FYZIKA

 
FYZIKÁLNE ÚLOHY
EXPERIMENTY
UČEBNÉ TEXTY
TESTY
VÝUČBA
DIDAKTIKA FYZIKY
WWW STRÁNKY
ENV. FYZIKA
PUBLIKÁCIE
DIPLOMOVÉ  PRÁCE
UČEBNÉ POMÔCKY
ĎALŠIE VZDELÁVANIE
KUF - KLUB UČITEĽOV
DIDFYZKE
AKTUALITY

ENERGIA VODY

História využívania vodnej energie sa začína datovať už 2. storočí pred naším letopočtom, kedy v Ilýrii (západná časť Balkánskeho polostrova), bolo zostrojené a použité prvé vodné koleso s vertikálnym hriadeľom. Postupným zdokonaľovaním a vývojom sa vodné kolesá stali pohonnou časťou vodných mlynov a gátrov (slúžili na pílenie dosák z kmeňov stromov).

Energia vody má svoj pôvod v slnečnej energii. Prečo? Slnečné žiarenie spôsobuje odparovanie vody z morí, oceánov, riek, potokov a nádrží. Ochladením vodných pár, nachádzajúcich sa nad povrchom, dochádza k  ich kondenzácií a následným zrážkam. Tak sa potenciálna energia vody v mrakoch mení na kinetickú energiu vody vodných tokov, morí a oceánov. Túto energiu vody premieňame potom na mechanickú energiu na pohon vodných turbín a následne na výrobu elektrickej energie.

Energia vodných tokov a nádrží

V súčasnosti energia vody patrí k najčastejšie využívaným zdrojom energie. Prevažne ide o veľké vodné elektrárne, prípadne prečerpávacie vodné elektrárne, ktoré sú však viazané na väčšie vodné nádrže. Ich výstavba často vyžaduje rapídne zásahy do okolitej krajiny, pritom sa mení aj jej charakter, čo môže byť z ekologického hľadiska nevyhovujúce. V ďalšom sa budeme venovať iba malým vodným elektrárňam, ktorých ekologické dôsledky sú minimálne a existuje množstvo lokalít, v ktorých možno malé vodné elektrárne vybudovať.

Pod pojmom malé vodné elektrárne (MVE) budeme rozumieť vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW. Tie možno rozdeliť podľa rôznych kritérií, z ktorých najdôležitejšie sú inštalovaný výkon, spád a prietok. Spád v mieste inštalácie je rozdiel medzi hornou a dolnou hladinou (pred a za turbínou). Prietok je množstvo, objem pretekajúcej vody za časovú jednotku.

Výstavba a inštalácia MVE je limitovaná predovšetkým veľkosťou spádu a objemovým prietokom. Iba rozumným zladením obidvoch faktorov možno docieliť efektívne využívanie vodnej energie. Preto väčšina MVE pozostáva z niekoľkých častí, ktoré je treba vybudovať ešte pred jej spustením. Sú to: vzdúvacie zariadenie, privádzače vody k  turbínam, hrablice a strojovňa elektrárne, turbína a odpadové kanály, ktoré odvádzajú využitú vodu späť do riečneho koryta.

Vzdúvacie zariadenie, hrádza, hať, slúži na vzdutie vodnej hladiny a  prípadné usmernenie vody do privádzača zadržovanej vody, pričom z ekologického hľadiska majú v  porovnaní s veľkými vodnými elektrárňami minimálny vplyv na okolie. Rozhodujúcim ekonomickým faktorom pri ich výstavbe je ich šírka. Úlohou privádzačov je koncentrovať spád do miesta inštalácie turbíny. Ekonomicky menej náročné ako tlakové privádzače (oceľové rúry, resp. železobetónové kanály) sú beztlakové privádzače (náhony, kanály). Náklady na ich výstavbu závisia od dĺžky, priečného sklonu, terénu a  typu zeminy. Cieľom je však dosiahnuť maximálny spád pri minimálnych nákladoch.

Hrablice, vlastne oceľové mreže, zabraňujú vniknutiu nečistôt do turbíny. Strojovňa slúži na inštaláciu strojového a elektrotechnického zariadenia ako prevodovka, generátory a riadiaca časť.

Najdôležitejšou časťou každej elektrárne je vodná turbína. Zaradenie konkrétneho druhu turbíny do MVE záleží od podmienok a požiadaviek prevádzkovateľa. Vo všeobecnosti pre každú MVE existuje viac možných riešení.

V súčasnosti sú najpoužívanejšie štyri základné druhy vodných turbín - Bánkiho, Peltonova, Francisova a Kaplanova, prípadne ich inovované a vylepšené konštrukčné riešenia (špirálovité a kašnové riešenia , priamoprúdové). Ich usporiadanie v MVE záleží na viacerých faktoroch, preto sa môžeme stretnúť s vertikálnym aj horizontálnym uložením. Pri inštálacií zohráva podstatnú úlohu aj to, či ide o turbínu rovnakotlakovú alebo pretlakovú.

