Jzed

ENERGIE VODY

Zpět na úvod: Elektrárny.
V řekách a mořích je ukryt obrovský potenciál nevyčerpatelné, stále se obnovující energie. Energie o to vzácnější, že při jejím získávání neznečišťujeme životní prostředí, neničíme si naši mateřskou planetu. Už stovky let se ji snažíme ovládnout a využít.

Je vlastností lidí, že se chtějí mít stále lépe. Lidská nespokojenost je hybným motorem pokroku. Ovšem, za každý pokrok technické civilizace našeho věku se zatím draze platí. Stále stoupá spotřeba energie se všemi ekologickými důsledky. Dochází tak k nerovnováze. Na jedné straně stojí vyspělá věda a rozvinuté technologie, na druhé straně se po staletí mnoho nezměnilo. Stále se zrychluje čerpání dobře přístupných zdrojů energie, převážně fosilních paliv. Jejich zásoby se však stále zmenšují. Potřeba hledat nové, netradiční energetické zdroje a zdokonalovat již známé obnovitelné zdroje se jeví se stále větší nutností. Při tomto hledání je však potřeba úzkostlivě dbát ekologických hledisek, není nic tak vratkého a snadno zranitelného, jako rovnováha životního prostředí. Takovým obnovujícím se zdrojem energie je koloběh vody v přírodě. U tekoucí vody se v největší míře využívá její polohová (potenciální) a pohybová (kinetická) energie. Voda stéká z hor a cestou do moří uvolňuje svou nashromážděnou energii.


Schéma derivační elektrárny. Přívodním kanálem získává voda větší výškový rozdíl.
Původní energii pak voda opět získá působením slunečního záření, které vodu odpaří z moře a jako dešťové anebo sněhové srážky navrací zpět do míst vysoké potenciální energie a koloběh se opakuje. Je na nás, jak tuto zásobárnu využijeme, neboť z našeho pohledu je to energie získaná téměř zadarmo.

Vodní elektrárny

Nejběžnější způsob využívání vodní energie je její přeměna v energii elektrickou. Ve vodních elektrárnách voda roztáčí turbíny, které pohání elektrické generátory. Konečným výsledkem je elektrická energie, která se transformuje a VN rozvody odvádí do míst spotřeby.
Posláním vodních elektráren je, zejména v naší zemi, kde není dostatek velkých vodních zdrojů, pracovat jako doplňkové elektrárny k velkým energetickým kolosům, kterými jsou tepelné nebo jaderné elektrárny. Doplňují a vyrovnávají okamžitou energetickou bilanci v elektrizační síti.
Paleta vodních elektráren je velmi široká, všechny bez rozdílu však využívají základní princip - polohový energetický potenciál vody. Jsou takové, které využívají přímo říčního proudu na jezech, další získávají větší spádový zisk pomocí derivačního kanálu.


Tři základní varianty vodních děl.
a - přehradní údolní nádrž
b - jezová elektrárna
c - s náhonem (derivační)

Mezi nejznámější typy vodních elektráren patří akumulační elektrárny. Jsou charakterizovány hrází a jezerem, kde je shromážděna velká zásoba vody. Tato vodní díla v sobě spojují více úloh než pouhou výrobu energie. Pod hrází stabilizují průtoky vod říčním korytem, chrání před povodněmi a podporují plavební možnosti toku. Břehy nádrží mohou sloužit jako rekreační oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné, technologické, nebo závlahové vody. Hráze bývají budovány jako sypané (gravitační s těsnícím jádrem), kde hráz vzdoruje tlaku vody svou hmotností a objemností. Jiné jsou hráze klenbové, kde se proti tlaku vody vzpírá poměrně tenká železobetonová protiproudně vyklenutá skořepina. Na řekách jsou stavěny jezy se zabudovanými elektrárenskými objekty. V poslední době se rozšiřuje i výstavba takzvaných malých vodních elektráren, kde akumulace vody je nenáročná a mnohde stačí malý jez s náhonem.


Hrázové těleso slapské přehrady.

