జలవిద్యుత్ ప్లాంట్లు మరియు హైడ్రో టర్బైన్ జనరేటర్ ఎలా పనిచేస్తాయి

ప్రపంచవ్యాప్తంగా, జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు ప్రపంచ విద్యుత్‌లో సుమారు 24 శాతాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తూ, 100 కోట్లకు పైగా ప్రజలకు విద్యుత్‌ను అందిస్తున్నాయి. నేషనల్ రెన్యూవబుల్ ఎనర్జీ లేబొరేటరీ ప్రకారం, ప్రపంచంలోని జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు అన్నీ కలిసి మొత్తం 6,75,000 మెగావాట్ల విద్యుత్‌ను ఉత్పత్తి చేస్తున్నాయి, ఇది 360 కోట్ల బ్యారెళ్ల చమురుకు సమానమైన శక్తి. యునైటెడ్ స్టేట్స్‌లో 2,000కు పైగా జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు పనిచేస్తున్నాయి, దీనితో జలవిద్యుత్ దేశంలోనే అతిపెద్ద పునరుత్పాదక ఇంధన వనరుగా నిలిచింది.
ఈ వ్యాసంలో, జలపాతం శక్తిని ఎలా ఉత్పత్తి చేస్తుందో పరిశీలిద్దాం మరియు జలవిద్యుత్‌కు అవసరమైన నీటి ప్రవాహాన్ని సృష్టించే జలచక్రం గురించి తెలుసుకుందాం. మీ దైనందిన జీవితాన్ని ప్రభావితం చేయగల జలవిద్యుత్ యొక్క ఒక ప్రత్యేకమైన అనువర్తనాన్ని కూడా మీరు తెలుసుకుంటారు.
నది ప్రవహించడాన్ని చూస్తున్నప్పుడు, అది మోసుకెళ్లే శక్తిని ఊహించడం కష్టం. మీరు ఎప్పుడైనా వైట్-వాటర్ రాఫ్టింగ్ చేసి ఉంటే, నది శక్తిలో కొంత భాగాన్ని మీరు అనుభూతి చెంది ఉంటారు. నది అధిక మొత్తంలో నీటిని కొండవాలుగా తీసుకువెళుతున్నప్పుడు, అది ఒక ఇరుకైన మార్గం గుండా ప్రవహించి, దాని ప్రవాహాన్ని వేగవంతం చేస్తుంది. అపారమైన నీటి పరిమాణం ఎంత శక్తిని కలిగి ఉంటుందో చెప్పడానికి వరదలు మరో ఉదాహరణ.

జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు నీటి శక్తిని ఉపయోగించుకుని, సాధారణ యాంత్రిక ప్రక్రియ ద్వారా ఆ శక్తిని విద్యుత్తుగా మారుస్తాయి. వాస్తవానికి జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు చాలా సరళమైన భావనపై ఆధారపడి ఉంటాయి — ఆనకట్ట గుండా ప్రవహించే నీరు టర్బైన్‌ను తిప్పుతుంది, అది జనరేటర్‌ను తిప్పుతుంది.
సాంప్రదాయ జలవిద్యుత్ ప్లాంట్‌లోని ప్రాథమిక భాగాలు ఇవి:
టర్బైన్ మరియు జనరేటర్‌ను కలిపే షాఫ్ట్
ఆనకట్ట – చాలా జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు నీటిని నిలిపి ఉంచి, ఒక పెద్ద జలాశయాన్ని సృష్టించే ఆనకట్టపై ఆధారపడి ఉంటాయి. తరచుగా, ఈ జలాశయాన్ని వాషింగ్టన్ రాష్ట్రంలోని గ్రాండ్ కూలీ ఆనకట్ట వద్ద ఉన్న రూజ్‌వెల్ట్ సరస్సు వంటి వినోద సరస్సుగా ఉపయోగిస్తారు.
ప్రవేశ మార్గం – ఆనకట్టపై ఉన్న గేట్లు తెరుచుకుంటాయి మరియు గురుత్వాకర్షణ శక్తి నీటిని పెన్‌స్టాక్ ద్వారా లాగుతుంది. పెన్‌స్టాక్ అనేది టర్బైన్‌కు దారితీసే ఒక పైప్‌లైన్. ఈ పైపు గుండా నీరు ప్రవహించేటప్పుడు, దానిలో ఒత్తిడి పెరుగుతుంది.
టర్బైన్ – నీరు టర్బైన్ యొక్క పెద్ద బ్లేడ్లను తాకి తిప్పుతుంది, ఈ టర్బైన్ ఒక షాఫ్ట్ ద్వారా దాని పైన ఉన్న జనరేటర్‌కు అనుసంధానించబడి ఉంటుంది. జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ల కోసం అత్యంత సాధారణ రకం టర్బైన్ ఫ్రాన్సిస్ టర్బైన్, ఇది వంపు తిరిగిన బ్లేడ్లతో కూడిన ఒక పెద్ద డిస్క్ లాగా కనిపిస్తుంది. ఫౌండేషన్ ఫర్ వాటర్ & ఎనర్జీ ఎడ్యుకేషన్ (FWEE) ప్రకారం, ఒక టర్బైన్ 172 టన్నుల వరకు బరువు ఉండవచ్చు మరియు నిమిషానికి 90 విప్లవాల (rpm) వేగంతో తిరగగలదు.
జనరేటర్లు – టర్బైన్ బ్లేడ్లు తిరుగుతున్నప్పుడు, జనరేటర్ లోపల ఉన్న అయస్కాంతాల శ్రేణి కూడా తిరుగుతుంది. భారీ అయస్కాంతాలు రాగి కాయిల్స్ గుండా తిరుగుతూ, ఎలక్ట్రాన్లను కదిలించడం ద్వారా ఆల్టర్నేటింగ్ కరెంట్ (AC) ను ఉత్పత్తి చేస్తాయి. (జనరేటర్ ఎలా పనిచేస్తుందో మీరు తర్వాత మరింత తెలుసుకుంటారు.)
ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ – పవర్‌హౌస్‌లోని ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ ఏసీని తీసుకొని దానిని అధిక-వోల్టేజ్ కరెంట్‌గా మారుస్తుంది.
పవర్ లైన్లు – ప్రతి పవర్ ప్లాంట్ నుండి నాలుగు వైర్లు వస్తాయి: ఏకకాలంలో ఉత్పత్తి అయ్యే పవర్ యొక్క మూడు ఫేజ్‌లు మరియు ఆ మూడింటికీ ఉమ్మడిగా ఉండే న్యూట్రల్ లేదా గ్రౌండ్. (పవర్ లైన్ ట్రాన్స్‌మిషన్ గురించి మరింత తెలుసుకోవడానికి 'పవర్ డిస్ట్రిబ్యూషన్ గ్రిడ్లు ఎలా పనిచేస్తాయి' అనే దానిని చదవండి.)
బయటకు వెళ్లే నీరు – వాడిన నీటిని టెయిల్‌రేస్‌లు అని పిలిచే పైప్‌లైన్‌ల ద్వారా తీసుకువెళ్లి, దిగువన నదిలోకి తిరిగి ప్రవేశింపజేస్తారు.
జలాశయంలోని నీటిని నిల్వ చేయబడిన శక్తిగా పరిగణిస్తారు. గేట్లు తెరిచినప్పుడు, పెన్‌స్టాక్ గుండా ప్రవహించే నీరు చలనంలో ఉండటం వల్ల గతిజ శక్తిగా మారుతుంది. ఉత్పత్తి అయ్యే విద్యుత్ పరిమాణం అనేక కారకాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఆ కారకాలలో రెండు నీటి ప్రవాహ పరిమాణం మరియు హైడ్రాలిక్ హెడ్ పరిమాణం. హెడ్ అంటే నీటి ఉపరితలానికి మరియు టర్బైన్‌లకు మధ్య ఉన్న దూరం. హెడ్ మరియు ప్రవాహం పెరిగే కొద్దీ, ఉత్పత్తి అయ్యే విద్యుత్ కూడా పెరుగుతుంది. హెడ్ సాధారణంగా జలాశయంలోని నీటి పరిమాణంపై ఆధారపడి ఉంటుంది.
పంప్డ్-స్టోరేజ్ ప్లాంట్ అని పిలువబడే మరో రకం జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ ఉంది. ఒక సాంప్రదాయ జలవిద్యుత్ ప్లాంట్‌లో, రిజర్వాయర్ నుండి నీరు ప్లాంట్ గుండా ప్రవహించి, బయటకు వెళ్లి, దిగువకు తీసుకువెళ్లబడుతుంది. ఒక పంప్డ్-స్టోరేజ్ ప్లాంట్‌లో రెండు రిజర్వాయర్లు ఉంటాయి:

