நீர்மின் நிலையங்கள் மற்றும் நீர் விசையாழி மின்னாக்கி எவ்வாறு செயல்படுகின்றன

உலகம் முழுவதும், நீர்மின் நிலையங்கள் உலகின் மின்சாரத்தில் சுமார் 24 சதவீதத்தை உற்பத்தி செய்து, 100 கோடிக்கும் அதிகமான மக்களுக்கு மின்சாரத்தை வழங்குகின்றன. தேசிய புதுப்பிக்கத்தக்க எரிசக்தி ஆய்வகத்தின்படி, உலகின் நீர்மின் நிலையங்கள் இணைந்து மொத்தமாக 675,000 மெகாவாட் மின்சாரத்தை உற்பத்தி செய்கின்றன, இது 360 கோடி பீப்பாய் எண்ணெய்க்குச் சமமான ஆற்றலாகும். அமெரிக்காவில் 2,000-க்கும் மேற்பட்ட நீர்மின் நிலையங்கள் இயங்கி வருகின்றன, இது நீர்மின்சக்தியை அந்நாட்டின் மிகப்பெரிய புதுப்பிக்கத்தக்க எரிசக்தி ஆதாரமாக ஆக்குகிறது.
இந்தக் கட்டுரையில், விழும் நீர் எவ்வாறு ஆற்றலை உருவாக்குகிறது என்பதைப் பற்றியும், நீர்மின்சக்திக்கு அவசியமான நீரோட்டத்தை உருவாக்கும் நீரியல் சுழற்சி குறித்தும் காண்போம். மேலும், உங்கள் அன்றாட வாழ்க்கையைப் பாதிக்கக்கூடிய நீர்மின்சக்தியின் ஒரு தனித்துவமான பயன்பாட்டையும் நீங்கள் அறிந்துகொள்வீர்கள்.
ஒரு நதி பாய்ந்து செல்வதைப் பார்க்கும்போது, ​​அது சுமந்து செல்லும் சக்தியைக் கற்பனை செய்வது கடினம். நீங்கள் எப்போதாவது வெள்ளப் படகு சவாரி செய்திருந்தால், நதியின் சக்தியின் ஒரு சிறு பகுதியை நீங்கள் உணர்ந்திருப்பீர்கள். அதிக அளவு நீரை கீழ்நோக்கிச் சுமந்து செல்லும் ஒரு நதி, ஒரு குறுகிய பாதையில் நெரிபடும்போது வெள்ளப் பெருக்கெடுப்புகள் உருவாகின்றன. இந்தத் திறப்பின் வழியாக நதி வலுக்கட்டாயமாகச் செல்லும்போது, ​​அதன் ஓட்டம் வேகமடைகிறது. ஒரு பெரும் அளவிலான நீருக்கு எவ்வளவு சக்தி இருக்க முடியும் என்பதற்கு வெள்ளப்பெருக்குகள் மற்றொரு எடுத்துக்காட்டாகும்.

நீர்மின் நிலையங்கள், நீரின் ஆற்றலைப் பயன்படுத்தி, எளிய இயந்திரவியல் மூலம் அந்த ஆற்றலை மின்சாரமாக மாற்றுகின்றன. நீர்மின் நிலையங்கள் உண்மையில் ஒரு மிக எளிய கருத்தை அடிப்படையாகக் கொண்டவை — ஒரு அணை வழியாகப் பாயும் நீர் ஒரு விசையாழியைச் சுழற்றுகிறது, அது ஒரு மின்னாக்கியைச் சுழற்றுகிறது.
