Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Uspořádání a provozní výhody MVE

Transkript

1 Mendelova univerzita v Brně Agronomická fakulta Uspořádání a provozní výhody MVE Bakalářská práce Vedoucí práce: Ing. Martin Fajman, Ph.D. Vypracoval: Michal Ševčík Brno 2013

2

3 PROHLÁŠENÍ Prohlašuji, ţe jsem bakalářskou práci na téma Uspořádání a provozní výhody malých vodních elektráren vypracoval samostatně a pouţil jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloţeném seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a můţe být pouţita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana Agronomické fakulty Mendelovy univerzity v Brně. dne.. podpis

4 PODĚKOVÁNÍ Dovoluji si tímto poděkovat Ing. Martin Fajman, Ph.D. za jeho odborné vedení při vypracování bakalářské práce, za poskytnutí cenných rad a odborných informací k práci.

5 Abstrakt Cílem práce je zpracování a vysvětlení základních charakteristik malých vodních elektráren. Hlavní důraz byl kladen na technické vlastnosti těchto druhů vodních elektráren. Dále se práce zabývá problematikou nejčastěji pouţívaných typů vodních turbín a konstrukcí typických vodních staveb u malých vodních elektráren. Závěr práce je věnován jejich provozu a podmínkám uţívání v České republice. Klíčová slova: Vodní energie, hydroenergetický potenciál, vodohospodářské stavby, malé vodní elektrárny, vodní turbíny. Abstract The main goal of my research is processing and explaining basic characteristics of small hydro power stations. The main focus of my work was on the technical characteristics of these types of hydroelectric power stations. Furthermore the thesis deals with the most frequently used types of water turbines and construction of hydraulic structures typical for small hydroelectric power stations. The final part of my research is devoted to their operation and conditions of use in the Czech Republic. Key words: hydroelectric power, hydropower potential, water structures, small hydro power plants, water turbines.

6 OBSAH 1 ÚVOD CÍL PRÁCE ZÁKLADNÍ POJMY VODNÍ ENERGETIKY Hydroenegetický potenciál vodního toku Hrubý hydroenergetice potenciál Teoretický hydroenergetický potenciál Reálně vyuţitelný hydroenergetický potenciál Vodní elektrárna Vodní turbína CHARAKTERISTIKA MVE Obecné informace o MVE Průtok toku u MVE Základní technické rozdělení MVE Soustředění vodní energie Přehradní vodní dílo Jezové vodní dílo Derivační vodní dílo Polohová měrná energie Nízkotlaké elektrárny Středotlaké elektrárny Vysokotlaké elektrárny Instalovaný výkon Způsob zapojení MVE k elektrizační soustavě Paralelně pracující s energetickou veřejnou sítí Paralelně pracující s energetickou veřejnou sítí, s moţností samostatného provozu do vyčlěněné sítě Samostatně pracující do vyčleněné sítě... 19

7 4.4 Základní parametry MVE Průtok turbínou Spád Spád MVE Celkový spád MVE Čistý spád MVE Výkon Mechanický výkon turbíny Jmenovitý výkon turbíny Instalovaný výkon turbíny Účinnost turbíny Výroba elektrické energie Výkon na patě elektrárny Vyrobená energie v MVE Doba ročního vyuţití instalovaného výkonu KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ STAVEB MVE Vtokový objekt Přivaděče a odpady Beztlakové přivaděče Tlakové přivaděče Výrobní a provozní objekty Strojovna VODNÍ TURBÍNY Historie vodních turbín Základy teorie vodních turbín Vyuţití energie vody v turbíně Měrná energie turbíny Turbínová rovnice... 29

8 6.3 Členění vodních turbín Základní části vodní turbíny Turbíny přetlakové a rovnotlaké Rovnotlaké turbíny Přetlakové turbíny Volba turbín dle spádu a průtoku Vodní turbíny rovnotlaké Peltonova turbína Bánkiho turbína Vodní turbíny přetlakové Francisova turbína Kaplanova turbína Speciální vodní motor Turbína Setur PROVOZ MVE V ČR Legislativa provozu MVE v ČR Ekonomika provozu MVE v ČR ZÁVĚR SEZNAM POUŢITÉ LITERATURY SEZNAM OBRÁZKŮ... 41

9 1 ÚVOD V současné době se ve světě i u nás obrací pozornost na vyuţití vlastních, ekologicky čistých a nevyčerpatelných zdrojů energie. Mezi tyto zdroje patří energie vod, jeţ se v přírodě ukrývá ve formě chemické, tepelné a zejména mechanické. Vodní energie patří k nejstarším energetickým zdrojům. Mechanická energie vodních toků je vyuţívána od dob vynalezení vodního kola, které bylo vyuţíváno pro mechanický pohon mlýnů, pil a hamrů. Rozvoj vyuţití vodní energie pro výrobu energie elektrické mohl začít díky vynálezu elektrického generátoru, který ve spojení s turbínou dokáţe vyrobit elektrickou energii s velkou účinností. Jelikoţ se Česká republika nalézá na rozvodí tří moří a velké řeky u nás většinou pramení, je značná část hydroenergetického potenciálu rozptýlena ještě v malých tocích. Vyuţití vodní energie má u nás dlouholetou tradici. Ještě v roce 1930 bylo v tehdejším Československu evidováno téměř 17 tisíc elektráren, mlýnů, pil, hamrů a dalších zařízení vyuţívajících energii vodních toků [1]. Významné místo pro vyuţití zdrojů vodní energie zaujímají malé vodní elektrárny (MVE), umoţňující s velkou účinností přeměňovat potenciál vodních toků na ekologicky šetrnou výrobu elektrické energie. Mohou vyuţívat potenciálu i těch vodních toků, které mají kolísavý průtok vody a jsou silně závislé na počasí či na ročním období a většina z nich slouţí jako sezónní zdroje energie. Jejich výhody jsou nesporné. Jde o trvalý zdroj hnací síly, která patří mezi tzv. čisté (obnovitelné) zdroje energie. Při výstavbě se neuţívají technologie, které by představovaly výrazné nebezpečí pro ţivotní prostředí. Vlastní provoz spotřebovává jen minimum energie, a to takovou, která je nutná k údrţbě vlastního zařízení a v neposlední řadě, provoz nijak neznečišťuje ţivotní prostředí [2]. 9

