जलविद्युत परियोजना के लिए वाटरव्हील डिजाइन

जल ऊर्जा के लिए वाटरव्हील डिजाइन
जल ऊर्जा एक ऐसी तकनीक है जो बहते पानी की गतिज ऊर्जा को यांत्रिक या विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करती है, और बहते पानी की ऊर्जा को उपयोगी कार्य में परिवर्तित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले सबसे शुरुआती उपकरणों में से एक वाटरव्हील डिजाइन था।
समय के साथ वाटर व्हील के डिजाइन में विकास हुआ है, कुछ वाटर व्हील लंबवत रूप से उन्मुख होते हैं, कुछ क्षैतिज रूप से और कुछ में जटिल पुली और गियर लगे होते हैं, लेकिन वे सभी एक ही कार्य करने के लिए डिजाइन किए गए हैं और वह है, "चलते पानी की रैखिक गति को घूर्णी गति में परिवर्तित करना जिसका उपयोग घूर्णन शाफ्ट के माध्यम से इससे जुड़ी किसी भी मशीनरी को चलाने के लिए किया जा सकता है"।

जलचक्र का विशिष्ट डिज़ाइन
प्रारंभिक जलचक्र डिजाइन काफी आदिम और सरल मशीनें थीं जिनमें एक ऊर्ध्वाधर लकड़ी का पहिया होता था जिसके चारों ओर समान रूप से लकड़ी के ब्लेड या बाल्टियाँ लगी होती थीं, ये सभी एक क्षैतिज शाफ्ट पर टिकी होती थीं और इसके नीचे बहने वाले पानी का बल पहिये को ब्लेड के विरुद्ध स्पर्शरेखीय दिशा में धकेलता था।
ये ऊर्ध्वाधर जलचक्र प्राचीन यूनानियों और मिस्रियों द्वारा निर्मित क्षैतिज जलचक्रों की तुलना में कहीं अधिक श्रेष्ठ थे, क्योंकि ये बहते पानी की गति को शक्ति में परिवर्तित करके अधिक कुशलता से कार्य कर सकते थे। इसके बाद जलचक्र में पुली और गियर लगाए गए, जिससे घूर्णनशील शाफ्ट की दिशा को क्षैतिज से ऊर्ध्वाधर में परिवर्तित किया जा सकता था, ताकि चक्की चलाई जा सके, लकड़ी काटी जा सके, अयस्क को पीसा जा सके, धातु को ढाला जा सके और काटा जा सके आदि।

जलचक्र डिजाइन के प्रकार
अधिकांश जलचक्र, जिन्हें जलचक्की या केवल जलचक्र भी कहा जाता है, ऊर्ध्वाधर रूप से लगे पहिये होते हैं जो एक क्षैतिज धुरी के चारों ओर घूमते हैं। इन जलचक्रों को पहिये की धुरी के सापेक्ष पानी के प्रवाह के आधार पर वर्गीकृत किया जाता है। जैसा कि आप समझ सकते हैं, जलचक्र अपेक्षाकृत बड़ी मशीनें होती हैं जो कम कोणीय गति से घूमती हैं और घर्षण हानि और बाल्टियों के अपूर्ण भरने आदि के कारण इनकी दक्षता कम होती है।
पानी द्वारा पहियों, बाल्टियों या चप्पुओं पर पड़ने वाले बल से धुरी पर बल उत्पन्न होता है, लेकिन पहिये के विभिन्न स्थानों से चप्पुओं और बाल्टियों पर पानी डालकर घूर्णन की गति और दक्षता को बढ़ाया जा सकता है। जलचक्र के दो सबसे सामान्य प्रकार हैं "अंडरशॉट जलचक्र" और "ओवरशॉट जलचक्र"।

