जलविद्युत उत्पादन का एक संक्षिप्त विवरण

जलविद्युत का अर्थ है प्राकृतिक नदियों के जल ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करना ताकि लोग इसका उपयोग कर सकें। बिजली उत्पादन में विभिन्न ऊर्जा स्रोतों का उपयोग किया जाता है, जैसे सौर ऊर्जा, नदियों की जल ऊर्जा और वायु प्रवाह से उत्पन्न पवन ऊर्जा। जलविद्युत उत्पादन की लागत कम है और जलविद्युत संयंत्रों का निर्माण अन्य जल संरक्षण परियोजनाओं के साथ भी किया जा सकता है। हमारा देश जलविद्युत संसाधनों से समृद्ध है और परिस्थितियाँ भी अनुकूल हैं। जलविद्युत राष्ट्रीय अर्थव्यवस्था के निर्माण में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
नदी के ऊपरी भाग का जलस्तर निचले भाग के जलस्तर से अधिक होता है। नदी के जलस्तर में इस अंतर के कारण जल ऊर्जा उत्पन्न होती है। इस ऊर्जा को स्थितिज ऊर्जा कहते हैं। नदी के जलस्तर की ऊँचाई में अंतर को जलस्तर में गिरावट कहते हैं, जिसे जलस्तर अंतर या जलशीर्ष भी कहते हैं। यह गिरावट जलविद्युत शक्ति के निर्माण के लिए मूलभूत शर्त है। इसके अतिरिक्त, जलविद्युत शक्ति की मात्रा नदी में जल प्रवाह की मात्रा पर भी निर्भर करती है, जो कि गिरावट जितनी ही महत्वपूर्ण एक और मूलभूत शर्त है। गिरावट और प्रवाह दोनों ही जलविद्युत शक्ति को प्रत्यक्ष रूप से प्रभावित करते हैं; गिरावट में जल की मात्रा जितनी अधिक होगी, जलविद्युत शक्ति उतनी ही अधिक होगी; यदि गिरावट और जल की मात्रा अपेक्षाकृत कम हो, तो जलविद्युत संयंत्र का उत्पादन भी कम होगा।
जलस्तर में गिरावट को आमतौर पर मीटर में व्यक्त किया जाता है। ढलान, गिरावट और दूरी का अनुपात होता है, जो जलस्तर की सघनता को दर्शाता है। जलस्तर जितना अधिक सघन होगा, जलविद्युत का उपयोग उतना ही सुविधाजनक होगा। जलविद्युत संयंत्र द्वारा उपयोग की जाने वाली जलस्तर में गिरावट, संयंत्र के ऊपरी जलस्तर और टरबाइन से गुजरने के बाद निचले जलस्तर के बीच का अंतर होता है।

नदी में प्रति इकाई समय में बहने वाले पानी की मात्रा को प्रवाह कहते हैं, और इसे प्रति सेकंड घन मीटर में व्यक्त किया जाता है। एक घन मीटर पानी एक टन के बराबर होता है। नदी का प्रवाह समय के साथ बदलता रहता है, इसलिए जब हम प्रवाह की बात करते हैं, तो हमें उस विशिष्ट स्थान के समय का उल्लेख करना आवश्यक है जहाँ से यह बहता है। समय के साथ प्रवाह में काफी बदलाव आता है। हमारे देश की नदियों में आमतौर पर ग्रीष्म और शरद ऋतु में वर्षा ऋतु के दौरान प्रवाह अधिक होता है, जबकि शीत और वसंत ऋतु में अपेक्षाकृत कम होता है। सामान्यतः, नदी का प्रवाह ऊपरी भाग में अपेक्षाकृत कम होता है; सहायक नदियों के मिलने के कारण, निचले भाग में प्रवाह धीरे-धीरे बढ़ता जाता है। इसलिए, यद्यपि ऊपरी भाग में जल प्रवाह सघन होता है, फिर भी प्रवाह कम होता है; निचले भाग में प्रवाह अधिक होता है, लेकिन जल प्रवाह अपेक्षाकृत बिखरा हुआ होता है। अतः, नदी के मध्य भाग में जल शक्ति का उपयोग करना अक्सर सबसे किफायती होता है।
किसी जलविद्युत संयंत्र द्वारा उपयोग किए जाने वाले जल स्तर में गिरावट और प्रवाह की मात्रा जानने पर, निम्नलिखित सूत्र का उपयोग करके इसके उत्पादन की गणना की जा सकती है:
एन= जीक्यूएच
इस सूत्र में, N–आउटपुट, किलोवाट में, को शक्ति भी कहा जा सकता है;
क्यू-प्रवाह, घन मीटर प्रति सेकंड में;
H – मीटर में गिरावट;