10 2 CÍL PRÁCE Cílem bakalářské práce na téma Uspořádání a provozní výhody MVE je shromáţdění informací související s daným tématem a vytvoření přehledu problematiky, vysvětlení základních charakteristik týkajících se malých vodních elektráren (MVE) a sestavení souhrnu nejčastěji pouţívaných typů turbín u MVE dle podmínek daných lokalit. 10

11 3 ZÁKLADNÍ POJMY VODNÍ ENERGETIKY 3.1 Hydroenegetický potenciál vodního toku Kaţdý vodní tok představuje určité mnoţství vodní energie. Hydroenergetický potenciál vodního toku je základní údaj o toku určující, jakou energii (kwh.rok -1 ) unášejí jeho průtoky. Údaje o hydroenergetickém potenciálu povrchových vodních toků na určitém území slouţí k celkovému přehledu o moţnostech vyuţití toků, resp. jejich potenciální energii [3] Hrubý hydroenergetice potenciál U povrchových toků je určován z nadmořských výšek hodnocené oblasti a příslušných průměrných průtoků. Určuje se k hladině moře, do něhoţ tok ústí, nebo ke kótě hladiny toku na státní hranici. Má evidenční charakter [3] Teoretický hydroenergetický potenciál Představuje teoretické zásoby energie v našich tocích při stoprocentním vyuţití spádu toku a jeho středních průtocích. Pro všechny toky v České republice byl zhotoven teoretický hydroenergetický potenciál [3] Reálně využitelný hydroenergetický potenciál U vodního toku je tento potenciál menší neţ teoretický, jelikoţ není prakticky moţné stoprocentní vyuţití celkového spádu a středního průtoku, z důvodu osídlení, chráněných krajinných oblastí apod. Dále nejsme schopni dosáhnout stoprocentní přeměny vodní energie v elektrickou (ztráty na spádu, ztráty průtočného mnoţství a ztráty na převodech). Z těchto všech důvodů tak vyuţitelný hydroenergetický potenciál představuje přibliţně 40-50% potenciálu teoretického, přičemţ v České republice dosahuje hodnot 3,5 TWh.rok -1 [4]. 3.2 Vodní elektrárna Vodní elektrárna (VE) je výrobna elektrické energie, která je sloţitým inţenýrským dílem. Na její projekci, přípravu, stavbu a následný provoz se podílejí odborní- 11

12 ci různých profesí. Z celkové produkce elektřiny v ČR se ve VE vyrobí asi jen 3 %, v rámci obnovitelných zdrojů se jedná o 27 %. VE představují asi 12 % instalovaného výkonu elektráren v ČR. Většina tohoto výkonu (cca 90 %) připadá na zařízení s výkonem vyšším neţ 5 MW (rozdělení vodních elektráren dle instalovaného výkonu je zobrazeno na obrázku 1) [1], [5]. Obrázek 1: Dělení VE dle instalovaného výkonu [1] Vodní elektrárny nemají jen význam energetický, ale i vodohospodářský a ekologický. Nezatěţují ţivotní prostředí ţádnými odpady a představují pohotový a levný zdroj elektrické energie, vyuţívaný zejména v období špičkové spotřeby. Vysokým stupněm automatizace přispívají k vyrovnávání změn na tocích a vytvářejí nové moţnosti pro revitalizaci prostředí (prokysličování vodního toku). Mezi nejdůleţitější části, které tvoří VE patří vodní turbíny [4]. 12

13 3.3 Vodní turbína Stejně jako vodní kolo, je i vodní turbína rotační vodní motor, v němţ dochází k přeměně energie vody v mechanickou energii rotujícího hřídele. Mohou vyuţívat kinetickou i tlakovou energii vody. Spolu s elektrickým generátorem, resp. alternátorem, spojeným s turbínou je hlavní součástí VE, viz obrázek 2 [6]. Obrázek 2: Schéma činnosti hlavních součástí VE [3] 13

14 4 CHARAKTERISTIKA MVE 4.1 Obecné informace o MVE K vyuţití potenciálu vodních toků v ČR slouţí i kategorie tzv. malých vodních elektráren (hydroenergetická díla se zdrojem elektrické energie o instalovaném výkonu do 10 MW). Většina malých vodních elektráren slouţí jako sezónní zdroje. V principu jsou MVE oproti větším vodním dílům relativně jednoduchá zařízení. Na vodní tok navazuje vtokový objekt (zpravidla jez nebo jiné vzedmutí hladiny), který soustřeďuje průtok a zvyšuje spád vodního toku. Voda je přivedena přivaděčem přes česle (hrubé, jemné), které zadrţují nečistoty před vstupem do strojovny. Ve strojovně dochází k přeměně hydraulické energie vody v turbíně na mechanickou. Pomocí hřídele osazeného na turbíně je přenášena mechanická energie ke generátoru, kde se přeměňuje na energii elektrickou [1]. MVE se vyznačují malou poruchovostí, velkým počtem provozních hodin za rok v kombinaci s nízkými provozními náklady a moţností uplatnit automatický bezobsluţný provoz. Patří k nejlevnějším zdrojům jalové energie, jeţ zhospodárňují provoz spolupracujících elektráren a zmenšují ztráty v sítích vysokého napětí [6]. Tím, ţe jsou MVE rozptýleny po celém území, sniţují se ztráty v rozvodech elektrické energie, z důvodu nepotřebnosti přenášení elektřiny na velké vzdálenosti, čímţ se sniţuje celkové zatíţení přenosové soustavy. Případný výpadek některé z elektráren je z hlediska sítě nevýznamný, na rozdíl od výpadku velkého centrálního zdroje [4]. 4.2 Průtok toku u MVE Průtoky toků, na kterých jsou MVE zřizovány, jsou kolísavé a silně závislé na počasí a na ročním období. Technicky vyuţitelný potenciál toků, vyuţitelný v MVE, je odhadován na 1,4 TWh.rok -1. Dnes se vyuţívají asi dvě třetiny tohoto potenciálu. Nevyuţitý potenciál v MVE činí zhruba 30 %, tj. asi 500 GWh.rok -1 [1]. MVE se obvykle dimenzují na 90-ti denní aţ 180-ti denní průměrný průtok, coţ ovlivňuje technická úroveň technologie, zejména schopnost turbíny přizpůsobit se regulací změnám průtoku. Pro výpočet vyuţitelného průtoku v elektrárně je potřeba 14

