जलविद्युत संयंत्र और हाइड्रो टर्बाइन जनरेटर कैसे काम करते हैं

दुनिया भर में, जलविद्युत संयंत्र दुनिया की लगभग 24 प्रतिशत बिजली का उत्पादन करते हैं और 1 बिलियन से अधिक लोगों को बिजली की आपूर्ति करते हैं। नेशनल रिन्यूएबल एनर्जी लेबोरेटरी के अनुसार, दुनिया के जलविद्युत संयंत्र संयुक्त रूप से कुल 675,000 मेगावाट बिजली का उत्पादन करते हैं, जो 3.6 बिलियन बैरल तेल के बराबर ऊर्जा है। संयुक्त राज्य अमेरिका में 2,000 से अधिक जलविद्युत संयंत्र संचालित हैं, जो जलविद्युत को देश का सबसे बड़ा नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत बनाते हैं।
इस लेख में, हम देखेंगे कि गिरता पानी किस तरह ऊर्जा पैदा करता है और हाइड्रोलॉजिकल चक्र के बारे में जानेंगे जो हाइड्रोपावर के लिए ज़रूरी पानी का प्रवाह बनाता है। आपको हाइड्रोपावर के एक अनोखे अनुप्रयोग की भी झलक मिलेगी जो आपके दैनिक जीवन को प्रभावित कर सकता है।
नदी को बहते हुए देखते समय, यह कल्पना करना कठिन है कि उसमें कितना बल है। यदि आपने कभी व्हाइट-वाटर राफ्टिंग की है, तो आपने नदी की शक्ति का एक छोटा सा हिस्सा महसूस किया होगा। व्हाइट-वाटर रैपिड्स तब बनते हैं जब नदी, बड़ी मात्रा में पानी को नीचे की ओर ले जाती है, एक संकीर्ण मार्ग से होकर रुकती है। जैसे ही नदी इस खुले स्थान से होकर गुजरती है, उसका प्रवाह तेज़ हो जाता है। बाढ़ एक और उदाहरण है कि पानी की एक बड़ी मात्रा में कितना बल हो सकता है।