अंडरशॉट वाटर व्हील डिजाइन
अंडरशॉट वाटर व्हील डिजाइन, जिसे "स्ट्रीम व्हील" के नाम से भी जाना जाता है, प्राचीन यूनानियों और रोमनों द्वारा डिजाइन किया गया सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला वाटरव्हील था क्योंकि यह निर्माण करने के लिए सबसे सरल, सबसे सस्ता और सबसे आसान प्रकार का पहिया है।
इस प्रकार के जलचक्र में, पहिया सीधे तेज बहती नदी में रखा जाता है और ऊपर से सहारा दिया जाता है। नीचे पानी की गति पहिये के निचले हिस्से में डूबे हुए चप्पुओं पर धक्का लगाती है, जिससे पहिया पानी के प्रवाह की दिशा के सापेक्ष केवल एक ही दिशा में घूमता है।
इस प्रकार के जलचक्र का उपयोग आमतौर पर समतल क्षेत्रों में किया जाता है जहाँ भूमि का कोई प्राकृतिक ढलान नहीं होता या जहाँ जल प्रवाह पर्याप्त रूप से तीव्र होता है। अन्य जलचक्र डिज़ाइनों की तुलना में, यह डिज़ाइन अत्यंत अक्षम है, क्योंकि जल की संभावित ऊर्जा का केवल 20% ही वास्तव में चक्र को घुमाने में उपयोग होता है। साथ ही, जल की ऊर्जा का उपयोग चक्र को घुमाने के लिए केवल एक बार ही होता है, जिसके बाद यह शेष जल के साथ बह जाता है।
अंडरशॉट वाटर व्हील का एक और नुकसान यह है कि इसके लिए तेज गति से बहने वाले पानी की बड़ी मात्रा की आवश्यकता होती है। इसलिए, अंडरशॉट वाटर व्हील आमतौर पर नदियों के किनारों पर स्थित होते हैं क्योंकि छोटी धाराओं या नालों में बहते पानी में पर्याप्त संभावित ऊर्जा नहीं होती है।
अंडरशॉट वाटरव्हील की दक्षता में थोड़ा सुधार करने का एक तरीका यह है कि नदी के पानी का एक निश्चित प्रतिशत एक संकरे चैनल या नाली के माध्यम से मोड़ दिया जाए ताकि मोड़े गए पानी का 100% उपयोग व्हील को घुमाने में हो सके। ऐसा करने के लिए, अंडरशॉट व्हील संकरा होना चाहिए और चैनल में बहुत सटीक रूप से फिट होना चाहिए ताकि पानी किनारों से बाहर न निकल सके, या फिर पैडल की संख्या या आकार बढ़ाकर भी ऐसा किया जा सकता है।

ओवरशॉट वाटरव्हील डिज़ाइन
ओवरशॉट वाटर व्हील डिज़ाइन सबसे आम प्रकार का वाटर व्हील डिज़ाइन है। ओवरशॉट वाटर व्हील, अंडरशॉट वाटर व्हील की तुलना में निर्माण और डिज़ाइन में अधिक जटिल होता है क्योंकि इसमें पानी को पकड़ने और रखने के लिए बाल्टियों या छोटे डिब्बों का उपयोग किया जाता है।
ये बाल्टियाँ पहिये के शीर्ष से आने वाले पानी से भर जाती हैं। भरी हुई बाल्टियों में पानी के गुरुत्वाकर्षण भार के कारण पहिया अपनी केंद्रीय धुरी के चारों ओर घूमने लगता है, क्योंकि पहिये के दूसरी ओर की खाली बाल्टियाँ हल्की हो जाती हैं।
इस प्रकार का जलचक्र गुरुत्वाकर्षण और जल दोनों का उपयोग करके उत्पादन बढ़ाता है, इसलिए ओवरशॉट जलचक्र अंडरशॉट डिज़ाइन की तुलना में कहीं अधिक कुशल होते हैं क्योंकि लगभग सारा पानी और उसका भार उत्पादन शक्ति में उपयोग हो जाता है। हालांकि, पहले की तरह, जल की ऊर्जा का उपयोग केवल एक बार चक्र को घुमाने के लिए किया जाता है, जिसके बाद यह शेष जल के साथ बह जाता है।
नदी या धारा के ऊपर लटके हुए ओवरशॉट वाटरव्हील आमतौर पर पहाड़ियों की ढलानों पर बनाए जाते हैं, जो ऊपर से पानी की आपूर्ति करते हैं। इनका हेड (ऊपर के पानी और नीचे नदी या धारा के बीच की ऊर्ध्वाधर दूरी) 5 से 20 मीटर के बीच होता है। एक छोटा बांध या वीयर बनाया जा सकता है जिसका उपयोग पानी को चैनल करने और पहिये के शीर्ष तक पानी की गति बढ़ाने के लिए किया जाता है, जिससे उसे अधिक ऊर्जा मिलती है। लेकिन पहिये को घुमाने में पानी की गति के बजाय उसकी मात्रा महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

