Dr h c prof Ing Michal Kolcun Ph

Dr. h. c. prof. Ing. Michal Kolcun, Ph. D. 1

Energia vodného toku: V histórii ľudstva vodná energia je najdlhšie technicky využívaným energetickým zdrojom. Je jedným z nevyčerpateľných (obnoviteľných) zdrojov energie. Voda v prírode je nositeľom mechanickej, tepelnej a chemickej energie => z hľadiska technického využitia má najväčší význam mechanická energia vodných tokov, neustále obnovovaných kolobehom vody v prírode. 2

Kolobeh vody na zemi 3

Vodná energia tokov je formou mechanickej energie, ktorá sa môže prejaviť ako: a) potenciálna energia - polohová => - tlaková => b) kinetická energia 4

Celkovú energiu riečneho toku tvorí : a) energia, ktorá sa spotrebuje na prekonanie odporu a) prúdenia vody b) energia, ktorá sa spotrebuje na deformáciu koryta b) c) energia, ktorá sa spotrebuje na odnášanie c) splavenín d) kinetická energia toku d) 5

Princíp činnosti vodných elektrární Vodné elektrárne fungujú na princípe premeny mechanickej energie vody na elektrickú energiu. Vodný prúd prechádza nepohyblivými rozvádzacími kanálmi turbíny a takto usmernený vodný prúd vteká do opačne zakrivených lopatiek obežného kolesa vodnej turbíny, roztáča tieto lopatky a odovzdáva im svoju mechanickú energiu. Mechanická energia vody sa mení na mechanickú energiu na hriadeli, tá sa následne mení pomocou elektrických generátorov na elektrickú energiu. Elektrický generátor s vysokou účinnosťou premieňa mechanickú energiu točiaceho sa hriadeľa na energiu elektrickú. 6

Vodné elektrárne

Principiálna schéma vodnej elektrárne 8

Vodné elektrárne využívajú kinetickú alebo potenciálnu energiu vodných tokov. Pre výkon vodného toku platí: Vodná elektráreň využíva v turbínach prietokový objem vod Qt. Spád, s ktorým pracujú vodné turbíny je vždy menší ako hrubý spád. Hrubý spád Hb je daný rozdielom vodných hladín na začiatku a na konci využívaného úseku rieky. Užitočný spád Hu je výškový rozdiel medzi celkovou výškou na vstupe a výstupe turbíny. 9

Výroba elektrickej energie vo vodnej elektrárni je doprevádzaná stratami, ktoré vznikajú ako v turbíne, tak aj v generátore. Odoberaný výkon zo svoriek alternátora je: 10

Vodné elektrárne je možné rozdeliť z rôznych hľadísk 1. Podľa koncepcie riešenia projektu využitia energie vodného toku rozoznávame dva charakteristické typy elektrární: a) riečne – voda privádzaná do turbíny neopúšťa koryto rieky, elektráreň je umiestnená na rieke b) derivačné – voda opúšťa pôvodné koryto rieky a k turbíne je privádzaná buď otvoreným kanálom, štôlňou, potrubím alebo šachtou 11

Schémy derivačných vodných elektrární: a) Otvorený kanál b) Tlakový kanál c) Štôlňa 12

Rozdelenie VE • Podľa koncepcie riešenia využitia vodného toku Riečne VE Derivačné VE

Rozdelenie VE • Podľa spôsobu akumulácie vody Prietočné VE Akumulačné VE

Rozdelenie VE • Podľa spôsobu akumulácie vody Prečerpávacie VE

2. Podľa veľkosti spádu rozoznávame : a) Nízkotlakové elektrárne, ktoré využívajú spád menší ako 20 m. Tieto elektrárne sú postavené väčšinou na hatiach (zdržiach). V elektrárni sú inštalované najčastejšie Kaplanové turbíny. b) Stredotlakové elektrárne, ktoré využívajú spád v rozmedzí b) 20 až 100 m. V elektrárni sú inštalované väčšinou Francisové turbíny, menej Kaplanové turbíny. c) Vysokotlakové elektrárne, ktoré využívajú spád v rozmedzí c) 100 až 200 m. Tieto elektrárne sú osadené buď niektorým typom Francisovej turbíny alebo Peltonovou turbínou. 16

