जलविद्युत संयंत्र और जल टरबाइन जनरेटर कैसे काम करते हैं

विश्व स्तर पर, जलविद्युत संयंत्र दुनिया की लगभग 24 प्रतिशत बिजली का उत्पादन करते हैं और 1 अरब से अधिक लोगों को बिजली की आपूर्ति करते हैं। राष्ट्रीय नवीकरणीय ऊर्जा प्रयोगशाला के अनुसार, विश्व के सभी जलविद्युत संयंत्रों का कुल उत्पादन 675,000 मेगावाट है, जो 3.6 अरब बैरल तेल के बराबर है। संयुक्त राज्य अमेरिका में 2,000 से अधिक जलविद्युत संयंत्र कार्यरत हैं, जिससे जलविद्युत देश का सबसे बड़ा नवीकरणीय ऊर्जा स्रोत बन गया है।
इस लेख में, हम जानेंगे कि गिरता हुआ पानी ऊर्जा कैसे उत्पन्न करता है और जलविद्युत के लिए आवश्यक जल प्रवाह उत्पन्न करने वाले जलचक्र के बारे में भी समझेंगे। साथ ही, आपको जलविद्युत के एक अनूठे अनुप्रयोग की झलक भी मिलेगी जो आपके दैनिक जीवन को प्रभावित कर सकता है।
नदी को बहते हुए देखना उसकी ताकत का अंदाज़ा लगाना मुश्किल है। अगर आपने कभी व्हाइट-वॉटर राफ्टिंग की है, तो आपने नदी की शक्ति का थोड़ा-बहुत अनुभव ज़रूर किया होगा। व्हाइट-वॉटर रैपिड्स तब बनते हैं जब नदी, भारी मात्रा में पानी लेकर ढलान से नीचे की ओर बहती है, और एक संकरे रास्ते से गुज़रती है। इस संकरे रास्ते से गुज़रते ही नदी का बहाव तेज़ हो जाता है। बाढ़ भी इस बात का एक उदाहरण है कि पानी की विशाल मात्रा कितनी ताकतवर हो सकती है।

