जलविद्युत निर्मितीचा आढावा

जलविद्युत म्हणजे नैसर्गिक नद्यांमधील पाण्याच्या ऊर्जेचे लोकांच्या वापरासाठी विजेमध्ये रूपांतर करणे. वीज निर्मितीमध्ये सौर ऊर्जा, नद्यांमधील जलविद्युत आणि हवेच्या प्रवाहाने निर्माण होणारी पवन ऊर्जा यांसारखे विविध ऊर्जा स्रोत वापरले जातात. जलविद्युत वापरून वीज निर्मितीचा खर्च कमी असतो आणि जलविद्युत केंद्रांचे बांधकाम इतर जलसंधारण प्रकल्पांसोबतही केले जाऊ शकते. आपला देश जलविद्युत संसाधनांच्या बाबतीत खूप समृद्ध आहे आणि तेथील परिस्थितीही खूप चांगली आहे. राष्ट्रीय अर्थव्यवस्थेच्या उभारणीत जलविद्युत महत्त्वाची भूमिका बजावते.
नदीच्या वरच्या बाजूची पाण्याची पातळी खालच्या बाजूच्या पाण्याच्या पातळीपेक्षा जास्त असते. नदीच्या पाण्याच्या पातळीतील फरकामुळे जलऊर्जा निर्माण होते. या ऊर्जेला स्थितिज ऊर्जा किंवा स्थितीज ऊर्जा म्हणतात. नदीच्या पाण्याच्या उंचीतील फरकाला 'ड्रॉप' (पाण्याची पातळीतील फरक) म्हणतात, ज्याला 'वॉटर लेव्हल डिफरन्स' (पाण्याच्या पातळीतील फरक) किंवा 'वॉटर हेड' (पाण्याचा शीर्ष) असेही म्हणतात. हा ड्रॉप जलशक्तीच्या निर्मितीसाठी एक मूलभूत अट आहे. याव्यतिरिक्त, जलशक्तीचे प्रमाण नदीतील पाण्याच्या प्रवाहाच्या प्रमाणावर देखील अवलंबून असते, जी ड्रॉपइतकीच महत्त्वाची दुसरी मूलभूत अट आहे. ड्रॉप आणि प्रवाह दोन्ही जलशक्तीवर थेट परिणाम करतात; ड्रॉपमधील पाण्याचे प्रमाण जितके जास्त असेल, तितकी जलशक्ती जास्त असते; जर ड्रॉप आणि पाण्याचे प्रमाण तुलनेने कमी असेल, तर जलविद्युत केंद्राचे उत्पादन कमी होईल.
पाण्याची पातळीतील घट सामान्यतः मीटरमध्ये व्यक्त केली जाते. प्रवणता (ग्रेडियंट) म्हणजे पाण्याची पातळी आणि अंतर यांचे गुणोत्तर, जे पाण्याच्या पातळीच्या केंद्रीकरणाची पातळी दर्शवू शकते. पाण्याची पातळी जितकी जास्त केंद्रीकृत असते, तितकी जलविद्युत शक्तीचा वापर अधिक सोयीस्कर होतो. जलविद्युत केंद्राद्वारे वापरली जाणारी पाण्याची पातळी म्हणजे, टर्बाइनमधून पाणी गेल्यानंतर जलविद्युत केंद्राच्या वरच्या बाजूच्या पाण्याच्या पृष्ठभागाची पातळी आणि खालच्या बाजूच्या पाण्याच्या पृष्ठभागाची पातळी यांमधील फरक होय.

प्रवाह म्हणजे नदीतून प्रति एकक वेळेत वाहणाऱ्या पाण्याचे प्रमाण, आणि ते एका सेकंदात घनमीटरमध्ये व्यक्त केले जाते. एक घनमीटर पाणी म्हणजे एक टन. नदीचा प्रवाह कधीही बदलतो, त्यामुळे जेव्हा आपण प्रवाहाबद्दल बोलतो, तेव्हा तो ज्या विशिष्ट ठिकाणी वाहतो, त्या वेळेचे स्पष्टीकरण देणे आवश्यक आहे. प्रवाह वेळेनुसार खूप लक्षणीयरीत्या बदलतो. आपल्या देशातील नद्यांना साधारणपणे उन्हाळा आणि शरद ऋतूतील पावसाळ्यात जास्त प्रवाह असतो, आणि हिवाळा व वसंत ऋतूत तो तुलनेने कमी असतो. साधारणपणे, नदीचा प्रवाह वरच्या भागात तुलनेने कमी असतो; उपनद्या एकत्र येत असल्यामुळे, खालच्या भागात प्रवाह हळूहळू वाढतो. त्यामुळे, जरी वरच्या भागात पाण्याची पातळी एकाच ठिकाणी केंद्रित असली तरी, प्रवाह कमी असतो; खालच्या भागात प्रवाह जास्त असतो, परंतु पाण्याची पातळी तुलनेने विखुरलेली असते. म्हणूनच, नदीच्या मधल्या टप्प्यात जलविद्युत वापरणे अनेकदा सर्वात किफायतशीर ठरते.
