હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ અને હાઇડ્રો ટર્બાઇન જનરેટર કેવી રીતે કાર્ય કરે છે

વિશ્વભરમાં, હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ્સ વિશ્વની વીજળીના લગભગ 24 ટકા ઉત્પાદન કરે છે અને 1 અબજથી વધુ લોકોને વીજળી પૂરી પાડે છે. નેશનલ રિન્યુએબલ એનર્જી લેબોરેટરી અનુસાર, વિશ્વના હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ્સ કુલ 675,000 મેગાવોટ ઉત્પાદન કરે છે, જે 3.6 અબજ બેરલ તેલની સમકક્ષ ઊર્જા છે. યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં 2,000 થી વધુ હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ કાર્યરત છે, જે હાઇડ્રોપાવરને દેશનો સૌથી મોટો રિન્યુએબલ ઉર્જા સ્ત્રોત બનાવે છે.
આ લેખમાં, આપણે પાણી કેવી રીતે ઉર્જા ઉત્પન્ન કરે છે તેના પર એક નજર નાખીશું અને હાઇડ્રોલોજિકલ ચક્ર વિશે શીખીશું જે હાઇડ્રોપાવર માટે જરૂરી પાણીનો પ્રવાહ બનાવે છે. તમને હાઇડ્રોપાવરના એક અનોખા ઉપયોગની ઝલક પણ મળશે જે તમારા રોજિંદા જીવનને અસર કરી શકે છે.
નદીને વહેતી જોતી વખતે, તે કેટલી શક્તિ વહન કરે છે તેની કલ્પના કરવી મુશ્કેલ છે. જો તમે ક્યારેય વ્હાઇટ-વોટર રાફ્ટિંગ કર્યું હોય, તો તમે નદીની શક્તિનો એક નાનો ભાગ અનુભવ્યો હશે. વ્હાઇટ-વોટર રેપિડ્સ એક નદી તરીકે બનાવવામાં આવે છે, જે મોટા પ્રમાણમાં પાણીને નીચે તરફ લઈ જાય છે, એક સાંકડા માર્ગ દ્વારા અવરોધો બનાવે છે. જેમ જેમ નદી આ છિદ્રમાંથી પસાર થાય છે, તેમ તેમ તેનો પ્રવાહ ઝડપી બને છે. પૂર એ એક બીજું ઉદાહરણ છે કે પાણીનો વિશાળ જથ્થો કેટલો બળ ધરાવતો હોઈ શકે છે.

હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ પાણીની ઉર્જાનો ઉપયોગ કરે છે અને તે ઉર્જાને વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે સરળ મિકેનિક્સનો ઉપયોગ કરે છે. હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ વાસ્તવમાં એક સરળ ખ્યાલ પર આધારિત છે - ડેમમાંથી વહેતું પાણી ટર્બાઇન ફેરવે છે, જે જનરેટર ફેરવે છે.
પરંપરાગત હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટના મૂળભૂત ઘટકો અહીં છે:
ટર્બાઇન અને જનરેટરને જોડતો શાફ્ટ
ડેમ - મોટાભાગના હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ એવા ડેમ પર આધાર રાખે છે જે પાણીને રોકે છે, જેનાથી એક મોટો જળાશય બને છે. ઘણીવાર, આ જળાશયનો ઉપયોગ મનોરંજન માટે તળાવ તરીકે થાય છે, જેમ કે વોશિંગ્ટન રાજ્યના ગ્રાન્ડ કુલી ડેમ ખાતે લેક ​​રૂઝવેલ્ટ.
ઇનટેક - ડેમના દરવાજા ખુલે છે અને ગુરુત્વાકર્ષણ પાણીને પેનસ્ટોક દ્વારા ખેંચે છે, એક પાઇપલાઇન જે ટર્બાઇન તરફ દોરી જાય છે. આ પાઇપમાંથી વહેતી વખતે પાણીનું દબાણ વધે છે.
ટર્બાઇન - પાણી ટર્બાઇનના મોટા બ્લેડને અથડાવે છે અને ફેરવે છે, જે શાફ્ટ દ્વારા તેની ઉપર જનરેટર સાથે જોડાયેલ છે. હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ્સ માટે સૌથી સામાન્ય પ્રકારનું ટર્બાઇન ફ્રાન્સિસ ટર્બાઇન છે, જે વક્ર બ્લેડવાળી મોટી ડિસ્ક જેવું લાગે છે. ફાઉન્ડેશન ફોર વોટર એન્ડ એનર્જી એજ્યુકેશન (FWEE) અનુસાર, એક ટર્બાઇન 172 ટન જેટલું વજન કરી શકે છે અને પ્રતિ મિનિટ 90 ​​રિવોલ્યુશન (rpm) ના દરે ફેરવી શકે છે.
જનરેટર - જેમ જેમ ટર્બાઇન બ્લેડ ફરે છે, તેમ તેમ જનરેટરની અંદર ચુંબકોની શ્રેણી પણ ફરે છે. વિશાળ ચુંબક તાંબાના કોઇલની આસપાસ ફરે છે, ઇલેક્ટ્રોનને ખસેડીને વૈકલ્પિક પ્રવાહ (AC) ઉત્પન્ન કરે છે. (જનરેટર કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તે વિશે તમે પછીથી વધુ શીખી શકશો.)
ટ્રાન્સફોર્મર - પાવરહાઉસની અંદરનું ટ્રાન્સફોર્મર AC લે છે અને તેને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ પ્રવાહમાં રૂપાંતરિત કરે છે.
પાવર લાઇન્સ - દરેક પાવર પ્લાન્ટમાંથી ચાર વાયર આવે છે: એકસાથે ઉત્પન્ન થતા પાવરના ત્રણ તબક્કાઓ અને ત્રણેય માટે સામાન્ય તટસ્થ અથવા ગ્રાઉન્ડ વાયર. (પાવર લાઇન ટ્રાન્સમિશન વિશે વધુ જાણવા માટે પાવર ડિસ્ટ્રિબ્યુશન ગ્રીડ કેવી રીતે કાર્ય કરે છે તે વાંચો.)
આઉટફ્લો - વપરાયેલ પાણી ટેલરેસ નામની પાઇપલાઇન દ્વારા વહન કરવામાં આવે છે અને નદીના નીચેના ભાગમાં ફરીથી પ્રવેશ કરે છે.
જળાશયમાં રહેલા પાણીને સંગ્રહિત ઊર્જા ગણવામાં આવે છે. જ્યારે દરવાજા ખુલે છે, ત્યારે પેનસ્ટોકમાંથી વહેતું પાણી ગતિશીલ ઊર્જા બની જાય છે કારણ કે તે ગતિમાં હોય છે. ઉત્પન્ન થતી વીજળીનું પ્રમાણ અનેક પરિબળો દ્વારા નક્કી થાય છે. તેમાંથી બે પરિબળો પાણીના પ્રવાહનું પ્રમાણ અને હાઇડ્રોલિક હેડનું પ્રમાણ છે. હેડ પાણીની સપાટી અને ટર્બાઇન વચ્ચેનું અંતર દર્શાવે છે. જેમ જેમ હેડ અને પ્રવાહ વધે છે, તેમ તેમ વીજળી ઉત્પન્ન થાય છે. હેડ સામાન્ય રીતે જળાશયમાં રહેલા પાણીના જથ્થા પર આધારિત હોય છે.
પમ્પ્ડ-સ્ટોરેજ પ્લાન્ટ નામનો બીજો એક પ્રકારનો હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ છે. પરંપરાગત હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટમાં, જળાશયમાંથી પાણી પ્લાન્ટમાંથી વહે છે, બહાર નીકળે છે અને નીચે વહન કરવામાં આવે છે. પમ્પ્ડ-સ્ટોરેજ પ્લાન્ટમાં બે જળાશયો હોય છે:

ઉપરનો જળાશય - પરંપરાગત જળવિદ્યુત પ્લાન્ટની જેમ, બંધ એક જળાશય બનાવે છે. આ જળાશયમાં રહેલું પાણી વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે જળવિદ્યુત પ્લાન્ટમાંથી વહે છે.
નીચલું જળાશય - હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટમાંથી બહાર નીકળતું પાણી નદીમાં ફરી પ્રવેશવાને બદલે નીચે તરફ વહેવાને બદલે નીચલા જળાશયમાં વહે છે.
રિવર્સિબલ ટર્બાઇનનો ઉપયોગ કરીને, પ્લાન્ટ પાણીને ઉપરના જળાશયમાં પાછું પમ્પ કરી શકે છે. આ કામ ઓછા સમય દરમિયાન થાય છે. મૂળભૂત રીતે, બીજો જળાશય ઉપલા જળાશયને ફરીથી ભરે છે. ઉપરના જળાશયમાં પાણી પાછું પમ્પ કરીને, પ્લાન્ટ પાસે ટોચના વપરાશના સમયગાળા દરમિયાન વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે વધુ પાણી હોય છે.

જનરેટર
હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક પાવર પ્લાન્ટનું હૃદય જનરેટર છે. મોટાભાગના હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક પ્લાન્ટમાં આવા ઘણા જનરેટર હોય છે.
જેમ તમે અનુમાન લગાવ્યું હશે, જનરેટર વીજળી ઉત્પન્ન કરે છે. આ રીતે વીજળી ઉત્પન્ન કરવાની મૂળભૂત પ્રક્રિયા વાયરના કોઇલમાં ચુંબકની શ્રેણીને ફેરવવાની છે. આ પ્રક્રિયા ઇલેક્ટ્રોનને ખસેડે છે, જે વિદ્યુત પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે.
હૂવર ડેમમાં કુલ ૧૭ જનરેટર છે, જેમાંથી દરેક ૧૩૩ મેગાવોટ સુધી વીજળી ઉત્પન્ન કરી શકે છે. હૂવર ડેમ હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટની કુલ ક્ષમતા ૨,૦૭૪ મેગાવોટ છે. દરેક જનરેટર ચોક્કસ મૂળભૂત ભાગોથી બનેલું છે:

જેમ જેમ ટર્બાઇન ફરે છે, તેમ એક્સાઇટર રોટરને વિદ્યુત પ્રવાહ મોકલે છે. રોટર એ મોટા ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટની શ્રેણી છે જે સ્ટેટર નામના તાંબાના વાયરના કડક રીતે ઘાયલ કોઇલની અંદર ફરે છે. કોઇલ અને ચુંબક વચ્ચેનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર વિદ્યુત પ્રવાહ બનાવે છે.
હૂવર ડેમમાં, જનરેટરથી ટ્રાન્સફોર્મર સુધી ૧૬,૫૦૦ એમ્પ્સનો પ્રવાહ જાય છે, જ્યાં પ્રસારિત થતાં પહેલાં પ્રવાહ ૨૩૦,૦૦૦ એમ્પ્સ સુધી વધે છે.
હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ કુદરતી રીતે થતી, સતત પ્રક્રિયાનો લાભ લે છે - એક પ્રક્રિયા જેના કારણે વરસાદ પડે છે અને નદીઓ ઉપર આવે છે. દરરોજ, આપણો ગ્રહ વાતાવરણમાંથી થોડી માત્રામાં પાણી ગુમાવે છે કારણ કે અલ્ટ્રાવાયોલેટ કિરણો પાણીના અણુઓને તોડી નાખે છે. પરંતુ તે જ સમયે, જ્વાળામુખીની પ્રવૃત્તિ દ્વારા પૃથ્વીના આંતરિક ભાગમાંથી નવું પાણી ઉત્સર્જિત થાય છે. બનાવેલ પાણીનું પ્રમાણ અને ગુમાવેલ પાણીનું પ્રમાણ લગભગ સમાન છે.
કોઈપણ સમયે, વિશ્વના પાણીનો કુલ જથ્થો ઘણા જુદા જુદા સ્વરૂપોમાં હોય છે. તે પ્રવાહી હોઈ શકે છે, જેમ કે મહાસાગરો, નદીઓ અને વરસાદમાં; ઘન, જેમ કે હિમનદીઓમાં; અથવા વાયુયુક્ત, જેમ કે હવામાં અદ્રશ્ય જળ બાષ્પમાં. પવન પ્રવાહો દ્વારા ગ્રહની આસપાસ ફરતી વખતે પાણી સ્થિતિઓ બદલાય છે. પવન પ્રવાહો સૂર્યની ગરમીની પ્રવૃત્તિ દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે. ગ્રહના અન્ય વિસ્તારો કરતાં વિષુવવૃત્ત પર સૂર્ય વધુ ચમકતો હોવાથી હવા-પ્રવાહ ચક્રો બનાવવામાં આવે છે.