हाइड्रोपावर प्लांट पानी की ऊर्जा का उपयोग करते हैं और उस ऊर्जा को बिजली में बदलने के लिए सरल यांत्रिकी का उपयोग करते हैं। हाइड्रोपावर प्लांट वास्तव में एक बहुत ही सरल अवधारणा पर आधारित हैं - एक बांध से बहता पानी एक टरबाइन को घुमाता है, जो एक जनरेटर को घुमाता है।
पारंपरिक जलविद्युत संयंत्र के मूल घटक इस प्रकार हैं:
वह शाफ्ट जो टरबाइन और जनरेटर को जोड़ता है
बांध - अधिकांश जलविद्युत संयंत्र एक बांध पर निर्भर करते हैं जो पानी को रोककर एक बड़ा जलाशय बनाता है। अक्सर, इस जलाशय का उपयोग एक मनोरंजक झील के रूप में किया जाता है, जैसे कि वाशिंगटन राज्य में ग्रैंड कूली बांध पर रूजवेल्ट झील।
इनटेक - बांध के गेट खुलते हैं और गुरुत्वाकर्षण पानी को पेनस्टॉक के माध्यम से खींचता है, जो एक पाइपलाइन है जो टरबाइन तक जाती है। इस पाइप से बहते समय पानी दबाव बनाता है।
टर्बाइन - पानी टर्बाइन के बड़े ब्लेड से टकराता है और उन्हें घुमाता है, जो शाफ्ट के माध्यम से इसके ऊपर एक जनरेटर से जुड़ा होता है। हाइड्रोपावर प्लांट के लिए सबसे आम प्रकार का टर्बाइन फ्रांसिस टर्बाइन है, जो घुमावदार ब्लेड वाली एक बड़ी डिस्क की तरह दिखता है। फाउंडेशन फॉर वॉटर एंड एनर्जी एजुकेशन (FWEE) के अनुसार, एक टर्बाइन का वजन 172 टन तक हो सकता है और यह 90 चक्कर प्रति मिनट (आरपीएम) की दर से घूम सकता है।
जेनरेटर - जैसे-जैसे टर्बाइन ब्लेड घूमते हैं, जेनरेटर के अंदर चुम्बकों की एक श्रृंखला भी घूमती है। विशाल चुम्बक तांबे की कुंडलियों के पीछे घूमते हैं, इलेक्ट्रॉनों को घुमाकर प्रत्यावर्ती धारा (एसी) उत्पन्न करते हैं। (आप बाद में जेनरेटर के काम करने के तरीके के बारे में अधिक जानेंगे।)
ट्रांसफार्मर - बिजलीघर के अंदर लगा ट्रांसफार्मर एसी को लेता है और उसे उच्च वोल्टेज धारा में परिवर्तित करता है।
बिजली की लाइनें - हर बिजली संयंत्र से चार तार निकलते हैं: बिजली के तीन चरण एक साथ उत्पादित होते हैं और तीनों के लिए एक सामान्य न्यूट्रल या ग्राउंड होता है। (पावर लाइन ट्रांसमिशन के बारे में अधिक जानने के लिए पढ़ें कि बिजली वितरण ग्रिड कैसे काम करते हैं।)
बहिर्वाह - उपयोग किया गया पानी पाइपलाइनों के माध्यम से ले जाया जाता है, जिन्हें टेलरेस कहा जाता है, और नदी के निचले हिस्से में पुनः प्रवेश करता है।
जलाशय में पानी को संग्रहित ऊर्जा माना जाता है। जब गेट खुलते हैं, तो पेनस्टॉक से बहता पानी गतिज ऊर्जा बन जाता है क्योंकि यह गति में होता है। उत्पन्न होने वाली बिजली की मात्रा कई कारकों द्वारा निर्धारित होती है। उनमें से दो कारक पानी के प्रवाह की मात्रा और हाइड्रोलिक हेड की मात्रा हैं। हेड पानी की सतह और टर्बाइनों के बीच की दूरी को संदर्भित करता है। जैसे-जैसे हेड और प्रवाह बढ़ता है, वैसे-वैसे बिजली भी उत्पन्न होती है। हेड आमतौर पर जलाशय में पानी की मात्रा पर निर्भर करता है।
एक और प्रकार का जलविद्युत संयंत्र है, जिसे पंप-स्टोरेज प्लांट कहा जाता है। एक पारंपरिक जलविद्युत संयंत्र में, जलाशय से पानी संयंत्र से होकर बहता है, बाहर निकलता है और नीचे की ओर बहता है। पंप-स्टोरेज प्लांट में दो जलाशय होते हैं:

ऊपरी जलाशय - एक पारंपरिक जलविद्युत संयंत्र की तरह, एक बांध एक जलाशय बनाता है। इस जलाशय का पानी जलविद्युत संयंत्र के माध्यम से बहकर बिजली बनाता है।
निचला जलाशय - जलविद्युत संयंत्र से निकलने वाला पानी नदी में पुनः प्रवेश करने और नीचे की ओर बहने के बजाय निचले जलाशय में बह जाता है।
एक प्रतिवर्ती टरबाइन का उपयोग करके, संयंत्र ऊपरी जलाशय में पानी वापस पंप कर सकता है। यह ऑफ-पीक घंटों में किया जाता है। अनिवार्य रूप से, दूसरा जलाशय ऊपरी जलाशय को फिर से भरता है। ऊपरी जलाशय में पानी वापस पंप करके, संयंत्र के पास पीक खपत की अवधि के दौरान बिजली पैदा करने के लिए अधिक पानी होता है।

जेनरेटर
जलविद्युत संयंत्र का हृदय जनरेटर है। अधिकांश जलविद्युत संयंत्रों में ऐसे कई जनरेटर होते हैं।
जैसा कि आप अनुमान लगा चुके होंगे, जनरेटर बिजली उत्पन्न करता है। इस तरीके से बिजली उत्पन्न करने की मूल प्रक्रिया तार की कुंडलियों के अंदर चुम्बकों की एक श्रृंखला को घुमाना है। यह प्रक्रिया इलेक्ट्रॉनों को गति देती है, जिससे विद्युत धारा उत्पन्न होती है।
हूवर बांध में कुल 17 जनरेटर हैं, जिनमें से प्रत्येक 133 मेगावाट तक बिजली पैदा कर सकता है। हूवर बांध जलविद्युत संयंत्र की कुल क्षमता 2,074 मेगावाट है। प्रत्येक जनरेटर कुछ बुनियादी भागों से बना होता है:

जैसे ही टरबाइन घूमता है, एक्साइटर रोटर को विद्युत धारा भेजता है। रोटर बड़े विद्युत चुम्बकों की एक श्रृंखला है जो तांबे के तार की एक कसकर लपेटी हुई कुंडली के अंदर घूमती है, जिसे स्टेटर कहा जाता है। कुंडली और चुम्बकों के बीच चुंबकीय क्षेत्र विद्युत धारा बनाता है।
हूवर बांध में 16,500 एम्पियर की धारा जनरेटर से ट्रांसफार्मर तक प्रवाहित होती है, जहां संचारित होने से पहले धारा 230,000 एम्पियर तक बढ़ जाती है।
जलविद्युत संयंत्र प्राकृतिक रूप से होने वाली, निरंतर प्रक्रिया का लाभ उठाते हैं - वह प्रक्रिया जिसके कारण वर्षा होती है और नदियाँ बढ़ती हैं। हर दिन, हमारा ग्रह वायुमंडल के माध्यम से पानी की एक छोटी मात्रा खो देता है क्योंकि पराबैंगनी किरणें पानी के अणुओं को अलग कर देती हैं। लेकिन साथ ही, ज्वालामुखी गतिविधि के माध्यम से पृथ्वी के आंतरिक भाग से नया पानी निकलता है। निर्मित पानी की मात्रा और खोए हुए पानी की मात्रा लगभग समान है।
किसी भी समय, दुनिया में पानी की कुल मात्रा कई अलग-अलग रूपों में होती है। यह तरल हो सकता है, जैसे महासागर, नदियाँ और बारिश; ठोस, जैसे ग्लेशियर; या गैसीय, जैसे हवा में अदृश्य जल वाष्प। हवा के प्रवाह द्वारा ग्रह के चारों ओर ले जाने पर पानी की अवस्थाएँ बदलती हैं। हवा के प्रवाह सूर्य की ताप गतिविधि द्वारा उत्पन्न होते हैं। ग्रह के अन्य क्षेत्रों की तुलना में भूमध्य रेखा पर सूर्य के अधिक चमकने से वायु-प्रवाह चक्र बनते हैं।

वायु-प्रवाह चक्र पृथ्वी की जल आपूर्ति को अपने स्वयं के चक्र के माध्यम से संचालित करते हैं, जिसे हाइड्रोलॉजिक चक्र कहा जाता है। जैसे ही सूर्य तरल पानी को गर्म करता है, पानी हवा में वाष्प बनकर वाष्पित हो जाता है। सूर्य हवा को गर्म करता है, जिससे वायुमंडल में हवा ऊपर उठती है। हवा ऊपर की ओर ठंडी होती है, इसलिए जैसे-जैसे जल वाष्प ऊपर उठता है, यह ठंडा होता जाता है, बूंदों में संघनित होता जाता है। जब एक क्षेत्र में पर्याप्त बूंदें जमा हो जाती हैं, तो बूंदें इतनी भारी हो सकती हैं कि वे वर्षा के रूप में पृथ्वी पर वापस गिर सकती हैं।
हाइड्रोलॉजिकल चक्र हाइड्रोपावर प्लांट के लिए महत्वपूर्ण है क्योंकि वे पानी के प्रवाह पर निर्भर करते हैं। यदि प्लांट के पास बारिश की कमी है, तो पानी ऊपर की ओर इकट्ठा नहीं होगा। ऊपर की ओर पानी इकट्ठा न होने से हाइड्रोपावर प्लांट से कम पानी बहता है और कम बिजली पैदा होती है।
जलविद्युत का मूल विचार एक चलती हुई तरल की शक्ति का उपयोग करके टरबाइन ब्लेड को घुमाना है। आमतौर पर, इस कार्य को करने के लिए नदी के बीच में एक बड़ा बांध बनाया जाना चाहिए। एक नया आविष्कार पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए बिजली प्रदान करने के लिए बहुत छोटे पैमाने पर जलविद्युत के विचार का लाभ उठा रहा है।