Hráz velkých vodních děl je technicky složitá stavba protkaná sítí kontrolních chodeb s množstvím pevných bodů, které jsou pravidelně kontrolovány a přeměřovány. Samotná hráz je zabezpečena proti přelití spodními výpustěmi a horními přelivovými hranami, které jsou obvykle stavitelné. Tato zařízení umožňují také průběžně upravovat výšku hladiny ve zdrži. Výpusti a přelivy jsou na vzdušné straně hráze ukončeny vývařištěm. Pod velkými vodními díly se staví další vyrovnávací nádrž. Jejím úkolem je zachytit velké průtoky vody turbínami a rovnoměrně je rozložit tak, že průtok řečištěm je stabilizovaný.


Umístění elektrárny ve v.d. Slapy.


Elektrárna v podzemí - v.d. Lipno.

Umístění vlastní elektrárny může být různé. Cílem je využít co nejlépe zadržené vody a její energie. Jsou elektrárny zabudované přímo do tělesa hráze. Jinde je elektrárna vystavěna hluboko v podzemí. Voda se k ní přivádí tlakovým potrubím a odvádí se podzemním kanálem do vyrovnávací nádrže. Vše záleží na tvaru terénu, výškových a spádových možnostech a na množství vody, které je k dispozici. Elektrárny, které využívají sice menšího množství vody, ale s velkým výškovým rozdílem, často používají tlakového potrubí položeného na povrchu terénu. Srdcem každé vodní elektrárny je vodní motor, turbína s generátorem. K turbíně je voda přiváděna z odběrných zařízení hráze. Energeticky využitá voda pak odtéká do vývařiště hráze, nebo do vyrovnávací nádrže.

Na mapě je znázorněna situace v.d. Orlík a jeho vyrovnávací nádrže v.d. Kamýk.

Volba turbíny je do značné míry přímo závislá na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu, a to Francisova nebo Kaplanova turbína různých modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 1500 m) se používá Peltonova turbína, která se řadí mezi turbíny akční. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V malých vodních elektrárnách se většinou používá upravená jednoduchá turbína Francisova nebo Bánkiho.



Malá vodní elektrárna Želina.
Malé vodní elektrárny

Naše zeměpisná poloha je taková, že velké řeky u nás většinou pouze pramení, a tak značná část vodní energie je rozptýlena v malých tocích. Je velmi žádoucí tuto unikající energii energeticky využít. Malá vodní elektrárna zahrnuje zdroje od těch nejmenších o výkonu 10 kW, sloužících pro uspokojení potřeb majitele, až po říční elektrárny o výkonu 20 MW. Většina malých vodních elektráren slouží jako sezónní zdroje. Průtoky toků, na kterých jsou zřizovány, jsou kolísavé a silně závislé na počasí a na ročním období.

^ top ^  


Přečerpávací vodní elektrárna Štěchovice II se spádem až 220 m a nádrží na kopci Homole o obsahu 500.000 m3 s nad-zemním přivaděčem 2 x Ø 1,7÷2 m, délky 590 m. Soustrojí s Francisovou reverzní turbínou s oběžným kolem o Ø 2,2 m, hltností 24 m3 vody/s a motor-generátorem 45 MW je umístěno v 45 m hluboké podzemní strojovně. V provozu od r. 1947, rekonstruována r. 1996.
Přečerpávací elektrárny

Protože elektrickou energii nelze v čistém stavu skladovat, musí elektrizační soustava v každém okamžiku vyrobit přesně tolik elektrické energie, kolik se jí spotřebuje. Spotřeba elektrické energie však kolísá jak během dne, tak i v delších obdobích. Velké energetické zdroje, jako jsou tepelné elektrárny, nejsou schopné rychle a pružně reagovat na stále se měnící spotřebu. Vznikají tak ztráty z přebytku vyrobené energie. Přečerpávací vodní elektrárna umí "skladovat" draze vyrobenou energii. V principu je přečerpávací vodní elektrárna soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části turbína s generátorem a čerpadlo. V době přebytku elektrické energie (většinou v noci) je voda z dolní nádrže čerpána do nádrže horní, čímž voda získává potenciální energii. V době potřeby je pak možno takto uskladněnou energii znovu použít. Voda z horní nádrže se přivede potrubím na turbínu. Turbína pohání generátor a tak mění uloženou energii ve vodě zpět na elektrickou energii. V praxi se tento proces děje tak, že vodní přečerpávací elektrárny se staví v horském terénu, aby bylo možno získat dostatečný výškový rozdíl mezi oběma nádržemi. Nádrže jsou spojeny tlakovým potrubím s turbínou a generátorem na druhém konci. Turbína je konstruována tak, aby byla schopna pracovat ve dvou režimech. Jednou, při přečerpávání, jako čerpadlo, podruhé, při zužitkování horní vody, jako vodní motor. Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je ta skutečnost, že kromě "skladovacích" schopností jsou schopny se po spuštění přifázovat do rozvodné sítě do 2 minut.
 