15 počítat s minimálním hygienickým (sanitárním, sanačním) průtokem původním korytem. Pro vyuţití energie vody jsou nejdůleţitější M-denní průtoky (křivka překročení průtoků v průměrně vodném roce neboli M-denní odtoková závislost). Ty udávají průtok zaručený v daném profilu toku po určitý počet dní. Data se uvádějí číselně v obvyklém členění po 30 dnech v roce viz obrázek 3 [2]. Obrázek 3: Roční odtoková závislost [7] O vyuţití průtoku o dosaţitelném výkonu dává přehled obrázek 4. Roční výroba je úměrná ploše ohraničené křivkou výkonu. Obrázek 4: Využitelný průtok v průběhu roku [7] 15

16 4.3 Základní technické rozdělení MVE MVE se rozčleňují dle mnoha moţných kriterií. Mezi ty nejdůleţitější patří velikost spádu, velikosti instalovaného výkonu, koncepce vyuţití vodního toku aj. Umístění vlastní elektrárny můţe být různé podle tvaru terénu, výškových a spádových moţností a podle mnoţství vody Soustředění vodní energie Z hlediska ekonomického vyuţití vodní energie je důleţitá koncentrace měrné energie nebo průtoku. Nejčastěji se dělí hydroenergetická díla dle soustředění vodní energie a přívodu vody na přehradní, jezová a derivační [6]. Schématické provedení jednotlivých typů vodních děl je uvedeno na obrázku 5. Obrázek 5: Schémata hydroenergetických děl [6] a)přehradní b)jezová c)derivační 1-koryto řeky, 2-vzdouvací zařízení 3-elektrárna, 4-derivační přivaděč Přehradní vodní dílo Spád je získán odběrem veškeré vody z výše poloţeného místa hlavního toku. Tato díla vyuţívají vzdouvacího zařízení, kterým můţe být přehradní hráz nebo vysoký jez. Při tomto způsobu vyuţití lze projektovat VE přímo nebo částečně v tělese hráze [6]. Toto uspořádání je však typické spíše pro větší vodní díla Jezové vodní dílo Jde o vodní dílo, kde je jako vzdouvací zařízení pouţit jez. Celý spád se získá vzdutím vody na jezu. Strojní zařízení je u tohoto díla přímo na břehu hlavního toku. 16

17 Voda je odebírána hned na jezu a zpět se vrací za jeho vývařiště. Všechny stavby stojí přímo v hlavním toku. Toto dílo je vhodné pro malé spády a velké průtoky. Takto jsou řešena vodní díla v níţinách [6] Derivační vodní dílo Strojovna u tohoto derivačního typu stojí mimo hlavní tok. Voda k ní je přiváděna pomocí náhonu a zpět se vrací odpadním kanálem. Tato díla jsou vhodná pro horní a střední části toků. Takto byla dříve řešena většina malých vodních děl. Hlavní výhodou bylo, ţe se k provozovně vedlo jen potřebné mnoţství vody, a tím byla v případě povodně více chráněna. Nevýhodou byla pracná údrţba dlouhého náhonu [6] Polohová měrná energie Nízkotlaké elektrárny Nízkotlaké elektrárny (viz. obrázek 6) dosahují spádu vody méně neţ 20 m a měrná energie se pohybuje E < 200 J.kg -1. Jsou často zbudovány při jezu nebo v jezovém tělese [6]. Obrázek 6: Nízkotlaká MVE [6] Středotlaké elektrárny Středotlaké elektrárny (viz. obrázek 7) dosahují spádu vody v rozmezích m a měrná energie dosahuje hodnot E < 1000 J.kg -1 [6]. 17

18 Obrázek 7: Středotlaká MVE [6] Vysokotlaké elektrárny Při tomto konstrukčním řešením spád vody dosahuje více neţ 100 m a měrná energie sahá k hodnotám E >1000 J.kg -1. Elektrárna je budována pod přehradou nebo je vodní tok přiváděn derivačním kanálem viz obrázek 8 [6]. Obrázek 8: Vysokotlaká MVE [6] Instalovaný výkon Instalovaný výkon elektrárenských soustrojí je součet jmenovitých výkonů jednotlivých energetických soustrojí (hydroalternátorů). Jedná se o nejvyšší teoretický 18

19 činný výkon soustrojí [3]. Rozdělení MVE podle instalovaného výkonu uvádí obrázek 9. Obrázek 9: Rozdělení MVE dle výkonu [6] Způsob zapojení MVE k elektrizační soustavě Paralelně pracující s energetickou veřejnou sítí Při paralelní práci s energetickou sítí není nutná otáčková regulace. MVE takto zapojené do sítě jsou vybaveny asynchronními alternátory. Tyto MVE mají jednoduché vodní systémy bez akumulačních nádrţí [8] Paralelně pracující s energetickou veřejnou sítí, s možností samostatného provozu do vyčlěněné sítě MVE, které jsou schopné pracovat samostatně vedle elektrizační soustavy, mají synchronní alternátory. Ve výbavě mají automatické ovládání, regulaci frekvence i výkonu. Pouţívají se jako záloţní zdroje elektrické energie v případě přerušené dodávky elektrické energie v rozvodné síti [8] Samostatně pracující do vyčleněné sítě Jedná se o mikrozdroje a mobilní zdroje, které pracují i s nenormalizovaným napětím. Pouţívají se pro spotřebiče na ohřev vody a výtápění budov [8]. 4.4 Základní parametry MVE Hydroenergetická díla typu MVE jsou charakterizována pěti základními parametry, tj. veličinami, které charakterizují jak vnitřní hydraulické jevy, tak proces přeměny mechanické energie na elektrickou energii. Mezi tyto parametry patří průtok 19