3. Podľa spôsobu prevádzky a podľa spôsobu akumulácie energie: a) Prietočné vodné elektrárne sú charakteristické tým, že nemajú žiaden akumulačný priestor. Výkon elektrárne je závislý na okamžitom prietoku v rieke. Tieto sú budované na veľkých riekach s rovnomerným prietokom počas celého roka. Tento druh VE pracuje väčšinou do základnej časti denného diagramu zaťaženia. b) b) Akumulačné elektrárne s prirodzenou akumuláciou vody sú charakteristické tým, že majú k dispozícii zásobu vody v akumulačnej nádrži. Voda do nádrže priteká prirodzeným spôsobom. Sú budované priehradách na riekach. Spád u týchto elektrární býva stredný až vysoký. Pracujú ako špičkové alebo pološpičkové vodné elektrárne 17

c) Akumulačné elektrárne s umelou akumuláciou vody – c) prečerpávacie vodné elektrárne (PVE). PVE v čase zníženého zaťaženia elektrizačnej sústavy umelo akumulujú energiu vo forme vody a to prečerpávaním vody z dolnej nádrže do hornej akumulačnej nádrže. Zásoby vodnej energie v hornej nádrži sú využívané na výrobu elektriny počas energetickej špičky. 18

Časti vodného obsahu akumulačnej nádrže 19

Rez usporiadaním prečerpávacej vodnej elektrárne PVE majú veľký význam pri vyrovnávaní denného diagramu zaťaženia ES pri 20 čerpadlovej prevádzke v čase prebytku elektrickej energie v sústave.

Z hľadiska strojového usporiadania sa PVE konštruujú ako: 1. Štvorstrojové usporiadanie, ktoré je tvorené agregátmi turbína – generátor a motor – čerpadlo. Takéto riešenie je historicky najstaršie. 21

2. Trojstrojové usporiadanie, najčastejšie s vertikálnym 2. uložením je tvorené motor – generátorom, turbínou a čerpadlom. Turbína býva spojená s motor – generátorom pevnou spojkou a s akumulačným čerpadlom výsuvnou zubovou spojkou. Takto je riešená napr. PVE Čierny Váh. 22

Príklad PVE v trojstrojovom usporiadaní 23

3. Dvojstrojové usporiadanie je tvorené motor – generátorom 3. a reverzibilnou turbínou. Reverzibilná turbína pri točení do jedného smeru pracuje ako turbína, pri točení do druhého smeru pracuje ako čerpadlo. Takto je riešený napr. PVE Ružín a s frekvenčným rozbehom PVE Liptovská Mara. 24

Dielčie straty a celková účinnost PVE (energetická bilancia prečerpávacieho cyklu). 25

Súčasná úroveň techniky a technológie umožňuje realizovať vo vodných elektrárňach výrobný proces s vlastnosťami, ktoré sú špecifické práve len pre vodné elektrárne: Ø Ø Ø Ø vysoká účinnosť premeny primárnej energie na elektrickú energiu vysoká operatívnosť a manévrovateľnosť, to znamená možnosť poskytovania podporných služieb pre ES ekologická nezávadnosť technologického procesu vysoká spoľahlivosť prevádzky a jej bezpečnosť plná automatizovateľnosť procesu, možnosť úplnej bezobslužnej prevádzky a diaľkového riadenia vysoká životnosť technologického zariadenia i celej elektrárne pri neobmedzenej životnosti primárneho energetického zdroja nízka energetická náročnosť celého procesu popri turbínovej a prečerpávacej prevádzke aj možnosť kompenzácie 26

Vodné turbíny Ø slúžia na pohon generátorov vo vodných elektrárňach Vodné turbíny rozdeľujeme podľa: a) prenosu energie na obežné koleso: - rovnotlakové turbíny, v ktorých sa celá energia vody mení už v rozvádzacích kanáloch na energiu kinetickú (najmä Peltonové a Bánkiho turbíny), - pretlakové turbíny, v ktorých sa v kanáloch rozvádzacieho kolesa mení len časť polohovej energie vody na kinetickú energiu, pričom ostávajúca časť polohovej energie sa premieňa na energiu kinetickú až pri prechode vody obežným kolesom (najmä Kaplanova, Francisova, vrtuľová turbína a iné. ), 27

