जलविद्युत प्रकल्प कसे काम करतात

जगभरात, जलविद्युत प्रकल्प जगातील सुमारे २४ टक्के वीज निर्मिती करतात आणि १ अब्जाहून अधिक लोकांना वीज पुरवतात. राष्ट्रीय अक्षय ऊर्जा प्रयोगशाळेनुसार, जगातील जलविद्युत प्रकल्प एकूण ६७५,००० मेगावॅट वीज उत्पादन करतात, जी ३.६ अब्ज बॅरल तेलाच्या समतुल्य ऊर्जा आहे. अमेरिकेत २००० हून अधिक जलविद्युत प्रकल्प कार्यरत आहेत, ज्यामुळे जलविद्युत हा देशातील सर्वात मोठा अक्षय ऊर्जा स्रोत बनला आहे.
या लेखात, आपण पडणाऱ्या पाण्यामुळे ऊर्जा कशी निर्माण होते यावर एक नजर टाकू आणि जलविद्युत निर्मितीसाठी आवश्यक असलेल्या पाण्याच्या प्रवाहाची निर्मिती करणाऱ्या जलचक्राबद्दल जाणून घेऊ. तुमच्या दैनंदिन जीवनावर परिणाम करू शकणाऱ्या जलविद्युताच्या एका अनोख्या वापराची झलक तुम्हाला देखील मिळेल.
नदी वाहताना पाहताना, ती किती शक्ती वाहून नेत आहे याची कल्पना करणे कठीण आहे. जर तुम्ही कधी व्हाईट-वॉटर राफ्टिंग केले असेल, तर तुम्हाला नदीच्या शक्तीचा एक छोटासा भाग जाणवला असेल. व्हाईट-वॉटर रॅपिड्स एका नदीच्या रूपात तयार होतात, जी मोठ्या प्रमाणात पाणी उतारावर वाहून नेते, एका अरुंद मार्गातून अडथळे निर्माण करते. नदीला या उघड्यामधून जाण्यास भाग पाडले जाते तेव्हा तिचा प्रवाह जलद होतो. पूर हे पाण्याच्या प्रचंड प्रमाणात किती शक्ती असू शकते याचे आणखी एक उदाहरण आहे.
जलविद्युत प्रकल्प पाण्याची ऊर्जा वापरतात आणि त्या ऊर्जेचे विजेमध्ये रूपांतर करण्यासाठी सोप्या यांत्रिकी वापरतात. जलविद्युत प्रकल्प प्रत्यक्षात एका सोप्या संकल्पनेवर आधारित आहेत - धरणातून वाहणारे पाणी टर्बाइन फिरवते, जे जनरेटर फिरवते.