20 Q (m 3.s -1 ), spád H (m), výkon P (kw, MW), elektrická energie E (kw. h) a účinnost η [3] Průtok turbínou Průtok turbínou určuje spotřebu vody včetně vody prosáklé ucpávkami a obtoky. Ve většině případů se uvaţuje objemový průtok, který je určen objemem vody protékající daným průřezem za jednotku času. Určujícím je jmenovitý průtok Q n, coţ je průtok turbínou při jmenovitých otáčkách a jmenovité měrné energii [6]. Kromě jmenovitého průtoku je podle potřeby určován i průtok turbínou při chodu naprázdno, popřípadě i maximální a minimální průtok při smluvně dohodnutých otáčkách turbíny. Často uţívaným pojmem hltnost turbíny se rozumí nejvyšší moţný průtok turbínou [6] Spád Spád H je výškový rozdíl dvou vybraných bodů hladiny nebo rozdíl dvou hladin u vzdouvací stavby Spád MVE Je výškový rozdíl hladin před vtokem a před vyústěním do odpadu MVE. V hydroenergetické praxi rozlišujeme dva druhy spádu. Spád odpovídající nulovému průtoku hydraulickým systémem a spády během dynamického reţimu VE [3] Celkový spád MVE Značený H c je statický spád mezi dvěma měřenými úseky toku, který chceme energeticky vyuţít. Je daný výškovým rozdílem horní a dolní hladiny při nulovém průtoku MVE. Představuje potenciální energii vody, která je při dané sestavě hydroenergetických objektů k dispozici pro energetickou přeměnu ve vodní turbíně mezi vstupem a výstupem [3] Čistý spád MVE Označovaný i jako provozní spád MVE je celkový spád zmenšený o hydraulické ztráty kromě těch v hydraulickém obvodu. Po odečtení těchto ztrát je získán uţitečný spád VE. Uţitečný spád lze definovat jako rozdíl měrné energie těsně před vstupem 20

21 do vodního stroje a na jeho výstupu. Je to celkový spád, od něhoţ se odečítají všechny ztráty v přivaděči a odpadu, které se nezahrnují do účinnosti turbín [3]. Vyuţití spádu na toku závisí na roční proměnlivosti, která je nejvíce patrná u nízkotlakých konstrukcí MVE bez akumulace, proto je potřeba přihlíţet při komplexním rozboru na vlastnosti turbín a průtokové změny [3] Výkon Mechanický výkon turbíny Určený hodnotou mechanické energie dodávané hřídelem turbíny na jednotku času. Zpravidla se určuje výkonem generátoru měřeným na svorkách, který je niţší o mechanické ztráty v loţiskách generátoru, mechanické a elektrické ztráty generátoru, ztráty v převodech a v setrvačníku [6] Jmenovitý výkon turbíny Značen P n se označuje mechanický výkon turbíny při jmenovité měrné energii a jmenovitých otáčkách. Dále se rozlišuje zaručený výkon, coţ je mechanický výkon turbíny při zaručené měrné energii i zaručovaných otáčkách [6] Instalovaný výkon turbíny Jedná se o maximální výkon turbíny, jehoţ lze dosáhnout při nejpříznivějších podmínkách provozu [6] Účinnost turbíny Účinnost vodní turbíny je definována jako poměr mechanického výkonu a hydraulického příkonu turbíny (1). Zahrnuje všechny ztráty, k nimţ dochází při protékání vody turbínou (tedy hydraulické, objemové a mechanické), a představuje tedy celkovou účinnost turbíny. Tato účinnost dosahuje hodnot 0,75 0,93 (podle druhu a velikosti turbíny). Účinnost se mění i v závislosti na zatíţení motoru [6]. Účinnost turbíny: η T = P m P h [-] (1) kde: P m - mechanický výkon [W] 21

22 P h - hydraulický příkon turbíny [W] Výroba elektrické energie Výkon na patě elektrárny Pro orientační výpočet výkonu, který MVE dodává do elektrizační sítě (výkon na patě elektrárny) lze pouţít vztah (2) [3]. Výkon MVE: P = H. Q. K [kw] (2) kde: H- výškový rozdíl hladin [m] Q- průtok turbínou [m 3.s -1 ] K- Podle provedení výkonu a kvality strojního zařízení nabývá konstanta takovýchto hodnot [3]: a) K=8 - pro MVE s výkony okolo 5 aţ 10 MW s Kaplanovými a Peltonovými turbínami bez převodu a s příslušenstvím vynikající kvality. b) K=7 -pro MVE s Kaplanovými, Peltonovými, Francisovými, Bankiho turbínami a příslušenstvím dobré kvality. c) K=5-6 -pro MVE s turbínami bez dvojité regulace, s Bankiho turbínami s převodem a na malé spády nebo vkládanými přímo do potrubí či s turbínami. Celkový výkon VE je součet výkonů jednotlivých hydroagregátů Vyrobená energie v MVE Výroba vodní elektrárny při celkovém výkonu P za dobu t je dána vztahem (3) [3]: Výroba elektrické energie: E = P. t [Wh] (3) kde: P- celkový výkon MVE [W] t- čas [h] 22

23 Doba ročního využití instalovaného výkonu Jednou ze základních technicko-ekonomických otázek opodstatněnosti výstavby vodní elektrárny je velikost doby ročního vyuţití instalovaného výkonu. Její velikost je určena volbou instalovaného výkonu elektrárny při daných hydrologických poměrech a je dána vztahem (4) [8]. Doba ročního vyuţití instalovaného výkonu: T i = E c P i [h] (4) kde: E c - hrubá roční výroba elektrárny P i - instalovaný výkon elektrárny [kwh] [kw] Doba ročního vyuţití instalovaného výkonu pro jednotlivé typy vodních elektráren bývá [8]: průtočné T i = aţ h akumulační T i = aţ h přečerpávací T i = aţ h 23

