لستر پلتون، نامی آشنا در صنعت تولید برق آبی، مخترع نوعی توربین آبی جت آزاد به نام چرخ پلتون یا توربین پلتون است. این توربین، که امروزه در نیروگاه‌های برق آبی کاربرد فراوانی دارد، به عنوان یکی از اولین فناوری‌های سبز شناخته می‌شود. پلتون با اختراع خود، راهی نو برای استفاده از قدرت آب‌های جاری به جای سوخت‌های فسیلی مانند زغال سنگ یا چوب گشود.

توربین پلتون با بهره‌گیری از نیروی آب در حال سقوط، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند و گامی مهم در جهت تولید انرژی پاک و پایدار محسوب می‌شود.

لستر پلتون و داستان شکل‌گیری توربین آبی پلتون

لستر پلتون در سال 1829 در ورمیلونِ اوهایو دیده به جهان گشود. در سال 1850، همزمان با تب و تاب دوران "هجوم طلایی کالیفرنیا" به این ایالت مهاجرت کرد. او در آن زمان به عنوان نجار و آسیابان مشغول به کار شد.

در آن دوران، با گسترش معادن طلا، نیاز شدیدی به منابع انرژی جدید برای به حرکت درآوردن ماشین‌آلات و آسیاب‌ها وجود داشت. بسیاری از معادن به موتورهای بخار وابسته بودند، اما این موتورها نیازمند منابع تمام‌شدنی چوب یا زغال‌سنگ بودند. در مقابل، آب فراوانی در نهرهای کوهستانی و آبشارهای پرشتاب وجود داشت که می‌شد از آن بهره برد.

چرخ‌های آبی که قبلاً برای به حرکت درآوردن آسیاب‌های آرد استفاده می‌شدند، در رودخانه‌های بزرگ‌تر عملکرد بهتری داشتند و در نهرهای کوهستانی با جریان تند و حجم کمتر و آبشارها کارایی لازم را نداشتند. در این میان، توربین‌های آبی جدیدتر که از چرخ‌هایی با فنجان به جای صفحات تخت استفاده می‌کردند، عملکرد بهتری داشتند. در این راستا، توربین پلتون با طراحی نوآورانه خود، به یک نقطه عطف در صنعت توربین‌های آبی تبدیل شد.

بر اساس نوشته‌های W. F. Durand از دانشگاه استنفورد در سال 1939، پلتون زمانی به این کشف دست یافت که متوجه شد در یک توربین آبی نامنظم، برخورد جت آب به فنجان‌ها در نزدیکی لبه به جای وسط فنجان، باعث افزایش سرعت توربین می‌شود. پلتون این ایده را در طراحی خود به کار برد و یک جداکننده گوه ای شکل در وسط یک فنجان دوتایی قرار داد تا جت آب را به دو قسمت تقسیم کند. در این حالت، آب خارج شده از هر دو نیمه فنجان، با هم باعث به حرکت درآوردن سریع‌تر چرخ می‌شدند. او طرح‌های خود را در سال‌های 1877 و 1878 آزمایش کرد و در سال 1880 موفق به ثبت اختراع آن شد.

در سال 1883، توربین پلتون در مسابقه‌ای که توسط شرکت معدن آیداهو در گراس ولیِ کالیفرنیا برای یافتن کارآمدترین توربین آبی برگزار شده بود، به مقام اول دست یافت. توربین پلتون توانست راندمان 90.2 درصدی را به ثبت برساند، در حالی که راندمان نزدیک‌ترین رقیب آن تنها 76.5 درصد بود. در سال 1888، لستر پلتون شرکت "Pelton Water Wheel Company" را در سانفرانسیسکو تأسیس کرد و تولید انبوه توربین آبی جدید خود را آغاز کرد.

دوربین آبی پلتون تا زمان اختراع چرخ ضربه‌ای تورگو توسط اریک کرودسون در سال 1920، به عنوان استاندارد طلایی شناخته می‌شد. با این حال، چرخ ضربه‌ای تورگو نیز بر اساس طراحی توربین پلتون ساخته شده بود. تورگو کوچک‌تر از پلتون بود و تولید آن ارزان‌تر تمام می‌شد. از دیگر سیستم‌های مهم برق آبی می‌توان به توربین تایسون و توربین بانکی (همچنین به نام توربین میچل) اشاره کرد.

چرخ‌های پلتون در سراسر جهان برای تولید برق در نیروگاه‌های برق آبی مورد استفاده قرار می‌گرفتند. یکی از این نیروگاه‌ها در نوادا سیتی، به مدت 60 سال با قدرت 18000 اسب بخار برق تولید می‌کرد. بزرگ‌ترین واحدهای این توربین می‌توانند بیش از 400 مگاوات برق تولید کنند.

برق آبی: انرژی پاک و تجدیدپذیر

نیروی برق آبی، انرژی حاصل از جریان آب را به الکتریسیته تبدیل می‌کند. میزان برق تولیدی به حجم آب و "ارتفاع سقوط" (فاصله بین توربین‌ها در نیروگاه تا سطح آب) بستگی دارد. هر چه جریان آب و ارتفاع سقوط بیشتر باشد، برق بیشتری تولید می‌شود.

استفاده از نیروی مکانیکی آب‌های روان، قدمتی دیرینه دارد. از بین تمام منابع انرژی تجدیدپذیر برای تولید برق، نیروی برق آبی بیشترین کاربرد را دارد. این منبع یکی از قدیمی‌ترین منابع انرژی است و هزاران سال پیش برای چرخاندن چرخ‌های آسیاب و کارهایی مانند آسیاب کردن غلات استفاده می‌شد. در دهه 1700 میلادی، نیروی برق آبی به طور گسترده برای آسیاب کردن و پمپ کردن آب مورد استفاده قرار می‌گرفت.

اولین استفاده صنعتی از نیروی برق آبی برای تولید الکتریسیته در سال 1880 اتفاق افتاد، زمانی که 16 لامپ قوسی با استفاده از یک توربین آبی در کارخانه صندلی‌سازی ولورین در گرند رپیدز، میشیگان روشن شدند. اولین نیروگاه برق آبی در ایالات متحده در 30 سپتامبر 1882 در رودخانه فاکس نزدیک اپلتون، ویسکانسین افتتاح شد. تا آن زمان، زغال‌سنگ تنها سوخت مورد استفاده برای تولید الکتریسیته بود. نیروگاه‌های برق آبی اولیه، ایستگاه‌های جریان مستقیم بودند که برای تامین برق روشنایی قوسی و رشته‌ای در دوره حدودا 1880 تا 1895 ساخته شده بودند.

از آنجایی که منبع تولید برق آبی، آب است، نیروگاه‌های برق آبی باید در نزدیکی یک منبع آب قرار داشته باشند. بنابراین، تا زمانی که فناوری انتقال الکتریسیته در فواصل طولانی توسعه نیافت، استفاده از نیروی برق آبی به طور گسترده رایج نشد. در اوایل دهه 1900، نیروی برق آبی بیش از 40 درصد از برق مورد نیاز ایالات متحده را تامین می‌کرد.

در سال‌های 1895 تا 1915، تغییرات سریعی در طراحی نیروگاه‌های برق آبی رخ داد و انواع مختلفی از نیروگاه‌ها ساخته شدند. طراحی نیروگاه‌های برق آبی پس از جنگ جهانی اول به طور نسبی استاندارد شد و بیشتر توسعه در دهه‌های 1920 و 1930 مربوط به نیروگاه‌های حرارتی و انتقال و توزیع برق بود.