जलविद्युत उत्पादन का अवलोकन

जलविद्युत का मतलब है प्राकृतिक नदियों की जल ऊर्जा को लोगों के उपयोग के लिए बिजली में बदलना। बिजली उत्पादन में ऊर्जा के विभिन्न स्रोतों का उपयोग किया जाता है, जैसे सौर ऊर्जा, नदियों में जल शक्ति और वायु प्रवाह से उत्पन्न पवन ऊर्जा। जलविद्युत का उपयोग करके जलविद्युत उत्पादन की लागत सस्ती है, और जलविद्युत स्टेशनों के निर्माण को अन्य जल संरक्षण परियोजनाओं के साथ भी जोड़ा जा सकता है। हमारा देश जलविद्युत संसाधनों में बहुत समृद्ध है और परिस्थितियाँ भी बहुत अच्छी हैं। राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के निर्माण में जलविद्युत की महत्वपूर्ण भूमिका है।
किसी नदी का अपस्ट्रीम जल स्तर उसके डाउनस्ट्रीम जल स्तर से अधिक होता है। नदी के जल स्तर में अंतर के कारण जल ऊर्जा उत्पन्न होती है। इस ऊर्जा को स्थितिज ऊर्जा या स्थितिज ऊर्जा कहते हैं। नदी के पानी की ऊंचाई के बीच के अंतर को बूंद कहा जाता है, जिसे जल स्तर अंतर या जल शीर्ष भी कहा जाता है। यह गिरावट हाइड्रोलिक शक्ति के निर्माण के लिए एक बुनियादी शर्त है। इसके अलावा, हाइड्रोलिक शक्ति का परिमाण नदी में पानी के प्रवाह के परिमाण पर भी निर्भर करता है, जो बूंद जितनी ही महत्वपूर्ण एक और बुनियादी शर्त है। बूंद और प्रवाह दोनों सीधे हाइड्रोलिक शक्ति को प्रभावित करते हैं; बूंद का पानी का आयतन जितना बड़ा होगा, हाइड्रोलिक शक्ति उतनी ही अधिक होगी; यदि बूंद और पानी का आयतन अपेक्षाकृत कम है, तो जलविद्युत स्टेशन का उत्पादन छोटा होगा।
ड्रॉप को आम तौर पर मीटर में व्यक्त किया जाता है। ग्रेडिएंट ड्रॉप और दूरी का अनुपात है, जो ड्रॉप सांद्रता की डिग्री को इंगित कर सकता है। ड्रॉप अधिक केंद्रित है, और हाइड्रोलिक पावर का उपयोग अधिक सुविधाजनक है। एक जलविद्युत स्टेशन द्वारा उपयोग की जाने वाली ड्रॉप, टरबाइन से गुजरने के बाद जलविद्युत स्टेशन की अपस्ट्रीम जल सतह और डाउनस्ट्रीम जल सतह के बीच का अंतर है।

प्रवाह एक नदी में प्रति इकाई समय में बहने वाले पानी की मात्रा है, और इसे एक सेकंड में क्यूबिक मीटर में व्यक्त किया जाता है। एक घन मीटर पानी एक टन होता है। किसी नदी का प्रवाह किसी भी समय बदल जाता है, इसलिए जब हम प्रवाह के बारे में बात करते हैं, तो हमें उस विशिष्ट स्थान का समय स्पष्ट करना चाहिए जहां यह बहती है। समय के साथ प्रवाह बहुत महत्वपूर्ण रूप से बदलता है। हमारे देश में नदियों में आम तौर पर गर्मियों और शरद ऋतु में बरसात के मौसम में एक बड़ा प्रवाह होता है, और सर्दियों और वसंत में अपेक्षाकृत कम होता है। आम तौर पर, नदी का प्रवाह अपस्ट्रीम में अपेक्षाकृत कम होता है; क्योंकि सहायक नदियाँ विलीन हो जाती हैं, डाउनस्ट्रीम प्रवाह धीरे-धीरे बढ़ता है। इसलिए, हालांकि अपस्ट्रीम ड्रॉप केंद्रित है, प्रवाह छोटा है; डाउनस्ट्रीम प्रवाह बड़ा है, लेकिन गिरावट अपेक्षाकृत बिखरी हुई है।