24 5 KONSTRUKČNÍ ŘEŠENÍ STAVEB MVE Při přípravě výstavby MVE je po výběru nejvýhodnějšího koncepčního a dispozičního řešení dalším krokem její stavební řešení, které výrazně ovlivňuje výsledné hodnoty MVE, a tím i celkovou ekonomickou výhodnost investice [3]. 5.1 Vtokový objekt Vtokové objekty jsou stavěny za účelem zabezpečení dostatečného přítoku vody z toku, ze zdrţe nebo nádrţe do přivaděče vedoucího vodu do elektrárny. Vtokový objekt má být navrţen tak, aby při odběru vody minimalizoval hydraulické ztráty a aby zabraňoval vnikání hrubých splavenin a předmětů k turbínám (viz. obrázek 10). Dle potřeby má umoţňovat i ovládání průtoku [3]. 5.2 Přivaděče a odpady Obrázek 10: Vtokový objekt jezový [3] Přivaděče a odpady představují u MVE velmi často podstatnou část investičních nákladů při jejich výstavbě. Proto se jejich konstrukčním a dispozičním řešením věnuje velká pozornost. Podle funkce se přivaděče a odpady u MVE rozdělují na beztlakové a tlakové [3] Beztlakové přivaděče Navrhují se obvykle tam, kde to situace a umístění MVE dovoluje. Jsou totiţ obvykle levnější neţ tlakové přivaděče. Z konstrukčního hlediska se dělí na otevřené a zakryté [3]. Příklad provedení včetně konstrukčních rozměrů viz obrázek

25 Obrázek 11: Beztlakový přivaděč [3] Tlakové přivaděče Tlakové přivaděče se pouţívají převáţně při překonání velkých spádů, na místech kde by stavba beztlakových přivaděčů byla neekonomická nebo přímo nemoţná. Z konstrukčního hlediska lze tlakové přivaděče dělit na tlakové potrubí (obrázek 12), jeţ se nejčastěji vyskytují u MVE a tlakové štoly, které se u elektrárny malého výkonu pouţívají zcela výjimečně z důvodu vysoké pořizovací ceny. Tlaková potrubí jsou konstruována z jiných materiálu, neţ je přirozený materiál podloţí, zatímco tlakové štoly vyuţívají vhodné přírodní podmínky dané lokalitě a razí se přímo v horninách [3]. 5.3 Výrobní a provozní objekty Obrázek 12: Tlakový přivaděč [3] Mezi hlavní výrobní objekty MVE patří strojovna, provozní budova, rozvodna, případně jiné objekty pro doprovodné zařízení. Vzhledem k malému rozsahu díla a nízké míře automatizace provozu se u MVE provozní budova většinou vynechává. Výrobní a provozní objekty MVE se budují tak, aby bylo zajištěno přístupu a dosta- 25

26 tečného prostoru pro manipulaci se zařízením a jeho případnou opravu. Hlavním objektem výrobní a technologické části MVE je strojovna [3] Strojovna Strojovnou MVE nazýváme tu část objektu díla, v němţ je umístěno základní technologické zařízení (tj. soubor strojů a zařízení potřebných k výrobě elektrické energie a k zabezpečení provozu MVE). Základní stavební uspořádání závisí na schématech vyuţívání hydroenergetického potenciálu toku, na pouţitém typu a uspořádání hydroagregátů a jeho základním elektrickém vybavení. Názorné schéma moţného uspořádání strojovny je uvedeno na obrázku 13, jedná se MVE Práčov [3]. Obrázek 13: Strojovna MVE Práčov [3] 26

27 6 VODNÍ TURBÍNY Jak bylo naznačeno v předchozích odstavcích, je v konstrukci vodních děl nutno zohlednit řadu parametrů dané lokality při optimalizaci staveb MVE. Přes uvedenou vysokou variabilitu moţných technických přístupů, zůstává základním strojním zařízením kaţdého vodního díla turbína. Vodní turbína je podobně jako vodní kolo rotační vodní motor, jehoţ rotující částí je lopatkové oběţné kolo, v němţ dochází k přeměně energie vody v mechanickou energii. Turbíny mohou vyuţívat kinetickou i tlakovou měrnou energii vody. Vývoj vodních turbín, ubírající se cestou vyuţití různých principů činnosti a orientace průtoku strojem, přinesl řadu konstrukčních řešení, z nichţ mnohé se výrazněji uplatnily [6]. 6.1 Historie vodních turbín Vývoj civilizace je neodmyslitelně spojen s historií vyuţívání vodní energie, která umoţnila vytvořit potřebnou technickou základnu pro rozvoj technologie. Po dobu více neţ 22 století lze sledovat vývoj vodních motorů [6]. První písemné pouţití slova vodní turbína (z latinského turbo - otáčím) je spjato se jménem Claude Burdin ( ), který zdokonalil tehdy velmi rozšířené vodní kolo na spodní pohon se zakřivenými lopatkami. Jeho ţák, Benoit Fourneryon ( ) vynalezl turbíny pracující při otáčkách za minutu a dávající výkon 45 kw. Tato turbína dosahovala na tehdejší dobu pozoruhodné účinnosti 80 % [9]. Období po roce r.1840 je charakterizováno vynálezy dalších principů vyuţití vodní energie, které směřují ke zlepšení účinnosti, zvětšení rozmezí provozních parametrů a zdokonalení regulace při současném zlepšování technologičnosti konstrukčního řešení vodních motorů [6]. S technickou historií naší země je úzce spjat profesor Vysoké školy technické v Brně inţenýr Viktor Kaplan ( ), který se zabýval problémem rapidně klesající účinnosti vodních turbín při neoptimálním průtoku vody. Základem byla úprava Francisovy turbíny. Tak dlouho rozšiřoval její protáhlé mezilopatkové kanály, aţ nakonec dospěl k oběţnému kolu ve tvaru lodního šroubu s natáčivými lopatkami. 27