b) smeru prúdenia vody cez obežné koleso vzhľadom na hriadeľ: - radiálne odstredivé (centrifugálne) s vnútorným vtokom vody - voda preteká medzi lopatkami obežného kola smerom od hriadeľa (napr. Furnieronova turbína) - radiálne dostredivé s vonkajším vtokom vody - voda preteká medzi lopatkami obežného kolesa smerom k hriadeľu (napr. Historická Francisova turbína) - axiálne - voda preteká lopatkami obežného kolesa zhruba v rovnakej vzdialenosti od jeho osi (napr. turbína Kaplanova, vrtuľová) - radiálne axiálne - voda preteká obežným kolesom radiálne (kolmo na os) a ďalej mení smer na približne rovnobežný s osou (napr. Moderná Francisova turbína) - diagonálne - voda preteká obežným kolesom šikmo k hriadeľu (napr. Deriazova turbína) 28

- so šikmým prietokom - voda vteká na lopatky obežného kola z bočnej strany a vystupuje rovnobežne s osou - tangenciálne - voda prúdi na lopatky obežného kolesa v smere dotyčnice ku kružnici so stredom na osi rotácie kolesa (napr. turbína Peltonova) - s dvojnásobným prietokom - voda vstupuje dostredivo a vystupuje odstredivo (napr. Bánkiho turbína) c) podľa polohy hriadeľa: - vertikálne (prevažná väčšina všetkých typov turbín okrem priamoprúdových) - horizontálne (najmä väčšie turbíny priamoprúdové) - šikmé (menšie turbíny priamoprúdové) 29

Najpoužívanejšie typy vodných turbín Ø Turbíny vrtuľová a Kaplanova sa najviac hodia pre inštaláciu u MVE. Sú to najrýchlobežnejšie a rozmerovo najmenšie turbíny, 30 ktoré majú dobrú účinnosť.

Bánkiho turbína 31

Francisova vertikálna turbína 32

Peltonova turbína 33

Kaplanova turbína typu Semi. Kaplan 34

čím je turbína konštruovaná na väčší výkon, tým má spravidla väčšie rozmery a je relatívne lepšie opracovaná Ø celkovú účinnosť turbíny ηt je možné definovať ako pomer skutočného užitočného výkonu turbíny P (meraného na hriadeli turbíny) k teoretickému bezstratovému výkonu P 0, ktorý odpovedá objemovému prietoku vody Q a príslušnému spádu H pri odpočítaní strát ostatných prvkov vodnej cesty Ø Závislosť dosiahnuteľnej účinnosti na výkone turbíny 35

Závislosť účinnosti turbín na prietoku D - diagonálna turbína K 1 - Kaplanova turbína F 1 - Francisova turbína pomalobežná F 2 - Francisova turbína normálna F 3 - Francisova turbína rychlobežná K 2 - Kaplanova turbína regulácia je len na rozvádzači P - Propelerová turbína s pevnými lopatkovými mrežami 36

Výkon vodnej elektrárne pri premenlivom spáde Ø Pri nízkotlakových elektrárňach môže spád kolísať v závislosti od prietoku. Ø Pri veľkých prietokoch tak môže klesať k veľmi malým hodnotám. Ø Z obrázku je vidieť, že najvyšší výkon je dosiahnutý pri optimálnej hodnote prietoku. Ø Pri maximálnom prietoku klesá spád skoro na štvrtinu pôvodnej hodnoty spádu pri malých prietokoch. 37

Účinnosti najčastejšie používaných turbín v závislosti na špecifických otáčkach ns Ako vyplýva z vyššie uvedeného, výkon vodného diela závisí predovšetkým od prietoku a spádu. Ak sa mení prietok pri rovnakom spáde, je závislosť výkonu na prietoku lineárna, priamková => platí iba pri veľkých dielach s veľkým rozdielom hladín, kde kolísanie hladiny príliš neovplyvňuje celkový spád. 38

Oblasť použitia základných typov turbín 39

Malé vodné elektrárne Podľa STN 75 0128 Vodné hospodárstvo - sa za malé vodné STN 75 0128 Vodné hospodárstvo elektrárne (MVE) považujú vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW. Podľa tejto normy sa ďalej MVE delia na: a) domáce elektrárne s inštalovaným výkonom do 35 k. W, b) mikroelektrárne s inštalovaným výkonom od 35 k. W do 100 k. W, c) minielektrárne s inštalovaným výkonom od 100 k. W do 1 000 k. W, d) priemyslové elektrárne s inštalovaným výkonom od 1 MW do 10 MW. 40