जलविद्युत केंद्राने वापरलेला उतार आणि प्रवाह माहित असल्यास, खालील सूत्राचा वापर करून त्याचे उत्पादन मोजता येते:
N= GQH
सूत्रामध्ये, N–आउटपुट, किलोवॅटमध्ये, याला पॉवर असेही म्हटले जाऊ शकते;
Q–प्रवाह, घन मीटर प्रति सेकंदात;
H – थेंब, मीटरमध्ये;
G = 9.8 , हे गुरुत्वाकर्षणाचे त्वरण आहे, एकक: न्यूटन/किलो
वरील सूत्रानुसार, कोणतेही नुकसान वजा न करता सैद्धांतिक शक्तीची गणना केली जाते. वास्तविक पाहता, जलविद्युत निर्मितीच्या प्रक्रियेत, टर्बाइन, पारेषण उपकरणे, जनरेटर इत्यादींमध्ये अपरिहार्य शक्तीची हानी होते. त्यामुळे, सैद्धांतिक शक्तीला सवलत दिली पाहिजे, म्हणजेच, आपण वापरू शकणाऱ्या प्रत्यक्ष शक्तीला कार्यक्षमता गुणांकाने (चिन्ह: K) गुणले पाहिजे.
जलविद्युत केंद्रातील जनरेटरच्या डिझाइन केलेल्या शक्तीला रेटेड पॉवर म्हणतात आणि प्रत्यक्ष शक्तीला वास्तविक शक्ती म्हणतात. ऊर्जा रूपांतरणाच्या प्रक्रियेत, ऊर्जेचा काही भाग वाया जाणे अपरिहार्य आहे. जलविद्युत निर्मितीच्या प्रक्रियेत, प्रामुख्याने टर्बाइन आणि जनरेटरमध्ये ऊर्जा हानी होते (पाईपलाईनमध्येही ऊर्जा हानी होते). ग्रामीण सूक्ष्म-जलविद्युत केंद्रातील विविध प्रकारची ऊर्जा हानी एकूण सैद्धांतिक शक्तीच्या सुमारे ४०-५०% असते, त्यामुळे जलविद्युत केंद्राचे उत्पादन प्रत्यक्षात सैद्धांतिक शक्तीच्या केवळ ५०-६०% वापरू शकते, म्हणजेच कार्यक्षमता सुमारे ०.५-०.६० असते (ज्यामध्ये टर्बाइनची कार्यक्षमता ०.७०-०.८५, जनरेटरची कार्यक्षमता ०.८५ ते ०.९० आणि पाईपलाईन व पारेषण उपकरणांची कार्यक्षमता ०.८० ते ०.८५ असते). म्हणून, जलविद्युत केंद्राची वास्तविक शक्ती (उत्पादन) खालीलप्रमाणे मोजली जाऊ शकते:
K – जलविद्युत केंद्राची कार्यक्षमता, (०.५～०.६) ही सूक्ष्म-जलविद्युत केंद्राच्या ढोबळ गणनेत वापरली जाते; हे मूल्य खालीलप्रमाणे सोपे करता येते:
N=(0.5～0.6)QHG वास्तविक शक्ती=कार्यक्षमता×प्रवाह×घट×9.8
जलविद्युतचा उपयोग म्हणजे पाण्याच्या शक्तीने एखादे यंत्र चालवणे, ज्याला जल टर्बाइन म्हणतात. उदाहरणार्थ, आपल्या देशातील प्राचीन पाणचक्की हे एक अतिशय साधे जल टर्बाइन आहे. सध्या वापरले जाणारे विविध जल टर्बाइन वेगवेगळ्या विशिष्ट जल-परिस्थितीनुसार अनुकूलित केलेले असतात, जेणेकरून ते अधिक कार्यक्षमतेने फिरू शकतील आणि पाण्याच्या ऊर्जेचे यांत्रिक ऊर्जेमध्ये रूपांतर करू शकतील. जनरेटर नावाचे आणखी एक प्रकारचे यंत्र टर्बाइनला जोडलेले असते, जेणेकरून जनरेटरचा रोटर टर्बाइनसोबत फिरून वीज निर्माण करतो. जनरेटरचे दोन भाग करता येतात: टर्बाइनसोबत फिरणारा भाग आणि जनरेटरचा स्थिर भाग. जो भाग टर्बाइनला जोडलेला असतो आणि फिरतो त्याला जनरेटरचा रोटर म्हणतात, आणि रोटरभोवती अनेक चुंबकीय ध्रुव असतात; रोटरभोवतीचा गोल भाग हा जनरेटरचा स्थिर भाग असतो, ज्याला जनरेटरचा स्टेटर म्हणतात, आणि स्टेटरवर अनेक तांब्याच्या वेटोळ्या गुंडाळलेल्या असतात. जेव्हा रोटरचे अनेक चुंबकीय ध्रुव स्टेटरच्या तांब्याच्या वेटोळ्यांच्या मध्यभागी फिरतात, तेव्हा तांब्याच्या तारांवर विद्युत प्रवाह निर्माण होतो आणि जनरेटर यांत्रिक ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेमध्ये रूपांतर करतो.