जलविद्युत संयंत्र जल की ऊर्जा का उपयोग करते हैं और सरल यांत्रिकी के माध्यम से उस ऊर्जा को बिजली में परिवर्तित करते हैं। जलविद्युत संयंत्र वास्तव में एक सरल सिद्धांत पर आधारित हैं - बांध से बहता पानी टरबाइन को घुमाता है, जो जनरेटर को घुमाता है।
यहां एक पारंपरिक जलविद्युत संयंत्र के बुनियादी घटक दिए गए हैं:
टरबाइन और जनरेटर को जोड़ने वाला शाफ्ट
बांध – अधिकांश जलविद्युत संयंत्र बांध पर निर्भर करते हैं जो पानी को रोककर एक विशाल जलाशय बनाता है। अक्सर, इस जलाशय का उपयोग मनोरंजन के लिए झील के रूप में किया जाता है, जैसे कि वाशिंगटन राज्य में ग्रैंड कूली बांध पर स्थित रूजवेल्ट झील।
इनटेक – बांध पर लगे गेट खुलते हैं और गुरुत्वाकर्षण बल के कारण पानी पेनस्टॉक नामक पाइपलाइन से होकर टरबाइन तक पहुँचता है। इस पाइप से बहते समय पानी का दबाव बढ़ता जाता है।
टरबाइन – पानी टरबाइन के बड़े ब्लेडों पर पड़ता है और उन्हें घुमाता है। टरबाइन एक शाफ्ट के माध्यम से ऊपर स्थित जनरेटर से जुड़ा होता है। जलविद्युत संयंत्रों में सबसे आम प्रकार का टरबाइन फ्रांसिस टरबाइन है, जो घुमावदार ब्लेडों वाली एक बड़ी डिस्क जैसा दिखता है। जल एवं ऊर्जा शिक्षा फाउंडेशन (FWEE) के अनुसार, एक टरबाइन का वजन 172 टन तक हो सकता है और यह 90 चक्कर प्रति मिनट (rpm) की गति से घूम सकता है।
जनरेटर – टरबाइन ब्लेड के घूमने के साथ ही जनरेटर के अंदर लगे चुंबकों की श्रृंखला भी घूमती है। विशाल चुंबक तांबे की कुंडलियों के चारों ओर घूमते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों की गति के कारण प्रत्यावर्ती धारा (एसी) उत्पन्न होती है। (जनरेटर की कार्यप्रणाली के बारे में आप आगे और जानेंगे।)
ट्रांसफार्मर – पावरहाउस के अंदर स्थित ट्रांसफार्मर एसी (AC) को लेता है और उसे उच्च-वोल्टेज धारा में परिवर्तित करता है।
बिजली लाइनें – प्रत्येक बिजली संयंत्र से चार तार निकलते हैं: एक साथ उत्पादित बिजली के तीनों चरण और एक न्यूट्रल या ग्राउंड तार जो तीनों चरणों के लिए सामान्य होता है। (बिजली लाइनों के संचरण के बारे में अधिक जानने के लिए, बिजली वितरण ग्रिड कैसे काम करते हैं, पढ़ें।)
बहिर्वाह – प्रयुक्त जल को पाइपलाइनों के माध्यम से ले जाया जाता है, जिन्हें टेलरेस कहा जाता है, और यह नदी में नीचे की ओर पुनः प्रवेश करता है।
जलाशय में मौजूद पानी को संचित ऊर्जा माना जाता है। जब गेट खुलते हैं, तो पेनस्टॉक से बहने वाला पानी गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है क्योंकि वह गतिमान होता है। उत्पन्न होने वाली बिजली की मात्रा कई कारकों पर निर्भर करती है। इनमें से दो कारक हैं जल प्रवाह की मात्रा और हाइड्रोलिक हेड। हेड जल ​​की सतह और टरबाइन के बीच की दूरी को दर्शाता है। हेड और प्रवाह बढ़ने के साथ-साथ उत्पन्न बिजली की मात्रा भी बढ़ती है। हेड आमतौर पर जलाशय में पानी की मात्रा पर निर्भर करता है।
एक अन्य प्रकार का जलविद्युत संयंत्र होता है, जिसे पंप-स्टोरेज संयंत्र कहा जाता है। एक पारंपरिक जलविद्युत संयंत्र में, जलाशय का पानी संयंत्र से होकर बहता है, बाहर निकलता है और धारा के साथ नीचे की ओर बह जाता है। पंप-स्टोरेज संयंत्र में दो जलाशय होते हैं:

ऊपरी जलाशय – एक पारंपरिक जलविद्युत संयंत्र की तरह, बांध एक जलाशय बनाता है। इस जलाशय का पानी जलविद्युत संयंत्र से होकर गुजरता है और बिजली उत्पन्न करता है।
निचला जलाशय – जलविद्युत संयंत्र से निकलने वाला पानी नदी में पुनः प्रवेश करके नीचे की ओर बहने के बजाय एक निचले जलाशय में प्रवाहित होता है।
रिवर्सिबल टरबाइन का उपयोग करके, संयंत्र पानी को ऊपरी जलाशय में वापस पंप कर सकता है। यह प्रक्रिया कम व्यस्त समय में की जाती है। मूल रूप से, दूसरा जलाशय ऊपरी जलाशय को भर देता है। पानी को ऊपरी जलाशय में वापस पंप करने से, संयंत्र के पास व्यस्त समय में बिजली उत्पादन के लिए अधिक पानी उपलब्ध होता है।