ஒரு வழக்கமான நீர்மின் நிலையத்தின் அடிப்படைக் கூறுகள் பின்வருமாறு:
டர்பைனையும் ஜெனரேட்டரையும் இணைக்கும் தண்டு
அணை – பெரும்பாலான நீர்மின் நிலையங்கள், நீரைத் தேக்கி வைத்து ஒரு பெரிய நீர்த்தேக்கத்தை உருவாக்கும் அணையைச் சார்ந்துள்ளன. பெரும்பாலும், இந்த நீர்த்தேக்கம், வாஷிங்டன் மாநிலத்தில் உள்ள கிராண்ட் கூலி அணையில் இருக்கும் ரூஸ்வெல்ட் ஏரியைப் போல, ஒரு பொழுதுபோக்கு ஏரியாகப் பயன்படுத்தப்படுகிறது.
நீர் உட்செலுத்தம் – அணையின் கதவுகள் திறக்க, புவியீர்ப்பு விசையானது நீரை விசையாழிக்குச் செல்லும் குழாயான பென்ஸ்டாக் வழியாக இழுக்கிறது. இந்தக் குழாய் வழியாக நீர் பாயும்போது, ​​அதில் அழுத்தம் அதிகரிக்கிறது.
டர்பைன் – தனக்கு மேலே ஒரு ஜெனரேட்டருடன் ஒரு தண்டு வழியாக இணைக்கப்பட்டிருக்கும் டர்பைனின் பெரிய இறக்கைகளில் நீர் பட்டு அவற்றைச் சுழற்றுகிறது. நீர்மின் நிலையங்களில் மிகவும் பொதுவான டர்பைன் வகை ஃபிரான்சிஸ் டர்பைன் ஆகும், இது வளைந்த இறக்கைகளைக் கொண்ட ஒரு பெரிய வட்டு போலத் தோற்றமளிக்கிறது. நீர் மற்றும் ஆற்றல் கல்விக்கான அறக்கட்டளையின் (FWEE) கூற்றுப்படி, ஒரு டர்பைன் 172 டன் வரை எடை கொண்டிருக்கலாம் மற்றும் நிமிடத்திற்கு 90 சுழற்சிகள் (rpm) என்ற விகிதத்தில் சுழலக்கூடும்.
மின்னாக்கிகள் – விசையாழியின் இறக்கைகள் சுழலும்போது, ​​மின்னாக்கிக்குள் இருக்கும் தொடர்ச்சியான காந்தங்களும் சுழல்கின்றன. பிரம்மாண்டமான காந்தங்கள் செப்புச் சுருள்களைக் கடந்து சுழன்று, எலக்ட்ரான்களை நகர்த்துவதன் மூலம் மாறுதிசை மின்னோட்டத்தை (AC) உருவாக்குகின்றன. (மின்னாக்கி எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதைப் பற்றி நீங்கள் பின்னர் மேலும் அறிந்துகொள்வீர்கள்.)
மின்மாற்றி – மின் உற்பத்தி நிலையத்தின் உள்ளே இருக்கும் மின்மாற்றி, மாறுதிசை மின்னோட்டத்தை (AC) உயர் மின்னழுத்த மின்னோட்டமாக மாற்றுகிறது.
மின் கம்பிகள் – ஒவ்வொரு மின் உற்பத்தி நிலையத்திலிருந்தும் நான்கு கம்பிகள் வெளிவருகின்றன: ஒரே நேரத்தில் உற்பத்தி செய்யப்படும் மின்சாரத்தின் மூன்று கட்டங்கள் மற்றும் அந்த மூன்றுக்கும் பொதுவான ஒரு நடுநிலை அல்லது தரைக்கம்பி. (மின் கம்பி வழிப் பரிமாற்றம் பற்றி மேலும் அறிய, மின் விநியோகக் கட்டமைப்பு எவ்வாறு செயல்படுகிறது என்பதைப் படிக்கவும்.)
வெளியேற்றம் – பயன்படுத்தப்பட்ட நீர், டெய்ல்ரேஸ்கள் எனப்படும் குழாய்கள் வழியாகக் கொண்டு செல்லப்பட்டு, ஆற்றின் கீழ் பகுதியில் மீண்டும் கலக்கிறது.