किसी जलविद्युत स्टेशन द्वारा प्रयुक्त बूंद और प्रवाह को जानकर, उसके आउटपुट की गणना निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके की जा सकती है:
एन= जीक्यूएच
सूत्र में, N-आउटपुट, किलोवाट में, को शक्ति भी कहा जा सकता है;
क्यू-प्रवाह, प्रति सेकंड घन मीटर में;
एच – बूंद, मीटर में;
G = 9.8, गुरुत्वाकर्षण का त्वरण है, इकाई: न्यूटन/किलोग्राम
उपरोक्त सूत्र के अनुसार, सैद्धांतिक शक्ति की गणना किसी भी हानि को घटाए बिना की जाती है। वास्तव में, जलविद्युत उत्पादन की प्रक्रिया में, टर्बाइन, ट्रांसमिशन उपकरण, जनरेटर, आदि सभी में अपरिहार्य शक्ति हानि होती है। इसलिए, सैद्धांतिक शक्ति को छूट दी जानी चाहिए, अर्थात, हम जो वास्तविक शक्ति उपयोग कर सकते हैं उसे दक्षता गुणांक (प्रतीक: K) से गुणा किया जाना चाहिए।
जलविद्युत स्टेशन में जनरेटर की डिज़ाइन की गई शक्ति को रेटेड शक्ति कहा जाता है, और वास्तविक शक्ति को वास्तविक शक्ति कहा जाता है। ऊर्जा परिवर्तन की प्रक्रिया में, ऊर्जा का एक हिस्सा खोना अपरिहार्य है। जलविद्युत उत्पादन की प्रक्रिया में, मुख्य रूप से टर्बाइन और जनरेटर का नुकसान होता है (पाइपलाइनों में भी नुकसान होता है)। ग्रामीण सूक्ष्म जलविद्युत स्टेशन में विभिन्न नुकसान कुल सैद्धांतिक शक्ति का लगभग 40-50% है, इसलिए जलविद्युत स्टेशन का उत्पादन वास्तव में सैद्धांतिक शक्ति का केवल 50-60% उपयोग कर सकता है, अर्थात दक्षता लगभग 0.5-0.60 है (जिसमें टर्बाइन की दक्षता 0.70-0.85 है, जनरेटर की दक्षता 0.85 से 0.90 है, और पाइपलाइनों और ट्रांसमिशन उपकरणों की दक्षता 0.80 से 0.85 है)। इसलिए, जलविद्युत स्टेशन की वास्तविक शक्ति (आउटपुट) की गणना निम्नानुसार की जा सकती है:
K-जलविद्युत स्टेशन की दक्षता, (0.5～0.6) का उपयोग सूक्ष्म जलविद्युत स्टेशन की मोटे तौर पर गणना में किया जाता है; इस मान को इस प्रकार सरलीकृत किया जा सकता है:
N=(0.5～0.6)QHG वास्तविक शक्ति=दक्षता×प्रवाह×बूंद×9.8
जलविद्युत का उपयोग जल शक्ति का उपयोग करके किसी मशीन को चलाना है, जिसे जल टरबाइन कहते हैं। उदाहरण के लिए, हमारे देश में प्राचीन जलचक्र एक बहुत ही सरल जल टरबाइन है। वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले विभिन्न हाइड्रोलिक टरबाइन विभिन्न विशिष्ट हाइड्रोलिक स्थितियों के अनुकूल हैं, ताकि वे अधिक कुशलता से घूम सकें और जल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित कर सकें। एक अन्य प्रकार की मशीनरी, एक जनरेटर, टरबाइन से जुड़ा होता है, ताकि जनरेटर का रोटर बिजली उत्पन्न करने के लिए टरबाइन के साथ घूमता है। जनरेटर को दो भागों में विभाजित किया जा सकता है: वह भाग जो टरबाइन के साथ घूमता है और जनरेटर