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, टरबाइन, पारेषण उपकरण, जनरेटर आदि सभी में अपरिहार्य शक्ति हानि होती है। इसलिए, सैद्धांतिक शक्ति में से हानि को घटाना आवश्यक है, अर्थात्, हम जिस वास्तविक शक्ति का उपयोग कर सकते हैं, उसे दक्षता गुणांक (प्रतीक: K) से गुणा करना 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 रूपांतरण की प्रक्रिया में, ऊर्जा का एक हिस्सा खोना अपरिहार्य है। जलविद्युत उत्पादन की प्रक्रिया में, मुख्य रूप से टरबाइन और जनरेटर के कारण हानि होती है (पाइपलाइनों में भी हानि होती है)। ग्रामीण सूक्ष्म जलविद्युत स्टेशन में विभिन्न हानियाँ कुल सैद्धांतिक शक्ति का लगभग 40-50% होती हैं, इसलिए जलविद्युत स्टेशन का उत्पादन वास्तव में सैद्धांतिक शक्ति का केवल 50-60% ही उपयोग कर सकता है, अर्थात् दक्षता लगभग 0.5-0.60 होती है (जिसमें टरबाइन की दक्षता 0.70-0.85, जनरेटर की दक्षता 0.85 से 0.90, और पाइपलाइनों और पारेषण उपकरणों की दक्षता 0.80 से 0.85 होती है)। अतः, जलविद्युत स्टेशन की वास्तविक शक्ति (उत्पादन) की गणना निम्न प्रकार से की जा सकती है:
माइक्रो-हाइड्रोपावर स्टेशन की अनुमानित गणना में K–हाइड्रोपावर स्टेशन की दक्षता (0.5～0.6) का उपयोग 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 से मशीन चलाने के लिए किया जाता है, जिसे जल टरबाइन कहते हैं। उदाहरण के लिए, हमारे देश का प्राचीन जलचक्र एक बहुत ही सरल जल टरबाइन है। वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले विभिन्न हाइड्रोलिक टरबाइन विभिन्न विशिष्ट जल परिस्थितियों के अनुकूल बनाए जाते हैं, ताकि वे अधिक कुशलता से घूम सकें और जल ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित कर सकें। एक अन्य प्रकार की मशीनरी, जनरेटर, टरबाइन से जुड़ी होती है, जिससे जनरेटर का रोटर टरबाइन के साथ घूमता है और बिजली उत्पन्न करता है। जनरेटर को दो भागों में बांटा जा सकता है: वह भाग जो टरबाइन के साथ घूमता है और जनरेटर का स्थिर भाग। टरबाइन से जुड़ा और घूमने वाला भाग जनरेटर का रोटर कहलाता है, और रोटर के चारों ओर कई चुंबकीय ध्रुव होते हैं; रोटर के चारों ओर का वृत्त जनरेटर का स्थिर भाग कहलाता है, जिसे जनरेटर का स्टेटर कहते हैं, और स्टेटर कई तांबे की कुंडलियों से लिपटा होता है। जब रोटर के कई चुंबकीय ध्रुव स्टेटर की तांबे की कुंडलियों के बीच में घूमते हैं, तो तांबे के तारों में धारा उत्पन्न होती है, और जनरेटर यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
विद्युत केंद्र 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 निम्नलिखित शामिल हैं: हाइड्रोलिक संरचनाएं, यांत्रिक उपकरण और विद्युत उपकरण।
(1) हाइड्रोलिक संरचनाएं
इसमें बांध, प्रवेश द्वार, नहरें (या सुरंगें), दबाव नियंत्रण टैंक (या विनियामक टैंक), दबाव पाइप, विद्युत केंद्र और टेलरेस आदि शामिल हैं।
नदी के पानी को रोकने और जलस्तर को बढ़ाकर जलाशय बनाने के लिए नदी में बांध (वियर) बनाया जाता है। इस तरह, बांध पर बने जलाशय के जलस्तर और बांध के नीचे नदी के जलस्तर के बीच एक सघन ढलान बन जाता है, और फिर इस पानी को पाइप या सुरंगों के माध्यम से जलविद्युत संयंत्र में पहुंचाया जाता है। अपेक्षाकृत तेज ढलान वाली नदियों में, मोड़ नहरों का उपयोग करके भी ढलान बनाया जा सकता है। उदाहरण के लिए: आमतौर पर, एक प्राकृतिक नदी में प्रति किलोमीटर ढलान 10 मीटर होता