|
Getting your Trinity Audio player ready...
|
Vodní elektrárna je zařízení, které využívá energii vody k výrobě elektrické energie. Vodní turbína je stroj, který přeměňuje tlakovou nebo kinetickou energii vody na mechanickou energii, která se pak přenáší na elektrický generátor. Existuje několik typů vodních elektráren a vodních turbín, které se liší podle způsobu využití vodního toku, spádu, výkonu, konstrukce a dalších parametrů. V následujícím článku se pokusím popsat některé z nich a jejich rozdíly.
Typy vodních elektráren
Podle způsobu využití vodního toku se vodní elektrárny dělí na:
- Průtočné vodní elektrárny – využívají energii vody, která protéká přirozeným nebo umělým korytem. Nemají žádnou nebo jen malou akumulační nádrž a pracují v závislosti na průtoku a spádu vody. Jsou vhodné pro řeky s pravidelným a dostatečným průtokem. Příkladem průtočné vodní elektrárny je vodní elektrárna Střekov na Labi, která má výkon 19,5 MW a výrobu 96 GWh ročně. Průtočné vodní elektrárny můžeme dále dělit na jezové a derivační vodní elektrárny.
- Akumulační vodní elektrárny – využívají energii vody, která je shromažďována v přehradní nádrži. Mají větší akumulační kapacitu a mohou regulovat výkon a výrobu podle potřeby. Jsou vhodné pro řeky s nepravidelným nebo nedostatečným průtokem. Příkladem akumulační vodní elektrárny je vodní elektrárna Orlík na Vltavě, která má výkon 364 MW a výrobu 300 GWh ročně.
- Přečerpávací vodní elektrárny – Jedná se o podskupinu akumulačních vodních elektráren. Využívají energii vody, která je přečerpávána mezi dvěma nádržemi na různých výškových úrovních. V době nízké spotřeby elektrické energie čerpají vodu z dolní nádrže do horní nádrže, kde je akumulována. V době vysoké spotřeby elektrické energie nechají vodu z horní nádrže protékat turbínami do dolní nádrže, kde je vyráběna elektrická energie. Jsou vhodné pro vyrovnávání výkyvů v poptávce po elektrické energii. Příkladem přečerpávací vodní elektrárny je vodní elektrárna Dlouhé stráně v Jeseníkách, která má výkon 650 MW a výrobu 403 GWh ročně.
- Přílivová vodní elektrárny (slapové) – využívají energii vody, která je ovlivňována pohybem Měsíce a Slunce kolem Země. Využívají rozdílu hladiny moře mezi přílivem a odlivem. Jsou vhodné pro pobřežní oblasti s velkým rozdílem mezi přílivem a odlivem. Příkladem slapové vodní elektrárny je vodní elektrárna La Rance ve Francii, která má výkon 240 MW a výrobu 600 GWh ročně.
Dále se vodní elektrárny mohou dělit podle celkového výkonu nebo podle tlaku vody pro pohánění vodních turbín.
Typy vodních turbín
Podle způsobu předání energie vody na oběžné kolo turbíny se vodní turbíny dělí na:
- Rovnotlaké (impulsní) turbíny – využívají kinetickou energii vody, která je urychlena v rozváděcím zařízení a dopadá na lopatky oběžného kola. Tlak vody se za oběžným kolem nemění. Jsou vhodné pro vysoké spády a malé průtoky. Příkladem rovnotlaké turbíny je Peltonova turbína, která má jednoduchou konstrukci a vysokou účinnost. Skládá se z trysky, která vytváří tenký vodní proud, a oběžného kola, které má tvar lžíce. Voda dopadá na lopatky oběžného kola a odráží se zpět. Tím se předává impuls oběžnému kolu a voda odchází s malou rychlostí.
- Přetlakové (reakční) turbíny – využívají tlakovou energii vody, která je částečně přeměněna na kinetickou energii v rozváděcím zařízení a zbytek se přeměňuje na kinetickou energii oběžného kola. Tlak vody se za oběžným kolem snižuje. Jsou vhodné pro nízké a střední spády a velké průtoky. Příkladem přetlakové turbíny je Kaplanova turbína, která je podobná lodnímu šroubu. Skládá se z rozváděcího kola, které usměrňuje vodu na oběžné kolo, a oběžného kola, které má nastavitelné lopatky. Voda prochází oběžným kolem a pohání ho. Tím se předává tlaková a kinetická energie oběžnému kolu a voda odchází s malou rychlostí. Dalším typem přetlakové turbíny je Francisova turbína
V další části si popíšeme některé vodní turbíny:
Francisova turbína:
Princip fungování:
- Francisova turbína je přetlaková turbína, tzn. voda mění tlak během průchodu turbínou a uvolňuje tak energii.