कनाडा के ओंटारियो के आविष्कारक रॉबर्ट कोमारेचका ने जूतों के तलवों में छोटे हाइड्रोपावर जनरेटर लगाने का विचार पेश किया है। उनका मानना ​​है कि ये माइक्रो-टरबाइन लगभग किसी भी गैजेट को चलाने के लिए पर्याप्त बिजली पैदा करेंगे। मई 2001 में, कोमारेचका को अपने अनोखे पैर से चलने वाले उपकरण के लिए पेटेंट मिला।
हम कैसे चलते हैं, इसका एक बहुत ही बुनियादी सिद्धांत है: प्रत्येक कदम के दौरान पैर एड़ी से पैर तक गिरता है। जैसे ही आपका पैर ज़मीन पर पड़ता है, बल आपकी एड़ी के माध्यम से नीचे लाया जाता है। जब आप अपने अगले कदम के लिए तैयार होते हैं, तो आप अपने पैर को आगे की ओर घुमाते हैं, ताकि बल आपके पैर की गेंद पर स्थानांतरित हो जाए। कोमारेचका ने स्पष्ट रूप से चलने के इस बुनियादी सिद्धांत को देखा और इस रोज़मर्रा की गतिविधि की शक्ति का दोहन करने के लिए एक विचार विकसित किया है।
कोमारेचका के "हाइड्रोइलेक्ट्रिक जनरेटर असेंबली वाले जूते" में पांच भाग हैं, जैसा कि इसके पेटेंट में वर्णित है:

द्रव - प्रणाली विद्युत सुचालक द्रव का उपयोग करेगी।
तरल पदार्थ को धारण करने के लिए थैलियां - एक थैली जूते की एड़ी में तथा दूसरी जूते के अंगूठे वाले भाग में रखी जाती है।
नलिकाएं - नलिकाएं प्रत्येक थैली को एक माइक्रोजनरेटर से जोड़ती हैं।
टरबाइन - जैसे ही पानी तलवे में आगे-पीछे चलता है, यह एक छोटे टरबाइन के ब्लेड को हिलाता है।
माइक्रोजेनरेटर - जनरेटर दो तरल से भरे थैलों के बीच स्थित होता है, और इसमें एक वेन रोटर शामिल होता है, जो शाफ्ट को चलाता है और जनरेटर को घुमाता है।
जैसे ही कोई व्यक्ति चलता है, जूते की एड़ी में स्थित थैली में तरल पदार्थ का संपीड़न नाली के माध्यम से तरल पदार्थ को हाइड्रोइलेक्ट्रिक जनरेटर मॉड्यूल में धकेल देगा। जैसे ही उपयोगकर्ता चलना जारी रखता है, एड़ी ऊपर उठ जाएगी और व्यक्ति के पैर की गेंद के नीचे की थैली पर नीचे की ओर दबाव डाला जाएगा। तरल पदार्थ की गति रोटर और शाफ्ट को घुमाएगी जिससे बिजली पैदा होगी।

पोर्टेबल डिवाइस से तारों को जोड़ने के लिए एक बाहरी सॉकेट प्रदान किया जाएगा। उपयोगकर्ता की बेल्ट पर पहनने के लिए एक पावर-कंट्रोल आउटपुट यूनिट भी प्रदान की जा सकती है। फिर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को इस पावर-कंट्रोल आउटपुट यूनिट से जोड़ा जा सकता है, जो बिजली की निरंतर आपूर्ति प्रदान करेगा।
पेटेंट में लिखा है, "बैटरी से चलने वाले पोर्टेबल उपकरणों की संख्या में वृद्धि के साथ, एक दीर्घकालिक, अनुकूलनीय, कुशल विद्युत स्रोत प्रदान करने की आवश्यकता बढ़ रही है।" कोमारेचका को उम्मीद है कि उनके उपकरण का उपयोग पोर्टेबल कंप्यूटर, सेल फोन, सीडी प्लेयर, जीपीएस रिसीवर और दो-तरफ़ा रेडियो को बिजली देने के लिए किया जाएगा।