जनरेटर
जलविद्युत संयंत्र का हृदयस्थल जनरेटर होता है। अधिकांश जलविद्युत संयंत्रों में कई जनरेटर होते हैं।
जैसा कि आपने अनुमान लगाया होगा, जनरेटर बिजली उत्पन्न करता है। इस प्रकार बिजली उत्पन्न करने की मूल प्रक्रिया तारों की कुंडलियों के भीतर रखे चुम्बकों की एक श्रृंखला को घुमाना है। इस प्रक्रिया से इलेक्ट्रॉन गति करते हैं, जिससे विद्युत धारा उत्पन्न होती है।
हूवर डैम में कुल 17 जनरेटर हैं, जिनमें से प्रत्येक 133 मेगावाट तक बिजली उत्पन्न कर सकता है। हूवर डैम जलविद्युत संयंत्र की कुल क्षमता 2,074 मेगावाट है। प्रत्येक जनरेटर कुछ मूलभूत भागों से बना होता है:

टरबाइन के घूमने पर, एक्साइटर रोटर को विद्युत धारा भेजता है। रोटर तांबे के तार की एक कसकर लिपटी कुंडली (स्टेटर) के अंदर घूमने वाले कई बड़े विद्युतचुंबकों का समूह होता है। कुंडली और चुम्बकों के बीच चुंबकीय क्षेत्र विद्युत धारा उत्पन्न करता है।
हूवर डैम में, जनरेटर से ट्रांसफार्मर तक 16,500 एम्पियर की धारा प्रवाहित होती है, जहां संचरण से पहले धारा बढ़कर 230,000 एम्पियर हो जाती है।
जलविद्युत संयंत्र एक प्राकृतिक, निरंतर प्रक्रिया का लाभ उठाते हैं - वह प्रक्रिया जिसके कारण वर्षा होती है और नदियाँ उफान पर आती हैं। प्रतिदिन, पराबैंगनी किरणों द्वारा जल के अणुओं के विखंडन के कारण हमारी पृथ्वी वायुमंडल के माध्यम से थोड़ी मात्रा में जल खो देती है। लेकिन साथ ही, ज्वालामुखी गतिविधि के माध्यम से पृथ्वी के आंतरिक भाग से नया जल उत्सर्जित होता है। निर्मित जल की मात्रा और नष्ट जल की मात्रा लगभग बराबर है।
किसी भी समय, विश्व में जल की कुल मात्रा अनेक रूपों में मौजूद होती है। यह तरल रूप में हो सकता है, जैसे महासागरों, नदियों और वर्षा में; ठोस रूप में, जैसे हिमनदों में; या गैसीय रूप में, जैसे हवा में अदृश्य जल वाष्प में। जल पृथ्वी पर वायु धाराओं द्वारा गतिमान होने पर अपनी अवस्था बदलता रहता है। सूर्य की तापन क्रिया से वायु धाराएँ उत्पन्न होती हैं। सूर्य की किरणें भूमध्य रेखा पर पृथ्वी के अन्य क्षेत्रों की तुलना में अधिक चमकने के कारण वायु-धारा चक्र बनते हैं।

वायुधारा चक्र पृथ्वी के जल प्रवाह को एक अलग चक्र के माध्यम से संचालित करते हैं, जिसे जलचक्र कहते हैं। सूर्य द्वारा तरल जल के गर्म होने से जल वाष्प बनकर हवा में वाष्पित हो जाता है। सूर्य की गर्मी से हवा ऊपर उठती है। ऊपर की ओर हवा ठंडी होती है, इसलिए जैसे-जैसे जल वाष्प ऊपर उठता है, वह ठंडा होकर बूंदों में संघनित हो जाता है। जब किसी एक क्षेत्र में पर्याप्त बूंदें जमा हो जाती हैं, तो वे इतनी भारी हो जाती हैं कि वर्षा के रूप में पृथ्वी पर वापस गिर जाती हैं।
जलविद्युत संयंत्रों के लिए जलचक्र महत्वपूर्ण है क्योंकि वे जल प्रवाह पर निर्भर करते हैं। यदि संयंत्र के आसपास बारिश की कमी होती है, तो ऊपरी धारा में पानी जमा नहीं होगा। ऊपरी धारा में पानी जमा न होने से, जलविद्युत संयंत्र से कम पानी प्रवाहित होता है और कम बिजली उत्पन्न होती है।
जलविद्युत का मूल विचार बहते हुए तरल की शक्ति का उपयोग करके टरबाइन ब्लेड को घुमाना है। आमतौर पर, इस कार्य को करने के लिए नदी के बीच में एक विशाल बांध का निर्माण करना पड़ता है। एक नया आविष्कार जलविद्युत के विचार का लाभ उठाते हुए, पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के लिए बिजली प्रदान करने हेतु बहुत छोटे पैमाने पर इसका उपयोग कर रहा है।

