TRADIČNÉ A NETRADIČNÉ ZDROJE ENERGIE

vod1.jpg (19110 bytes)

vodné elektrárne-technológia

typy vodných elekrární

základné časty vodných elektrární

typy vodných turbín

malé vodné elektrárne-MVE

mikro turbíny

určenie spádu

určenie prietoku

stanovenie výkonu

prílivové elektrárne

VODA

Voda je na Zemi a v jej atmosfére v neustálom pohybe. V dôsledku aktivity Slnka sa odparuje z vodných plôch, vytvára oblaky pary a padá k Zemi vo forme dažďa alebo snehu. Energia tohto vodného cyklu je veľmi účinne využívaná vodnými elektrárňami alebo vodou poháňanými mechanickými dielami. Najnovšie technológie výroby elektriny z vody sú založené na využití morského prílivu, morských vĺn alebo teplotného rozdielu vody v oceánoch. Z uvedených typov vodnej energie len energia morského prílivu nie je výsledkom aktivity Slnka, ale je spôsobovaná príťažlivou silou Mesiaca. Energia morských vĺn je priamym dôsledkom sily vetra, ktorý je spôsobovaný činnosťou Slnka.

Kolobeh vody v prírode.

vod2.jpg (9662 bytes)

Napriek tomu, že existuje viacero spôsobov ako využívať energiu vody, najrozšírenejšia je výroba elektriny vo vodných elektrárňach. Výhodou tejto výroby je, že je to obnoviteľný energetický zdroj nespôsobujúci emisie škodlivín do ovzdušia a navyše je možné ho využiť na okamžité pokrytie spotreby t.j. v čase kedy to je potrebné. Nevýhodou sú však vysoké investičné náklady na výstavbu a tiež aj negatívne dopady na okolité životné prostredie, hlavne v prípade veľkých vodných diel.

vod3.jpg (22715 bytes)

Potenciál vodnej energie na ktoromkoľvek mieste je daný dvoma veličinami: množstvom vody (prietok) pretekajúcim za jednotku času a vertikálnou výškou spádu vody. Spád môže byť prirodzený v dôsledku sklonu terénu alebo môže byť umelo vytvorený napr. priehradou. Výška spádu na rozdiel od prietoku vody je nemenná. Prietok sa mení v dôsledku premenlivej intenzity, rozloženia a trvania zrážok. Okrem toho závisí aj na odparovaní alebo infiltrácii do zeme.

Z pohľadu elektrárenských spoločností je vodná energia z pomedzi všetkých obnoviteľných energetických zdrojov najžiadanejším zdrojom. Súvisí to s tým, že poskytuje možnosť vybudovania veľkých výkonov.

Najväčší potenciál je v Afrike a Ázii. Pozoruhodné je, že niektoré krajiny ako napr. Nórsko si pokrývajú celú svoju spotrebu elektriny výhradne z vodných elektrární. V iných krajinách je však vzhľadom na potenciálne negatívne dopady na životné prostredie výstavba veľkých vodných elektrární zakázaná (Švédsko).

Celosvetová inštalovaná kapacita vo vodných elektrárňach je asi 630000 MW.

VODNÉ ELEKTRÁRNE - TECHNOLÓGIA

image008.jpg (12881 bytes) Turbíny vodnej elektrárne v Itaipu.

Vo vodných elektrárňach sa kinetická energia vody dopadajúcej na turbínu mení na elektrickú energiu v generátore prúdu. Turbína aj generátor bývajú zvyčajne umiestnené v blízkosti priehrady (veľké vodné elektrárne) alebo využívajú privádzač vody prenášajúci tlak vody na turbínu. Výkon vodnej elektrárne sa bežne pohybuje od niekoľkých wattov do niekoľko sto MW. Účinnosť turbíny je na úrovni 96 %. Takáto hodnota je až dvojnásobne vyššia ako účinnosť moderných elektrární na fosílne palivá. Súvisí to s tým, že kinetickú energiu padajúcej vody je možné oveľa jednoduchšie premeniť na mechanickú energiu poháňajúcu generátor. Zariadenia využívajúce vodnú energiu sú na vysokej technickej úrovni, bývajú jednoduché a veľmi spoľahlivé. Keďže pri ich prevádzke nedochádza k spaľovaniu a uvoľňovaniu veľkého množstva tepla zariadenia majú dlhú životnosť a ich poruchovosť býva zriedkavá. Doba životnosti presahuje viac ako 50 rokov a často sú v prevádzke takmer 100 rokov napríklad malá vodná elektráreň v Jasení na Slovensku pracuje spoľahlivo už od roku 1924.

