पनचक्की बिजली कैसे बनाती है?

बहता पानी ऊर्जा का एक महत्वपूर्ण स्रोत है, और लोगों ने उस ऊर्जा का उपयोग सदियों से जलचक्र बनाकर किया है।

वे पूरे मध्य युग में यूरोप में आम थे और अन्य बातों के अलावा, रॉक को कुचलने, धातु रिफाइनरियों के लिए धौंकनी संचालित करने और उन्हें कागज में बदलने के लिए हथौड़े के पत्तों का उपयोग किया जाता था। अनाज की पिसाई करने वाले जलचक्र को तरबूज़ के रूप में जाना जाता था, और क्योंकि यह कार्य इतना सर्वव्यापी था, दो शब्द कमोबेश पर्यायवाची बन गए।

माइकल फैराडे की इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शन की खोज ने इंडक्शन जनरेटर के आविष्कार का मार्ग प्रशस्त किया जो अंततः पूरी दुनिया को बिजली की आपूर्ति करने के लिए आया। एक प्रेरण जनरेटर यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है, और गतिमान पानी यांत्रिक ऊर्जा का एक सस्ता और प्रचुर स्रोत है। इसलिए, पनचक्की को जलविद्युत ऊर्जा जनरेटर में बदलना स्वाभाविक था।

यह समझने के लिए कि वाटर व्हील जनरेटर कैसे काम करता है, यह इलेक्ट्रोमैग्नेटिक इंडक्शन के सिद्धांतों को समझने में मदद करता है। एक बार जब आप ऐसा कर लेते हैं, तो आप एक छोटे बिजली के पंखे या अन्य उपकरण से मोटर का उपयोग करके, अपना खुद का मिनी वाटर व्हील जनरेटर बनाने का प्रयास कर सकते हैं।

फैराडे (1791 - 1867) ने सोलनॉइड बनाने के लिए एक बेलनाकार कोर के चारों ओर एक चालन तार को कई बार लपेटकर प्रेरण की खोज की। उन्होंने तारों के सिरों को एक गैल्वेनोमीटर से जोड़ा, एक उपकरण जो वर्तमान (और मल्टीमीटर के अग्रदूत) को मापता है। जब उन्होंने परिनालिका के अंदर एक स्थायी चुंबक को घुमाया, तो उन्होंने पाया कि मीटर ने करंट दर्ज किया।

फैराडे ने नोट किया कि जब भी वह चुंबक को गतिमान कर रहा था तो धारा की दिशा बदल जाती थी, और धारा की ताकत इस बात पर निर्भर करती थी कि वह चुंबक को कितनी तेजी से आगे बढ़ा रहा है।

इन अवलोकनों को बाद में फैराडे के नियम में तैयार किया गया था, जो चुंबकीय प्रवाह के परिवर्तन की दर के लिए एक कंडक्टर में ई, इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) से संबंधित है, जिसे वोल्टेज भी कहा जाता है।ϕकंडक्टर द्वारा अनुभव किया गया। यह संबंध आमतौर पर इस प्रकार लिखा जाता है:

​नहींकंडक्टर कॉइल में घुमावों की संख्या है। प्रतीक∆(डेल्टा) इसके बाद आने वाली मात्रा में बदलाव को दर्शाता है। माइनस साइन इंगित करता है कि इलेक्ट्रोमोटिव बल की दिशा चुंबकीय प्रवाह की दिशाओं के विपरीत है।

फैराडे का नियम यह निर्दिष्ट नहीं करता है कि कॉइल या चुंबक को करंट को प्रेरित करने के लिए आगे बढ़ना है, और वास्तव में इससे कोई फर्क नहीं पड़ता। हालांकि, उनमें से एक को गतिमान होना चाहिए, क्योंकि चुंबकीय प्रवाह, जो चुंबकीय क्षेत्र का वह हिस्सा है जो कंडक्टर से लंबवत होकर गुजरता है, को बदलना होगा। स्थैतिक चुंबकीय क्षेत्र में कोई धारा उत्पन्न नहीं होती है।