Bánkiho turbína je rovnakotlaková turbína s dvojnásobným prietokom obežného kolesa. Je vhodná pre MVE so spádom od 1m do 50m, ekonomicky výhodná najmä pre spády od 4 m. Rozsah prietokov je asi od 0,01 do 0,9 m³ .s^-1, pričom výkon sa pohybuje v rozmedzí 0,5 až 120 kW. Prietok vody je regulovaný nastaviteľnou obtekajúcou klapkou. Výhodou Bánkiho turbíny je vysoká účinnosť (ešte pri 30% prietoku neklesne pod 65%). Tá potom roztáča asynchrónny motor, ktorý plní funkciu generátora elektrického prúdu. Pomerne jednoduchá montáž a možnosť prívodu vody v rôznych sklonoch (od horizontálneho po vertikálny) ju umožňuje využívať na dodávky elektrickej energie do osobitných sieti. Príkladom môžu byť MVE pri Brnčalovej chate a chate kpt. Nálepku vo Vysokých Tatrách.

Pripojením násavky boli Bánkiho turbíny zdokonalené na turbíny CINK. Pôsobením násavky je turbína na vstupe pretlaková, na výstupe vody podtlaková. Turbíny CINK možno úspešne využívať pri spádoch 1,5 – 200 m pri dosahovanom výkone 3kW – 3MW.

Peltonova turbína je rovnakotlaková turbína vhodná pre spády nad 30m. Jej lacnejšou náhradou môžu byť sériovo vyrábané odstredivé čerpadlá v reverznom chode.

Francisova turbína je pretlaková turbína vhodná pre celý rozsah prietokov, pričom si jej inštalácia vyžaduje spád od 10m. Zvlášť výhodné uplatnenie nachádza v lokalitách s veľkými prietokmi, ktoré umožňujú dosahovať vysoké výkony.

Kaplanova turbína je klasická pretlaková turbína s výbornou možnosťou regulácie. V súčasnosti sa už vyrába s rôznymi úpravami (vrtuľová, kolenová, Reiffensteinova), čo umožňuje jej využitie pre spády 1 – 40m, prietoky od 0,1 až po niekoľko m³.s^-1.

V súčasnosti je už praxou overených množstvo technických riešení, ktoré zvyšujú účinnosť malých vodných elektrárni. Najperspektívnejšími sa javia vylepšenia:

1. priamoprúdové, kde voda priamo preteká horizontálnou vrtuľovou alebo Kaplanovou turbínou.

2. kašnové, kde je vlastná Kaplanova alebo Fracisova turbína umiestnená vertikálne či horizontálne v nádrži s voľnou hladinou.

3. špirálovité, kde sa využíva fakt, že vhodným tvarovaním vysokotlakového privádzača sa zvyšuje rýchlosť pretekajúcej vody a teda aj prietok turbínou. Najčastejšie používané turbíny (Kaplanova a Francisova) sú uložené vertikálne resp. horizontálne.

Zaujímavým technickým riešením sú aj turbíny METAZ (Obr. 9). Ide o upravené jednoduché vrtuľové turbíny s násavkou. Turbína sa do prevádzky spúšťa vlastným elektromotorom. Najprv pracuje ako klasické čerpadlo, no po zaplnení násavky vodou prechádza automaticky do turbínového chodu, pričom spúšťací elektromotor už plní funkciu generátora. Pri tomto riešení sa dosahuje účinnosť od 74% do 82% pre spády 2-6 metrov a prietoky od 0.3 m³.s^-1.

Výborným príkladom MVE je prietoková vodná elektráreň Mohelno na rieke Jihlava v ČR s inštalovaným výkonom 1.2MW. Je umiestnená v hrádzi vodného diela Dalešice (dolná nádrž prečerpávacej vodnej elektrárne). Voda je ku Kaplanovej turbíne privádzaná tlakovým potrubím s priemerom 1200 mm. MVE Dalešice využíva spád 20,5 – 35 metrov, prietok 4,1m³.s^-1 turbínou s priemerom 800 mm a frekvenciou 750 otáčok za minútu. Výhodou tejto MVE je to, že bola vybudovaná ako doplnková vodná elektráreň k už existujúcemu inému typu.

 Obrázok č.9: Vodná turbína METAZ.                         

Aj keď sú MVE dosť preferované, ich prevádzka nie je celkom bezproblémová. Vo väčšine lokalít nie je množstvo pretekajúcej vody stále rovnaké (v lete a zime menej ako na jar a v jeseni). Preto sa pri orientačných výpočtoch berie do úvahy 90-denný prietok; to znamená, že prietok bude 90 dní v roku väčší ako priemerná hodnota.

Nech v je stredná rýchlosť toku vody, S plošný prierez koryta. Potom pre prietok Q platí

Q = v . S

Pre výkon P potom platí: 

                                                            P=k . H . Q

kde k  je koeficient závislý od súčinu účinnosti turbíny, prevodovky, generátora a transformátora (v priemere k ~ 6), H - čistý spád; H je 90% hrubého spádu, Q je priemerný prietok; ak je voda odvádzaná mimo pôvodného koryta násobí sa faktorom 0,8.