Principiálna schéma vodnej elektrárne

vod4.jpg (25615 bytes)

TYPY VODNÝCH ELEKTRÁRNÍ

Rozdelenie vodných elektrární na malé a veľké je vo svete zaužívané, pričom sa rešpektuje, že elektrárne s výkonom viac ako 10 MW sa označujú ako veľké a ostatné sú malé. Aj medzi malými vodnými elektrárňami však existuje isté delenie. Z hľadiska svojej činnosti je vodné elektrárne možné rozdeliť na dva základné typy: konvenčné a prečerpávacie. Iné rozdelenie súvisí napr. s typom turbíny (Kaplanova, Peltonova, Francisova a i.) alebo s výškou spádu (nízky, stredný a vysoký spád).

Konvenčné (bežné) vodné elektrárne

Využívajú na svoju prevádzku energiu vody z rieky, prívodného kanála, alebo nádrže. Tieto elektrárne sa delia na elektrárne so záchytnou nádržou vody a elektrárne, ktoré využívajú len časť vody z rieky privádzanú k nej osobitným kanálom. Voda môže byť k turbíne privádzaná buď v čase potreby výroby elektriny alebo priebežne.

Prečerpávacie vodné elektrárne

Sú dôležitou súčasťou elektrizačnej sústavy. Využívajú jednoduchý princíp využívajúc dve navzájom prepojené vodné nádrže (vyššie a nižšie položenú). Voda skladovaná vo vyššie položenej nádrži je zásobárňou potenciálnej energie. Počas obdobia s vysokou spotrebou elektrickej energie sa voda z vyššej nádrže vypúšťa kanálom do spodnej nádrže, pričom prechádza cez turbínu elektrárne (výroba elektriny). V čase, keď spotreba elektriny v sieti je nízka, prečerpáva sa voda zo spodnej do hornej nádrže, pričom sa energia spotrebováva. Toto prebieha zvyčajne v noci. Hoci prečerpávacie vodné elektrárne viac elektriny spotrebujú ako jej vyrobia, sú pre elektrárenské spoločnosti neoceniteľné vzhľadom na schopnosť výroby elektriny prakticky okamžite v čase kedy si to záťaž elektrickej siete vyžaduje. Súvisí to s tým, že v elektrárňach pracujúcich v základnom zaťažení (napr. jadrové elektrárne) nie je možné okamžité zvyšovanie alebo znižovanie výkonu podľa potreby. Navyše tzv. špičková elektrina (vyrábaná v čase maximálnej spotreby) je oveľa drahšia ako elektrina vyrábaná v základnom zaťažení.

ZÁKLADNÉ ČASTI VODNÝCH ELEKTRÁRNÍ

Väčšina konvenčných vodných elektrární pozostáva z nasledujúcich častí:

Priehrada, ktorá reguluje prítok a vytvára potrebný spád vody. Priehradné jazero je formou uskladnenej energie. Niektoré vodné elektrárne využívajú namiesto priehrady privádzací kanál, ktorý odvádza vodu z vodného toku k turbíne.

Turbína, ktorá sa otáča v dôsledku tlaku vody dopadajúcej na jej lopatky.

Generátor, ktorý je pripojený k turbíne a vyrába elektrickú energiu.

Transformátor, ktorý mení elektrickú energiu vyrobenú generátorom na napätie využiteľné v elektrickej sieti.

Schéma vodnej elektrárne.

image011.gif (25292 bytes)

TYPY VODNÝCH TURBÍN

Najstarším typom vodnej turbíny je vodné kolo, ktoré je poháňané prirodzeným spádom vody. Na výrobu sa využívajú turbíny vyrobené z kovu a na rozdiel od vodných kôl sa otáčajú veľkými rýchlosťami. Takéto turbíny sa objavili koncom 19. storočia.

