Průtočné a akumulační vodní elektrárny

Jak fungují

Průtočné elektrárny využívají běžící říční proud na jezech. Pro některé se staví kanály, které zkracují vodní tok, aby voda získala větší spád. Spád je jedním ze dvou klíčových parametrů určujících množství využitelné energie vodního toku. Je to vlastně výškový rozdíl vodních hladin – té vzedmuté v nádrži před elektrárnou a hladiny v spodní nádrži nebo ve vodním toku za ní. Čím větší je spád, tím vyšší je potenciální energie vody a taky výkon elektrárny.

Tím druhým klíčovým parametrem je průtok vody elektrárnou. Je asi pochopitelné, že čím více vody elektrárnou proteče, tím více energie odevzdá vodní turbíně. Průtočné vodní elektrárny pracují nepřetržitě a využívají celý průtok, nebo jen část průtoku původního toku.

Vodní elektrárna Slapy má zajímavou raritu – strojovnu přímo v tělese hráze. Přelivy nad strojovnou mají tvar skokanského lyžařského můstku, takže při nadbytku vody si Vltava pěkně „skočí“

Řez strojovnou

Nejznámější jsou akumulační vodní elektrárny. Jsou nepřehlédnutelné přehradní hrází, za níž vzniká jezero s velkou zásobou vody. Ta umožňuje pracovat elektrárnám s větším průtokem, než je původní průtok vodního toku, ale jen po určitou dobu. Pak se musí elektrárna odstavit a počkat, až se přehrada opět naplní. Vodní díla za přehradami nejsou určena jen pro výrobu elektřiny, ale také pro ochranu území před povodněmi, pro splavnění toků, jako zdroje pitné nebo závlahové vody, jako rekreační oblasti atd.

Segnerovo kolo: dutou hřídelí se žene voda pod tlakem do trysek, ze kterých tryská ven a dle zákona akce a reakce roztočí kolo

Vodní turbína

Klíčovou součástí vodní elektrárny je vodní turbína. Turbína byla výsledkem vědeckého bádání a výpočtů v oboru hydromechaniky. Z teorie francouzského fyzika Daniela Bernouliho vyšel univerzitní profesor Ján Andrej Segner a sestavil prapředka vodní turbíny, Segnerovo kolo. Znáte ho možná ze zahrady: dodnes se někdy užívá k rozstřikování zalévací vody. Lidé dál experimentovali a vymysleli různé typy turbín, které si nyní stručně představíme.

Oběžné kolo Francisovy turbíny

Francisova turbína

Anglický konstruktér žijící v USA, James Francis, zkonstruoval svou turbínu na tehdejší dobu převratnou metodou modelování. Používá se na vodních tocích se širokým rozsahem průtoků i spádů (od 540 do700 m), nebo jako reverzní (to znamená, že se může otáčet oběma směry, točit generátorem, nebo naopak čerpat vodu) v přečerpávacích elektrárnách (o nich se dočtete níže).

Peltonova turbína

Lester Alan Pelton pocházel z Ameriky a sestrojil turbínu s miskovitými lopatkami. Hodí se i na malé toky s velkým, až 500 m spádem. Je to tzv. rovnotlaký stroj (tlak vody před oběžným kolem je stejný jako za oběžným kolem), jehož obvodová rychlost otáčení je nižší než rychlost proudění. Voda se tryskami vede na lopatky tvaru misek a nezahltí celý obvod turbíny.

Kaplanova turbína

Rakouský profesor na německé univerzitě v Brně v roce 1912 postavil rychloběžnou turbínu pro malé spády. Je přetlaková, to znamená, že tlak vody za oběžným kolem je nižší než před oběžným kolem. Její výhodou jsou natáčecí lopatky oběžného i rozváděcího kola, což umožňuje přesné nastavení pro optimální využití vodního proudu. Dosahuje několikanásobně vyšší rychlosti rotace, než je rychlost proudění vody. Kaplanova turbína je dnes asi na světě nejpoužívanější.

Bánkiho turbína

Vynalezl ji maďarský inženýr Donát Bánki v roce 1917. Používá se v malých vodních elektrárnách. Oběžné kolo je tvořeno dvěma kruhovými deskami, mezi nimiž jsou jednoduché lopatky – trochu připomíná obyčejné mlýnské kolo. Voda prochází lopatkami dvakrát – jednou dovnitř kola a podruhé ven z kola.

Vírová turbína

Nový typ turbíny českých konstruktérů vedených Františkem Pochylým přišel na svět na počátku třetího tisíciletí na Vysokém učení technickém v Brně. Vírová turbína nepoužívá rozváděcí kolo, vodní proud na ni vstupuje rovnoběžně s osou a po průchodu lopatkami vychází rotující proud vody. Turbína je rychlootáčková, proto je možné soustrojí provozovat bez převodovky na generátor. Najde uplatnění v lokalitách se spádem od jednoho do pěti metrů a s průtokem již od 0,2 m3/s.

Hráze

Hráze mohou být tzv. gravitační, tj. z obrovského množství sypaného materiálu, který vzdoruje tlaku vody svou hmotností a objemností, nebo klenbové, kde tlaku vody čelí železobetonová, proti proudu vyklenutá skořepina.

Hráz bývá prošpikovaná kontrolními chodbami, v nichž se průběžně měří eventuální pohyby hráze a průsaky vody. V době tání sněhu nebo povodní jistí proti přelití hráz spodní výpustě a horní přelivy. Pod hrází je obvykle vidět obrovské bubliny a víry – to je tzv. vývařiště, do něhož odchází voda od turbín a kam ústí výpustě. Pod velkými vodními díly se většinou staví ještě tzv. vyrovnávací nádrž, jejímž úkolem je vyrovnávat hladinu vody mezi stavem, kdy protéká voda turbínami a kdy ne, a zajistit tak v korytě řeky stabilizovaný průtok. To je důležité pro rybáře a pro zdraví řeky.

Betonová klenbová hráz a gravitační sypaná hráz vyztužená betonem.

Vodní elektrárny jsou v elektrizační soustavě cenným prvkem pro své pružné fungování. Na rozjezd nebo na zastavení potřebují pouze pár minut, některé i méně, mohou tedy elektřinu dodat v případě potřeby takřka okamžitě.

Nejstarší veřejnou vodní elektrárnou v Čechách, vybudovanou v roce 1888, je Vodní elektrárna královského města Písku se dvěma Francisovými turbínami. Obrovský úspěch totiž před tím mělo propagační veřejné osvětlení centra města obloukovými lampami Františka Křižíka, tak se radní města rozhodli pro vlastní elektrárnu.

Mezi nejstarší (a také nejkrásnější) malé vodní elektrárny, které dodnes v Čechách spolehlivě pracují, patří i Hučák v Hradci Králové a Čeňkova Pila na Šumavě (obě z roku 1912).

V krásné secesní historické budově vodní elektrárny Hučák najdete informační centrum obnovitelných zdrojů

Více než stoleté stroje vyrábějí stále spolehlivě elektřinu v malé vodní elektrárně Čeňkova pila na Šumavě