28 Právě natáčením lopatek oběţného kola lze podle měnícího se průtoku vody optimálně nastavovat nátokové úhly vodního proudu a zachovat tak vysokou účinnost i při polovičním průtoku [10]. 6.2 Základy teorie vodních turbín Využití energie vody v turbíně Voda jako pracovní kapalina vodních turbín je nositelkou hydraulické energie, jejíţ hodnota se rovná exergii, tedy části energie, kterou z celkového obsahu energie mohou vodní turbíny vyuţít. Kromě exergie se u vodních turbín ojediněle setkáváme i s energií v pracovní kapalině, kterou vzhledem k okolní teplotě neleze energeticky vyuţít [6] Měrná energie turbíny Na své cestě přivaděčem, vodní turbínou a odpadem VE mění voda svůj energetický obsah kvalitativně i kvantitativně. Schéma na obrázku 14, představuje jedno z moţných uspořádání MVE. Energetická bilance je vymezena okrajovými podmínkami, které jsou dány měrnými energiemi horní a dolní nádrţe [6]. Obrázek 14: Průběh měrné energie v MVE [6] 28

29 Za předpokladu rovnosti tlaků působících na hladiny v obou nádrţích a obecně nulových rychlostí proudění v nádrţích je rozdíl měrných energií horní a dolní nádrţe dán výrazem (5) [6]. E=g.(z a -z b )- E d [J.kg -1 ] (5) kde: g-tíhové zrychlení [m.s -2 ] z- polohová výška [m] E d - disipovaná měrná energie [J.kg -1 ] Turbínová rovnice Základním teoretickým vztahem pro hydraulické řešení vodní turbíny i dalších typů strojů s rotujícími kanály je Eulerova energetická rovnice označována jako turbínová rovnice. Vyjadřuje teoretickou měrnou energii turbíny (tj. rozdíl energií na vstupu a na výstupu z turbíny) pomocí absolutních rychlostí proudění kapaliny a jejich sloţek (tj. relativní rychlosti a unášivé rychlosti ) a je dána vztahem (6). Má obecnou platnost pro rotující kanál jakékoliv geometrie umístěné v prostoru [6]. Eulerova turbínová rovnice: Y = u 1. c u1 u 2.. c u2 [J.kg -1 ] (6) kde: u 1 - unášivá rychlost na vstupu [m.s -1 ] c u1 -sloţka absolutní rychlosti na vstupu [m.s -1 ] u 2 - unášivá rychlost na výstupu [m.s -1 ] c u2 -sloţka absolutní rychlosti na výstupu [m.s -1 ] 6.3 Členění vodních turbín Specifičnost hydroenergetiky vyţaduje pouţití turbín nejrůznějších typů, výkonů, rozměrů a konstrukčních řešení podle konkrétních hydrologických a morfologických podmínek místa instalace [6]. 29

30 6.3.1 Základní části vodní turbíny V souvislosti se základní definicí vodní turbíny jako vodního motoru určuje jeho parametry řešení průtočného profilu, který je hydraulicky aktivní částí stroje. Stroj se skládá ze tří základních částí (oběţné kolo, zařízení pro přívod vody k oběţnému kolu a zařízení pro odvod vody od oběţného kola) a dalších konstrukčních částí dle typu turbíny viz obrázek 15 [6]. Obrázek 15: Základní konstrukční části vodních turbín [1] Turbíny přetlakové a rovnotlaké Podle způsobu přenosu energie vody se rozlišují turbíny přetlakové a rovnotlaké, podrobnější vysvětlení této problematiky je uvedeno v další kapitole. 30

31 Obrázek 16: Rozdělení turbín dle přenosu energie [6] Rovnotlaké turbíny Rovnotlaké (akční) turbíny, v nichţ se celá polohová energie vody mění uţ v rozváděcích kanálech v energii kinetickou. Ta se potom vyuţívá v oběţném kole umístěném nad dolní hladinou viz obrázek 16. Do této kategorie spadají Peltonovy a Bánkiho turbíny [3] Přetlakové turbíny Přetlakové (reakční) turbíny, v nichţ se v kanálech rozváděcího kola mění jen část polohové energie vody v energii kinetickou, přičemţ ostatní části polohové energie se přeměňuje v kinetickou energii aţ při přechodu vody oběţným kolem. Hydrostatický tlak se od vtoku do kanálu oběţného kola směrem k výtoku zmenšuje, dochází tedy k přetlaku viz. obrázek 16. Do této kategorie spadají Kaplanovy, Francisovy a další turbíny [3] Volba turbín dle spádu a průtoku Spád i průtok představují základní charakteristiky pro volbu typu vodního díla a jeho turbíny. Pro základní orientaci pro volbu vhodné turbíny dle podmínek lokality je moţno pouţít např. nomogramu dle obrázku

32 Obrázek 17: Použití druhu turbín v závislosti na průtoku a spádu [2] 6.4 Vodní turbíny rovnotlaké Peltonova turbína Rovnotlaká tangenciální turbína, která se pouţívá pro vysoké spády aţ do 1200 m a menší průtoky. Voda je přiváděna k turbíně potrubím kruhového průřezu, které vede k jedné nebo více dýzám. V dýze kruhového průřezu se celý spád vody přetransformuje na pohybovou energii. Voda vstoupí tangenciálně do oběţného kola osazeného lţícovitými lopatkami. Břit uprostřed lopatek rozdělí paprsek na dvě poloviny a lţícovitý tvar lopatky se snaţí otočit směr tekoucí vody zpět. Změna směru způsobí předání energie oběţnému kolu. Vzájemným souběhem rychlosti vody tekoucí po lopatce při současném otáčení oběţného kola dojde k tomu, ţe voda opouští lopatky na vnější straně s minimální zbytkovou rychlostí a volně odchází do 32

