऐरे साल में लगभग 13.6 GWh बनाता है। कैपेसिटी फैक्टर करीब 26% रहता है और यह बिजली करीब 3,800 औसत EU घरों के लिए काफ़ी है।
  • 7,500 €/kW और 3.5% O&M पर LCOE €400/MWh से ऊपर है, जो मानी गई €200/MWh की सपोर्ट कीमत का दोगुना है। इसी अंतर की वजह से मौजूदा टाइडल स्ट्रीम परियोजनाएं ख़ास कॉन्ट्रैक्ट्स-फ़ॉर-डिफ़रेंस पर टिकी हैं और लागत घटाना उद्योग का मुख्य लक्ष्य है।

La Rance जैसा बैराज प्रीसेट चुनें (22 km², 11 m स्प्रिंग और 5.5 m नीप रेंज, 240 MW, एब जनरेशन), तो मॉडल साल में लगभग 535 GWh देता है। यह असली प्लांट के दशकों से दिए जा रहे करीब 500 GWh के काफ़ी क़रीब है।

नतीजों को कैसे पढ़ें

  • सालाना ऊर्जा और कैपेसिटी फैक्टर: ज्वारीय प्लांट आम तौर पर 20–40% तक पहुंचते हैं।
  • रेटेड धारा रफ़्तार (स्ट्रीम)। कम रेटेड रफ़्तार चुनने से कैपेसिटी फैक्टर बढ़ता है, पर स्प्रिंग ज्वार में ऊर्जा बर्बाद होती है। डेवलपर इसे लागत के साथ तौलकर तय करते हैं।
  • हर ज्वार की ऊर्जा (बैराज)। चार्ट स्प्रिंग–नीप का उतार-चढ़ाव दिखाता है। स्प्रिंग ज्वार नीप से चार गुना तक ऊर्जा दे सकते हैं, क्योंकि ऊर्जा R² के साथ बढ़ती है।
  • क्षमता से सीमित ज्वार। अगर यह संख्या ज़्यादा है, तो और टरबाइन लगाने से ज़्यादा ऊर्जा मिलेगी।

आम मान

पैरामीटर टाइडल स्ट्रीम टाइडल रेंज
ज़रूरी संसाधन स्प्रिंग पीक धारा > 2.5 m/s औसत रेंज > 5 m
यूनिट का आकार 0.1–2.5 MW 10–26 MW बल्ब टरबाइन
कैपेसिटी फैक्टर 25–40% 20–30%
कैपेक्स 5,000–12,000 प्रति kW 3,000–8,000 प्रति kW
उदाहरण MeyGen (UK), 6 MW La Rance (FR) 240 MW; Sihwa (KR) 254 MW

टिप्स

  • हब की गहराई पर मापें। समुद्र तल की ओर धारा की रफ़्तार घटती है। सतह की रफ़्तार नहीं, रोटर की ऊंचाई पर ADCP माप इस्तेमाल करें।
  • स्प्रिंग और नीप दोनों मायने रखते हैं। जिस साइट पर स्प्रिंग धाराएं तेज़ पर नीप कमज़ोर हों, वह अपनी पीक धारा से लगने वाले अनुमान से कम बिजली देती है।
  • दोतरफ़ा लैगून फ़्लड और एब दोनों पर बिजली बनाते हैं और ऊंचे पानी पर पंप करके हेड बढ़ा सकते हैं। ये सिर्फ़ एब वाले बैराज से ज़्यादा स्थिर उत्पादन देते हैं।
  • स्टोरेज या दूसरे नवीकरणीय स्रोतों के साथ जोड़ें। ज्वारीय उत्पादन का अनुमान लगाया जा सकता है, पर यह दिन में चार बार झटकों में आता है, इसलिए पवन और सोलर के साथ अच्छी जोड़ी बनाता है।

सीमाएं

ज्वार को स्प्रिंग–नीप मॉड्यूलेशन वाले एक साइनसॉइडल घटक के रूप में मॉडल किया गया है। असली ज्वारों में दैनिक असमानता, विषुव के समय ऊंचे ज्वार और साइट के हिसाब से फ़्लड/एब की विषमता होती है। स्ट्रीम टरबाइनों को अलग-अलग माना गया है, ऐरे वेक या चैनल ब्लॉकेज के असर के बिना, और पानी की रफ़्तार का ऊर्ध्वाधर प्रोफ़ाइल नज़रअंदाज़ किया गया है। बैराज मॉडल पूरे संचालन सिमुलेशन के बजाय एक अनुभवजन्य एक्सट्रैक्शन फैक्टर इस्तेमाल करता है, इसलिए ±20–30% सटीकता की उम्मीद रखें। तलछट, मछलियों और ज्वारीय तटीय आवासों पर पर्यावरणीय असर इसके दायरे से बाहर हैं, हालांकि बैराज के मामले में अक्सर यही फ़ैसला करते हैं।