- Voda prochází rozváděcími lopatkami, které ji usměrňují na rotor (oběžné kolo).
- Vstupní potrubí se zužuje, čímž se zvyšuje rychlost vody.
- Rotační rychlost vody se v rotoru snižuje, čímž se předává energie hřídeli turbíny.
- Vysoký tlak vody a změna její rychlosti přispívají k vysoké účinnosti turbíny.
Typy:
- Podle uložení hřídele:
- Vertikální
- Horizontální
Použití:
- Francisovy turbíny se nejčastěji používají pro výrobu elektrické energie v hydroelektrárnách.
- Jsou vhodné pro široký rozsah průtoků a spádů.
Výhody:
- Vysoká účinnost
- Široký rozsah použití
- Relativně jednoduchá konstrukce
Nevýhody:
- Vyšší výrobní náklady než u Peltonových turbín
- Nižší účinnost v extrémních podmínkách (velmi nízké nebo vysoké spády)
Peltonova turbína
Princip fungování:
- Peltonova turbína je rovnotlaká turbína, tzn. tlak vody se během průchodu turbínou nemění.
- Voda pod vysokým tlakem proudí z trysek tangenciálně na lopatky oběžného kola lžičkovitého tvaru.
- Tvar lopatek mění směr toku vody a tím ji nutí otáčet kolem.
- Voda odevzdává svou kinetickou energii rotoru turbíny.
- Díky vysokému tlaku vody a efektivnímu přenosu energie je Peltonova turbína velmi účinná (až 95% u velkých turbín).
Vlastnosti:
- Vhodná pro vysoký spád a malý průtok vody
- Vyrábí se v široké škále velikostí, od malých vodních elektráren až po velké elektrárny s výkonem až 200 MW
- Relativně jednoduchá konstrukce
- Nízké nároky na údržbu
Použití:
- Peltonovy turbíny se nejčastěji používají ve vodních elektrárnách v horských oblastech s velkým převýšením.
- Vhodné i pro mikro vodní elektrárny.
Výhody:
- Vysoká účinnost
- Široký rozsah použití
- Relativně jednoduchá konstrukce
- Nízké nároky na údržbu
Nevýhody:
- Nižší účinnost oproti Francisovým turbínám u nízkých spádů
- Nevhodné pro velké průtoky vody
Kaplanova turbína
- Kaplanova turbína je přetlaková axiální turbína, to znamená, že voda mění tlak i směr během průchodu turbínou a uvolňuje tak energii.
- Voda prochází rozváděcími lopatkami, které ji usměrňují na rotor (oběžné kolo).
- Vstupní potrubí se zužuje, čímž se zvyšuje rychlost vody.
- Rotační rychlost vody se v rotoru snižuje, čímž se předává energie hřídeli turbíny.
- Vysoký tlak vody a změna její rychlosti a směru přispívají k vysoké účinnosti turbíny.
- Náklon lopatek rozváděcího i oběžného kola se dá regulovat, čímž se turbína přizpůsobuje měnícím se průtokům a spádům.
Vlastnosti:
- Vysoká účinnost, až 95%
- Schopnost pracovat s proměnlivým průtokem a spádem
- Široký rozsah použití: od 1 do 70,5 m spádu a od 0,15 do stovek m3/s průtoku
- Relativně složitá a drahá konstrukce
Použití:
- Kaplanovy turbíny se nejčastěji používají ve vodních elektrárnách v oblastech s nízkým až středním spádem a s proměnlivým průtokem vody.
- Jsou vhodné i pro velké vodní elektrárny
Výhody:
- Vysoká účinnost i při proměnlivých podmínkách
- Široký rozsah použití
- Možnost regulace výkonu
Nevýhody:
- Složitá a drahá konstrukce
- Nižší účinnost než Peltonovy turbíny u nízkých spádů
Bánkiho turbína
Princip fungování:
Bánkiho turbína je rovnotlaká vodní turbína, tzn. tlak vody se během průchodu turbínou nemění. Voda prochází tangenciálně na lopatky oběžného kola a mění směr proudění, čímž předává turbíně energii. Specifická konstrukce lopatek umožňuje obtékání ve dvou směrech, což zvyšuje účinnost a samočisticí schopnost turbíny.
Vlastnosti:
- Jednoduchá konstrukce
- Nízké nároky na údržbu
- Samočisticí schopnost
- Vysoká účinnost (70-85%)
- Vhodná pro nízké spády a malé průtoky
Použití:
- Malé vodní elektrárny
- Mlýny
- Čerpací stanice
- Závlahové systémy
Výhody:
- Jednoduchá a robustní konstrukce
- Nízké výrobní a provozní náklady
- Vhodná pro širokou škálu aplikací
- Samočisticí schopnost
Nevýhody:
- Nižší účinnost než u jiných typů turbín u velkých průtoků a spádů
- Omezený rozsah použití
Vírová vodní turbína
Princip fungování:
- Voda proudí do nádrže přes přívodní potrubí.