सामान्यतः, ओवरशॉट जलचक्र यथासंभव बड़े आकार के बनाए जाते हैं ताकि पानी के गुरुत्वाकर्षण बल द्वारा चक्र को घुमाने के लिए अधिकतम संभव हेड दूरी प्राप्त हो सके। हालांकि, चक्र और पानी के भार के कारण बड़े व्यास वाले जलचक्रों का निर्माण अधिक जटिल और महंगा होता है।
जब बाल्टियाँ पानी से भर जाती हैं, तो पानी के गुरुत्वाकर्षण बल के कारण पहिया पानी के बहाव की दिशा में घूमने लगता है। जैसे-जैसे घूमने का कोण पहिये के निचले सिरे के पास पहुँचता है, बाल्टी के अंदर का पानी नीचे नदी या धारा में बह जाता है, लेकिन उसके पीछे घूम रही बाल्टियों के भार के कारण पहिया अपनी घूर्णन गति से घूमता रहता है। खाली बाल्टी घूमते हुए पहिये के चारों ओर तब तक चक्कर लगाती रहती है जब तक कि वह फिर से ऊपर न पहुँच जाए, जहाँ उसे और पानी से भरा जा सकता है और यह चक्र दोहराता रहता है। ओवरशॉट वाटरव्हील डिज़ाइन की एक कमी यह है कि पहिये के ऊपर से बहते समय पानी का उपयोग केवल एक बार ही होता है।

