जलविद्युत प्रकल्प कसे काम करतात

जगभरात, जलविद्युत प्रकल्प जगातील सुमारे २४ टक्के वीज निर्माण करतात आणि १ अब्जाहून अधिक लोकांना वीजपुरवठा करतात. नॅशनल रिन्यूएबल एनर्जी लॅबोरेटरीनुसार, जगातील जलविद्युत प्रकल्प मिळून एकूण ६७५,००० मेगावॅट वीज निर्माण करतात, जी ३.६ अब्ज बॅरल तेलाच्या ऊर्जेच्या समतुल्य आहे. अमेरिकेत २,००० हून अधिक जलविद्युत प्रकल्प कार्यरत आहेत, ज्यामुळे जलविद्युत हा देशातील सर्वात मोठा अक्षय ऊर्जा स्त्रोत बनला आहे.
या लेखात, आपण खाली पडणाऱ्या पाण्यामुळे ऊर्जा कशी निर्माण होते हे पाहणार आहोत आणि जलविद्युतसाठी आवश्यक असलेला पाण्याचा प्रवाह निर्माण करणाऱ्या जलचक्राबद्दल जाणून घेणार आहोत. तसेच, तुम्हाला जलविद्युतच्या एका अनोख्या उपयोगाची झलकही मिळेल, जो तुमच्या दैनंदिन जीवनावर परिणाम करू शकतो.
नदीला वाहताना पाहताना, तिच्यातील शक्तीची कल्पना करणे कठीण असते. जर तुम्ही कधी व्हाईट-वॉटर राफ्टिंग केले असेल, तर तुम्ही नदीच्या शक्तीचा एक छोटासा अंश अनुभवला असेल. जेव्हा नदी उतारावरून मोठ्या प्रमाणात पाणी वाहून नेत असते आणि एका अरुंद मार्गातून जाते, तेव्हा व्हाईट-वॉटर रॅपिड्स तयार होतात. या मोकळ्या जागेतून नदीला जावे लागताच, तिचा प्रवाह वेगवान होतो. प्रचंड पाण्याच्या प्रवाहात किती शक्ती असू शकते, याचे पूर हे आणखी एक उदाहरण आहे.
जलविद्युत प्रकल्प पाण्याच्या ऊर्जेचा वापर करतात आणि साध्या यांत्रिकीच्या साहाय्याने त्या ऊर्जेचे विजेमध्ये रूपांतर करतात. जलविद्युत प्रकल्प वास्तविक पाहता एका अगदी सोप्या संकल्पनेवर आधारित आहेत — धरणातून वाहणारे पाणी टर्बाइन फिरवते, जे जनरेटरला फिरवते.

