Jste zde

Vodní elektrárny - mikro, malé i velké - druhy, principy, provedení

Antonín Vojáček, 13. Prosinec 2006 - 21:09

Vedle solárních článků a větrných elektráren pro výrobu el. energie, jsou k dispozici i další možnosti. Jednou jsou i vodní elektrárny. Pro účely malých výkonů slouží malé a mikroelektrárny malých rozměrů, jednoduché konstrukce a výkony do několika desítek kW. Tento článek stručně popisuje funkci, konstrukci a regulaci malých i velkých elektráren a jejich turbín.

K místní výrobě elektrické energie, tzn. elektřiny, která není dodána z "centrální" napájecí sítě, mohou sloužit nejen všeobecně známé sluneční články a panely, ale také malé větrné elektrárny. Většina lidí si pod pojmem větrná elektrárna většinou představí často diskutované velké "sloupy" s velkými vrtulemi a s výkony mnoha stovek nebo i tisíců kilowatů. Ty jsou samozřejmě důležité pro globální ekologickou výrobu elektřiny dodávané do elektrické sítě, ale pro malé firmy a lidi jednotlivce až tak zajímavé nejsou. V jejich stínu pak na trhu nalezneme i tzv. vodní mikroelektrárny, které se vyznačují malý rozměry, malými průtoky vody i spády a jsou tedy vhodné jako alternativa nebo doplněk solárních panelů v přírodě a krajině osamocených stavení a statků v blízkosti vodních toků. Právě hlavně o těchto malých vodních elektrárnách je tento článek.

Výhody a nevýhody vodní elektrárny

Výhody:

částečná nebo úplná energetická nezávislost
proti větrným a slunečným elektrárnám dodávají vyšší výkon
proti větrné a solární energii je vodní energie asi nejstabilnější zdroj energie
jen málo zatěžuje životní prostředí

Nevýhody:

složitá výstavba a instalace
použití jen na místech s optimálním průtokem a spádem
bohužel dost vysoká investice

Co je vodní elektrárna a její princip ?

Získávání energie z vody patří mezi nejstarší způsoby vůbec. Snad jen málokoho si nevybaví eleganci vodního kola - nejjednoduššího vodního motoru provázejícího lidstvo po mnoho uplynulých století, ba i tisíciletí. Již odmalička se člověk v pohádkách setkává s vodními hamry a mlýny, které převáděly energii vody na jinou mechanickou kinetickou energii. Dvacáté století pak znamenalo další masivní rozvoj získávání energie z vodních zdrojů v tzv. vodních elektrárnách. Ty narozdíl od klasických vodních mlýnů převádí energii vody na elektrickou energii, která je v dnešní době lehce přenositelná, zálohovatelná a přeměnitelná na jiné energie (např. tepelnou).

Vodní elektrárny jsou tedy založeny na přeměně potenciální nebo kinetické energie uložené ve vodních tocích v podobě proudění. Velikost získané energie je pak závislá na rychlosti proudění, resp. na spádu toku. Energie toku totiž odpovídá součinu dvou veličin:

využitelného spádu
průtoku (průtočné množství vody v daném profilu, který chceme využít)

Zatímco průtok je veličina proměnná a víceméně závislá na počasí, spád je možné považovat za konstantu danou tvarem terénu. Záleží na místních poměrech, kterou z nich lze snadněji získat. V horách a na vysočině je bezesporu snazší získat poměrně rychle dostatečný spád a tím i slušný výkon na tocích s menším průtokem. Obráceně v nížinách se setkáme s líně tekoucí vodou velkého průtoku, avšak šance zajistit větší spád je mizivá. U vodních děl s akumulací vody je vždy zapotřebí použít co možná největší spád. Tím se sníží množství vody, jenž je třeba nashromáždit a nádrž je menší. Pokud to okolnosti dovolují, volí se místo pro zřízení vodního díla blízko terénní nerovnosti, kde přírodní tok prudčeji klesá (peřeje, prudký ohyb, skalní práh) a to tak, že místo odběru je nad tímto místem a voda se vrací až pod ním. Takové řešení ušetří i mnoho metrů náhonu a docílí stejného spádu.