Potom pre ročnú produkciu energie E platí

                                                           E=P .t [kW.h]

kde t je odhadnutý počet hodín prevádzky (v priemere t = 5000 hod. )

V súčasnosti je vo všetkých hospodársky vyspelých štátoch sveta výstavba a rekonštrukcia malých vodných elektrárni intenzívne podporovaná. Ich rozvoju tiež napomáhajú prijaté legislatívne opatrenia a úvery poskytované bankami.

Hoci naša krajina nemá more, kvôli úplnosti spomenieme aj tento možný zdroj energie. Dnes, v dobe na pokraji ekologickej katastrofy, v dobe veľmi náročnej na energiu, nachádzajú myšlienky využiť aj túto energiu opodstatnené miesto.

Jednou s možností, ako “dostať “ energiu z mora, je využívať pravidelne sa opakujúci príliv a odliv. Tieto sú následkom vzájomného gravitačného pôsobenia medzi Mesiacom a Zemou. Prílivová vlna je najväčšia na strane privrátenej k Mesiacu, pričom príliv nastáva aj na strane odvrátenej. V miestach kolmých na spojnicu prílivov je práve v tom istom čase odliv. Pretože Zem sa otočí okolo svojej osi za 24 hodín, na danom mieste možno pozorovať príliv resp. odliv každých 12 hodín.

Obr.10 Oscilačný stĺpec vzduchu

Spomenieme aspoň jeden z mnohých projektov. Oscilačný stĺpec vzduchu. Využitie kolísania vody v mori počas dňa spočíva v usmernení prílivových vĺn k vodnej turbíne. Stĺpec vody tlačí uzavretý vzduch k turbíne, ktorá roztáča generátor. V lokalitách zvlášť vhodných pre tento druh elektrárne, možno efektívne využiť aj kinetickú energiu prúdiacej vody. Ak je prílivová vlna dostatočne silná, voda sa v dôsledku podtlaku v “zvone” dostáva až k turbíne a roztáča ju.

  Prílivové elektrárne založené na tomto princípe sú zatiaľ iba v štádiu overovania (napr. región Islay, Škótsko, 75 kW; kanál Tapchan, Nórsko, 350 kW). Nevýhodou týchto oscilačných vodných elektrárni je okrem časovej závislosti aj nutnosť dostatočnej sily, intenzity prílivu, prípadne veľký rozdiel výšky vodnej hladiny za prílivu a odlivu (min. 4,5 m). Rekord v tejto oblasti drží výbežok Bay of Fundy v Kanade, kde rozdiel hladín dosahuje až 18 metrov.

Reálnejšia možnosť väčšieho energetického zisku je ukrytá v energetickom potenciáli pohybujúcich sa vĺn. Frekvencia morských vĺn je asi 10 sekúnd. V súčasnej dobe je testovaných niekoľko sľubne sa vyvíjajúcich sa projektov, ktoré už sčasti vyriešili aj problémy súvisiace s prevádzkou zariadení nezávisle na veľkosti a intenzite vĺn. Jedným z takýchto projektov je Projekt “ Kačica ”. V princípe ide o generátor s viac-menej pevnou vnútornou časťou, zaťaženou vyrovnávajúcimi zaťažovacími tyčami a pohybujúcou sa vonkajšou časťou. Vonkajšia a vnútorná časť sú od seba vzájomne oddelené rýchlobežnými ložiskami umiestnenými vo vodnom prostredí. Morské vlny narážajúce na vonkajší obal tvaru kačacieho tela (odtiaľ názov), dávajú do pohybu aj vonkajšiu časť generátora. V dôsledku pohybu tak medzi vonkajšou a vnútornou časťou vzniká gyroskopický efekt, generujúci elektrický prúd. Zariadenia tohto typu v základnom prevedení dosahujú rozmery okolo 20 metrov.

Projekt “Vodná pištoľ ”. Konštrukcia zariadenia je tvorená samotnou elektrárňou umiestnenou na morskom dne a nad ňou sa vznášajúcim plavákom, upevnenom na oceľovom lane. Ten, kopíruje povrch hladiny a podľa pohybu morských vĺn striedavo stúpa a klesá. Pri stúpaní veľký piest vo zvone pevne zakotvenom na dne, nasáva vodu a tým ju ženie cez lopatky turbíny spojenej s generátorom. Pri ceste nadol vytlačí vodu cez jednosmerný ventil. Prvé skúšobné zariadenie s výkonom 45 kW je inštalované pri meste Haustholm, Dánsko.

Obr.12. Prierez zvonom 

lokality a výhodné klimatické pomery.

Veterné farmy možno nájsť napr. vo V. Británii - Carland Cross Farm, 6 MW(na pevnine); vo Vindeby, Dánsko, 11x 450 kW (na mori).