एक प्रेरण जनरेटर में आमतौर पर एक कताई स्थायी चुंबक या एक बाहरी शक्ति स्रोत द्वारा चुंबकित एक संवाहक कुंडल होता है, जिसे रोटर कहा जाता है। यह कॉइल के अंदर कम घर्षण वाले शाफ्ट (आर्मेचर) पर स्वतंत्र रूप से घूमता है, जिसे स्टेटर कहा जाता है, और जब यह घूमता है, तो यह स्टेटर कॉइल में वोल्टेज उत्पन्न करता है।

प्रेरित वोल्टेज रोटर के प्रत्येक स्पिन के साथ चक्रीय रूप से दिशा बदलता है, इसलिए परिणामी धारा भी दिशा बदलती है। इसे प्रत्यावर्ती धारा (AC) के रूप में जाना जाता है।

एक तरबूज में, रोटर को घुमाने के लिए ऊर्जा की आपूर्ति चलती पानी द्वारा की जाती है, और साधारण लोगों के लिए, बिजली की रोशनी और उपकरणों को सीधे बिजली का उपयोग करना संभव है। अधिक बार, हालांकि, जनरेटर पावर ग्रिड से जुड़ा होता है और ग्रिड को वापस बिजली की आपूर्ति करता है।

इस परिदृश्य में, रोटर में स्थायी चुंबक को अक्सर एक विद्युत चुंबक द्वारा बदल दिया जाता है, और ग्रिड इसे चुंबकित करने के लिए एसी करंट की आपूर्ति करता है। इस परिदृश्य में जनरेटर से शुद्ध आउटपुट प्राप्त करने के लिए, रोटर को आने वाली शक्ति से अधिक आवृत्ति को स्पिन करना चाहिए।

काम करने के लिए पानी का उपयोग करते समय, आप मूल रूप से गुरुत्वाकर्षण बल पर भरोसा कर रहे हैं, जो पहली जगह में पानी का प्रवाह करता है। गिरते पानी से आप कितनी ऊर्जा प्राप्त कर सकते हैं यह इस बात पर निर्भर करता है कि पानी कितना गिर रहा है और कितनी जल्दी। आपको एक झरने से प्रति यूनिट पानी की ऊर्जा एक बहने वाली धारा से अधिक ऊर्जा प्राप्त होगी, और आप स्पष्ट रूप से एक बड़ी धारा या झरने से एक छोटी सी से अधिक ऊर्जा प्राप्त करेंगे।

सामान्य तौर पर, पानी के पहिये को घुमाने का कार्य करने के लिए उपलब्ध ऊर्जा किसके द्वारा दी जाती हैएमजीएच, जहाँ "m" पानी का द्रव्यमान है, "h" वह ऊँचाई है जिससे वह गिरता है और "g" गुरुत्वाकर्षण के कारण त्वरण है। उपलब्ध ऊर्जा को अधिकतम करने के लिए, पानी का पहिया ढलान या झरने के नीचे होना चाहिए, जो पानी के गिरने की दूरी को अधिकतम करता है।

आपको धारा के माध्यम से बहने वाले पानी के द्रव्यमान को मापने की आवश्यकता नहीं है। आपको बस इतना करना है कि वॉल्यूम का अनुमान लगाएं। चूंकि पानी का घनत्व एक ज्ञात मात्रा है, और घनत्व मात्रा से विभाजित द्रव्यमान के बराबर है, इसलिए रूपांतरण करना आसान है।

एक पानी का पहिया संभावित ऊर्जा को एक बहने वाली धारा या झरने में परिवर्तित करता है (एमजीएच) उस बिंदु पर स्पर्शरेखा गतिज ऊर्जा में जिस पर पानी पहिया के साथ संपर्क करता है। यह घूर्णी गतिज ऊर्जा उत्पन्न करता है, जो द्वारा दी गई हैमैं ²/2, कहां हैωपहिया का कोणीय वेग है और isमैंजड़ता का क्षण है। केंद्रीय अक्ष के चारों ओर घूमने वाले बिंदु की जड़ता का क्षण रोटेशन की त्रिज्या के वर्ग के समानुपाती होता हैआर​: (​मैं = श्रीमान²), कहां हैमबिंदु का द्रव्यमान है।