ఎగువ జలాశయం – సాంప్రదాయ జలవిద్యుత్ ప్లాంట్‌లాగే, ఆనకట్ట కూడా ఒక జలాశయాన్ని సృష్టిస్తుంది. ఈ జలాశయంలోని నీరు జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ గుండా ప్రవహించి విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేస్తుంది.
దిగువ జలాశయం – జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ నుండి బయటకు వచ్చే నీరు, తిరిగి నదిలోకి ప్రవేశించి దిగువకు ప్రవహించకుండా, దిగువ జలాశయంలోకి చేరుతుంది.
రివర్సిబుల్ టర్బైన్‌ను ఉపయోగించి, ప్లాంట్ నీటిని తిరిగి పై రిజర్వాయర్‌కు పంప్ చేయగలదు. ఇది ఆఫ్-పీక్ గంటలలో జరుగుతుంది. ముఖ్యంగా, రెండవ రిజర్వాయర్ పై రిజర్వాయర్‌ను తిరిగి నింపుతుంది. నీటిని తిరిగి పై రిజర్వాయర్‌కు పంప్ చేయడం ద్వారా, గరిష్ట వినియోగ సమయాల్లో విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేయడానికి ప్లాంట్‌కు ఎక్కువ నీరు అందుబాటులో ఉంటుంది.

జనరేటర్
జలవిద్యుత్ ప్లాంటుకు జనరేటర్ ప్రాణం వంటిది. చాలా జలవిద్యుత్ ప్లాంట్లలో ఇటువంటి జనరేటర్లు అనేకం ఉంటాయి.
మీరు ఊహించినట్లుగానే, జెనరేటర్ విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఈ పద్ధతిలో విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేసే ప్రాథమిక ప్రక్రియ ఏమిటంటే, తీగ చుట్టల లోపల ఉన్న అయస్కాంతాల శ్రేణిని తిప్పడం. ఈ ప్రక్రియ ఎలక్ట్రాన్‌లను కదిలిస్తుంది, దీనివల్ల విద్యుత్ ప్రవాహం ఉత్పత్తి అవుతుంది.
హూవర్ డ్యామ్‌లో మొత్తం 17 జనరేటర్లు ఉన్నాయి, వాటిలో ప్రతి ఒక్కటి 133 మెగావాట్ల వరకు విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేయగలదు. హూవర్ డ్యామ్ జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ మొత్తం సామర్థ్యం 2,074 మెగావాట్లు. ప్రతి జనరేటర్ కొన్ని ప్రాథమిక భాగాలతో తయారు చేయబడింది:

టర్బైన్ తిరుగుతున్నప్పుడు, ఎక్సైటర్ రోటర్‌కు విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని పంపుతుంది. రోటర్ అనేది స్టేటర్ అని పిలువబడే, గట్టిగా చుట్టబడిన రాగి తీగ కాయిల్ లోపల తిరిగే పెద్ద విద్యుదయస్కాంతాల శ్రేణి. కాయిల్ మరియు అయస్కాంతాల మధ్య ఉన్న అయస్కాంత క్షేత్రం విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని సృష్టిస్తుంది.
హూవర్ డ్యామ్‌లో, 16,500 ఆంపియర్ల కరెంట్ జనరేటర్ నుండి ట్రాన్స్‌ఫార్మర్‌కు ప్రవహిస్తుంది, అక్కడ ఆ కరెంట్ ప్రసారం చేయడానికి ముందు 230,000 ఆంప్స్‌కు పెరుగుతుంది.
జలవిద్యుత్ కేంద్రాలు వర్షం కురవడానికి, నదులు ఉప్పొంగడానికి కారణమయ్యే ఒక సహజసిద్ధమైన, నిరంతర ప్రక్రియను ఉపయోగించుకుంటాయి. ప్రతిరోజూ, అతినీలలోహిత కిరణాలు నీటి అణువులను విడగొట్టడం వల్ల మన గ్రహం వాతావరణం ద్వారా కొద్ది మొత్తంలో నీటిని కోల్పోతుంది. కానీ అదే సమయంలో, అగ్నిపర్వత కార్యకలాపాల ద్వారా భూమి అంతర్భాగం నుండి కొత్త నీరు వెలువడుతుంది. సృష్టించబడిన నీటి పరిమాణం మరియు కోల్పోయిన నీటి పరిమాణం దాదాపు సమానంగా ఉంటుంది.
ఏ సమయంలోనైనా, ప్రపంచంలోని మొత్తం నీటి పరిమాణం అనేక విభిన్న రూపాల్లో ఉంటుంది. అది సముద్రాలు, నదులు మరియు వర్షం రూపంలో ద్రవ రూపంలో; హిమానీనదాల రూపంలో ఘన రూపంలో; లేదా గాలిలోని కంటికి కనిపించని నీటి ఆవిరి రూపంలో వాయు రూపంలో ఉండవచ్చు. గాలి ప్రవాహాల ద్వారా గ్రహం చుట్టూ కదులుతున్నప్పుడు నీరు తన స్థితులను మార్చుకుంటుంది. సూర్యుని వేడిమి వలన గాలి ప్రవాహాలు ఏర్పడతాయి. గ్రహం యొక్క ఇతర ప్రాంతాల కంటే భూమధ్యరేఖపై సూర్యరశ్మి ఎక్కువగా పడటం వలన గాలి-ప్రవాహ చక్రాలు ఏర్పడతాయి.