वीज केंद्रात निर्माण झालेली विद्युत ऊर्जा विविध विद्युत उपकरणांद्वारे यांत्रिक ऊर्जा (विद्युत मोटर किंवा मोटर), प्रकाश ऊर्जा (विद्युत दिवा), औष्णिक ऊर्जा (विद्युत भट्टी) इत्यादींमध्ये रूपांतरित केली जाते.
जलविद्युत केंद्राची रचना
जलविद्युत केंद्राच्या रचनेत जल-रचना, यांत्रिक उपकरणे आणि विद्युत उपकरणे यांचा समावेश असतो.
(1) जल-अभियांत्रिकी संरचना
त्यामध्ये बंधारे (धरणे), जलप्रवेशद्वार, कालवे (किंवा बोगदे), दाब टाक्या (किंवा नियामक टाक्या), दाब नळ्या, वीज केंद्रे आणि जलमार्ग इत्यादींचा समावेश असतो.
नदीचे पाणी अडवण्यासाठी आणि जलाशय तयार करण्याकरिता नदीत एक बंधारा (धरण) बांधला जातो. अशा प्रकारे, बंधाऱ्यावरील (धरणावरील) जलाशयाच्या पाण्याच्या पातळीत आणि धरणाच्या खालील नदीच्या पाण्याच्या पातळीत एक तीव्र उतार तयार होतो, आणि नंतर पाण्याच्या नळ्या किंवा बोगद्यांच्या वापराद्वारे हे पाणी जलविद्युत केंद्रात सोडले जाते. तुलनेने तीव्र उताराच्या नद्यांमध्ये, वळण कालव्यांचा वापर करूनही उतार तयार करता येतो. उदाहरणार्थ: साधारणपणे, नैसर्गिक नदीचा प्रति किलोमीटर उतार १० मीटर असतो. जर नदीच्या या भागाच्या वरच्या टोकाला नदीचे पाणी सोडण्यासाठी एक कालवा उघडला, तर तो कालवा नदीच्या काठाने खोदला जाईल आणि त्याचा उतार अधिक सपाट असेल. जर कालव्यातील उतार प्रति किलोमीटर फक्त १ मीटर असेल, तर कालव्यातून ५ किलोमीटर पाणी वाहिल्यावर पाण्याची पातळी फक्त ५ मीटरने खाली येते, तर नैसर्गिक प्रवाहात ५ किलोमीटर प्रवास केल्यावर पाण्याची पातळी ५० मीटरने खाली येते. यावेळी, कालव्यातील पाणी नदीच्या प्रवाहाद्वारे जलवाहिनी किंवा बोगद्याच्या साहाय्याने वीज प्रकल्पाकडे परत नेले जाते आणि तिथे ४५ मीटरचा एक केंद्रित उतार असतो, ज्याचा उपयोग वीज निर्मितीसाठी केला जाऊ शकतो. आकृती २

एकाच ठिकाणी पाण्याचा प्रवाह कमी करणारे जलविद्युत केंद्र तयार करण्यासाठी वळण कालवे, बोगदे किंवा पाण्याच्या नळ्या (जसे की प्लॅस्टिक पाईप, स्टील पाईप, काँक्रीट पाईप इत्यादी) वापरण्याला वळण कालवा जलविद्युत केंद्र म्हणतात, जी जलविद्युत केंद्रांची एक सामान्य रचना आहे.