है। यदि नदी के इस भाग के ऊपरी सिरे पर नदी का पानी लाने के लिए एक नहर खोली जाती है, तो नहर को नदी के समानांतर खोदा जाएगा, जिससे नहर का ढलान कम हो जाएगा। यदि नहर में प्रति किलोमीटर ढलान केवल 1 मीटर हो, तो नहर में 5 किलोमीटर तक पानी बहने पर जलस्तर केवल 5 मीटर गिरेगा, जबकि प्राकृतिक नहर में 5 किलोमीटर की यात्रा के बाद पानी 50 मीटर गिरता है। इस समय, नहर से पानी को नदी के माध्यम से एक पाइप या सुरंग द्वारा बिजली संयंत्र तक वापस ले जाया जाता है, और यहाँ 45 मीटर की एक केंद्रित गिरावट होती है जिसका उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। चित्र 2

जल निकासी चैनलों, सुरंगों या पानी की पाइपों (जैसे प्लास्टिक पाइप, स्टील पाइप, कंक्रीट पाइप आदि) का उपयोग करके केंद्रित जलप्रपात वाले जलविद्युत स्टेशन का निर्माण करने को डायवर्जन चैनल जलविद्युत स्टेशन कहा जाता है, जो जलविद्युत स्टेशनों का एक विशिष्ट लेआउट है।
(2) यांत्रिक और विद्युत उपकरण
उपर्युक्त जलविद्युत कार्यों (बांध, नहरें, अग्रभाग, दबाव पाइप, कार्यशालाएं) के अतिरिक्त, जलविद्युत स्टेशन को निम्नलिखित उपकरणों की भी आवश्यकता होती है:
(1) यांत्रिक उपकरण
इसमें टर्बाइन, गवर्नर, गेट वाल्व, ट्रांसमिशन उपकरण और गैर-उत्पादक उपकरण शामिल हैं।
(2) विद्युत उपकरण
यहां जनरेटर, वितरण नियंत्रण पैनल, ट्रांसफार्मर और पारेषण लाइनें हैं।
लेकिन सभी छोटे जलविद्युत स्टेशनों में उपर्युक्त जल संरचनाएँ और यांत्रिक एवं विद्युत उपकरण उपलब्ध नहीं होते हैं। यदि कम जलस्तर वाले जलविद्युत स्टेशन में जलस्तर 6 मीटर से कम है, तो आमतौर पर जलमार्ग और खुली जलधारा का उपयोग किया जाता है, और इसमें कोई दबावयुक्त जलकुंड या दबावयुक्त जल पाइप नहीं होता है। कम विद्युत आपूर्ति क्षेत्र और कम पारेषण दूरी वाले विद्युत स्टेशनों के लिए, प्रत्यक्ष विद्युत संचरण अपनाया जाता है और ट्रांसफार्मर की आवश्यकता नहीं होती है। जलाशयों वाले जलविद्युत स्टेशनों को बांध बनाने की आवश्यकता नहीं होती है। गहरे जलग्रहण क्षेत्रों, बांध के भीतरी पाइपों (या सुरंगों) और जलप्रपातों के उपयोग से बांध, जलग्रहण द्वार, नहरें और दबावयुक्त जलकुंड जैसी जल संरचनाओं की आवश्यकता समाप्त हो जाती है।
जलविद्युत स्टेशन के निर्माण के लिए, सर्वप्रथम सावधानीपूर्वक सर्वेक्षण और डिज़ाइन कार्य करना आवश्यक है। डिज़ाइन कार्य में तीन चरण होते हैं: प्रारंभिक डिज़ाइन, तकनीकी डिज़ाइन और निर्माण विवरण। डिज़ाइन कार्य को सुचारू रूप से करने के लिए, सर्वप्रथम गहन सर्वेक्षण करना अनिवार्य है, अर्थात् स्थानीय प्राकृतिक और आर्थिक परिस्थितियों – जैसे स्थलाकृति, भूविज्ञान, जल विज्ञान, पूंजी आदि – को पूरी तरह समझना। इन परिस्थितियों को भलीभांति समझने और उनका विश्लेषण करने के बाद ही डिज़ाइन की सटीकता और विश्वसनीयता सुनिश्चित की जा सकती है।
छोटे जलविद्युत स्टेशनों के घटक, स्टेशन के प्रकार के आधार पर विभिन्न रूपों में होते हैं।
3. स्थलाकृतिक सर्वेक्षण
स्थलाकृतिक सर्वेक्षण कार्य की गुणवत्ता का इंजीनियरिंग लेआउट और इंजीनियरिंग मात्रा के अनुमान पर बहुत प्रभाव पड़ता है।
जलक्षेत्र और नदी के भूविज्ञान की सामान्य समझ और शोध के अलावा, भूवैज्ञानिक अन्वेषण (भूवैज्ञानिक स्थितियों की समझ) के माध्यम से यह समझना भी आवश्यक है कि मशीन कक्ष की नींव मजबूत है या नहीं, क्योंकि इसका सीधा असर विद्युत स्टेशन की सुरक्षा पर पड़ता है। यदि एक निश्चित जलाशय क्षमता वाला बांध टूट जाता है, तो इससे न केवल जलविद्युत स्टेशन को नुकसान होगा, बल्कि नदी के निचले हिस्से में जान-माल का भारी नुकसान भी होगा।