వాయు ప్రవాహ చక్రాలు, జలచక్రం అని పిలువబడే ఒక ప్రత్యేకమైన చక్రం ద్వారా భూమి యొక్క నీటి సరఫరాను నడిపిస్తాయి. సూర్యుడు ద్రవరూపంలో ఉన్న నీటిని వేడి చేసినప్పుడు, ఆ నీరు గాలిలో ఆవిరిగా మారుతుంది. సూర్యుడు గాలిని వేడి చేయడం వల్ల, ఆ గాలి వాతావరణంలో పైకి లేస్తుంది. పైకి వెళ్ళేకొద్దీ గాలి చల్లగా ఉంటుంది, కాబట్టి నీటి ఆవిరి పైకి లేచినప్పుడు, అది చల్లబడి, నీటి బిందువులుగా ఘనీభవిస్తుంది. ఒకే ప్రాంతంలో తగినన్ని బిందువులు పేరుకుపోయినప్పుడు, ఆ బిందువులు అవపాతం రూపంలో భూమిపైకి తిరిగి పడేంత బరువుగా మారవచ్చు.
జలవిద్యుత్ ప్లాంట్లు నీటి ప్రవాహంపై ఆధారపడి ఉంటాయి కాబట్టి, వాటికి జలచక్రం చాలా ముఖ్యం. ప్లాంట్ సమీపంలో వర్షపాతం తక్కువగా ఉంటే, ఎగువన నీరు నిల్వ ఉండదు. ఎగువన నీరు నిల్వ ఉండకపోవడంతో, జలవిద్యుత్ ప్లాంట్ గుండా తక్కువ నీరు ప్రవహిస్తుంది మరియు తక్కువ విద్యుత్ ఉత్పత్తి అవుతుంది.
ప్రవహించే ద్రవం యొక్క శక్తిని ఉపయోగించి టర్బైన్ బ్లేడ్‌ను తిప్పడమే జలవిద్యుత్ యొక్క ప్రాథమిక భావన. సాధారణంగా, ఈ పనిని చేయడానికి నది మధ్యలో ఒక పెద్ద ఆనకట్టను నిర్మించాల్సి ఉంటుంది. పోర్టబుల్ ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలకు విద్యుత్తును అందించడానికి, ఒక కొత్త ఆవిష్కరణ చాలా చిన్న స్థాయిలో జలవిద్యుత్ ఆలోచనను ఉపయోగించుకుంటోంది.

