Vodní elektrárny zblízka III

Historie využití vodní energie sahá daleko do minulosti. Již před několika tisíci lety lidé používali první vodní kola na čerpání vody pro účely zavlažování, jako zdroj síly na mletí obilí, pohony pil, hamrů i různých strojů. Vynález vodní turbíny ještě zjednodušil využívání tohoto primárního zdroje, ale až spojení turbíny s elektrickým generátorem umožnilo rozvoj prvních vodních elektráren. Výroba elektrické energie se zanedlouho stala primárním využitím energie vody.

Princip práce vodní turbíny je jednoduchý. Voda jako nositel využitelné energie je přiváděna z výše položené nádrže přivaděčem k turbíně. Nastavitelné rozváděcí lopatky nebo trysky nasměrují její proud na lopatky oběžného kola, které převezme velkou část její kinetické energie a roztočí se. Rotační pohyb oběžného kola turbíny se přes hřídel přenese na rotor generátoru a ten na základě elektromagnetické indukce vyrábí elektřinu. Voda vystupující z turbíny je potrubím odvedena zpět do původního řečiště případně do dolní vyrovnávací nádrže.

Výběr turbíny závisí na podmínkách celého vodního díla. V podmínkách našich řek se nejčastěji používají Kaplanovy turbíny s nastavitelnými lopatkami. Kaplanova turbína je v podstatě reakční přetlakový stroj, který dosahuje několikanásobně vyšší rychlosti, než je rychlost proudění vody. Je vhodná pro velká množství vody a pro menší spády. Pro vysoké spády (někdy až 1 000 m) se používá akční Peltonova turbína.

Je to rovnotlaký stroj, jehož obvodová rychlost otáčení je nižší než rychlost proudění. Voda vstupuje do turbíny pouze v některých částech jejího obvodu a nezahltí celý obvod – vodu na lopatky tvaru misek přivádějí trysky. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá reverzní Francisova turbína s přestavitelnými lopatkami, která při zpětném chodu funguje jako čerpadlo. V malých vodních elektrárnách se převážně uplatní malá horizontální turbína Bánkiho nebo jednoduchá turbína Francisova.

Rozdělení vodních turbín

Vodní turbíny se dělí na základě několika kritérií. Nejzákladnější dělení je podle způsobu předání energie a tlakových poměrů v oběžném kole na turbíny rovnotlaké a turbíny přetlakové.

• U rovnotlakých (akčních) turbín se celý spád, působící prostřednictvím hydrostatického tlaku, transformuje v kanálech s rozváděcími lopatkami na energii kinetickou, která je předána lopatkám oběžného kola. Tlak se při průchodu oběžným kolem nemění. Po odevzdání energie lopatkám oběžného kola turbíny voda jednoduše padá pod turbínu a odpadním kanálem je odvedena bez užitku mimo elektrárnu. Oběžné kolo rovnotlaké turbíny nesmí brodit. Typickým zástupcem rovnotlakých turbín je Peltonova turbína.
• U přetlakových (reakčních) turbín se část tlakové energie mění v kinetickou v rozváděcích kanálech a část při průchodu oběžným kolem. Voda má při vstupu do oběžného kola určitý statický přetlak oproti tlaku na výstupu z oběžného kola. Napojením výstupu turbíny na sací odpadní potrubí (savku) lze v přetlakové turbíně využít celou spádovou výšku – celý výškový rozdíl hladin horní a dolní nádrže. Typickými zástupci přetlakových turbín jsou Kaplanova a Francisova turbína. Hranice použitelnosti přetlakových turbín je spád do cca 400 metrů.

Důležitým faktorem je také směr vstupu nebo výstupu vody z oběžného kola turbíny. Podle orientace proudění rozlišujeme turbíny radiální, axiální, tangenciální a diagonální.

• U radiální turbíny je tok vody kolmý k hřídeli, voda vstupuje nebo vystupuje z turbíny ve směru radiály.
• Axiální turbíny mají průtok vody rovnoběžný s osou hřídele. Specifickým typem je turbína radiaxiální, ve kterých proud vody mění svůj směr z radiálního na axiální. Pokud je proud vody nasměrován po tečně k obvodu oběžného kola, mluvíme o turbíně tangenciální nebo o turbíně s tangenciálním ostřikem.
• V tangenciální turbíně je voda většinou přiváděna jen na část obvodu oběžného kola – jedná se o turbínu parciální. Vtéká-li voda do turbíny po celém obvodu oběžného kola, což je pravidlem pro reakční turbíny, mluvíme o turbíně s plným vtokem.

Dalším kritériem může být například poloha hřídele turbíny. V tomto případě rozlišujeme turbíny v horizontálním, vertikálním nebo šikmém provedení.