4. जलवैज्ञानिक परीक्षण
जलविद्युत संयंत्रों के लिए सबसे महत्वपूर्ण जलवैज्ञानिक डेटा नदी के जल स्तर, प्रवाह, गाद की मात्रा, बर्फ जमने की स्थिति, मौसम संबंधी डेटा और बाढ़ सर्वेक्षण डेटा हैं। नदी के प्रवाह का आकार जलविद्युत संयंत्र के स्पिलवे के लेआउट को प्रभावित करता है। बाढ़ की तीव्रता का कम अनुमान लगाने से बांध को नुकसान हो सकता है; सबसे खराब स्थिति में, नदी द्वारा बहाई गई गाद जलाशय को तेजी से भर सकती है। उदाहरण के लिए, अंतर्वाह चैनल में गाद जमा हो जाएगी, और मोटे कणों वाली गाद टरबाइन से होकर गुजरेगी और टरबाइन को नुकसान पहुंचाएगी। इसलिए, जलविद्युत संयंत्रों के निर्माण के लिए पर्याप्त जलवैज्ञानिक डेटा होना आवश्यक है।
इसलिए, जलविद्युत संयंत्र बनाने का निर्णय लेने से पहले, हमें विद्युत आपूर्ति क्षेत्र में आर्थिक विकास की दिशा और भविष्य में बिजली की मांग का गहन अध्ययन करना चाहिए। साथ ही, विकास क्षेत्र में अन्य विद्युत स्रोतों की स्थिति का भी आकलन करना चाहिए। उपरोक्त स्थिति के शोध और विश्लेषण के बाद ही हम यह निर्णय ले सकते हैं कि जलविद्युत संयंत्र का निर्माण आवश्यक है या नहीं और इसका आकार कितना होना चाहिए।
सामान्य तौर पर, जलविद्युत सर्वेक्षण कार्य का उद्देश्य जलविद्युत स्टेशनों के डिजाइन और निर्माण के लिए आवश्यक सटीक और विश्वसनीय बुनियादी जानकारी प्रदान करना है।
5. स्थल चयन के लिए सामान्य शर्तें
किसी स्थल के चयन के लिए सामान्य शर्तों को निम्नलिखित चार पहलुओं से समझाया जा सकता है:
(1) चयनित स्थल जल ऊर्जा का सबसे किफायती तरीके से उपयोग करने में सक्षम होना चाहिए और लागत बचत के सिद्धांत का पालन करना चाहिए, अर्थात् विद्युत स्टेशन के पूरा होने के बाद, न्यूनतम खर्च पर अधिकतम बिजली उत्पादन होना चाहिए। वार्षिक बिजली उत्पादन राजस्व और स्टेशन के निर्माण में किए गए निवेश का अनुमान लगाकर यह देखा जा सकता है कि निवेशित पूंजी कितने समय में वसूल की जा सकती है। हालांकि, विभिन्न स्थानों पर जलवैज्ञानिक और स्थलाकृतिक स्थितियां भिन्न होती हैं, और बिजली की आवश्यकताएं भी अलग-अलग होती हैं, इसलिए निर्माण लागत और निवेश को कुछ निश्चित मूल्यों तक सीमित नहीं किया जाना चाहिए।
(2) चयनित स्थल की स्थलाकृतिक, भूवैज्ञानिक और जलवैज्ञानिक स्थितियाँ अपेक्षाकृत बेहतर होनी चाहिए, और डिज़ाइन और निर्माण में संभावनाएँ होनी चाहिए। लघु जलविद्युत स्टेशनों के निर्माण में, निर्माण सामग्री का उपयोग यथासंभव "स्थानीय सामग्री" के सिद्धांत के अनुसार होना चाहिए।
(3) बिजली पारेषण उपकरण के निवेश और बिजली की हानि को कम करने के लिए चयनित साइट बिजली आपूर्ति और प्रसंस्करण क्षेत्र के जितना संभव हो उतना करीब होनी चाहिए।
(4) स्थल का चयन करते समय, मौजूदा जल संरचनाओं का यथासंभव उपयोग किया जाना चाहिए। उदाहरण के लिए, सिंचाई नहर में जलविद्युत संयंत्र बनाने के लिए जल प्रवाह का उपयोग किया जा सकता है, या सिंचाई जलाशय के पास जलविद्युत संयंत्र बनाकर सिंचाई प्रवाह से बिजली उत्पन्न की जा सकती है, इत्यादि। चूंकि ये जलविद्युत संयंत्र पानी की उपलब्धता के आधार पर बिजली उत्पन्न करने के सिद्धांत को पूरा करते हैं, इसलिए इनका आर्थिक महत्व अधिक स्पष्ट है।