(२) यांत्रिक आणि विद्युत उपकरणे
वर नमूद केलेल्या जल-अभियांत्रिकी कामांव्यतिरिक्त (बंधारे, कालवे, आवार, दाब नलिका, कार्यशाळा), जलविद्युत केंद्राला खालील उपकरणांची देखील आवश्यकता असते:
(१) यांत्रिक उपकरणे
त्यामध्ये टर्बाइन, गव्हर्नर, गेट व्हॉल्व्ह, पारेषण उपकरणे आणि गैर-उत्पादक उपकरणे यांचा समावेश आहे.
(२) विद्युत उपकरणे
तेथे जनरेटर, वितरण नियंत्रण पॅनेल, ट्रान्सफॉर्मर आणि पारेषण वाहिन्या आहेत.
परंतु सर्वच लहान जलविद्युत केंद्रांमध्ये वर नमूद केलेल्या जल-रचना आणि यांत्रिक व विद्युत उपकरणे नसतात. कमी-उंचीच्या जलविद्युत केंद्रामध्ये पाण्याची उंची ६ मीटरपेक्षा कमी असल्यास, सामान्यतः जलमार्गिका आणि खुली जलवाहिनी वापरली जाते, आणि तिथे दाब-अग्रकुंड व दाब-जलवाहिनी नसते. लहान वीज पुरवठा क्षेत्र आणि कमी पारेषण अंतर असलेल्या वीज केंद्रांसाठी, थेट वीज पारेषण पद्धत अवलंबली जाते आणि ट्रान्सफॉर्मरची आवश्यकता नसते. जलाशय असलेल्या जलविद्युत केंद्रांना धरणे बांधण्याची गरज नसते. खोल जल-प्रवेशद्वार, धरणातील अंतर्गत जलवाहिन्या (किंवा बोगदे) आणि सांडवे यांच्या वापरामुळे बंधारे, जल-प्रवेशद्वारे, कालवे आणि दाब-अग्रकुंड यांसारख्या जल-रचनांची गरज नाहीशी होते.
जलविद्युत केंद्र बांधण्यासाठी, सर्वप्रथम काळजीपूर्वक सर्वेक्षण आणि आराखड्याचे काम करणे आवश्यक आहे. आराखड्याच्या कामामध्ये तीन टप्पे असतात: प्राथमिक आराखडा, तांत्रिक आराखडा आणि बांधकाम तपशील. आराखड्याचे काम उत्तमरीत्या करण्यासाठी, सर्वप्रथम सखोल सर्वेक्षण करणे आवश्यक आहे, म्हणजेच स्थानिक नैसर्गिक आणि आर्थिक परिस्थिती – म्हणजेच स्थलाकृति, भूगर्भशास्त्र, जलशास्त्र, भांडवल इत्यादी पूर्णपणे समजून घेणे. या परिस्थिती समजून घेऊन त्यांचे विश्लेषण केल्यावरच आराखड्याची अचूकता आणि विश्वासार्हता सुनिश्चित केली जाऊ शकते.
लहान जलविद्युत केंद्रांचे घटक हे जलविद्युत केंद्राच्या प्रकारानुसार विविध स्वरूपाचे असतात.
३. स्थलाकृतिक सर्वेक्षण
स्थलाकृतिक सर्वेक्षण कामाच्या गुणवत्तेचा अभियांत्रिकी आराखड्यावर आणि अभियांत्रिकी प्रमाणाच्या अंदाजावर मोठा प्रभाव पडतो.
पाणलोट क्षेत्राच्या आणि नदीकाठच्या भूशास्त्राविषयीच्या सामान्य माहिती आणि संशोधनाव्यतिरिक्त, भूशास्त्रीय अन्वेषण (भूशास्त्रीय परिस्थितीची माहिती) करताना यंत्र कक्षाचा पाया भक्कम आहे की नाही हे समजून घेणे देखील आवश्यक आहे, कारण त्याचा थेट परिणाम वीज केंद्राच्या सुरक्षिततेवर होतो. एकदा का विशिष्ट जलाशय क्षमता असलेला बंधारा नष्ट झाला, तर त्यामुळे केवळ जलविद्युत केंद्राचेच नुकसान होत नाही, तर नदीच्या खालच्या बाजूला मोठ्या प्रमाणात जीवित आणि मालमत्तेची हानी देखील होते.