पारंपारिक जलविद्युत प्रकल्पाचे मूलभूत घटक येथे आहेत:
धरण - बहुतेक जलविद्युत प्रकल्प अशा धरणावर अवलंबून असतात जे पाणी रोखून ठेवते, ज्यामुळे एक मोठा जलाशय तयार होतो. बहुतेकदा, या जलाशयाचा वापर मनोरंजनासाठी तलाव म्हणून केला जातो, जसे की वॉशिंग्टन राज्यातील ग्रँड कौली धरणातील रुझवेल्ट तलाव.
पाणीपुरवठा - धरणाचे दरवाजे उघडतात आणि गुरुत्वाकर्षणामुळे पाणी पेनस्टॉकमधून खेचले जाते, ही एक पाइपलाइन आहे जी टर्बाइनकडे जाते. या पाईपमधून पाणी वाहताना दाब वाढतो.
टर्बाइन - पाणी टर्बाइनच्या मोठ्या ब्लेडवर आदळते आणि फिरवते, जे शाफ्टच्या माध्यमातून त्याच्या वर असलेल्या जनरेटरला जोडलेले असते. जलविद्युत प्रकल्पांसाठी सर्वात सामान्य प्रकारचे टर्बाइन म्हणजे फ्रान्सिस टर्बाइन, जे वक्र ब्लेड असलेल्या मोठ्या डिस्कसारखे दिसते. फाउंडेशन फॉर वॉटर अँड एनर्जी एज्युकेशन (FWEE) नुसार, एका टर्बाइनचे वजन १७२ टन इतके असू शकते आणि ते प्रति मिनिट ९० आवर्तने (rpm) फिरू शकते.
जनरेटर - टर्बाइन ब्लेड फिरतात तसे जनरेटरच्या आत चुंबकांची मालिका फिरते. महाकाय चुंबक तांब्याच्या कॉइल्सभोवती फिरतात, इलेक्ट्रॉन हलवून पर्यायी प्रवाह (AC) तयार करतात. (जनरेटर कसे कार्य करते याबद्दल तुम्हाला नंतर अधिक माहिती मिळेल.)
ट्रान्सफॉर्मर - पॉवरहाऊसमधील ट्रान्सफॉर्मर एसी घेतो आणि त्याला उच्च-व्होल्टेज करंटमध्ये रूपांतरित करतो.
पॉवर लाईन्स - प्रत्येक पॉवर प्लांटमधून चार वायर येतात: एकाच वेळी तयार होणाऱ्या वीजेच्या तीन टप्प्यांसह आणि तिन्हींमध्ये सामान्य असलेले न्यूट्रल किंवा ग्राउंड. (पॉवर लाईन ट्रान्समिशनबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी पॉवर डिस्ट्रिब्यूशन ग्रिड्स कसे कार्य करतात ते वाचा.)
बहिर्वाह - वापरलेले पाणी टेलरेस नावाच्या पाइपलाइनद्वारे वाहून नेले जाते आणि पुन्हा नदीच्या प्रवाहात प्रवेश करते.
जलाशयातील पाणी साठवलेली ऊर्जा मानले जाते. जेव्हा दरवाजे उघडतात तेव्हा पेनस्टॉकमधून वाहणारे पाणी गतिमान ऊर्जा बनते कारण ते गतिमान असते. निर्माण होणाऱ्या विजेचे प्रमाण अनेक घटकांवर अवलंबून असते. त्यापैकी दोन घटक म्हणजे पाण्याच्या प्रवाहाचे प्रमाण आणि हायड्रॉलिक हेडचे प्रमाण. हेड म्हणजे पाण्याच्या पृष्ठभागापासून टर्बाइनपर्यंतचे अंतर. हेड आणि प्रवाह जसजसे वाढतात तसतसे वीज निर्माण होते. हेड सहसा जलाशयातील पाण्याच्या प्रमाणावर अवलंबून असते.

पंप-स्टोरेज प्लांट नावाचा आणखी एक प्रकारचा जलविद्युत प्रकल्प आहे. पारंपारिक जलविद्युत प्रकल्पात, जलाशयातील पाणी प्लांटमधून वाहते, बाहेर पडते आणि खाली वाहून जाते. पंप-स्टोरेज प्लांटमध्ये दोन जलाशय असतात:
वरचा जलाशय - पारंपारिक जलविद्युत प्रकल्पाप्रमाणे, धरण एक जलाशय तयार करते. या जलाशयातील पाणी वीज निर्मितीसाठी जलविद्युत प्रकल्पातून वाहते.
खालचा जलाशय - जलविद्युत प्रकल्पातून बाहेर पडणारे पाणी नदीत पुन्हा प्रवेश करण्याऐवजी आणि खाली वाहण्याऐवजी खालच्या जलाशयात वाहते.
उलट करता येण्याजोग्या टर्बाइनचा वापर करून, संयंत्र पाणी परत वरच्या जलाशयाकडे पंप करू शकते. हे ऑफ-पीक अवर्समध्ये केले जाते. मूलतः, दुसरा जलाशय वरच्या जलाशयाला पुन्हा भरतो. वरच्या जलाशयाकडे पाणी परत पंप करून, संयंत्राकडे जास्त वापराच्या काळात वीज निर्मिती करण्यासाठी जास्त पाणी असते.