కెనడాలోని ఒంటారియోకు చెందిన ఆవిష్కర్త రాబర్ట్ కొమరేచ్కా, బూట్ల అడుగు భాగాలలో చిన్న జలవిద్యుత్ జనరేటర్లను అమర్చే ఆలోచనతో ముందుకు వచ్చారు. ఈ మైక్రో-టర్బైన్లు దాదాపు ఏ పరికరాన్నైనా నడిపించడానికి సరిపడా విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేస్తాయని ఆయన నమ్ముతున్నారు. మే 2001లో, కొమరేచ్కా తన ఈ ప్రత్యేకమైన, పాదంతో నడిచే పరికరానికి పేటెంట్ పొందారు.
మనం నడిచే విధానంలో ఒక ప్రాథమిక సూత్రం ఉంది: ప్రతి అడుగులో పాదం మడమ నుండి కాలివేళ్ల వరకు నేలపై పడుతుంది. మీ పాదం నేలపై దిగినప్పుడు, శక్తి మీ మడమ ద్వారా క్రిందికి ప్రసరిస్తుంది. మీరు తదుపరి అడుగు వేయడానికి సిద్ధమైనప్పుడు, మీ పాదాన్ని ముందుకు తిప్పుతారు, తద్వారా ఆ శక్తి పాదం ముందు భాగానికి (అరిభాగం) బదిలీ అవుతుంది. కోమరేచ్కా నడకలోని ఈ ప్రాథమిక సూత్రాన్ని గమనించి, ఈ రోజువారీ క్రియ యొక్క శక్తిని వినియోగించుకోవడానికి ఒక ఆలోచనను అభివృద్ధి చేసినట్లు తెలుస్తోంది.
దాని పేటెంట్‌లో వివరించినట్లుగా, కొమరేచ్కా యొక్క “జలవిద్యుత్ జనరేటర్ అసెంబ్లీతో కూడిన పాదరక్షలలో” ఐదు భాగాలు ఉన్నాయి:

ద్రవం – ఈ వ్యవస్థ విద్యుత్ వాహక ద్రవాన్ని ఉపయోగిస్తుంది.
ద్రవాన్ని నిల్వ ఉంచే సంచులు – ఒక సంచిని మడమ భాగంలో, మరొక సంచిని బూటు కాలివేళ్ల భాగంలో ఉంచుతారు.
కండ్యూట్‌లు – కండ్యూట్‌లు ప్రతి శాక్‌ను ఒక మైక్రోజనరేటర్‌కు అనుసంధానిస్తాయి.
టర్బైన్ – అడుగుభాగంలో నీరు అటూ ఇటూ కదులుతున్నప్పుడు, అది ఒక చిన్న టర్బైన్ యొక్క రెక్కలను కదిలిస్తుంది.
మైక్రోజనరేటర్ – ఈ జనరేటర్ రెండు ద్రవంతో నిండిన సంచుల మధ్య అమర్చబడి ఉంటుంది మరియు ఇందులో ఒక వాన్ రోటర్ ఉంటుంది, ఇది ఒక షాఫ్ట్‌ను నడిపి జనరేటర్‌ను తిప్పుతుంది.
ఒక వ్యక్తి నడుస్తున్నప్పుడు, బూటు మడమలో ఉన్న సంచిలోని ద్రవం సంకోచించడం వల్ల, ఆ ద్రవం నాళం గుండా జలవిద్యుత్ జనరేటర్ మాడ్యూల్‌లోకి ప్రవహిస్తుంది. వినియోగదారుడు నడవడం కొనసాగించినప్పుడు, మడమ పైకి లేస్తుంది మరియు వారి పాదం ముందు భాగం కింద ఉన్న సంచిపై క్రిందికి ఒత్తిడి పడుతుంది. ఈ ద్రవ కదలిక రోటర్ మరియు షాఫ్ట్‌ను తిప్పి విద్యుత్తును ఉత్పత్తి చేస్తుంది.

పోర్టబుల్ పరికరానికి వైర్లను కనెక్ట్ చేయడానికి ఒక బాహ్య సాకెట్ అందించబడుతుంది. వినియోగదారు బెల్ట్‌కు ధరించడానికి ఒక పవర్-కంట్రోల్ అవుట్‌పుట్ యూనిట్ కూడా అందించబడవచ్చు. అప్పుడు ఎలక్ట్రానిక్ పరికరాలను ఈ పవర్-కంట్రోల్ అవుట్‌పుట్ యూనిట్‌కు జతచేయవచ్చు, ఇది స్థిరమైన విద్యుత్ సరఫరాను అందిస్తుంది.
"బ్యాటరీతో నడిచే పోర్టబుల్ పరికరాల సంఖ్య పెరగడంతో, దీర్ఘకాలం పనిచేసే, అనుకూలమైన, సమర్థవంతమైన విద్యుత్ వనరును అందించాల్సిన అవసరం పెరుగుతోంది" అని పేటెంట్‌లో పేర్కొనబడింది. తన పరికరాన్ని పోర్టబుల్ కంప్యూటర్లు, సెల్ ఫోన్లు, సీడీ ప్లేయర్లు, జీపీఎస్ రిసీవర్లు మరియు టూ-వే రేడియోలకు శక్తిని అందించడానికి ఉపయోగిస్తారని కొమరేచ్కా ఆశిస్తున్నారు.