पिचबैक वाटरव्हील डिजाइन
पिचबैक वाटर व्हील डिज़ाइन, पिछले ओवरशॉट वाटर व्हील का एक संशोधित रूप है, क्योंकि यह पहिये को घुमाने में मदद के लिए पानी के गुरुत्वाकर्षण भार का उपयोग करता है, साथ ही नीचे से निकलने वाले अपशिष्ट जल के प्रवाह का उपयोग अतिरिक्त बल प्रदान करने के लिए भी करता है। इस प्रकार के वाटर व्हील डिज़ाइन में एक कम हेड इनफीड सिस्टम का उपयोग किया जाता है जो ऊपर स्थित पेंट्रफ से पहिये के शीर्ष के पास पानी पहुंचाता है।
ओवरशॉट वाटरव्हील के विपरीत, जो पानी को सीधे पहिये के ऊपर से गुजारता है जिससे पहिया पानी के प्रवाह की दिशा में घूमने लगता है, पिचबैक वाटरव्हील पानी को एक फ़नल के माध्यम से लंबवत नीचे की ओर और नीचे की बाल्टी में डालता है जिससे पहिया ऊपर पानी के प्रवाह की विपरीत दिशा में घूमने लगता है।
पिछले ओवरशॉट वाटरव्हील की तरह ही, बाल्टियों में भरे पानी के गुरुत्वाकर्षण भार के कारण पहिया घूमता है, लेकिन वामावर्त दिशा में। जैसे ही घूर्णन कोण पहिये के निचले हिस्से के पास पहुँचता है, बाल्टियों में फंसा पानी नीचे गिर जाता है। खाली बाल्टी पहिये से जुड़ी रहती है और पहले की तरह ही पहिये के साथ घूमती रहती है, जब तक कि वह वापस ऊपर नहीं आ जाती, जहाँ उसे और पानी से भरा जा सकता है और यह चक्र दोहराता है।
इस बार अंतर यह है कि घूमने वाली बाल्टी से निकलने वाला अपशिष्ट जल घूमते हुए पहिये की दिशा में बह जाता है (क्योंकि उसके पास जाने के लिए और कोई जगह नहीं होती), ठीक अंडरशॉट वाटरव्हील के सिद्धांत की तरह। इस प्रकार पिचबैक वाटरव्हील का मुख्य लाभ यह है कि यह पहिये को उसकी केंद्रीय धुरी के चारों ओर घुमाने के लिए पानी की ऊर्जा का दो बार उपयोग करता है, एक बार ऊपर से और एक बार नीचे से।
इसका परिणाम यह होता है कि जलचक्र की दक्षता में काफी वृद्धि होती है और यह जल की ऊर्जा का 80% से अधिक उपयोग कर पाता है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि जलचक्र आने वाले जल के गुरुत्वाकर्षण भार, ऊपर से बाल्टियों में निर्देशित जल के बल या दबाव, और नीचे से बाल्टियों पर पड़ने वाले अपशिष्ट जल के प्रवाह, तीनों के द्वारा संचालित होता है। हालांकि, पिचबैक जलचक्र का एक नुकसान यह है कि इसके लिए चक्र के ठीक ऊपर थोड़ी अधिक जटिल जल आपूर्ति व्यवस्था की आवश्यकता होती है, जिसमें chutes और pentroughs शामिल होते हैं।

ब्रेस्टशॉट वाटरव्हील डिज़ाइन
ब्रेस्टशॉट वाटर व्हील डिज़ाइन एक अन्य ऊर्ध्वाधर रूप से स्थापित वाटर व्हील डिज़ाइन है, जिसमें पानी बाल्टियों में धुरी की ऊंचाई के लगभग आधे हिस्से या उससे थोड़ा ऊपर से प्रवेश करता है और फिर पहियों के घूमने की दिशा में नीचे से बाहर निकलता है। आमतौर पर, ब्रेस्टशॉट वाटर व्हील का उपयोग उन स्थितियों में किया जाता है जहां पानी का दबाव ऊपर से ओवरशॉट या पिचबैक वाटर व्हील डिज़ाइन को चलाने के लिए अपर्याप्त होता है।
यहां नुकसान यह है कि पानी का गुरुत्वाकर्षण भार घूर्णन के केवल एक चौथाई भाग के लिए ही उपयोग किया जाता है, जबकि पहले यह घूर्णन के आधे भाग के लिए उपयोग किया जाता था। इस कम ऊंचाई की समस्या को दूर करने के लिए, जलचक्र की बाल्टियों को चौड़ा बनाया जाता है ताकि पानी से आवश्यक मात्रा में स्थितिज ऊर्जा निकाली जा सके।
ब्रेस्टशॉट वाटरव्हील पहिये को घुमाने के लिए पानी के लगभग समान गुरुत्वाकर्षण भार का उपयोग करते हैं, लेकिन पानी की ऊंचाई एक सामान्य ओवरशॉट वाटरव्हील की तुलना में लगभग आधी होने के कारण, बाल्टियाँ पिछले वाटरव्हील डिज़ाइनों की तुलना में काफी चौड़ी होती हैं ताकि बाल्टियों में जमा होने वाले पानी की मात्रा बढ़ सके। इस प्रकार के डिज़ाइन का नुकसान यह है कि प्रत्येक बाल्टी द्वारा ले जाए जाने वाले पानी की चौड़ाई और भार बढ़ जाता है। पिचबैक डिज़ाइन की तरह, ब्रेस्टशॉट व्हील पानी की ऊर्जा का दोगुना उपयोग करता है क्योंकि वाटरव्हील को पानी में स्थिर रहने के लिए डिज़ाइन किया गया है, जिससे अपशिष्ट जल धारा के साथ बहते हुए पहिये के घूमने में मदद करता है।