पारंपरिक जलविद्युत प्रकल्पाचे मूलभूत घटक खालीलप्रमाणे आहेत:
धरण – बहुतेक जलविद्युत प्रकल्प पाणी अडवून मोठा जलाशय तयार करणाऱ्या धरणावर अवलंबून असतात. अनेकदा, या जलाशयाचा उपयोग मनोरंजनासाठी केला जातो, जसे की वॉशिंग्टन राज्यातील ग्रँड कूली धरणाजवळील लेक रुझवेल्ट.
पाणी आत घेणे – धरणाचे दरवाजे उघडतात आणि गुरुत्वाकर्षणामुळे पाणी पेनस्टॉकमधून, म्हणजेच टर्बाइनकडे जाणाऱ्या पाइपलाइनमधून, आत खेचले जाते. या पाइपमधून वाहत असताना पाण्याचा दाब वाढतो.
टर्बाइन – पाणी टर्बाइनच्या मोठ्या पात्यांवर आदळते आणि त्यांना फिरवते. हे टर्बाइन एका शाफ्टद्वारे त्याच्या वरील जनरेटरला जोडलेले असते. जलविद्युत प्रकल्पांसाठी सर्वात सामान्य प्रकारचा टर्बाइन म्हणजे फ्रान्सिस टर्बाइन, जो वक्र पात्यांसह एका मोठ्या तबकडीसारखा दिसतो. फाउंडेशन फॉर वॉटर अँड एनर्जी एज्युकेशन (FWEE) नुसार, एका टर्बाइनचे वजन १७२ टनांपर्यंत असू शकते आणि ते प्रति मिनिट ९० फेऱ्यांच्या (rpm) गतीने फिरू शकते.
जनरेटर – जसे टर्बाइनची पाती फिरतात, त्याचप्रमाणे जनरेटरच्या आत असलेली चुंबकांची मालिकाही फिरते. प्रचंड चुंबक तांब्याच्या कॉइल्सवरून फिरतात आणि इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीमुळे प्रत्यावर्ती विद्युत प्रवाह (AC) निर्माण करतात. (जनरेटर कसे कार्य करतो याबद्दल तुम्ही नंतर अधिक शिकाल.)
ट्रान्सफॉर्मर – वीज केंद्रामधील ट्रान्सफॉर्मर प्रत्यावर्ती धारा (AC) घेऊन तिचे उच्च-व्होल्टेज प्रवाहात रूपांतर करतो.
वीज वाहिन्या – प्रत्येक वीज केंद्रातून चार तारा बाहेर येतात: एकाच वेळी निर्माण होणाऱ्या विजेचे तीन फेज आणि त्या तिन्हीसाठी सामायिक असलेली न्यूट्रल किंवा ग्राउंड. (वीज वाहिनीद्वारे होणाऱ्या पारेषणाबद्दल अधिक जाणून घेण्यासाठी 'वीज वितरण ग्रीड कसे कार्य करतात' वाचा.)
प्रवाह – वापरलेले पाणी टेलरेस नावाच्या पाईपलाईनमधून वाहून नेले जाते आणि नदीच्या खालच्या प्रवाहात पुन्हा सोडले जाते.
जलाशयातील पाणी ही साठवलेली ऊर्जा मानली जाते. जेव्हा दरवाजे उघडतात, तेव्हा पेनस्टॉकमधून वाहणारे पाणी गतिमान असल्यामुळे त्याचे गतिज ऊर्जेत रूपांतर होते. निर्माण होणाऱ्या विजेचे प्रमाण अनेक घटकांवर अवलंबून असते. त्यापैकी दोन घटक म्हणजे पाण्याच्या प्रवाहाचे प्रमाण आणि हायड्रॉलिक हेड. हेड म्हणजे पाण्याच्या पृष्ठभागापासून टर्बाइनपर्यंतचे अंतर. जसा हेड आणि प्रवाह वाढतो, तशी निर्माण होणारी वीजही वाढते. हेड सामान्यतः जलाशयातील पाण्याच्या प्रमाणावर अवलंबून असतो.

जलविद्युत प्रकल्पाचा आणखी एक प्रकार आहे, ज्याला पंप-स्टोरेज प्रकल्प म्हणतात. पारंपरिक जलविद्युत प्रकल्पात, जलाशयातील पाणी प्रकल्पामधून वाहते, बाहेर पडते आणि प्रवाहाच्या दिशेने पुढे वाहून नेले जाते. पंप-स्टोरेज प्रकल्पात दोन जलाशय असतात:
वरचा जलाशय – पारंपरिक जलविद्युत प्रकल्पाप्रमाणेच, धरणामुळे एक जलाशय तयार होतो. या जलाशयातील पाणी जलविद्युत प्रकल्पामधून प्रवाहित होऊन वीज निर्माण होते.
खालचा जलाशय – जलविद्युत प्रकल्पातून बाहेर पडणारे पाणी नदीत परत प्रवेश करून प्रवाहाच्या दिशेने पुढे वाहण्याऐवजी, खालच्या जलाशयात जमा होते.
रिव्हर्सिबल टर्बाइनचा वापर करून, हा प्रकल्प पाणी वरच्या जलाशयात परत पंप करू शकतो. हे कमी मागणीच्या वेळेत केले जाते. थोडक्यात, दुसरा जलाशय वरचा जलाशय पुन्हा भरतो. पाणी वरच्या जलाशयात परत पंप केल्यामुळे, जास्त वापराच्या काळात वीज निर्मितीसाठी प्रकल्पाकडे अधिक पाणी उपलब्ध होते.