Horní nádrž o obj. 2,7 mil. m3 se nachází na vrchu Dlouhé Stráně v nadmořské výšce 1350 m n. m.
Dolní nádrž s obj. 3,4 mil. m3 a výškou hráze 56 m se nachází na říčce Divoká Desná. Výškový rozdíl hladin obou nádrží je 534 m s kolísáním hladin při provozu až 22 m. Strojovna elektrárny je umístěna v podzemí pod vrchem Dlouhé stráně. Uvnitř jsou umístěny dvě reverzní turbosoustrojí se sedmipólovými motor-generátory, rozběhovými pony motory a Francisovými turbínami. Výkon stroje při turbínovém chodu je až 325 MW, příkon při čerpání 300 MW. Horní nádrž je propojena s turbínami dvěma podzemními tlakovými přivaděči o Ø 3,6 m a délce 1,5 km. Savky turbín jsou spojeny s dolní nádrží odpadními (sacími) kanály o Ø 5,2 m. Účinnost přečerpávacího cyklu dosahuje až 76 %.
Základní tech. data vodního díla:

· spád: 510 - 534 m,   výkon: 2 x 325 MW

· provoz: turbínový, čerpadlový, kompenzační

· turbína: Francis reversní FR-100 ČKD Blansko

· Ø oběžného kola: 4530 mm

· otáčky: 428,6 ot./min.

· průtok turbínou: 68,5 m3/s

· výkon generátoru: 355 MVA (325 MW)

· příkon při motorovém chodu: 300 MW

montáž rotoru FR-100 na PVE Dlouhé stráně
rotor FR-100 ČKD Blansko
^ top ^  


Klasické vodní dílo s gravitační hrází.

Základní terminologie
  • Spád
    Výškový rozdíl hladin ve vtokové části nad vodní elektrárnou a v odpadu pod ní.
  • Průtok
    Množství vody protékající určitým profilem toku za 1 sekundu.
  • Průtok turbínou
    Celkové množství protékající turbínou za 1 sekundu. Používá se pojem hltnost turbíny.
  • Hltnost turbíny
    Je maximální průtok turbínou při určitém spádu. Udává se v (m³/s).
Základní výpočty

Výkon je práce vykonaná vodou za časový interval

P = r · Q · g · H     [ W ]

r - měrná hmotnost vody (1 000 kg/m³)

Q - průtok vodním motorem (m³/s)

g - tíhové zrychlení (9,81 m/s²)

H - převýšení (m)

Skutečný výkon vodního zdroje je vždy vlivem ztrát menší.
Ztráty vznikají při přeměně hydraulické energie na mechanickou v turbíně a dále na elektrickou v generátoru.

Pro předběžné odhady dosažitelného výkonu se používají přibližné vzorce.

Pro malé vodní elektrárny

P = ( 5 ÷ 7 ) · Q · H     [ kW ]  [( 5 ÷ 7 ) = 50 ÷ 70 % účinnost.]  [m³/s]  [m]

Účinnost turbíny (vodního motoru) h je poměr skutečného výkonu turbíny P (měřeného na hřídeli) k teoretickému výkonu:

ht = P / P0

Její hodnota u dobře navržených turbín a optimálních hodnot průtoku a spádu se pohybuje v rozmezí:

ht = 0,85 až 0,94

V této celkové účinnosti turbíny musí být zahrnuty všechny hydraulické ztráty hh a objemové ztráty hv a mechanické ztráty hm. Mechanický výkon odevzdává turbína generátoru, v němž se tento mění na elektrický. Generátor má vlivem vlastních ztrát účinnost:

hg = 0,85 až 0,97
V případě, že generátor není na společné hřídeli s turbínou, přistupují ještě ztráty převodem hp.