Podľa spôsobu využitia sa turbíny delia na :

	rovnotlaké (Bankiho, Peltonova)
	pretlakové (Kaplanova, Francisova)

BANKIHO TURBÍNA - okolo roku 1920 bol tento typ turbíny rozšírený po celej Európe. Hlavnou črtou tejto turbíny je, že voda dopadá na lopatky dvakrát pri vstupe aj pri výstupe. Takéto využitie však nemá žiadny zvláštny význam s výnimkou toho, že voda je veľmi účinne a jednoducho vypúšťaná z turbíny. Bankiho turbíny sa uplatňujú už pri spádoch vody nižších ako 2 metre alebo dosahujúcich výšku až 100 metrov. Môžu využívať veľkú rôznorodosť prietokov, a to pri konštantnom priemere turbíny tým, že sa mení veľkosť vstupu vody a šírka obežného kola (rotora). Pomer šírky a priemeru rotora sa pohybuje od 0,2 do 4,5. Vzhľadom na nízku cenu a jednoduchú obsluhu sa tieto turbíny veľmi dobre uplatňujú v malých vodných elektrárňach.

image013.gif (8502 bytes)

PELTONOVA TURBÍNA - v konštrukcii Peltonovej turbíny je zabudovaný princíp starého vodného kola. Používa v prípadoch kedy je k dispozícii veľký spád vody (viac ako 40 m). Používa sa do spádov s výškou až 2000 m. Maximálny výkon Peltonových turbín sa dnes pohybuje okolo 200 MW. Prvú turbínu tohto typu skonštruoval Američan Pelton v roku 1880. Turbína sa umiestňuje nad hladinu výpuste vody, čím dochádza k strate spádu, avšak zabraňuje to zaplaveniu turbíny. Z hľadiska konštrukcie existuje viacero modifikácií týchto turbín prispôsobených pre daný prietok a spád vody.

FRANCISOVA TURBÍNA - francisova turbína sa veľmi často využíva v malých vodných elektrárňach. Podstatným rozdielom v porovnaní s Peltonovou turbínou je, že Francisova turbína je úplne ponorená vo vode. Voda sa vypúšťa otvorom v strede turbíny. Bežne sa tento typ turbíny používa pre spády od 30 do 700 metrov, pričom najväčšia Francisova turbína má výkon až 800 MW

image015.gif (8387 bytes)

KAPLANOVA TURBÍNA - pre veľmi nízky spád a vysoký prietok vody sa bežne používa turbína typu Kaplan. Touto turbínou voda preteká tak, že zasahuje maximálnu plochu lopatiek. Preto sa tieto turbíny používajú pre veľmi veľké prietoky a spády pre niekoľko málo metrov. Toto umožňuje rýchle otáčky aj pri relatívne nízkej rýchlosti prietoku. Kaplanove turbíny svojou konštrukciou relatívne veľké.

image024.gif (12141 bytes)

SPODNÉ VODY

Je dôležitou zložkou ekosystému hlavne z hľadiska zabezpečenia dostatku pitnej vody. Vytvorenie priehradného jazera má zvyčajne veľký vplyv na úroveň spodnej vody. V týchto oblastiach môže preto postupne dochádzať k zhoršovaniu kvality pitnej vody.

MALÉ VODNÉ ELEKTRÁRNE (MVE)

Sú charakteristické tým, že ich výstavba a prevádzka zvyčajne nie je spojená s negatívnymi dopadmi na životné prostredie. Podobne ako veľké vodné elektrárne aj MVE sa vyznačujú vysokou účinnosťou využitia vodnej energie. Navyše majú výhodu v tom, že sú tzv. decentralizovaným zdrojom energie. Tým že ich je možné inštalovať v odľahlých oblastiach, poskytujú možnosti rozvoja a často aj energetickej sebestačnosti hlavne na vidieku.