- Speciálně navržený tvar nádrže a uspořádání trysek vytváří vír.
- Voda vchází do vírové turbíny tangenciálně, čímž předává turbíně kinetickou energii.
- Turbina otáčí generátorem, který vyrábí elektřinu.
- Voda z turbíny vytéká z nádrže odpadním potrubím.
Výhody vírových elektráren:
- Obnovitelný zdroj energie: Vírové elektrárny využívají obnovitelný zdroj energie – vodu – a neprodukují žádné emise skleníkových plynů.
- Nízké dopady na životní prostředí: Vírové elektrárny mají relativně nízké dopady na životní prostředí ve srovnání s jinými typy elektráren.
- Vhodné pro nízké spády: Vírové elektrárny mohou pracovat i s nízkými spády, které nejsou vhodné pro jiné typy vodních elektráren.
- Relativně jednoduchá konstrukce: Vírové elektrárny mají relativně jednoduchou konstrukci ve srovnání s jinými typy vodních elektráren.
Nevýhody vírových elektráren:
- Nižší účinnost: Vírové elektrárny mají obvykle nižší účinnost než Francisovy, Kaplanovy nebo Peltonovy turbíny.
- Náchylnost k zanášení: Vstupní otvory vírových turbín mohou být náchylné k zanášení sedimenty a jinými nečistotami.
- Vyšší náklady na údržbu: Vírové elektrárny mohou mít vyšší náklady na údržbu než jiné typy vodních elektráren.
Příklady vírových elektráren:
- Vírová elektrárna Želina: Tato elektrárna se nachází v České republice a má výkon 1,5 MW. Je to první komerční vírová elektrárna na světě.
- Vírová elektrárna Oostmalle: Tato elektrárna se nachází v Belgii a má výkon 350 kW.
- Vírová elektrárna Sihwa: Tato elektrárna se nachází v Jižní Koreji a má výkon 500 kW.
Vírové elektrárny jsou slibnou technologií pro výrobu energie z obnovitelných zdrojů. Mají potenciál přispět k udržitelnějšímu energetickému systému a snižovat emise skleníkových plynů.
O jednom typu vírové vodní turbíny jsme napsali v minulosti samostatný článek zde: https://oze-info.cz/virova-vodni-elektrarna/. Účinnost vírové turbíny může být až 85%. Více informací najdete v následující přednášce:
Teslova turbína
Bezlopatková turbína, která je založena na principu tření mezi kapalinou a sadou disků. Účinnost této turbíny se neuvádí, princip pochopíte více na následujícím videu:
Další typy vodních turbín:
Fourneyronova turbína
Dériazova turbína
Savoniova turbína
Davisova turbína
Turgo turbína
turbína SETUR
Henckelova turbína
Zupingerova turbína
Girardova turbína
Zotlötererova turbína
Vírová turbína Františka Pochylého
Vírová turbína Bedřicha Kašpaříka
HONE turbína
a další
Graf účinnost vodních turbín:
Podrobněji o vodních turbínách se dozvíte například v tomto videu:
Budoucnost vodních elektráren
Vodní elektrárny a vodní turbíny jsou důležitými zdroji obnovitelné energie, které využívají sílu vody k výrobě elektrické energie. Existuje mnoho typů vodních elektráren a vodních turbín, které se liší podle způsobu využití vodního toku, spádu, výkonu, konstrukce a dalších parametrů. V tomto článku jsme se seznámili s některými z nich a jejich rozdíly. V minulosti byly malé vodní elektrárny hlavním zdrojem elektrické energie. Malé vodní elektrárny postupem času nestačili na poptávku po elektrické energii a nahradily je jiné zdroje elektrické energie. Při současné větší poptávce po obnovitelných zdrojích je potřeba oživit myšlenku malých vodních elektráren, které mohou vznikat nejen na našich větších řekách ale i na menších tocích. V současnosti našich končinách vzniká jen velmi málo nových projektů pro využití vodních zdrojů, ale uvažuje se nad vybudováním přečerpávacích elektráren pro uchování energie z jiných obnovitelných zdrojů.
Zdroje:
https://www.ahecr.cz/princip-rozdeleni-vodnich-elektraren-v-cr
https://publi.cz/books/90/13.html
http://hgf10.vsb.cz/546/VHZ3/vodni_turbiny.html
https://www.ekowatt.cz/uspory/vodni-energie.shtml
English 
Czech
Přidejte odpověď
You must be logged in to post a comment.