जलचक्र का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करें
परंपरागत रूप से जल पहियों का उपयोग आटा, अनाज और अन्य ऐसे यांत्रिक कार्यों को पीसने के लिए किया जाता रहा है। लेकिन जल पहियों का उपयोग बिजली उत्पादन के लिए भी किया जा सकता है, जिसे जलविद्युत प्रणाली कहा जाता है। विद्युत जनरेटर को जल पहिए के घूर्णनशील शाफ्ट से प्रत्यक्ष या अप्रत्यक्ष रूप से ड्राइव बेल्ट और पुली का उपयोग करके जोड़कर, सौर ऊर्जा के विपरीत, जल पहियों का उपयोग 24 घंटे लगातार बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। यदि जल पहिए को सही ढंग से डिजाइन किया जाए, तो एक छोटी या "सूक्ष्म" जलविद्युत प्रणाली एक औसत घर में प्रकाश व्यवस्था और/या बिजली के उपकरणों को चलाने के लिए पर्याप्त बिजली का उत्पादन कर सकती है।
ऐसे वाटर व्हील जनरेटर खोजें जो अपेक्षाकृत कम गति पर अधिकतम उत्पादन देने के लिए डिज़ाइन किए गए हों। छोटे प्रोजेक्टों के लिए, एक छोटी डीसी मोटर को कम गति वाले जनरेटर के रूप में या ऑटोमोटिव अल्टरनेटर का उपयोग किया जा सकता है, लेकिन ये बहुत अधिक गति पर काम करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं, इसलिए किसी प्रकार के गियरिंग की आवश्यकता हो सकती है। एक पवन टरबाइन जनरेटर वाटर व्हील जनरेटर के लिए आदर्श है क्योंकि यह कम गति और उच्च उत्पादन के लिए डिज़ाइन किया गया है।
यदि आपके घर या बगीचे के पास कोई तेज़ बहने वाली नदी या धारा है जिसका आप उपयोग कर सकते हैं, तो एक लघु जलविद्युत प्रणाली पवन ऊर्जा या सौर ऊर्जा जैसे नवीकरणीय ऊर्जा स्रोतों का एक बेहतर विकल्प हो सकती है, क्योंकि इसका दृश्य प्रभाव बहुत कम होता है। साथ ही, पवन और सौर ऊर्जा की तरह ही, स्थानीय बिजली ग्रिड से जुड़े एक छोटे पैमाने के जलचक्र जनरेटिंग सिस्टम से, आप जो भी बिजली उत्पन्न करते हैं लेकिन उपयोग नहीं करते हैं, उसे बिजली कंपनी को वापस बेचा जा सकता है।
अगले ट्यूटोरियल में, हम जल ऊर्जा के बारे में जानेंगे और विभिन्न प्रकार के टर्बाइनों पर नज़र डालेंगे जिन्हें हम जल विद्युत उत्पादन के लिए अपने वाटरव्हील डिज़ाइन से जोड़ सकते हैं। वाटरव्हील डिज़ाइन और पानी की शक्ति का उपयोग करके अपनी बिजली कैसे उत्पन्न करें, इस बारे में अधिक जानकारी के लिए, या उपलब्ध विभिन्न वाटरव्हील डिज़ाइनों के बारे में अधिक जल ऊर्जा जानकारी प्राप्त करने के लिए, या जल ऊर्जा के लाभ और हानियों का पता लगाने के लिए, आज ही अमेज़न से वाटरव्हील के सिद्धांतों और निर्माण के बारे में अपनी कॉपी ऑर्डर करने के लिए यहां क्लिक करें।