V prípade dostatku energie vyrobenej malou vodnou elektrárňou je možné použiť aj zariadenie (menič) na zmenu jednosmerného prúdu vyrábaného MVE na striedavý, ktorý využíva väčšina bežných elektrospotrebičov. MVE sa vyznačujú veľkou rôznorodosťou v konštrukcii, ktorá zohľadňuje miestne podmienky ako sú spád a prietok vody. MVE s vysokým spádom sú bežné v horských oblastiach a keďže na dosiahnutie daného výkonu potrebujú menšie prietoky vody ako MVE s malým spádom, sú zvyčajne aj lacnejšie. MVE s nízkymi spádmi vody sa budujú v údoliach.

Väčšina MVE si vyžaduje prívodný kanál alebo potrubie odvádzajúce vodu z vodného toku. Aby nedošlo k zaneseniu alebo poškodeniu turbíny, voda zvyčajne prechádza cez filter. Prívod vody sa umiestňuje mimo hlavného toku (rieka, potok), aby v prípade vysokého stavu vody nedošlo k vysokému tlaku na turbínu.

Malá vodná elektráreň s vysokým spádom

image025.jpg (18693 bytes)

MIKRO TURBÍNY

Ako mikro turbíny sa často označujú zariadenia s výkonom menším ako 1000 W. Mikro turbíny sa umiestňujú v miestach, kde je buď nízky spád alebo prietok vody (resp. oboje). Typická mikro vodná elektráreň využíva časť vodného toku p0rivádzanú do zásobníka vody. Mikro turbíny sa dodávajú v dvoch prevedeniach: s využitím alternátora alebo s využitím permanentného magnetu. Väčšie systémy majú tiež elektronickú reguláciu, ktorá zabraňuje pretočeniu turbíny pri väčších otáčkach a chráni ju pred poškodením (opotrebovaním jej častí).

Veľký počet mikro turbín je inštalovaný v Nepále.

image028.jpg (31745 bytes)

URČENIE SPÁDU

Pri určovaní spádu je potrebné si uvedomiť rozdiel medzi hrubým statickým a čistým dynamickým spádom. Hrubý spád je vertikálna vzdialenosť medzi vrcholom potrubia alebo kanála odvádzajúceho vodu z toku a bodom, v ktorom sa voda z turbíny vypúšťa. Čistý spád je rozdiel hrubého spádu zmenšený o straty v dôsledku turbulencií a trenia v potrubí (kanál). Stanovenie hrubého spádu sa najpresnejšie vykoná pomocou profesionálnych zariadení.

URČENIE PRIETOKU

Prietok vody vo vodnom toku je na rozdiel od spádu veličina premenlivá a závisí od viacerých parametrov. Prietok sa mení často zo dňa na deň a sezónne variácie sú typické prakticky pre všetky toky. Údaje o prietoku vody je možné získať na povodiach vodných tokoch, vodárňach a kanalizáciách resp. miestnych úradoch.

Meranie prietoku vody.

image031.gif (15066 bytes)

STANOVENIE VÝKONU

Vo všeobecnosti platí, že zariadenia pracujúce s nízkymi prietokmi a spádmi majú aj nižšie účinnosti ako turbíny využívajúce vyššie spády a prietoky. Celková účinnosť sa v skutočnosti môže pohybovať od 40% do 70%. Niektoré veľmi dobre navrhnuté systémy majú účinnosti až 75%.

ENERGIA OCEÁNOV

Oceány sú už dlhšiu dobu považované za veľmi perspektívny zdroj energie. Pohyb vody v oceánoch so sebou nesie obrovskú energiu vo forme prílivu (odlivu) alebo vĺn. Obidve tieto formy energie je možné využiť na výrobu elektrickej energie.

PRÍLIVOVÉ ELEKTRÁRNE

Má svoj pôvod v potenciálnej a kinetickej energii vychádzajúcej z pôsobenia Mesiaca na Zem. Hladina vody sa pravidelne dvakrát denne mení (stúpa a klesá). Prílivová a odlivová voda tak môže prechádzať cez turbínu umiestnenú v priehrade a vyrábať elektrickú energiu.

Celosvetový potenciál ukrytý v energii prílivu sa odhaduje asi na 3000 GW (3000 väčších atómových elektrární). Stavajú sa najmä v miestach kde sú zálivy, ktoré dokážu príliv ešte zosilniť. Zálivy je možné jednoducho prehradiť a doplniť priehradu vodnou turbínou.

HORE