நீர்த்தேக்கத்தில் உள்ள நீர், சேமிக்கப்பட்ட ஆற்றலாகக் கருதப்படுகிறது. கதவுகள் திறக்கப்படும்போது, ​​நீர்க்குழாய் வழியாகப் பாயும் நீர் இயக்கத்தில் இருப்பதால், அது இயக்க ஆற்றலாக மாறுகிறது. உருவாக்கப்படும் மின்சாரத்தின் அளவு பல காரணிகளால் தீர்மானிக்கப்படுகிறது. அந்தக் காரணிகளில் இரண்டு, நீர் ஓட்டத்தின் அளவு மற்றும் நீரியல் அழுத்தத்தின் அளவு ஆகும். அழுத்தம் என்பது நீர் மேற்பரப்பிற்கும் விசையாழிகளுக்கும் இடையிலான தூரத்தைக் குறிக்கிறது. அழுத்தமும் ஓட்டமும் அதிகரிக்கும்போது, ​​உருவாக்கப்படும் மின்சாரத்தின் அளவும் அதிகரிக்கிறது. அழுத்தம் பொதுவாக நீர்த்தேக்கத்தில் உள்ள நீரின் அளவைப் பொறுத்தது.
நீரேற்று சேமிப்பு நிலையம் எனப்படும் மற்றொரு வகை நீர்மின் நிலையம் உள்ளது. ஒரு வழக்கமான நீர்மின் நிலையத்தில், நீர்த்தேக்கத்திலிருந்து வரும் நீர், நிலையத்தின் வழியாகப் பாய்ந்து வெளியேறி, கீழ்நோக்கிக் கொண்டு செல்லப்படுகிறது. ஒரு நீரேற்று சேமிப்பு நிலையத்தில் இரண்டு நீர்த்தேக்கங்கள் உள்ளன:

மேல் நீர்த்தேக்கம் – ஒரு வழக்கமான நீர்மின் நிலையத்தைப் போலவே, ஒரு அணையும் ஒரு நீர்த்தேக்கத்தை உருவாக்குகிறது. இந்த நீர்த்தேக்கத்திலுள்ள நீர், மின்சாரம் தயாரிப்பதற்காக நீர்மின் நிலையத்தின் வழியாகப் பாய்கிறது.
கீழ் நீர்த்தேக்கம் – நீர்மின் நிலையத்திலிருந்து வெளியேறும் நீர், மீண்டும் ஆற்றில் கலந்து கீழ்நோக்கிப் பாய்வதற்குப் பதிலாக, ஒரு கீழ் நீர்த்தேக்கத்திற்குள் பாய்கிறது.
இருவழிச் சுழலியைப் பயன்படுத்தி, இந்த ஆலை நீரை மீண்டும் மேல் நீர்த்தேக்கத்திற்குப் பம்ப் செய்ய முடியும். இது பயன்பாட்டுக் காலம் குறைவாக உள்ள நேரங்களில் செய்யப்படுகிறது. அடிப்படையில், இரண்டாவது நீர்த்தேக்கம் மேல் நீர்த்தேக்கத்தை மீண்டும் நிரப்புகிறது. நீரை மீண்டும் மேல் நீர்த்தேக்கத்திற்குப் பம்ப் செய்வதன் மூலம், அதிகபட்ச நுகர்வு நேரங்களில் மின்சாரம் உற்பத்தி செய்வதற்கு ஆலைக்குக் கூடுதல் நீர் கிடைக்கிறது.

ஜெனரேட்டர்
நீர்மின் நிலையத்தின் இதயம் மின்னாக்கி ஆகும். பெரும்பாலான நீர்மின் நிலையங்களில் இதுபோன்ற பல மின்னாக்கிகள் உள்ளன.
நீங்கள் யூகித்திருக்கக்கூடியது போலவே, மின்னாக்கி மின்சாரத்தை உருவாக்குகிறது. இந்த முறையில் மின்சாரத்தை உருவாக்கும் அடிப்படை செயல்முறையானது, கம்பிச் சுருள்களுக்குள் உள்ள தொடர்ச்சியான காந்தங்களைச் சுழற்றுவதாகும். இந்தச் செயல்முறை எலக்ட்ரான்களை நகர்த்தி, மின்னோட்டத்தை உருவாக்குகிறது.