जनरेटर
जलविद्युत प्रकल्पाचे हृदय जनरेटर असते. बहुतेक जलविद्युत प्रकल्पांमध्ये यापैकी अनेक जनरेटर असतात.
तुम्ही अंदाज लावला असेलच की, जनरेटर वीज निर्माण करतो. अशा प्रकारे वीज निर्मितीची मूलभूत प्रक्रिया म्हणजे तारांच्या कॉइलमध्ये चुंबकांची मालिका फिरवणे. ही प्रक्रिया इलेक्ट्रॉन हलवते, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो.
हूवर धरणात एकूण १७ जनरेटर आहेत, त्यापैकी प्रत्येक १३३ मेगावॅट पर्यंत वीज निर्माण करू शकतो. हूवर धरण जलविद्युत प्रकल्पाची एकूण क्षमता २,०७४ मेगावॅट आहे. प्रत्येक जनरेटर काही मूलभूत भागांपासून बनलेला आहे:
शाफ्ट
उत्तेजक
रोटर
स्टेटर
टर्बाइन फिरत असताना, एक्साइटर रोटरला विद्युत प्रवाह पाठवतो. रोटर म्हणजे मोठ्या इलेक्ट्रोमॅग्नेट्सची एक मालिका असते जी स्टेटर नावाच्या तांब्याच्या तारेच्या घट्ट जखमेच्या कॉइलमध्ये फिरते. कॉइल आणि चुंबकांमधील चुंबकीय क्षेत्र विद्युत प्रवाह निर्माण करते.
हूवर धरणात, जनरेटरमधून ट्रान्सफॉर्मरकडे १६,५०० अँपिअर्सचा विद्युत प्रवाह जातो, जिथे विद्युत प्रवाह प्रसारित होण्यापूर्वी २३०,००० अँपिअर्सपर्यंत पोहोचतो.

जलविद्युत प्रकल्प नैसर्गिकरित्या घडणाऱ्या, सतत होणाऱ्या प्रक्रियेचा फायदा घेतात - ही प्रक्रिया ज्यामुळे पाऊस पडतो आणि नद्या उसळतात. दररोज, आपला ग्रह वातावरणातून थोड्या प्रमाणात पाणी गमावतो कारण अतिनील किरण पाण्याचे रेणू तोडतात. परंतु त्याच वेळी, ज्वालामुखीच्या क्रियेद्वारे पृथ्वीच्या आतील भागातून नवीन पाणी उत्सर्जित होते. निर्माण झालेल्या पाण्याचे प्रमाण आणि वाया जाण्याचे प्रमाण जवळजवळ सारखेच असते.
कोणत्याही एका वेळी, जगातील एकूण पाण्याचे प्रमाण अनेक वेगवेगळ्या स्वरूपात असते. ते द्रव असू शकते, जसे की महासागर, नद्या आणि पावसामध्ये; घन असू शकते, जसे की हिमनद्या; किंवा वायूसारखे, जसे की हवेतील अदृश्य पाण्याच्या वाफेमध्ये. वाऱ्याच्या प्रवाहांमुळे ग्रहाभोवती फिरताना पाणी त्याच्या स्थितीत बदलते. सूर्याच्या तापविण्याच्या क्रियेमुळे वाऱ्याचे प्रवाह निर्माण होतात. ग्रहाच्या इतर भागांपेक्षा विषुववृत्तावर सूर्य जास्त चमकतो त्यामुळे वायु-प्रवाह चक्र तयार होतात.
वायु-प्रवाह चक्र पृथ्वीच्या पाणीपुरवठ्याला स्वतःच्या एका चक्रातून चालवतात, ज्याला जलचक्र म्हणतात. सूर्य द्रवरूप पाणी गरम करतो तेव्हा पाण्याचे हवेतील बाष्पीभवन होते. सूर्य हवा गरम करतो, ज्यामुळे वातावरणात हवा वर येते. हवा वरच्या बाजूला थंड असते, म्हणून पाण्याची वाफ जसजशी वर येते तसतसे ती थंड होते आणि थेंबांमध्ये घनरूप होते. जेव्हा एका भागात पुरेसे थेंब जमा होतात, तेव्हा ते थेंब पर्जन्यवृष्टीच्या रूपात पृथ्वीवर परत पडण्याइतके जड होऊ शकतात.
जलविद्युत प्रकल्पांसाठी जलचक्र महत्त्वाचे आहे कारण ते पाण्याच्या प्रवाहावर अवलंबून असतात. जर प्रकल्पाजवळ पाऊस कमी पडला तर पाणी वरच्या प्रवाहात साचणार नाही. वरच्या प्रवाहात पाणी साचत नसल्याने, जलविद्युत प्रकल्पातून कमी पाणी वाहते आणि कमी वीज निर्मिती होते.