Rozsah využití nejpoužívanějších turbín

Poměry ve vodním toku, především využitelný spád a průtok definují, jaký typ vodní turbíny by měl být instalován ve vodní elektrárně. Svou roli hraje taky možné kolísání průtoku a u některých zdrojů také finanční náročnost, účel a místní podmínky.

Přívod a rozvedení vody k oběžnému kolu a odvod vody od turbíny je stejné jako u Francisovy turbíny, principiální rozdíl je v tvaru a profilu lopatek oběžného kola. Rotor Kaplanovy turbíny připomínající lodní šroub má velký průměr a jsou na něm upevněny natáčecí listy. Počet listů se pohybuje od 3 do 12. Voda, urychlená a nasměrovaná lopatkami rozváděcího kola je přivedena k lopatkám oběžného kola v nejužším místě turbíny. Po průchodu oběžným kolem, kterému odevzdala svou energii, voda opouští turbínu sací rourou, zvyšující podtlak za turbínou.

Účinnost Kaplanových turbín dosahuje přes 90 %. Pro malé vodní elektrárny mohou být v rámci úspor vyráběny s pevnými lopatkami rozváděcího nebo oběžného kola, poté ale pracují s nižší účinností. V Čechách jsou Kaplanovy turbíny instalované na některých elektrárnách Vltavské kaskády, například v elektrárně Orlík nebo Slapy, dále například v průtočné elektrárně Lipno II.

Je určena pro velké spády a relativně malé průtoky vody. Instaluje se většinou v horizontálním provedení, pro větší výkony je možná i vertikální instalace. Voda je do turbíny přiváděna tlakovými přivaděči, na konci kterých je osazena jedna nebo několik ostřikových dýz. V dýzách se tlaková energie vody mění na kinetickou energii vodního paprsku a ten je nasměrován na oběžné kolo s dvojitými lžícovitými lopatkami. Tlak vody se při průchodu oběžným kolem již nemění. Lopatka oběžného kola paprsek rozdělí na dvě poloviny a otočí o 180°, čímž absorbuje téměř veškerou jeho energii. Po opuštění lopatky voda padá s minimální zbytkovou rychlostí volně do odpadu pod turbínu a odpadním kanálem je odvedena bez užitku mimo elektrárnu.

Podobnou konstrukci jako Peltonova turbína má i levnější turbína Turgo. Rozdíl je jenom ve způsobu ostřiku oběžného kola. U Turgo turbíny je paprsek vody z dýzy nasměrován na oběžné kolo z boční strany. Jednodušší tvar i výroba lžícovitých lopatek umožňuje použití turgo turbín nejen ve velkých ale i v menších instalacích v malých vodních elektrárnách.

Účinnost Peltonovy turbíny dosahuje až 95 %, menší turbíny mají účinnost asi o 10 % nižší. Regulace turbíny spočívá ve škrcení dýz (uzavíráním výtokových otvorů dýz) centrální regulační jehlou. V případě nutného odstavení turbíny je nejdříve vodní paprsek odkloněn od oběžného kola a následně je zmenšován průřez dýzy zasouváním jehly. Tímto postupem se zamezí vzniku nebezpečných tlakových rázů v přívodním potrubí.

Peltonovy turbíny se často používají v horských oblastech, kde mají říčky velký spád, ale malý průtok. Škálovatelnost Peltonových turbín v energetice je dobrá do cca 200 MW. Větší výkony limituje především pevnost lopatek, na které působí značná odstředivá síla. V České republice nejsou pro využití těchto turbín optimální podmínky, přesto je použita například v přečerpávací elektrárně Třebušice.

Fyzikální principy

Množství vyrobené elektrické energie ve vodní elektrárně primárně závisí na výšce spádu H [m] a na průtoku vody Q [m3/s], která projde turbínou. Dalšími proměnnými vstupujícími do výpočtu jsou měrná hmotnost vody ρ [kg/m3] a gravitační zrychlení g [m/s2]. Posledně jmenovaná je téměř konstanta, spád a hustota vody se mění jen nepatrně, takže hlavní podíl na kolísání množství vyrobené energie bude mít průtok vody turbínou. Ten se může změnit až desetinásobně.

Tento výkon na svorkách generátoru v principu není možné dosáhnout, protože celá energetická konverze je spojena se ztrátami.

Prvním typem ztrát jsou objemové ztráty, charakterizující snížení výstupního výkonu z důvodu zmenšení užitečného průtoku vody turbínou. Část vody z celkového průtoku totiž proteče mimo turbínu nebo ucpávkami turbíny a nevykoná žádnou práci. Objemovým ztrátám odpovídá objemová účinnost ηv.