Kinetickou energii vody je možné využít vodními rovnotlakými stroji, založenými na rotačním principu (vodní kola, Peltonova turbína). Optimální využití vyžaduje, aby obvodová rychlost stroje byla nižší než je rychlost proudění, jinak lopatky pouze ustupují proudu bez možnosti převzetí energie a jakéhokoliv zatížení. Otáčky rovnotlakých strojů jsou pomalé (tlak na lopatky, způsobený poloviční obvodovou rychlostí oproti rychlosti proudění, je po celé cestě předávání energie stejný) a voda vstupuje do turbíny pouze v některých částech jejího obvodu.

Energie potenciální vzniká získáním hladiny vody o větší výšce, z níž voda proudí vhodným přivaděčem do míst s nižší hladinou. Rozdíl těchto dvou výškových potenciálů vytváří tlak, který se využívá v přetlakových (reakčních) strojích (turbíny typu Kaplan, Francis, Reiffenstein, turbíny vrtulové). V přetlakové turbíně se část tlaku vody přemění v rychlost pro zajištění požadovaného průtoku, zbylý tlak se při průchodu lopatkou turbíny postupně snižuje a v místě, kde ji opouští, je prakticky využit. Otáčky oběžného kola přetlakové turbíny jsou několikanásobně vyšší než absolutní rychlost proudění.

Druhy a rozdělení vodních elektráren

Vodní elektrárny lze podle různých kritérií rozdělit do mnoha kategorií, např. rozdělení dle stavebního uspořádání, dle způsobu nakládání s vodou, nebo dle výkonu turbíny.

Rozdělení podle principu akumulace vodní energie:

Elektrárny přehradní
Elektrárny derivační
Elektrárny přečerpávací
Elektrárny bez vzdouvacích staveb

Rozdělení podle ovlivňování toku:

Elektrárny průtočné - nezadržují vodu
Elektrárny akumulační - zadržují/akumulují vodu v nádrži
Elektrárny smíšené - vyžadují oba výše uvedené systémy

Příklady dvou možných provedení nízkotlakých malých vodních elektráren

Rozdělení podle spádu (tlaku vody):

nízkotlaké - spády do 20 m
středotlaké - spády do 100 m
vysokotlaké - spády nad 100 m
kombinované

Příklad vysokotlaké vodní elektrárny

Rozdělení podle umístění:

hrázové
jezové
podzemní
břehové - již historické řešení
pilířové
plovoucí - lodní

Rozdělení podle výkonnosti turbíny:

Mikroelektrárny nebo také mobilní zdroje - výkony pod 35 kW
Drobné nebo minielektrárny - výkony od 35 do 100 kW
Elektrárny malé (MVE) - dále dle výkonu dělící se na:
- závodní, nebo veřejné (od 100 do 1000 kW)
- průmyslové (od 1 do 10 MW)
Elektrárny střední - výkony od 10 MW do 200 MW
Elektrárny velké - výkony nad 200 MW

O velikosti instalovaného výkonu MVE rozhoduje spád a průtok vody. Spád v metrech je myšlen jako výškový rozdíl hladin vody před a za turbínou (tzv. hrubý nebo celkový spád), resp. rozdíl hladin před a za turbínou po odečtení hydraulických ztrát před a za turbínou (užitný, užitečný nebo čistý spád).

Strojovna vertikální Francisovy turbíny

Druhy, rozdělení a princip turbín

Jak již bylo uvedeno výše, je základem dnešních vodních elektráren spojení dvou strojů:

turbíny (Turbine) - provádí převod kinetické nebo potenciální energie vody na rotační pohyb hřídele (Turbine Generator Shaft)

generátoru (Generator) - převádí rotační pohyb hřídele na elektrickou energii pomocí otáčejícího se rotoru vůči statoru

Turbín je mnoho druhů, přičemž některé jsou dnes využívány častěji než jiné, které z důvodu odlišné konstrukce elektráren byly populární dříve. Volba turbíny je do značné míry závislá na účelu a podmínkách celého vodního díla.