तरीका और मान्यताएँ

टाइडल रेंज (बैराज/लैगून): क्षेत्र A पर रेंज R के साथ रोका गया पानी हर बार भरने या खाली होने पर E = ½ ρ g A R² स्थितिज ऊर्जा रखता है (ρ = 1,025 kg/m³)। 14.77 दिन के चक्र में हर ज्वार की रेंज लघु और दीर्घ ज्वार के मानों के बीच बदलती है, साल के 706 ज्वार जोड़े जाते हैं, एक्सट्रैक्शन फ़ैक्टर स्थितिज ऊर्जा को मिलने वाली बिजली में बदलता है, और हर ज्वार को स्थापित पावर × उत्पादन के घंटों पर सीमित किया जाता है। टाइडल स्ट्रीम: P = ½ ρ A Cp u³ η, रेटेड पावर तक सीमित और कट-इन से नीचे शून्य; पूरे साल हर 10 मिनट पर साइनसॉइडल M2 ज्वार से सिमुलेशन, जिसका आयाम दीर्घ–लघु ज्वार चक्र के साथ बदलता है। LCOE = डिस्काउंट की गई लागत ÷ डिस्काउंट किए गए MWh।

अक्सर पूछे जाने वाले सवाल

ज्वारीय ऊर्जा का हिसाब कैसे लगाया जाता है?
बैराज या लैगून के लिए हर ज्वार में उपलब्ध ऊर्जा E = ½ × ρ × g × A × R² है (समुद्री पानी का घनत्व × गुरुत्व × बेसिन का क्षेत्र × ज्वार की रेंज का वर्ग)। टाइडल स्ट्रीम टरबाइन के लिए पावर P = ½ × ρ × A × Cp × v³ है, बिल्कुल पवन टरबाइन की तरह, बस पानी हवा से लगभग 840 गुना ज़्यादा घना है।
एक टाइडल स्ट्रीम टरबाइन कितनी बिजली बनाता है?
18–20 m रोटर वाला आधुनिक 1.5–2 MW टाइडल टरबाइन लगभग 3 m/s की धारा में रेटेड पावर तक पहुंचता है और आम तौर पर 25–40% कैपेसिटी फैक्टर हासिल करता है। अच्छी साइट पर यह साल में करीब 3,000–6,000 MWh बनाता है।
टाइडल स्ट्रीम ऊर्जा के लिए धारा की कितनी रफ़्तार चाहिए?
व्यावसायिक साइटों पर आम तौर पर स्प्रिंग ज्वार की पीक धारा लगभग 2.5 m/s से ऊपर चाहिए, आदर्श रूप से 3–5 m/s। पावर रफ़्तार के घन के साथ बढ़ती है, इसलिए 4 m/s वाली साइट में 3 m/s वाली साइट से दोगुने से ज़्यादा पावर होती है।
La Rance ज्वारीय बिजलीघर कितनी बिजली बनाता है?
फ़्रांस के ब्रिटनी में La Rance 1966 से चल रहा है और इसमें 240 MW के टरबाइन हैं। यह लगभग 22 km² के बेसिन और करीब 8 m की औसत ज्वार रेंज से साल में लगभग 500 GWh बनाता है। यह करीब 24% का कैपेसिटी फैक्टर है।
ज्वारीय ऊर्जा का अनुमान पहले से क्यों लगाया जा सकता है?
ज्वार चंद्रमा और सूर्य के गुरुत्वाकर्षण से चलते हैं, इसलिए इनका समय और ऊंचाई सालों, यहां तक कि सदियों पहले बताई जा सकती है। उत्पादन हर दिन के भीतर और 14.8 दिन के स्प्रिंग–नीप चक्र में काफ़ी ऊपर-नीचे होता है, पर ग्रिड ऑपरेटर को कभी अचानक हैरान नहीं करता।
ज्वारीय ऊर्जा महंगी क्यों है?
समुद्री निर्माण, जंग, इंस्टॉलेशन और मेंटेनेंस के लिए मौसम की सीमित खिड़कियां और छोटे प्रोजेक्ट आकार लागत ऊंची रखते हैं। आज टाइडल स्ट्रीम का LCOE आम तौर पर 200 प्रति MWh (EUR या GBP) से काफ़ी ऊपर है, हालांकि बड़े ऐरे के साथ लागत घटने की उम्मीद है।

स्रोत और संदर्भ

  1. Ocean Energy Systems (IEA Technology Collaboration Programme) — वार्षिक रिपोर्टें
  2. Charlier, R.H. (2007). Forty candles for the Rance River TPP tides provide renewable and sustainable power generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews 11(9)
  3. Neill, S.P. & Hashemi, M.R. — Fundamentals of Ocean Renewable Energy, Academic Press, 2018
  4. IRENA — Tidal Energy Technology Brief (2014)

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