ऊर्जा के रूपांतरण को अनुकूलित करने के लिए, आप कोणीय वेग को अधिकतम करना चाहते हैं,ω, लेकिन ऐसा करने के लिए, आपको न्यूनतम करने की आवश्यकता हैमैं, जिसका अर्थ है घूर्णन की त्रिज्या को कम करना,आर. एक पानी के पहिये में एक छोटा त्रिज्या होना चाहिए ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि यह एक शुद्ध धारा उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त तेजी से घूमता है। यह पुरानी पवन चक्कियों को छोड़ देता है जिसके लिए नीदरलैंड प्रसिद्ध है। वे यांत्रिक कार्य करने के लिए अच्छे हैं, लेकिन बिजली पैदा करने के लिए नहीं।

पहले बड़े पैमाने पर वाटर व्हील इंडक्शन जनरेटर में से एक, और सबसे प्रसिद्ध, 1895 में नियाग्रा फॉल्स, न्यूयॉर्क में ऑनलाइन आया था। निकोला टेस्ला द्वारा कल्पना की गई और जॉर्ज वेस्टिंगहाउस द्वारा वित्तपोषित और डिजाइन किया गया, एडवर्ड डीन एडम्स पावर स्टेशन संयुक्त राज्य में उपभोक्ताओं को बिजली की आपूर्ति करने वाले कई संयंत्रों में से पहला था।

वास्तविक बिजली संयंत्र नियाग्रा फॉल्स के एक मील ऊपर की ओर बनाया गया है और पाइप की एक प्रणाली के माध्यम से पानी मिलता है। पानी एक बेलनाकार आवास में बहता है जिसमें एक बड़ा पानी का पहिया लगा होता है। पानी का बल पहिया को घुमाता है, और यह बदले में बिजली पैदा करने के लिए एक बड़े जनरेटर के रोटर को घुमाता है।

एडम्स पावर स्टेशन का जनरेटर 12 बड़े स्थायी चुम्बकों का उपयोग करता है, जिनमें से प्रत्येक लगभग 0.1 टेस्ला के चुंबकीय क्षेत्र का उत्पादन करता है। वे जनरेटर के रोटर से जुड़े होते हैं और तार के एक बड़े तार के अंदर घूमते हैं। जनरेटर लगभग 13,000 वोल्ट का उत्पादन करता है, और ऐसा करने के लिए कॉइल में कम से कम 300 मोड़ होने चाहिए। जब जनरेटर चल रहा हो तो कॉइल के माध्यम से लगभग 4,000 एएमपीएस एसी बिजली पाठ्यक्रम।

दुनिया में नियाग्रा फॉल्स के आकार के बहुत कम झरने हैं, यही वजह है कि नियाग्रा फॉल्स को दुनिया के प्राकृतिक अजूबों में से एक माना जाता है। बांधों पर कई जलविद्युत उत्पादन केंद्र बनाए गए हैं। आज, दुनिया की लगभग 16 प्रतिशत बिजली की आपूर्ति ऐसे जलविद्युत स्टेशनों द्वारा की जाती है, जिनमें से सबसे बड़े चीन, ब्राजील, कनाडा, संयुक्त राज्य अमेरिका और रूस में हैं। सबसे बड़ा प्लांट चीन में है, लेकिन सबसे ज्यादा बिजली पैदा करने वाला प्लांट ब्राजील में है।

एक बार बांध बन जाने के बाद, बिजली उत्पादन से जुड़ी कोई और लागत नहीं है। लेकिन पर्यावरण के लिए कुछ लागतें हैं।

• बांध का निर्माण प्राकृतिक जलमार्गों के प्रवाह को बदल देता है, और इसका प्राकृतिक जल प्रवाह पर निर्भर पौधों, जानवरों और मनुष्यों के जीवन पर प्रभाव पड़ता है। चीन में थ्री गोरजेस डैम के निर्माण में 1.2 मिलियन लोगों का स्थानांतरण शामिल था।
• बांध नदियों में रहने वाली मछलियों के प्राकृतिक जीवन चक्र को बदल देते हैं। प्रशांत नॉर्थवेस्ट में, बांधों ने अपने प्राकृतिक आवासों के अनुमानित 40 प्रतिशत सैल्मन और स्टीलहेड से वंचित कर दिया है।
• बांध से आने वाले पानी में घुलित ऑक्सीजन का स्तर कम होता है, और यह मछली, पौधों और वन्यजीवों को प्रभावित करता है जो पानी पर निर्भर हैं।
• जलविद्युत उत्पादन सूखे से प्रभावित है। जब पानी कम हो जाता है, तो वहां पानी को संरक्षित करने के लिए बिजली उत्पादन को रोकना अक्सर आवश्यक होता है।