Výkon, který vodní elektrárna dodává do sítě, je ještě ovlivněn transformací na vyšší napětí. Účinnost transformátoru:

htr = 0,92 až 0,98
Celková účinnost je potom dána vztahem:
hc = hh · hv · ht · hm · hg · hp · htr     (ztráty mohou být značné, někdy až 50%).
Podrobný akademický výklad výpočtu (tak trochu bez návodu na použití).
^ top ^  

Základní podmínky úspěšné instalace vodní elektrárny
  • správná volba lokality (topografické, hydrologické, morfologické, geologické poměry)
  • správná volba dispozičního řešení vodního díla a volba typu zařízení
  • vlastní spotřeba vyrobené elektrické energie nebo její dodávka do veřejné sítě
  • zpracování důkladné ekonomické rozvahy, která vychází ze zjištění využití a spotřeby elektrické energie, investičních a provozních nákladů a návratnosti vložených finančních prostředků, při využití stávajících objektů se výrazně sníží investiční náklady
Výhody využití vodních elektráren
  • vodní energie je obnovitelným nevyčerpatelným zdrojem energie
  • při vlastní spotřebě elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám
  • přebytky elektrické energie lze dodávat do veřejné rozvodné sítě
  • při výrobě nejsou produkovány žádné škodlivé emise
Nevýhody využití vodních elektráren
  • poměrně časově a finančně náročná předrealizační fáze
  • při stavbě nového vodního díla je nutné vynaložit poměrně vysoké investiční náklady
  • návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobené elektrické energie

Vybrané typy turbín

Francisova turbína je přetlaková (reakční) univerzální dobře regulovatelná. turbína, použitelná pro spády
2 - 200 m a pro velké průtoky, a také jako reverzní v přečerpávacích elektrárnách se spádem až 500 m.

Ukázka rotoru Fr. turbíny pro 3 Soutěsky, China - Ø ~ 9.5m, výkon ~ 710 MW při 75 ot./min.

Kaplanova turbína je přetlaková (reakční) výborně regulovatelná turbína, použitelná pro spády
2 - 80 m a průtoky 0,1 až mnoho m3/s další popis viz ↓.

Peltonova turbína (kolo) je rovnotlaký stroj, jehož obvodová rychlost otáčení je nižší než rychlost proudu vody přiváděné z trysky, (nebo více trysek) na lopatky rotoru. Využívá se ve vysokotlakých (horských) v.d. se spády nad 30 m a pro průtoky od 10 l/s.
pelton

Vodní kola (stará mlýnská) jsou použitelné v místech s nízkým spádem a proměnlivým průtokem, jejich provozu nevadí ani drobné mechanické nečistoty.

^ top ^  

Oběžná kola vodních turbin.

Francisova turbina   -   Kaplanova turbina   -   Peltonovo kolo.

    Kaplanova turbína

  Kaplanova turbína je reakční přetlakový stroj, voda se přivádí do spirálovité skříně a proudí mezi lopatky rozváděcího kola, kde se zrychluje a v určitém směru vtéká na lopatky oběžného kola, které dosahuje několikrát vyšší obvodové rychlosti než je rychlost proudu vody. Oběžné kolo má obvykle 4 - 8 lopatek a je tvarem podobné lodnímu šroubu. Voda, která prošla přes turbínu odtéká sací rourou do tzv. vývaru pod hrází.
  Pro regulaci výkonu se průtok řídí natáčením lopatek rozváděcího i oběžného kola. Tím se dosahuje dobré účinnosti při značném rozpětí průtoků, ale natáčecí zařízení lopatek zdražuje konstrukci, takže Kaplanova turbína je dražší než Francisova s pevnými lopatkami. Mezi výhody této turbíny patří možnost použití na malých spádech, velká rychloběžnost a možnost přímého spojení s generátorem.

Spád: velké turbíny 2 - 80 m,
malé turbíny  1 - 20 m.
Průtok: od 0,1 m/s.
Účinnost velkých jednotek: více než 90 %.
Výrobci: ČKD Blansko, Turbo Technics, Škoda Rotava.

 
Kaplanova turbína a její tvůrce Viktor Kaplan.

^ top ^  

 
Dva pohledy do strojoven vodních elektráren.


- ITAIPU - Rio Paraná -

Tři soutěsky na řece Yangtze.

The Three Gorges Probe.

^ top ^  

2004 © Jzed & energyweb & energ.cz & ČEZ. lu: 2008