ஹூவர் அணையில் மொத்தம் 17 மின்னாக்கிகள் உள்ளன, அவற்றில் ஒவ்வொன்றும் 133 மெகாவாட் வரை மின்சாரத்தை உற்பத்தி செய்யும் திறன் கொண்டது. ஹூவர் அணை நீர்மின் நிலையத்தின் மொத்தத் திறன் 2,074 மெகாவாட் ஆகும். ஒவ்வொரு மின்னாக்கியும் சில அடிப்படைப் பாகங்களைக் கொண்டு உருவாக்கப்பட்டுள்ளது:

டர்பைன் சுழலும்போது, ​​எக்சைட்டர் ரோட்டருக்கு ஒரு மின்சாரத்தை அனுப்புகிறது. ரோட்டர் என்பது ஸ்டேட்டர் எனப்படும், இறுக்கமாகச் சுற்றப்பட்ட செப்புக் கம்பிச் சுருளுக்குள் சுழலும் பெரிய மின்காந்தங்களின் ஒரு தொடராகும். அந்தச் சுருளுக்கும் காந்தங்களுக்கும் இடையே உள்ள காந்தப்புலம் ஒரு மின்சாரத்தை உருவாக்குகிறது.
ஹூவர் அணையில், 16,500 ஆம்பியர் மின்னோட்டமானது மின்னாக்கியிலிருந்து மின்மாற்றிக்குச் செல்கிறது; அங்கு, அது கடத்தப்படுவதற்கு முன்பு 230,000 ஆம்பியராக அதிகரிக்கிறது.
நீர்மின் நிலையங்கள், மழை பொழியவும் ஆறுகளில் நீர்மட்டம் உயரவும் காரணமான, இயற்கையாக நிகழும் ஒரு தொடர்ச்சியான செயல்முறையைப் பயன்படுத்திக் கொள்கின்றன. ஒவ்வொரு நாளும், புற ஊதாக் கதிர்கள் நீர் மூலக்கூறுகளைச் சிதைப்பதால், நமது புவி வளிமண்டலத்தின் வழியாக சிறிதளவு நீரை இழக்கிறது. ஆனால் அதே நேரத்தில், எரிமலைச் செயல்பாட்டின் மூலம் பூமியின் உட்பகுதியிலிருந்து புதிய நீர் வெளிப்படுகிறது. உருவாக்கப்படும் நீரின் அளவும், இழக்கப்படும் நீரின் அளவும் ஏறக்குறைய சமமாகவே இருக்கும்.
எந்த ஒரு நேரத்திலும், உலகின் மொத்த நீரின் அளவு பல்வேறு வடிவங்களில் உள்ளது. அது பெருங்கடல்கள், ஆறுகள் மற்றும் மழையில் இருப்பது போல திரவமாகவோ; பனியாறுகளில் இருப்பது போல திடமாகவோ; அல்லது காற்றில் உள்ள கண்ணுக்குப் புலப்படாத நீராவி போல வாயுவாகவோ இருக்கலாம். காற்று நீரோட்டங்களால் புவி முழுவதும் நகர்த்தப்படும்போது நீர் அதன் நிலைகளை மாற்றிக்கொள்கிறது. சூரியனின் வெப்பச் செயல்பாட்டால் காற்று நீரோட்டங்கள் உருவாகின்றன. புவியின் மற்ற பகுதிகளை விட பூமத்திய ரேகையில் சூரியன் அதிகமாகப் பிரகாசிப்பதால் காற்று நீரோட்டச் சுழற்சிகள் உருவாக்கப்படுகின்றன.