वैज्ञानिक बड़े बिजली उत्पादन संयंत्रों की कमियों को कम करने के तरीकों की तलाश कर रहे हैं। एक उपाय यह है कि कम पर्यावरणीय प्रभाव वाले छोटे सिस्टम का निर्माण किया जाए। दूसरा इंटेक वाल्व और टर्बाइनों को डिजाइन करना है ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि संयंत्र से निकलने वाला पानी ठीक से ऑक्सीजन युक्त हो। हालांकि, कमियों के बावजूद, जलविद्युत बांध ग्रह पर बिजली के सबसे स्वच्छ, सबसे सस्ते स्रोतों में से हैं।

जलविद्युत विद्युत उत्पादन के सिद्धांतों को समझने में स्वयं की सहायता करने का एक अच्छा तरीका यह है कि आप स्वयं एक छोटा विद्युत जनरेटर तैयार करें। आप इसे किसी सस्ते बिजली के पंखे या अन्य उपकरण से मोटर के साथ कर सकते हैं। जब तक मोटर के अंदर रोटर एक स्थायी चुंबक का उपयोग करता है, तब तक बिजली उत्पन्न करने के लिए मोटर का उपयोग "उल्टा" किया जा सकता है। बहुत पुराने पंखे या उपकरण की मोटर नए पंखे से मोटर की तुलना में बेहतर उम्मीदवार है, क्योंकि पुराने उपकरण मोटरों में स्थायी चुम्बक लगाने की संभावना अधिक होती है।

यदि आप एक पंखे का उपयोग करते हैं, तो आप इस परियोजना को बिना जुदा किए भी पूरा करने में सक्षम हो सकते हैं, क्योंकि पंखे के ब्लेड प्ररित करनेवाला के रूप में कार्य कर सकते हैं। हालांकि, वे वास्तव में इसके लिए डिज़ाइन नहीं किए गए हैं, इसलिए आप उन्हें काटकर एक अधिक कुशल पानी के पहिये से बदलना चाह सकते हैं जिसे आप स्वयं बनाते हैं। क्या आपको ऐसा करने का निर्णय लेना चाहिए, आप अपने बेहतर पानी के पहिये के लिए आधार के रूप में कॉलर का उपयोग कर सकते हैं, क्योंकि यह पहले से ही मोटर शाफ्ट से जुड़ा हुआ है।

यह निर्धारित करने के लिए कि क्या आपका मिनी वाटर व्हील जनरेटर वास्तव में बिजली का उत्पादन कर रहा है, आपको आउटपुट कॉइल में एक मीटर कनेक्ट करना होगा। यह करना आसान है यदि आप एक पुराने पंखे या उपकरण का उपयोग करते हैं, क्योंकि इसमें एक प्लग है। बस एक मल्टीमीटर के प्रोब को प्लग प्रोंग से कनेक्ट करें और एसी वोल्टेज (वीएसी) को मापने के लिए मीटर सेट करें। यदि आपके द्वारा उपयोग की जाने वाली मोटर में प्लग नहीं है, तो बस मीटर प्रोब को आउटपुट कॉइल से जुड़े तारों से कनेक्ट करें, जो कि ज्यादातर मामलों में केवल दो तार हैं जो आपको मिलेंगे।

आप इस परियोजना के लिए गिरने वाले पानी के प्राकृतिक स्रोत का उपयोग कर सकते हैं या आप अपना खुद का निर्माण कर सकते हैं। आपके बाथटब के टोंटी से गिरने वाले पानी से पता लगाने योग्य करंट उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा उत्पन्न होनी चाहिए। यदि आप अन्य लोगों को दिखाने के लिए अपनी परियोजना को सड़क पर ले जा रहे हैं, तो आप घड़े से पानी डालना या बगीचे की नली का उपयोग करना चाह सकते हैं।