હવા-પ્રવાહ ચક્ર પૃથ્વીના પાણી પુરવઠાને તેના પોતાના ચક્ર દ્વારા ચલાવે છે, જેને હાઇડ્રોલોજિકલ ચક્ર કહેવાય છે. જેમ જેમ સૂર્ય પ્રવાહી પાણીને ગરમ કરે છે, તેમ તેમ પાણી હવામાં બાષ્પીભવન થાય છે. સૂર્ય હવાને ગરમ કરે છે, જેના કારણે વાતાવરણમાં હવા વધે છે. હવા ઉપર ઠંડી હોય છે, તેથી જેમ જેમ પાણીની વરાળ વધે છે, તે ઠંડી પડે છે, ટીપાંમાં ઘનીકરણ થાય છે. જ્યારે એક વિસ્તારમાં પૂરતા ટીપાં એકઠા થાય છે, ત્યારે ટીપાં વરસાદ તરીકે પૃથ્વી પર પાછા પડી શકે તેટલા ભારે થઈ શકે છે.
હાઇડ્રોલોજિકલ ચક્ર હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટ માટે મહત્વપૂર્ણ છે કારણ કે તે પાણીના પ્રવાહ પર આધાર રાખે છે. જો પ્લાન્ટની નજીક વરસાદનો અભાવ હોય, તો પાણી ઉપરના પ્રવાહમાં એકઠું થશે નહીં. ઉપરના પ્રવાહમાં પાણી એકઠું ન થવાથી, હાઇડ્રોપાવર પ્લાન્ટમાંથી ઓછું પાણી વહે છે અને ઓછી વીજળી ઉત્પન્ન થાય છે.
હાઇડ્રોપાવરનો મૂળ વિચાર એ છે કે ટર્બાઇન બ્લેડને ફેરવવા માટે ગતિશીલ પ્રવાહીની શક્તિનો ઉપયોગ કરવો. સામાન્ય રીતે, આ કાર્ય કરવા માટે નદીની મધ્યમાં એક મોટો બંધ બાંધવો પડે છે. પોર્ટેબલ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો માટે વીજળી પૂરી પાડવા માટે એક નવી શોધ ઘણા નાના પાયે હાઇડ્રોપાવરના વિચારનો લાભ લઈ રહી છે.

કેનેડાના ઓન્ટારિયોના શોધક રોબર્ટ કોમારેચકાએ જૂતાના તળિયામાં નાના હાઇડ્રોપાવર જનરેટર મૂકવાનો વિચાર રજૂ કર્યો છે. તેમનું માનવું છે કે આ માઇક્રો-ટર્બાઇન્સ લગભગ કોઈપણ ગેજેટને પાવર આપવા માટે પૂરતી વીજળી ઉત્પન્ન કરશે. મે 2001 માં, કોમારેચકાને તેમના અનોખા પગથી ચાલતા ઉપકરણ માટે પેટન્ટ મળ્યું.
આપણે કેવી રીતે ચાલીએ છીએ તેનો એક ખૂબ જ મૂળભૂત સિદ્ધાંત છે: દરેક પગલા દરમિયાન પગ એડીથી પગ સુધી નીચે પડે છે. જેમ જેમ તમારો પગ જમીન પર પડે છે, તેમ તેમ તમારી એડી દ્વારા બળ નીચે લાવવામાં આવે છે. જ્યારે તમે તમારા આગલા પગલાની તૈયારી કરો છો, ત્યારે તમે તમારા પગને આગળ ફેરવો છો, જેથી બળ તમારા પગના બોલમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે. કોમારેચકાએ ચાલવાના આ મૂળભૂત સિદ્ધાંતને દેખીતી રીતે જોયો છે અને આ રોજિંદા પ્રવૃત્તિની શક્તિનો ઉપયોગ કરવાનો વિચાર વિકસાવ્યો છે.
કોમારેચકાના "હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક જનરેટર એસેમ્બલીવાળા ફૂટવેર" માં પાંચ ભાગો છે, જેમ કે તેના પેટન્ટમાં વર્ણવેલ છે:

પ્રવાહી - સિસ્ટમ વિદ્યુત વાહક પ્રવાહીનો ઉપયોગ કરશે.
પ્રવાહીને પકડી રાખવા માટેની કોથળીઓ - એક કોથળી જૂતાની એડીમાં અને બીજી કોથળી પગના અંગૂઠાના ભાગમાં મૂકવામાં આવે છે.
નળીઓ - નળીઓ દરેક કોથળીને માઇક્રોજનરેટર સાથે જોડે છે.
ટર્બાઇન - જેમ પાણી સોલમાં આગળ-પાછળ ફરે છે, તેમ તે નાના ટર્બાઇનના બ્લેડને પણ ફરે છે.
માઇક્રોજનરેટર - જનરેટર બે પ્રવાહીથી ભરેલી કોથળીઓ વચ્ચે સ્થિત છે, અને તેમાં વેન રોટરનો સમાવેશ થાય છે, જે શાફ્ટ ચલાવે છે અને જનરેટરને ફેરવે છે.
જેમ જેમ વ્યક્તિ ચાલે છે, તેમ તેમ જૂતાની એડીમાં સ્થિત કોથળીમાં પ્રવાહીનું સંકોચન પ્રવાહીને નળીમાંથી પસાર કરીને હાઇડ્રોઇલેક્ટ્રિક જનરેટર મોડ્યુલમાં દબાણ કરશે. જેમ જેમ વપરાશકર્તા ચાલવાનું ચાલુ રાખશે, તેમ તેમ એડી ઉંચી થશે અને વ્યક્તિના પગના બોલ હેઠળ કોથળી પર નીચે તરફ દબાણ આવશે. પ્રવાહીની ગતિ રોટર અને શાફ્ટને ફેરવીને વીજળી ઉત્પન્ન કરશે.

વાયરને પોર્ટેબલ ડિવાઇસ સાથે જોડવા માટે એક બાહ્ય સોકેટ આપવામાં આવશે. વપરાશકર્તાના બેલ્ટ પર પહેરવા માટે પાવર-કંટ્રોલ આઉટપુટ યુનિટ પણ પૂરું પાડી શકાય છે. ત્યારબાદ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોને આ પાવર-કંટ્રોલ આઉટપુટ યુનિટ સાથે જોડી શકાય છે, જે વીજળીનો સતત પુરવઠો પૂરો પાડશે.
"બેટરીથી ચાલતા, પોર્ટેબલ ઉપકરણોની સંખ્યામાં વધારા સાથે," પેટન્ટ વાંચે છે, "લાંબા સમય સુધી ચાલતા, અનુકૂલનશીલ, કાર્યક્ષમ વિદ્યુત સ્ત્રોત પ્રદાન કરવાની જરૂરિયાત વધી રહી છે." કોમારેશ્કા અપેક્ષા રાખે છે કે તેમના ઉપકરણનો ઉપયોગ પોર્ટેબલ કમ્પ્યુટર્સ, સેલ ફોન, સીડી પ્લેયર્સ, જીપીએસ રીસીવરો અને ટુ-વે રેડિયોને પાવર આપવા માટે કરવામાં આવશે.