காற்று நீரோட்ட சுழற்சிகள், நீரியல் சுழற்சி எனப்படும் ஒரு தனிச் சுழற்சியின் மூலம் பூமியின் நீர் விநியோகத்தை இயக்குகின்றன. சூரியன் திரவ நீரைச் சூடாக்கும்போது, ​​அந்த நீர் காற்றில் நீராவியாக மாறுகிறது. சூரியன் காற்றைச் சூடாக்குவதால், வளிமண்டலத்தில் காற்று மேலே எழுகிறது. உயரமான பகுதிகளில் காற்று குளிர்ச்சியாக இருப்பதால், நீராவி மேலே எழும்போது, ​​அது குளிர்ச்சியடைந்து நீர்த்துளிகளாக ஒடுங்குகிறது. ஒரு பகுதியில் போதுமான நீர்த்துளிகள் குவியும்போது, ​​அவை மழையாக மீண்டும் பூமிக்கு விழும் அளவுக்கு கனமாக மாறக்கூடும்.
நீர்மின் நிலையங்கள் நீரோட்டத்தைச் சார்ந்து இருப்பதால், நீரியல் சுழற்சி அவற்றுக்கு முக்கியமானது. ஆலைக்கு அருகில் மழை பற்றாக்குறை ஏற்பட்டால், மேல்நீர்ப் பகுதியில் நீர் தேங்காது. மேல்நீர்ப் பகுதியில் நீர் தேங்காததால், நீர்மின் நிலையத்தின் வழியே பாயும் நீரின் அளவு குறைந்து, உற்பத்தி செய்யப்படும் மின்சாரமும் குறைவாகவே இருக்கும்.
ஓடும் திரவத்தின் சக்தியைப் பயன்படுத்தி ஒரு டர்பைன் பிளேடைச் சுழற்றுவதே நீர்மின்சக்தியின் அடிப்படைக் கருத்தாகும். வழக்கமாக, இந்தப் பணியைச் செய்வதற்கு ஒரு ஆற்றின் நடுவில் ஒரு பெரிய அணை கட்டப்பட வேண்டும். ஒரு புதிய கண்டுபிடிப்பானது, கையடக்க மின்னணு சாதனங்களுக்கு மின்சாரம் வழங்குவதற்காக, நீர்மின்சக்தி என்ற கருத்தை மிகச் சிறிய அளவில் பயன்படுத்திக் கொள்கிறது.

கனடாவின் ஒன்டாரியோவைச் சேர்ந்த கண்டுபிடிப்பாளர் ராபர்ட் கொமாரெச்கா, காலணிகளின் அடிப்பாகத்தில் சிறிய நீர்மின்சார ஜெனரேட்டர்களைப் பொருத்தும் யோசனையை முன்வைத்துள்ளார். இந்த மைக்ரோ-டர்பைன்கள் கிட்டத்தட்ட எந்தவொரு சாதனத்தையும் இயக்குவதற்குப் போதுமான மின்சாரத்தை உருவாக்கும் என்று அவர் நம்புகிறார். மே 2001-ல், கொமாரெச்கா தனது தனித்துவமான, காலால் இயங்கும் சாதனத்திற்கான காப்புரிமையைப் பெற்றார்.
நாம் நடப்பதற்கு ஒரு மிக அடிப்படையான கொள்கை உள்ளது: ஒவ்வொரு அடியின்போதும், பாதம் குதிகாலிலிருந்து கால்விரல் வரை விழுகிறது. உங்கள் பாதம் தரையில் பதியும் போது, ​​விசை உங்கள் குதிகால் வழியாகக் கீழ்நோக்கிச் செலுத்தப்படுகிறது. உங்கள் அடுத்த அடிக்குத் தயாராகும் போது, ​​உங்கள் பாதத்தை முன்னோக்கி உருட்டுகிறீர்கள், அதனால் அந்த விசை உங்கள் பாதத்தின் முன்பகுதிக்கு மாற்றப்படுகிறது. நடப்பதன் இந்த அடிப்படைக் கொள்கையை கோமரேச்கா கவனித்து, இந்த அன்றாடச் செயலின் ஆற்றலைப் பயன்படுத்த ஒரு யோசனையை உருவாக்கியுள்ளார்.