Dalším typem ztrát jsou hydraulické ztráty, vznikající překonáváním průtokových odporů v potrubí přivaděčů. Jedná se o ohyby vody v potrubí, víření vody nebo její tření o povrchy potrubí. Ztrátám odpovídá hydraulická účinnost ηH.

Část teoretického výkonu se taky umoří v mechanických převodech a ložiskách. Míru mechanických ztrát určuje mechanická účinnost ηm.

Posledním článkem energetické transformace ve vodní elektrárně je proměna mechanické energie na energii elektrickou v generátoru. Elektrická účinnost ηe vyjadřuje elektrické ztráty v generátoru.

Skutečný uživatelský výkon Ps [W] na svorkách generátoru vodní elektrárny se dá na základě výše uvedeného zapsat podle upraveného vztahu:

Celková účinnost reálných vodních turbín dosahuje 70 až 90 %. Většinou platí, že velké energetické stroje mají vyšší účinnost a malé stroje nižší.

Popis funkce generátoru

Pokud prochází budící cívkou umístěnou na rotoru stejnosměrný proud, vytvoří se okolo rotoru točivé magnetické pole, které se otáčí stejnou rychlostí jako rotor. Na základě elektromagnetické indukce pak vzniká v cívkách statoru elektrické střídavé napětí sinusového průběhu, přičemž u třífázového zapojení jsou cívky vzájemně posunuty o 120°. Po připojení generátoru ke spotřebiči vyvolá protékající střídavý proud druhé točivé magnetické pole. U synchronních alternátorů (generátorů vyrábějících střídavý proud) se obě magnetická pole otáčí stejnou rychlostí. Frekvence střídavého napětí je dána součinem počtu pólových párů a rychlosti otáčení rotoru.

Alternátory ve vodních elektrárnách (hydroalternátory) patří mezi pomaluběžné stroje – jejich rychlost otáčení se pohubuje od řádu stovek do cca 1 500 ot./min. Nižší rychlost otáčení umožňuje využít větší průměr rotoru, po obvodu kterého musí být upevněno více pólových dvojic, aby byla výsledná frekvence vyráběného střídavého proudu obvyklých 50 nebo 60 Hz. Každý pól se skládá z jádra a z cívky budícího vinutí. Přivedením stejnosměrného napětí do cívky vzniká magnetické pole, otáčející se společně s pólem. Vinutí cívek jsou zapojena způsobem, aby se střídaly severní a jižní póly magnetického pole. Cívky jsou napájeny stejnosměrným proudem z budiče prostřednictvím sběracích kroužků na rotoru generátoru. Budičem je menší dynamo nebo alternátor s usměrňovačem na společném hřídeli s alternátorem.

Největší alternátory s vyniklými póly rotoru, používané ve vodních elektrárnách, dosahují výkonu kolem 800 MVA. Jejich rotory mají v průměru až 15 metrů a vinutí jsou většinou chlazená vzduchem. Magnetický obvod statoru je z důvodu snížení ztrát vířivými proudy tvořen, podobně jako u transformátorů, tenkými izolovanými plechy.

Připojování alternátorů do sítě

Při náběhu vodní turbíny se s ní spojený třífázový alternátor, který začíná vyrábět elektrickou energii, připojuje do přenosové soustavy. Tomuto momentu se říká fázování. Při přesném (synchronním) fázování je potřebné u alternátoru zajistit stejné parametry, jaké má elektrická síť – stejné pořadí fází, stejné napětí (reguluje se změnou budícího proudu alternátoru) a frekvenci (dosáhne se regulací otáček). Druhým způsobem připojení k síti je samosynchronizace (asynchronní fázování). Při tomto způsobu se nenabuzený alternátor na otáčkách připojí k síti a po nabuzení se sám synchronizuje.

Fyzikální principy

Základním principem fungování elektrických generátorů je princip elektromagnetické indukce.

Elektromagnetická indukce je jev, při kterém ve vodiči umístěném v nestacionárním magnetickém poli vzniká indukované elektromotorické napětí a proud. Nestacionární magnetické pole je charakterizované časovou změnou magnetického indukčního toku Φ. Pokud si magnetický indukční tok představíme jako plochu vodivého závitu S, kterou kolmo prochází magnetická indukce B, potom:

Zákon elektromagnetické indukce, který objevil v roce 1831 na základě svých pokusů Michael Faraday, říká, že velikost indukovaného napětí ve smyčce je rovné změně magnetického indukčního toku ΔΦ za čas ΔΦ.

Indukovaný proud má takový směr, že svými magnetickými účinky působí proti změně, která ho vyvolala.