STN 73 6881 rozdeľuje vodné elektrárne podľa STN 73 6881 dosiahnuteľného výkonu na: Podľa veľkosti spádu sa MVE delia tiež na: • nízkotlakové (so spádom do 20 m) - budované najčastejšie, • strednotlakové (so spádom do 100 m) - budované menej často, • vysokotlakové (so spádom nad 100 m) - budované výnimočne. 41

MVE rozčleňujeme podľa veľkosti spádu aj na: 1. Prietočné a) priehradové, spád je vytvorený priehradou => málo využívané na Slovensku – vzhľadom na ekonomiku výstavby b) haťové (zdržové), u ktorých je spád vytvorený haťou, najčastejšie pracujú ako prietočné - tzn. nepretržite. Pri dostatočnom objeme zdrže pracujú aj ako regulačné. Tento typ MVE je z hľadiska vplyvu na prietokové pomery najvhodnejší, c) derivačné, pri ktorých sa využíva spád získaný vedením vody v tlakovej derivácii (potrubie, tlaková štôlňa) d) alebo v derivácii s voľnou hladinou (otvorené derivačné kanály). Vzhľadom k tomu, že toto riešenie je investične náročné, uplatňuje sa zriedkavo. 2. akumulačné (s prirodzenou alebo umelou akumuláciou) 3. tie, ktoré využívajú vodnú energiu na privádzačoch budovaných pre iné účely (vodárenské privádzače, odbery a odpady technologickej vody). 42

Niektoré typy turbín používaných pre MVE: 43

Hlavné objekty MVE vtokový objekt, jeho úlohou je zabezpečiť dostatočný prítok vody zo zdrže alebo nádrže do privádzača, ktorý vedie vodu do elektrárne. Bezprostredne nadväzuje na vodný tok privádzač a odpad, ktoré sú z hľadiska ich funkcie buď beztlakové (náhon, kanál, štôlňa s voľnou hladinou) alebo tlakové (potrubie, štôlňa, šachta), tvoria podstatnú časť investičných nákladov pri výstavbe MVE beztlakové privádzače sú zvyčajne lacnejšie ako tlakové a obvykle sa navrhujú tam, kde to situácia a poloha MVE dovoľujú výrobné objekty - strojovňa, rozvodňa, príp. iné objekty, strojovňa je objekt, v ktorom je umiestnené základné technologické zariadenie potrebné na výrobu elektriny a na zabezpečenie prevádzky MVE, elektrotechnické zariadenia MVE, vrátane vyvedenia výkonu do verejnej elektrickej siete. 44

Výhody MVE: a) jednoduchosť, spoľahlivosť, dlhá životnosť, nízke prevádzkové náklady, b) úspory elektrickej energie; obmedzenie strát, ktoré vznikajú pri prenose zo vzdialenejšieho zdroja do miesta, ktoré napája MVE, c) rozptýlenosť po celom území SR, čo je výhodné pre elektrizačnú sústavu, d) vhodnou voľbou lokality nemusí dôjsť k narušeniu životného prostredia - výroba elektrické energie v tomto zdroji je ekologicky čistá, e) iné vodohospodárske funkcie, ktoré obvykle zabezpečuje vodné dielo MVE. 45

46

47

VE Gabčíkovo 48

The Three Gorges Dam, Yangtze river in China 49

Water power plant Itaipu Binational, Parana river, Brazil and Paraguay 50

Parameters Itaipu Three Gorges Number of turbines 20 Francis (700 MW) 32 Francis (700 MW) Turbine diameter (m) 8. 6 9. 7 Maximum power (GW) 14 22. 4 Electricity generation (TWh/year) 93 100 Discharge capacity (m 3/s) 62, 200 102, 500 Reservoir length (km) 170 600 Reservoir surface area (km 2) 1, 350 1, 084 Dam wall length (m) 7, 700 2, 309 Dam wall elevation (m) 196 181 Relocation of residents (mil. ) 1. 24 4 51

Prílivová elektráreň 52

Prílivové elektrárne 53

Elektráreň na využitie energie morských vĺn v Portugalsku s inštalovaným výkonom až 2, 25 MW 55

Vizualizácia elektrárne na využitie podmorských prúdov pri pobreží Škótska 56

57