जनरेटर
जलविद्युत प्रकल्पाचा आत्मा म्हणजे जनरेटर. बहुतेक जलविद्युत प्रकल्पांमध्ये असे अनेक जनरेटर असतात.
तुम्ही अंदाज लावला असेलच, जनरेटर वीज निर्माण करतो. या पद्धतीने वीज निर्माण करण्याची मूळ प्रक्रिया म्हणजे तारेच्या वेटोळ्यांमध्ये चुंबकांची मालिका फिरवणे. या प्रक्रियेमुळे इलेक्ट्रॉन्स हलतात, ज्यामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो.
हूवर धरणात एकूण १७ जनरेटर आहेत, त्यापैकी प्रत्येक १३३ मेगावॅटपर्यंत वीज निर्माण करू शकतो. हूवर धरण जलविद्युत प्रकल्पाची एकूण क्षमता २,०७४ मेगावॅट आहे. प्रत्येक जनरेटर काही विशिष्ट मूलभूत भागांपासून बनलेला असतो:
शाफ्ट
उत्तेजक
रोटर
स्टेटर
टर्बाइन फिरत असताना, एक्सायटर रोटरला विद्युत प्रवाह पाठवतो. रोटर म्हणजे मोठ्या विद्युतचुंबकांची एक मालिका असते, जी स्टेटर नावाच्या तांब्याच्या तारेच्या घट्ट गुंडाळलेल्या वेटोळ्यामध्ये फिरते. वेटोळे आणि चुंबक यांच्यामधील चुंबकीय क्षेत्रामुळे विद्युत प्रवाह निर्माण होतो.
हूवर धरणात, 16,500 अँपिअरचा विद्युत प्रवाह जनरेटरपासून ट्रान्सफॉर्मरकडे जातो, जिथे तो प्रसारित होण्यापूर्वी 230,000 अँपिअरपर्यंत वाढवला जातो.

जलविद्युत प्रकल्प एका नैसर्गिकरित्या सतत चालणाऱ्या प्रक्रियेचा फायदा घेतात — ज्या प्रक्रियेमुळे पाऊस पडतो आणि नद्यांची पातळी वाढते. दररोज, अतिनील किरणे पाण्याच्या रेणूंचे विघटन करतात, ज्यामुळे आपल्या ग्रहातून वातावरणातून थोड्या प्रमाणात पाणी कमी होते. पण त्याच वेळी, ज्वालामुखीच्या क्रियेमुळे पृथ्वीच्या अंतर्भागातून नवीन पाणी बाहेर पडते. तयार होणाऱ्या पाण्याचे प्रमाण आणि कमी होणाऱ्या पाण्याचे प्रमाण जवळपास सारखेच असते.
कोणत्याही एका वेळी, जगातील पाण्याचे एकूण प्रमाण अनेक वेगवेगळ्या स्वरूपांमध्ये असते. ते द्रव स्वरूपात असू शकते, जसे की महासागर, नद्या आणि पाऊस; घन स्वरूपात, जसे की हिमनद्या; किंवा वायुरूप स्वरूपात, जसे की हवेतील अदृश्य पाण्याची वाफ. वाऱ्याच्या प्रवाहामुळे पृथ्वीभोवती फिरताना पाण्याची अवस्था बदलते. सूर्याच्या उष्णतेमुळे वाऱ्याचे प्रवाह निर्माण होतात. पृथ्वीच्या इतर भागांपेक्षा विषुववृत्तावर सूर्यप्रकाश जास्त पडल्यामुळे हवेच्या प्रवाहांची चक्रे तयार होतात.
हवेच्या प्रवाहांची चक्रे पृथ्वीवरील पाण्याच्या पुरवठ्याला एका स्वतंत्र चक्राद्वारे चालना देतात, ज्याला जलचक्र म्हणतात. जेव्हा सूर्य द्रवरूप पाण्याला उष्णता देतो, तेव्हा ते पाणी हवेत वाफेत रूपांतरित होते. सूर्य हवेला उष्णता देतो, ज्यामुळे हवा वातावरणात वर चढते. वरच्या बाजूला हवा थंड असते, त्यामुळे पाण्याची वाफ जसजशी वर जाते, तसतशी ती थंड होते आणि तिचे थेंबांमध्ये रूपांतर होते. जेव्हा एकाच ठिकाणी पुरेसे थेंब जमा होतात, तेव्हा ते थेंब पर्जन्याच्या रूपात पृथ्वीवर परत पडण्याइतके जड होऊ शकतात.
जलविद्युत प्रकल्पांसाठी जलचक्र महत्त्वाचे आहे, कारण ते पाण्याच्या प्रवाहावर अवलंबून असतात. जर प्रकल्पाजवळ पाऊस कमी पडला, तर प्रवाहाच्या वरच्या बाजूला पाणी साचणार नाही. वरच्या बाजूला पाणी साचत नसल्यामुळे, जलविद्युत प्रकल्पातून कमी पाणी वाहते आणि कमी वीज निर्माण होते.