का स्थिर भाग। वह भाग जो टरबाइन से जुड़ा होता है और घूमता है उसे जनरेटर का रोटर कहा जाता है, और रोटर के चारों ओर कई चुंबकीय ध्रुव होते हैं; रोटर के चारों ओर एक घेरा जनरेटर का स्थिर भाग होता है, जिसे जनरेटर का स्टेटर कहा जाता है, और स्टेटर कई तांबे के कॉइल से लिपटा होता है। जब रोटर के कई चुंबकीय ध्रुव स्टेटर के तांबे के कॉइल के बीच में घूमते हैं, तो तांबे के तारों पर एक करंट उत्पन्न होता है, और जनरेटर यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
पावर स्टेशन द्वारा उत्पन्न विद्युत ऊर्जा को विभिन्न विद्युत उपकरणों द्वारा यांत्रिक ऊर्जा (विद्युत मोटर या मोटर), प्रकाश ऊर्जा (विद्युत लैंप), तापीय ऊर्जा (विद्युत भट्टी) आदि में परिवर्तित किया जाता है।
जलविद्युत स्टेशन की संरचना
एक जलविद्युत स्टेशन की संरचना में शामिल हैं: हाइड्रोलिक संरचनाएं, यांत्रिक उपकरण और विद्युत उपकरण।
(1) हाइड्रोलिक संरचनाएं
इसमें वियर (बांध), प्रवेश द्वार, चैनल (या सुरंग), दबाव टैंक (या विनियमन टैंक), दबाव पाइप, पावरहाउस और टेलरेस आदि होते हैं।
नदी के पानी को रोकने और जलाशय बनाने के लिए पानी की सतह को ऊपर उठाने के लिए नदी में एक वीयर (बांध) बनाया जाता है। इस तरह, वीयर (बांध) पर जलाशय की पानी की सतह और बांध के नीचे नदी की पानी की सतह के बीच एक केंद्रित बूंद बनती है, और फिर पानी को पानी के पाइप या सुरंगों के उपयोग के माध्यम से पनबिजली स्टेशन में पेश किया जाता है। अपेक्षाकृत खड़ी नदियों में, डायवर्सन चैनलों का उपयोग करके भी एक बूंद बनाई जा सकती है। उदाहरण के लिए: आम तौर पर, एक प्राकृतिक नदी के प्रति किलोमीटर की गिरावट 10 मीटर होती है। यदि नदी के पानी को पेश करने के लिए नदी के इस हिस्से के ऊपरी छोर पर एक चैनल खोला जाता है, तो नदी के साथ चैनल की खुदाई की जाएगी, और चैनल का ढलान समतल होगा। यदि चैनल में प्रति किलोमीटर गिरावट बनाई जाती है यह केवल 1 मीटर गिरा, जिससे पानी चैनल में 5 किलोमीटर बह गया, इस समय, चैनल से पानी को पानी के पाइप या सुरंग के माध्यम से नदी द्वारा बिजली संयंत्र में वापस ले जाया जाता है, और 45 मीटर की एक केंद्रित गिरावट होती है जिसका उपयोग बिजली पैदा करने के लिए किया जा सकता है। चित्र 2

एक संकेन्द्रित बूंद के साथ जलविद्युत स्टेशन बनाने के लिए डायवर्सन चैनलों, सुरंगों या पानी के पाइपों (जैसे प्लास्टिक पाइप, स्टील पाइप, कंक्रीट पाइप, आदि) के उपयोग को डायवर्सन चैनल जलविद्युत स्टेशन कहा जाता है, जो जलविद्युत स्टेशनों का एक विशिष्ट लेआउट है।
(2) यांत्रिक और विद्युत उपकरण
उपर्युक्त हाइड्रोलिक कार्यों (वियर, चैनल, फोरकोर्ट, प्रेशर पाइप, वर्कशॉप) के अलावा, जलविद्युत स्टेशन को निम्नलिखित उपकरणों की भी आवश्यकता होती है:
(1) यांत्रिक उपकरण