Turbíny se podle konstrukce a vhodného použití rozlišují:

podle uspořádání - na vertikální, horizontální, šikmé
podle způsobu přivádění vody - na přímoproudé, kolenové, kašové, spirální, kotlové
podle spádu - na nízkotlaké (do 10 m), středotlaké (do 100 m), vysokotlaké (nad 100 m)

S problematikou turbín se pojí i rozsáhlý slovník pojmů, které se využívají pro popis jejich vlastností.
Základní terminologie:

Průtok turbínou - Celkové množství protékající turbínou za 1 sekundu. Udává se v (m3/s).
Hltnost turbíny - Pro konkrétní spád udává vždy maximální průtok turbínou při tomto spádu.
Jmenovitá hltnost - Maximální průtok nebo jmenovitý průtok turbínou při jmenovitém spádu, tj. při spádu, při němž je nejvyšší účinnost.
Hltnost při maximálním spádu - Největší zaručený průtok při max. spádu.
Průtoková kapacita - Největší průtok, který projde všemi turbínami elektrárny.
Hrubý spád - H (brutto) je celkový statický spád mezi dvěma uvažovanými profily úseku řeky, který chceme energeticky využít.
Užitný spád - H (netto) je výškový rozdíl mezi čarami energie těsně před vodním motorem a za ním. Je to hrubý spád, od něhož jsou odečteny hydraulické ztráty v přivaděči a odpadu, které se nezahrnují do účinnosti turbíny.

Mezi základní parametry a z pohledu využití vodní elektrárny patří výkon vodní turbíny. Ten se může stanovit následujícím zjednodušeným vzorcem:

P = Q . H . k

kde je P výkon [kW], Q průtočné množství vody [m3/s], H spád využitelný turbínou a k je bezrozměrná konstanta uváděná v rozsahu od 6,5 do 8,5 (ovlivňuje účinnost soustrojí a odpovídá technické úrovni použité technologie).

Praktický příklad:
Spád H = 2 m. Po dobu 90 dní v průměrně vodném roce je průtok Q = 1 m3/s. Turbína bude mít pro k = 7,5 výkon P = 15 kW, jehož bude dosahovat po dobu 90 dní. Ve zbývající části roku bude výkon současně s účinností klesat až do zastavení. Roční výrobu elektrické energie lze v uvedeném případě odhadnout na 50 000 kWh.

Příznivci výpočtů nechť zavítají např. na www.energ.cz/index.phtml?polozka=30, kde najdou další vzorce a postupy výpočtů .

Turbín je mnoho typů, přičemž však existuje několik základních druhů, od kterých se různými úpravami odvíjejí konkrétní specifické typy. Mezi základní druhy turbín patří:

Bánkiho turbína (bližší popis) – rovnotlaká turbína s dvojnásobným průtokem oběžného kola. Používá se pro spád od 1 do 50 m, ekonomicky výhodná je pro spád od 4 m. Rozsah průtoků je od 50 l/s do několika m3/s.
Peltonova turbína (bližší popis) – rovnotlaká turbína s využitím pro spády nad 30 m a pro průtoky od 10 l/s.
Francisova turbína (bližší popis) – používá se pro velmi nízké spády od 0.8 m a pro velké průtoky.
Kaplanova turbína (bližší popis) – přetlaková výborně regulovatelná turbína. Její výroba je poměrně náročná, což se odráží ve vyšších cenách. Používá se pro spády od 1 do 20 m , průtoky 0.1 až několik m3/s. Je vhodná pro jezové a malé říční elektrárny.
Reiffesteinova turbína (bližší popis) - málo rozšířená přetlaková turbína. Používá se na spádech od 5 do 35 metrů při malých a středních průtocích (přibližně od 100 do 5000 l/s). Typické pro tuto turbínu je, že nemá žádné rozváděcí lopatky. Správné vedení vody do oběžného kola zabezpečuje přímo profil spirály.
Vodní kola (bližší popis) – hlavně v minulých stoletích používaná jednoduchá zařízení, výhodné je jejich použití v místech s nízkým spádem (do 1.5 m) a velmi proměnlivým průtokem, jejich provozu nevadí ani drobné mechanické nečistoty.

Provedení základních druhů turbín

Provedení elektráren se základními druhy turbín - zleva: Bánkiho, Francisova, Kaplanova

Provedení elektráren se základními druhy turbín - zleva: Peltonova, Reiffesteinova

Nejčastěji jsou dnes využívané turbíny Kaplanovy a Francisovy. Od nich také existují různé typy - varianty, které se liší různou modifikací samotného lopatkového kola turbíny nebo provedení a uspořádání náhonu, přívodního a odvodního kanálu. Například lze uvést:

Semi-Kaplanova turbína - podrobný popis
Kaplanova-S turbína - podrobný popis
Vertikální provedení Francisovy trubíny - podrobný popis
Horizontální provedení Francisovy trubíny - podrobný popis

Pro velmi podrobný a kvalitní popis funkcí většiny typů turbín, včetně těch odvozených najdete ve výborně provedených webových stránkách - http://mve.energetika.cz/vodnimotory/turbiny-obecne.htm .Pro přímé odkazy na popis konkrétního typu turbíny klikněte na příslušný níže uvedený obrázek.