கோமரேச்காவின் காப்புரிமையில் விவரிக்கப்பட்டுள்ளபடி, அதன் “நீர்மின் ஜெனரேட்டர் அமைப்புடன் கூடிய காலணி”யில் ஐந்து பாகங்கள் உள்ளன:

பாய்மம் – இந்த அமைப்பு, மின்சாரத்தைக் கடத்தும் ஒரு பாய்மத்தைப் பயன்படுத்தும்.
திரவத்தைத் தேக்கி வைப்பதற்கான பைகள் – ஒரு பை காலணியின் குதிகால் பகுதியிலும், மற்றொன்று கால்விரல் பகுதியிலும் வைக்கப்படுகிறது.
குழாய்கள் – இந்தக் குழாய்கள் ஒவ்வொரு பையையும் ஒரு நுண்மின்னாக்கியுடன் இணைக்கின்றன.
டர்பைன் – காலணியின் அடிப்பகுதியில் நீர் முன்னும் பின்னுமாக நகரும்போது, ​​அது ஒரு சிறிய டர்பைனின் இறக்கைகளை இயக்குகிறது.
நுண்மின்னாக்கி – இந்த மின்னாக்கியானது, திரவம் நிரப்பப்பட்ட இரண்டு பைகளுக்கு இடையில் அமைந்துள்ளது. மேலும், இது ஒரு தகடு ஒன்றை இயக்கி மின்னாக்கியைச் சுழற்றும் ஒரு இறகு சுழலியைக் கொண்டுள்ளது.
ஒருவர் நடக்கும்போது, ​​காலணியின் குதிங்காலில் அமைந்துள்ள பையில் உள்ள திரவத்தின் அழுத்தமானது, குழாய் வழியாக நீர்மின்சார ஜெனரேட்டர் தொகுதிக்குள் திரவத்தைச் செலுத்தும். பயனர் தொடர்ந்து நடக்கும்போது, ​​குதிங்கால் உயர்த்தப்பட்டு, அவரது பாதத்தின் முன்பகுதிக்குக் கீழே உள்ள பையின் மீது கீழ்நோக்கிய அழுத்தம் செலுத்தப்படும். திரவத்தின் இந்த இயக்கமானது, மின்சாரத்தை உற்பத்தி செய்வதற்காக ரோட்டரையும் தண்டையும் சுழற்றும்.

கையடக்க சாதனத்துடன் கம்பிகளை இணைப்பதற்கு ஒரு வெளிப்புற சாக்கெட் வழங்கப்படும். பயனரின் பெல்ட்டில் அணிந்துகொள்வதற்காக ஒரு மின்சாரக் கட்டுப்பாட்டு வெளியீட்டு அலகும் வழங்கப்படலாம். பின்னர், மின்னணு சாதனங்களை இந்த மின்சாரக் கட்டுப்பாட்டு வெளியீட்டு அலகில் இணைக்கலாம், இது சீரான மின்சார விநியோகத்தை வழங்கும்.
"பேட்டரியால் இயங்கும் கையடக்க சாதனங்களின் எண்ணிக்கை அதிகரித்து வருவதால், நீண்ட காலம் நீடிக்கும், தகவமைக்கக்கூடிய, திறமையான ஒரு மின்சார மூலத்தை வழங்குவதற்கான தேவை அதிகரித்து வருகிறது," என்று அந்தக் காப்புரிமையில் குறிப்பிடப்பட்டுள்ளது. தனது சாதனம் கையடக்கக் கணினிகள், செல்போன்கள், சிடி பிளேயர்கள், ஜிபிஎஸ் ரிசீவர்கள் மற்றும் இருவழி ரேடியோக்களுக்கு மின்சாரம் வழங்கப் பயன்படுத்தப்படும் என்று கொமாரெச்கா எதிர்பார்க்கிறார்.