इसमें टर्बाइन, गवर्नर, गेट वाल्व, ट्रांसमिशन उपकरण और गैर-उत्पादन उपकरण शामिल हैं।
(2) विद्युत उपकरण
वहाँ जनरेटर, वितरण नियंत्रण पैनल, ट्रांसफार्मर और ट्रांसमिशन लाइनें हैं।
लेकिन सभी छोटे जलविद्युत स्टेशनों में उपर्युक्त हाइड्रोलिक संरचनाएँ और यांत्रिक और विद्युत उपकरण नहीं होते हैं। यदि कम-हेड हाइड्रोपावर स्टेशन में पानी का हेड 6 मीटर से कम है, तो आमतौर पर पानी गाइड चैनल और ओपन चैनल वॉटर चैनल का उपयोग किया जाता है, और कोई प्रेशर फोरपूल और प्रेशर वॉटर पाइप नहीं होता है। छोटी बिजली आपूर्ति सीमा और कम संचरण दूरी वाले बिजली स्टेशनों के लिए, प्रत्यक्ष बिजली संचरण को अपनाया जाता है और किसी ट्रांसफार्मर की आवश्यकता नहीं होती है। जलाशयों वाले हाइड्रोपावर स्टेशनों को बांध बनाने की आवश्यकता नहीं होती है। गहरे सेवन, बांध के भीतरी पाइप (या सुरंग) और स्पिलवे का उपयोग हाइड्रोलिक संरचनाओं जैसे कि वियर, सेवन द्वार, चैनल और दबाव फोर-पूल की आवश्यकता को समाप्त करता है।
हाइड्रोपावर स्टेशन बनाने के लिए सबसे पहले सावधानीपूर्वक सर्वेक्षण और डिजाइन का काम किया जाना चाहिए। डिजाइन कार्य में, तीन डिजाइन चरण होते हैं: प्रारंभिक डिजाइन, तकनीकी डिजाइन और निर्माण विवरण। डिजाइन कार्य में अच्छा काम करने के लिए, सबसे पहले गहन सर्वेक्षण कार्य करना आवश्यक है, यानी स्थानीय प्राकृतिक और आर्थिक स्थितियों को पूरी तरह से समझना - यानी स्थलाकृति, भूविज्ञान, जल विज्ञान, पूंजी और इसी तरह। इन स्थितियों पर महारत हासिल करने और उनका विश्लेषण करने के बाद ही डिजाइन की शुद्धता और विश्वसनीयता की गारंटी दी जा सकती है।
छोटे जल विद्युत स्टेशनों के घटकों का स्वरूप जल विद्युत स्टेशन के प्रकार पर निर्भर करते हुए विभिन्न होता है।
3. स्थलाकृतिक सर्वेक्षण
स्थलाकृतिक सर्वेक्षण कार्य की गुणवत्ता का इंजीनियरिंग लेआउट और इंजीनियरिंग मात्रा के आकलन पर बहुत प्रभाव पड़ता है।
भूवैज्ञानिक अन्वेषण (भूवैज्ञानिक स्थितियों की समझ) में जलग्रहण क्षेत्र और नदी के किनारे के भूविज्ञान पर सामान्य समझ और शोध के अलावा, यह भी समझना आवश्यक है कि मशीन रूम की नींव ठोस है या नहीं, जिसका सीधा असर बिजलीघर की सुरक्षा पर पड़ता है। एक बार जब एक निश्चित जलाशय मात्रा वाला बैराज नष्ट हो जाता है, तो इससे न केवल जलविद्युत स्टेशन को नुकसान होगा, बल्कि नीचे की ओर जान-माल का भी भारी नुकसान होगा।
4. जल विज्ञान परीक्षण
जलविद्युत स्टेशनों के लिए, सबसे महत्वपूर्ण जल विज्ञान डेटा नदी के जल स्तर, प्रवाह, तलछट सामग्री, बर्फ की स्थिति, मौसम संबंधी डेटा और बाढ़ सर्वेक्षण डेटा के रिकॉर्ड हैं। नदी के प्रवाह का आकार जलविद्युत स्टेशन के स्पिलवे के लेआउट को प्रभावित करता है। बाढ़ की गंभीरता को कम आंकने से बांध को नुकसान होगा; नदी द्वारा लाई गई तलछट सबसे खराब स्थिति में जलाशय को जल्दी से भर सकती है। उदाहरण के लिए, इनफ्लो चैनल चैनल को गाद से भर देगा, और मोटे दाने वाली तलछट टरबाइन से होकर गुजरेगी और टरबाइन के खराब होने का कारण बनेगी। इसलिए, जलविद्युत स्टेशनों के निर्माण में पर्याप्त जल विज्ञान डेटा होना चाहिए।