कनाडा के ओंटारियो निवासी आविष्कारक रॉबर्ट कोमारेचका ने जूतों के तलवों में छोटे जलविद्युत जनरेटर लगाने का विचार प्रस्तुत किया है। उनका मानना ​​है कि ये सूक्ष्म टर्बाइन लगभग किसी भी उपकरण को चलाने के लिए पर्याप्त बिजली उत्पन्न कर सकते हैं। मई 2001 में, कोमारेचका को अपने इस अनूठे पैर से संचालित उपकरण के लिए पेटेंट प्राप्त हुआ।
चलने का एक बहुत ही बुनियादी सिद्धांत है: हर कदम पर पैर एड़ी से पंजे तक ज़मीन पर पड़ता है। जब आपका पैर ज़मीन पर पड़ता है, तो बल एड़ी के माध्यम से नीचे की ओर लगता है। अगले कदम के लिए तैयार होते समय, आप अपने पैर को आगे की ओर घुमाते हैं, जिससे बल आपके पैर के अगले हिस्से पर स्थानांतरित हो जाता है। कोमारेचका ने चलने के इस बुनियादी सिद्धांत को समझा और इस रोज़मर्रा की गतिविधि की शक्ति का उपयोग करने का विचार विकसित किया।
कोमारेचका के पेटेंट में वर्णित "हाइड्रोइलेक्ट्रिक जनरेटर असेंबली वाले जूते" के पांच भाग हैं:

द्रव – इस प्रणाली में विद्युत प्रवाहकीय द्रव का उपयोग किया जाएगा।
तरल पदार्थ को रखने के लिए थैली - एक थैली एड़ी वाले हिस्से में और दूसरी थैली जूते के अंगूठे वाले हिस्से में रखी जाती है।
कंड्यूइट्स – कंड्यूइट्स प्रत्येक थैली को एक माइक्रोजेनरेटर से जोड़ते हैं।
टरबाइन – जब पानी तलवे में आगे-पीछे चलता है, तो यह एक छोटे टरबाइन के ब्लेड को घुमाता है।
माइक्रोजेनरेटर - जेनरेटर दो द्रव से भरी थैलियों के बीच स्थित होता है, और इसमें एक वेन रोटर शामिल होता है, जो एक शाफ्ट को चलाता है और जेनरेटर को घुमाता है।
चलते समय, जूते की एड़ी में स्थित थैली में मौजूद तरल पदार्थ के संपीड़न से वह तरल पदार्थ पाइप के माध्यम से हाइड्रोइलेक्ट्रिक जनरेटर मॉड्यूल में प्रवाहित होता है। चलते रहने पर एड़ी ऊपर उठती है और पैर के तलवे के नीचे स्थित थैली पर दबाव पड़ता है। तरल पदार्थ की इस गति से रोटर और शाफ्ट घूमते हैं और बिजली उत्पन्न होती है।

पोर्टेबल डिवाइस से तार जोड़ने के लिए एक बाहरी सॉकेट दिया जाएगा। उपयोगकर्ता की बेल्ट पर पहनने के लिए एक पावर-कंट्रोल आउटपुट यूनिट भी दी जा सकती है। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को इस पावर-कंट्रोल आउटपुट यूनिट से जोड़ा जा सकता है, जो बिजली की निरंतर आपूर्ति प्रदान करेगी।
पेटेंट में लिखा है, "बैटरी से चलने वाले पोर्टेबल उपकरणों की संख्या में वृद्धि के साथ, एक दीर्घकालिक, अनुकूलनीय और 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 टू-वे रेडियो को बिजली देने के लिए किया जाएगा।