Popis různých typů Kaplanovy turbíny - Semi-Kaplan (vlevo) a Kapalan-S (vpravo)

Popis různých typů Francisovy turbíny - horizontální provedení (vlevo) a vertikální provedení (vpravo)

Mini a mikroelektrárny

Vodní mikroelektrárny jsou zařízení obvykle v provedení na výrobu stejnosměrného proudu při napětí 12V nebo 24V. Otáčky generátoru jsou dané typem použité turbínky, spádem a průtokem. Vyrobenou el. energii je možné přímo použít ke spotřebě, odpovídající výkonu generátoru nebo ji zálohovat v akumulátorech. Provoz malých vodních elektráren by měl být ekonomicky výhodný. Pro nízkospádové elektrárny (do 15 m) lze považovat za využitelný spád 1.5 m pro instalaci turbíny (výjimečně i 1 m) a 0.5 m pro stavbu vodního kola. U vysokospádových elektráren (nad 50 m) je ekonomicky využitelný průtok kolem 10 l/s.

Pro představu lze uvést následující příklady:
Při spádu 1.5 m a průtoku 1 m3/s lze očekávat výkon asi 7 kW.
Při spádu 50 m a průtoku 10 l/s (0.01 m3/s) lze odhadnout výkon asi na 3 kW.

Při využívání vyrobené elektrické energie v lokální síti (v osaměle stojícím objektu pro osvětlení, pohon domácích spotřebičů) může být zajímavé využívat výkony již od stovek wattů. Je-li však objekt napojen na veřejnou rozvodnou síť, pak elektřina vyrobená v malé vodní elektrárně do výkonu 2 kW vychází obvykle dráž, než nakupovaná od rozvodných závodů. Většinou není výhodné provozovat samostatnou síť, například pro vytápění či ohřev užitkové vody, neboť systém vyžaduje nákladnou regulaci spojenou s problematickou akumulací nadbytečně vyrobené energie. Je obvykle výhodnější malou vodní elektrárnu připojit na veřejnou síť a po dohodě s rozvodnými závody vyrobenou energii prodávat nebo nakupovat podle potřeby.

Příklad volby vodní mikroelektrárny

Například navrhujeme vodní mikroelektrárnu s výkonem okolo 100 W. Nejdříve je nutné rozvážit umístění mikroelektrárny s ohledem na průtok a spád. Například firma Alter-eko s.r.o nabízí dvě kaplanovy turbínky, AK 12 a AK 15, které umožňují využití spádu od 0.8 m při průtoku 22 l/s do spádu 5 m a průtoku 34 l/s. Elektrárničky jsou vyráběny na zakázku, protože konstrukce se liší podle konkrétních parametrů toku.

K dispozici například máte parametry:

Naměřený průtok vodního zdroje: 24 l/s
Předpokládané rozpětí v průběhu roku: 22-35 l/s
Naměřený spád: 1 m
Přivaděč: otevřený kanál

Požadovaný výkon elektrárny:

3ks úsporné žárovky 230V/20W - doba provozu cca 4hod/den
přenosný počítač 230V/120W - doba provozu cca 5 hod/den
chladnička 12V/50W - doba provozu cca 12 hod/den

Volba elektrárny:

Vertikální turbínka AK 12/80 - trvalý výkon 70W
Měnič napětí 12V/230V, 300W
Akumulátor 2x12V/80Ah

Více informací najdete na webových stránkách http://www.alter-eko.com/p_menu_voe.php.

Závěr

Vodní elektrárny jsou další možný zdroj elektrické energie, který je v porovnání s energií slunce a větru poskytuje asi nejstabilnější a nejtrvanlivější zdroj el. energie. Toto je však vykoupeno náročnější instalací a obtížnějším hledáním příhodného místa.

Tento článek nemá za cíl podávat rady a zkušenosti odborníkům na tuto problematiku, ale má za úkol informovat čtenáře běžné čtenáře, kteří by se o této problematice vodních elektráren rádi něco dozvěděli. Článek je souhrn poznatků, které lze při dostatku času a štěstí nalézt různě rozeseté po internetu.

Antonín Vojáček
vojacek@ hwg.cz