33 obou stran z oběţného kola ven a padá do odpadu pod turbínou. Tato turbína se pouţívá pro malá mnoţství vody při velkých spádech. Vyhoví na malých tocích v horách a všude tam, kde je nutno zpracovat relativně malé mnoţství vody při velkém tlaku. Dispoziční schéma Peltonovy turbíny je znázorněno na obrázku 18 [9]. Obrázek 18: Schéma Peltonovy turbíny a rychlostí vody na oběžném kole [9] Bánkiho turbína Jedná se o specifický typ rovnotlaké radiální turbíny, z důvodu dvojnásobného průtoku. Voda protéká dvakrát oběţným kolem tvořenými kruhovými deskami, mezi něţ jsou po obvodu upevněny lopatky, přičemţ první průtok je dostředivý a druhý průtok odstředivý (viz. obrázek 19). Bánkiho turbína patří k hydraulicky, konstrukčně a technologicky nejjednoduššímu řešení vodních turbín pro MVE. Velké rozmezí parametrů pouţitelnosti při relativně dobré účinnosti a dobrých regulačních vlastnostech z ní vytváří vhodnou vodní turbínu pro MVE. Bánkiho turbína má široké vyuţití hlavně na malých tocích [9]. 33

34 6.5 Vodní turbíny přetlakové Obrázek 19: Schéma Bánkiho turbíny [9] Francisova turbína Jedná se o radiálně-axiální vodní turbínu. Pouţívá se většinou pro spády přibliţně od m. Konstrukčně se skládá ze spirály, rozváděcího kola a savky. Rozváděcí kruh má 20 aţ 24 lopatek ovládaných automatickým regulátorem, které se dají uzavřít i úplně, čímţ se zastaví přívod vody na oběţné kolo. Oběţné kolo má pevné lopatky, coţ neumoţňuje pouţití této turbíny v lokalitách s velkým kolísáním spádu nebo průtoku. Konstrukčně se však dá tato turbína ve velkém rozsahu přizpůsobit rychloběţnosti (poměr obvodové rychlosti oběţných lopatek a rychlosti proudící vody, jeţ se vyjadřuje pomocí specifických otáček n v viz obrázek 20). K regulaci průtoku dochází pomocí rozváděcích lopatek, které jsou naklápěcí a ovlivňují výkon turbíny. Francisovy turbíny rozdělujeme podle polohy hřídele na horizontální (obrázek 21) a vertikální [9]. 34

35 Obrázek 20: Tvary oběžných kol dle rychloběžnosti [3] Obrázek 21: Francisova horizontální turbína [6] Kaplanova turbína Kaplanova turbína (obrázek 22) pro MVE je charakterizována axiálním průtokem oběţným kolem. Výraznou předností Kaplanovy turbíny je dvojitá regulace, tj. aplikace regulovatelného rozvaděče i oběţného kola, coţ vede ke zvýšení střední hodnoty účinnosti. Moţnost nastavení optimálního vzájemné vazby otevření oběţné- 35

36 ho kola a rozvaděče zaručuje příznivé průtokové poměry v oběţném kole nejen z hlediska energetického, ale i z hlediska sníţení tlakových pulsací a zlepšená dynamického chování turbíny [6]. Nevýhodou Kaplanovy turbíny je relativně vysoká hodnota kavitačního součinitele a vzhledem ke sloţité konstrukci oběţného kola, je i nákladnější neţ jiné typy turbín. Pro MVE se Kaplanovy turbíny pouţívají na nejniţší spády (do 10 m). Pro tyto spády mají turbíny oběţná kola s 3 aţ 5 lopatkami [3]. Obrázek 22: Hydroagregát s Kaplanovou turbínou [11] 6.6 Speciální vodní motor Turbína Setur Jedná se o vertikální bezlopatkový vodní motor vynalezený Ing. Miroslavem Sedláčkem. Pracuje na principu odvalování rotačního tělesa ve výtokovém konfuzoru (vyuţití principu hydrodynamického paradoxu). Účinnost podle provedení od 40 aţ do 75% [9]. 36

37 Turbína SETUR (obrázek 23) je svojí podstatou odvalovací tekutinový stroj (hydromotor), který pracuje na odlišném principu, neţ jiné vodní turbíny. Vlastní funkce turbíny je zaloţena na tzv. hydrodynamickém paradoxu. To je jev, který způsobuje, ţe koule (nebo jiné zakřivené těleso) je přitahováno ke stěně tím více, čím rychleji mezi ním a stěnou proudí kapalina [9]. Turbína Setur není příliš rozšířena, i kdyţ se jedná o velmi zajímavý systém oceněný i v zahraničí. Tato turbína je vhodná pro menší pohony (velmi malé vodní zdroje), vyznačuje se spolehlivostí a nemá negativní vlivy na ţivotní prostředí [9]. Obrázek 23: Schéma turbíny Setur [9] 37

38 7 PROVOZ MVE V ČR 7.1 Legislativa provozu MVE v ČR Pro provoz MVE je nutno získat licenci pro podnikání v energetice (ţivnostenský list se nevydává). Pokud nemá provozovatel vzdělání v oboru, je nutno absolvovat rekvalifikační kurz (pro MVE do 1 MW) [7]. Současný vodní zákon a další předpisy vyţadují, aby provozovatel MVE zachovával tzv. minimální zůstatkový průtok v toku. To znamená, ţe se nikdy nesmí veškerá voda pouţít jen pro turbínu, ale část je nutno nechat protékat původním tokem. Dále je nutné zabránit vnikání ryb do turbíny a odstraňování naplavenin vytaţených z vody. Listí, dřevo, plastové lahve a předměty zachycené na česlích je zakázáno pouštět zpět do toku [7]. V současnosti se při stavbě nebo rekonstrukci MVE obvykle vyţaduje vybudování tzv. rybích přechodů. Je důleţité, aby MVE nevytvořila na toku překáţku nepřekonatelnou pro vodní ţivočichy. Rybí přechod znamená zvýšení nákladů na stavbu i údrţbu MVE [7]. 7.2 Ekonomika provozu MVE v ČR Vyrobenou elektřinu z MVE je moţné dodávat do sítě. Výkupní ceny předepisuje Energetický regulační úřad pro kaţdý rok zvlášť. Zákonem je garantováno, ţe tato cena se nezmění po dobu 30 let od uvedení MVE do provozu (resp. od její rekonstrukce). Tam, kde je moţné vodu zadrţet, je pro provozovatele výhodnější dodávku rozdělit na špičku, kdy je vyšší cena a mimo špičku, kdy je cena niţší. Je-li MVE například součástí průmyslového areálu, je obvykle výhodnější elektřinu spotřebovat na místě a uplatnit tzv. zelené bonusy. Zelené bonusy lze uplatnit i v případě, ţe majitel MVE vyrobenou elektřinu spotřebuje v jiném svém objektu, musí však zaplatit za distribuci elektřiny veřejnou sítí. Existuje i moţnost prodat elektřinu z MVE třetí osobě [7]. 38