४. जलशास्त्रीय चाचणी
जलविद्युत केंद्रांसाठी, नदीच्या पाण्याची पातळी, प्रवाह, गाळाचे प्रमाण, बर्फाच्छादनाची स्थिती, हवामानविषयक माहिती आणि पूर सर्वेक्षणाची माहिती या सर्वात महत्त्वाच्या जलशास्त्रीय नोंदी आहेत. नदीच्या प्रवाहाचे प्रमाण जलविद्युत केंद्राच्या सांडव्याच्या रचनेवर परिणाम करते. पुराच्या तीव्रतेचा अंदाज चुकल्यास धरणाचे नुकसान होऊ शकते; सर्वात वाईट परिस्थितीत, नदीने वाहून आणलेला गाळ जलाशय लवकर भरू शकतो. उदाहरणार्थ, येणाऱ्या पाण्याच्या वाहिनीमध्ये गाळ साचेल आणि जाडसर गाळ टर्बाइनमधून जाऊन टर्बाइनची झीज करेल. त्यामुळे, जलविद्युत केंद्रांच्या बांधकामासाठी पुरेशी जलशास्त्रीय माहिती असणे आवश्यक आहे.
त्यामुळे, जलविद्युत केंद्र बांधण्याचा निर्णय घेण्यापूर्वी, आपण सर्वप्रथम वीजपुरवठा क्षेत्रातील आर्थिक विकासाची दिशा आणि विजेची भविष्यातील मागणी यांचा अभ्यास केला पाहिजे. त्याच वेळी, विकास क्षेत्रातील इतर ऊर्जा स्रोतांच्या परिस्थितीचा अंदाज घेतला पाहिजे. वरील परिस्थितीचे संशोधन आणि विश्लेषण केल्यानंतरच आपण ठरवू शकतो की जलविद्युत केंद्र बांधण्याची गरज आहे की नाही आणि त्याचा आकार किती मोठा असावा.
सर्वसाधारणपणे, जलविद्युत सर्वेक्षण कार्याचा उद्देश जलविद्युत केंद्रांच्या अभिकल्प आणि बांधकामासाठी आवश्यक असलेली अचूक आणि विश्वसनीय मूलभूत माहिती प्रदान करणे हा आहे.
५. स्थळ निवडीसाठी सर्वसाधारण अटी
स्थळ निवडण्याच्या सर्वसाधारण अटी खालील चार बाबींवरून स्पष्ट करता येतात:
(1) निवडलेली जागा जलऊर्जेचा सर्वात किफायतशीरपणे वापर करण्यास सक्षम असावी आणि खर्च बचतीच्या तत्त्वाचे पालन करणारी असावी, म्हणजेच वीज केंद्र पूर्ण झाल्यावर कमीत कमी खर्च होऊन सर्वाधिक वीज निर्माण व्हावी. वार्षिक वीज निर्मिती महसूल आणि केंद्राच्या बांधकामातील गुंतवणुकीचा अंदाज घेऊन, गुंतवलेले भांडवल किती काळात वसूल होऊ शकते, हे सामान्यतः मोजता येते. तथापि, वेगवेगळ्या ठिकाणी जलशास्त्रीय आणि स्थलाकृतिक परिस्थिती भिन्न असते आणि विजेची गरजही वेगवेगळी असते, त्यामुळे बांधकाम खर्च आणि गुंतवणूक ठराविक मूल्यांपुरती मर्यादित ठेवू नये.
(2) निवडलेल्या जागेची स्थलाकृतिक, भूवैज्ञानिक आणि जलशास्त्रीय परिस्थिती तुलनेने उत्तम असावी आणि रचना व बांधकामासाठी संधी उपलब्ध असाव्यात. लहान जलविद्युत केंद्रांच्या बांधकामात, बांधकाम साहित्याचा वापर शक्यतोवर “स्थानिक साहित्य” या तत्त्वानुसार असावा.
(3) वीज पारेषण उपकरणांमधील गुंतवणूक आणि विजेचा अपव्यय कमी करण्यासाठी, निवडलेली जागा शक्यतोवर वीज पुरवठा आणि प्रक्रिया क्षेत्राच्या जवळ असणे आवश्यक आहे.
(4) जागेची निवड करताना, अस्तित्वात असलेल्या जल-रचनांचा शक्य तितका वापर केला पाहिजे. उदाहरणार्थ, सिंचन कालव्यातील पाण्याच्या प्रवाहाचा वापर करून जलविद्युत केंद्र बांधता येते, किंवा सिंचनाच्या प्रवाहातून वीज निर्माण करण्यासाठी सिंचन जलाशयाच्या शेजारी जलविद्युत केंद्र बांधता येते, इत्यादी. कारण ही जलविद्युत केंद्रे 'पाणी उपलब्ध असताना वीज निर्माण करण्याच्या' तत्त्वाची पूर्तता करू शकतात, त्यामुळे त्यांचे आर्थिक महत्त्व अधिक स्पष्ट होते.