इसलिए, जलविद्युत स्टेशन बनाने का निर्णय लेने से पहले, हमें पहले बिजली आपूर्ति क्षेत्र में आर्थिक विकास की दिशा और बिजली की भविष्य की मांग की जांच करनी चाहिए। साथ ही, विकास क्षेत्र में अन्य बिजली स्रोतों की स्थिति का अनुमान लगाना चाहिए। उपरोक्त स्थिति के अनुसंधान और विश्लेषण के बाद ही हम यह तय कर सकते हैं कि जलविद्युत स्टेशन बनाने की आवश्यकता है या नहीं और इसका पैमाना कितना बड़ा होना चाहिए।
सामान्यतः जलविद्युत सर्वेक्षण कार्य का उद्देश्य जलविद्युत स्टेशनों के डिजाइन और निर्माण के लिए आवश्यक सटीक और विश्वसनीय बुनियादी जानकारी प्रदान करना है।
5. साइट चयन के लिए सामान्य शर्तें
किसी स्थान के चयन हेतु सामान्य शर्तों को निम्नलिखित चार पहलुओं से समझाया जा सकता है:
(1) चयनित स्थल पर जल ऊर्जा का सबसे किफायती तरीके से उपयोग किया जाना चाहिए तथा लागत बचत के सिद्धांत का पालन किया जाना चाहिए, अर्थात बिजलीघर के पूरा होने के बाद कम से कम धन व्यय हो तथा अधिकतम बिजली पैदा हो। इसे आमतौर पर वार्षिक बिजली उत्पादन राजस्व तथा स्टेशन के निर्माण में निवेश का अनुमान लगाकर मापा जा सकता है, ताकि यह देखा जा सके कि निवेशित पूंजी की वसूली कितने समय में हो सकती है। हालांकि, विभिन्न स्थानों पर जल विज्ञान तथा स्थलाकृतिक स्थितियां अलग-अलग होती हैं, तथा बिजली की जरूरतें भी अलग-अलग होती हैं, इसलिए निर्माण लागत तथा निवेश को कुछ मूल्यों तक सीमित नहीं किया जाना चाहिए।
(2) चयनित स्थल की स्थलाकृतिक, भूवैज्ञानिक और जल विज्ञान संबंधी स्थितियाँ अपेक्षाकृत बेहतर होनी चाहिए, तथा डिजाइन और निर्माण में संभावनाएँ होनी चाहिए। छोटे जलविद्युत स्टेशनों के निर्माण में निर्माण सामग्री का उपयोग यथासंभव "स्थानीय सामग्री" के सिद्धांत के अनुसार होना चाहिए।
(3) चयनित साइट को बिजली की आपूर्ति और प्रसंस्करण क्षेत्र के जितना संभव हो सके करीब होना आवश्यक है ताकि बिजली संचरण उपकरणों के निवेश और बिजली की हानि को कम किया जा सके।
(4) साइट का चयन करते समय, मौजूदा हाइड्रोलिक संरचनाओं का यथासंभव उपयोग किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, पानी की बूंद का उपयोग सिंचाई चैनल में एक जलविद्युत स्टेशन बनाने के लिए किया जा सकता है, या सिंचाई प्रवाह से बिजली उत्पन्न करने के लिए सिंचाई जलाशय के बगल में एक जलविद्युत स्टेशन बनाया जा सकता है, आदि। क्योंकि ये जलविद्युत संयंत्र पानी होने पर बिजली पैदा करने के सिद्धांत को पूरा कर सकते हैं, इसलिए उनका आर्थिक महत्व अधिक स्पष्ट है।