39 8 ZÁVĚR Cílem práce bylo shromáţdění a následné zpracování odborných informací zabývající se tématem MVE, konstrukcí staveb vodních děl a vodními turbínami nejčastěji pouţívaných v České republice. MVE byly dlouhá léta významným zdrojem obnovitelné energie v naší zemi. Přestoţe roste podíl výroby elektrické energie pomocí fotovoltaiky či biomasy, vodní elektrárny zůstávají stále důleţitým zdrojem energie. Jelikoţ ovšem budování velkých vodních elektráren přináší výrazný zásah do ţivotního prostředí (přehradní hráze, změna vodního reţimu zatopené oblasti). Moţnosti pro jejich stavbu jsou u nás uţ v zásadě vyčerpány. Naproti tomu rozvoj a výstavba MVE v České republice zaznamenaly v posledních letech značný pokrok. Zásadní politické a ekonomické změny, které se udály v poslední době, vytvořily pozitivní podmínky pro jejich navrhování, výstavbu a provoz na území ČR. Mezi místa, která mají významný potenciál pro výstavbu MVE patří podhůří našich hor, kde jiţ historicky byla energie vod pouţívána k výrobě energie pro provoz, např. malých pil, mlýnů apod. Tyto objekty jsou jiţ nyní většinou opuštěné a jejich rekonstrukce je nákladná a administrativně náročná, i přesto však má výstavba MVE v těchto místech smysl, jelikoţ původní vodní díla obvykle maximálně vyuţívala hydroenergetický potenciál daného vodního toku. Mezi hlavní výhody, které spatřuji u MVE, patří neznečišťování ovzduší, nedevastování krajiny a povrchové či podzemní vody těţbou paliv a surovin, jsou bezodpadové a vysoce bezpečné. Díky pruţnému pokrývání spotřeby a schopností akumulace energie zvyšují efektivnost elektrizační soustavy. Vysoká automatizace přispívá k vyrovnávání změn na tocích a vytvářejí moţnost pro revitalizaci prostředí (např. prokysličování vodního toku). Mezi další řešenou problematiku v této práci náleţí vodní turbíny. V práci jsou popsány jak historické milníky při vývoji vodních turbín, tak teoretické i praktické základy jejich vyuţití v provozu. Souhrnně lze říci, ţe specifika hydroenergetiky vyţadují pouţití turbín nejrůznějších typů, rozměrů, výkonů a konstrukčního řešení podle konkrétních hydrologických a morfologických podmínek místa instalace vodní turbíny. 39

40 9 SEZNAM POUŽITÉ LITERATURY [1] HOLATA, M. Malé vodní elektrárny: projektování a provoz, Praha: Academia, 2002, 271 s., 1.vyd., ISBN [2] Wodagreen [online], [cit ]. Dostupný z WWW: < [3] DUŠIČKA, P. Malé vodní elektrárny. Bratislava: Jaga group, 2003, 175 s., 1.vyd., ISBN [4] Mzp [online], [cit ]. Dostupný z WWW: < [5] ERÚ [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < a_es_cr_final.pdf>. [6] BEDNÁŘ, J. Malé vodní elektrárny, Praha: SNTL, 1989, 237 s., 1 vyd., ISBN [7] Vosaspsekrizik [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [8] MASTNÝ, P. Malé zdroje elektrické energie [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [9] LAIKA,V. Abeceda malých vodních pohonů [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < [10] Quido [online], [cit ]. Dostupný z WWW: < [11] Vodniturbiny [online]. [cit ]. Dostupný z WWW: < 40

41 10 SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek 1: Dělení VE dle instalovaného výkonu [1] Obrázek 2: Schéma činnosti hlavních součástí VE [3] Obrázek 3: Roční odtoková závislost [7] Obrázek 4: Využitelný průtok v průběhu roku [7] Obrázek 5: Schémata hydroenergetických děl [6] Obrázek 6: Nízkotlaká MVE [6] Obrázek 7: Středotlaká MVE [6] Obrázek 8: Vysokotlaká MVE [6] Obrázek 9: Rozdělení MVE dle výkonu [6] Obrázek 10: Vtokový objekt jezový [3] Obrázek 11: Beztlakový přivaděč [3] Obrázek 12: Tlakový přivaděč [3] Obrázek 13: Strojovna MVE Práčov [3] Obrázek 14: Průběh měrné energie v MVE [6] Obrázek 15: Základní konstrukční části vodních turbín [1] Obrázek 16: Rozdělení turbín dle přenosu energie [6] Obrázek 17: Použití druhu turbín v závislosti na průtoku a spádu [2] Obrázek 18: Schéma Peltonovy turbíny a rychlostí vody na oběžném kole [9] Obrázek 19: Schéma Bánkiho turbíny [9] Obrázek 20: Tvary oběžných kol dle rychloběžnosti [3] Obrázek 21: Francisova horizontální turbína [6] Obrázek 22: Hydroagregát s Kaplanovou turbínou [11] Obrázek 23: Schéma turbíny Setur [9]