Jít na vyhledávání

Vodní mikroturbíny

Výklad

Vodní mikrozdroje je výhodné stavět tam, kde již existuje jez nebo hráz i když je rozdíl hladin nevelký (Zdroj: © DedMityay / stock.adobe.com)

Vodní mikrozdroje je výhodné stavět tam, kde již existuje jez nebo hráz i když je rozdíl hladin nevelký

Využívání síly vodních toků k energetickým účelům sahá do daleké historie. Vodní turbíny poháněly první generátory, protože přeměna potenciální nebo kinetické energie vody na všeužitečnou a žádanou elektřinu byla poměrně jednoduchá a síť říčních toků s dostatečnými průtoky i spády k tomu přímo vybízela. S rozvojem technologií stavby přehrad a zdokonalováním vodních turbín začaly vznikat velké vodní elektrárny a říční kaskády, plně využívající nabízený hydropotenciál. Po energetickém využití velkých vodních toků se obrátila pozornost i na menší říčky, ve kterých je sice ukryta převážná část vodního potenciálu krajiny, ale které mají podstatně horší hydrologické podmínky pro stavbu vodních děl. Nastoupila éra výstavby malých vodních elektráren, zpracovávajících menší spády (nad 2 metry) a menší průtoky.

Hráz a budova malé vodní elektrárny s mikroturbínami v horském terénu (Zdroj: © Dan / stock.adobe.com)

Hráz a budova malé vodní elektrárny s mikroturbínami v horském terénu

V současné době jsou energeticky využity přibližně 2/3 hydropotenciálu českých řek. Zbývající třetina představuje místa a toky, kde by již instalace vodního zdroje nebyla technicky nebo ekonomicky výhodná. Situace se ale změnila s příchodem a prosazováním obnovitelných zdrojů, energetickým využíváním většího množství lokálních decentralizovaných zdrojů a především rozvojem technologie vodních mikroturbín, schopných zpracovat i nepatrné průtoky a spády. Nové vodní mikrozdroje představují dostupný a plně konkurenceschopný zdroj energie pro malé lokální výrobny s potenciální možností práce v ostrovním režimu v odlehlých oblastech, u osamocených stavení a statků nebo při výpadcích distribučních sítí.

Vodní mikroelektrárny se vyznačují malými rozměry, přitom v porovnání s větrnými nebo solárními elektrárnami zajišťují stabilní dodávku elektrické energie a prakticky nezatěžují životní prostředí. Mohou se ovšem stavět jen na vodních tocích s vyhovujícím průtokem a spádem. K nevýhodám lze ještě zařadit náročnější výstavbu, pokud mikroelektrárna nevyužívá již existující jez nebo náhon.

Pokud bychom do středu víru umístili rotor s prohnutými lopatkami, vznikla by vodní vírová turbína (Zdroj: © olrat / stock.adobe.com)

Pokud bychom do středu víru umístili rotor s prohnutými lopatkami, vznikla by vodní vírová turbína

Typy vodních mikroturbín

Charakteristickým znakem vodních mikroturbín je jejich jednoduchost, prostorová a finanční nenáročnost. Nevyrábí sice velké množství elektřiny, ale svým výkonem mohou provozovatelům snížit nákup elektrické energie ze sítě, anebo si dopřát luxus elektřiny v místech, kde distribuční sítě nevedou. Z mnoha konstrukcí a konstrukčních variant jsou představeny 4 typy vodních mikroturbín: vírová turbína, Bánkiho turbína, turbína SETUR a Archimédova šneková turbína.

Vírové turbíny instalované v areálu malé vodní elektrárny Želina, patřící do Skupiny ČEZ, využívají spád kolem 2 metrů a fungují s účinností až 85 % (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Vírové turbíny instalované v areálu malé vodní elektrárny Želina, patřící do Skupiny ČEZ, využívají spád kolem 2 metrů a fungují s účinností až 85 %

Vírová turbína

První vodní elektrárny s vírovou turbínou se objevily až po roce 2000 zásluhou svého objevitele Franze Zotlöterera (Rakousko). Jeho prototypový projekt v Ober-Grafendorfu měl při spádu 1,5 m a průtoku necelý 1 m3 instalovaný výkon 10 kW.

Hlavní částí zařízení mikroelektrárny se Zotlötererovou vírovou turbínou je válcová betonová nádrž s tangenciálně napojeným přivaděčem. Voda přitékající do nádrže krouží kolem válcové vnější stěny a uprostřed nádrže vytváří vír. V centru spodní části nádrže je odtokový otvor, nad kterým se nachází oběžné kolo turbíny ve tvaru válce se zakřivenými lopatkami. Voda urychlená vírem se opírá do lopatek, předává jim svou kinetickou energii a vytéká odtokem ven z betonového válce. Roztočené oběžné kolo následně pohání elektrický generátor nebo jiné zařízení. Výhodou vírové turbíny je její velice jednoduchá konstrukce a schopnost pracovat i při velmi nízkém spádu (pod 1 metr). Přidanou hodnotou práce vírové turbíny je prokysličení protékající vody a šetrnost k životnímu prostředí i k vodním živočichům.

Výstupní potrubí vírových turbín v elektrárně Želina u Kadaně (Zdroj: ČEZ, a. s.)

Výstupní potrubí vírových turbín v elektrárně Želina u Kadaně

V ČR je na VUT v Brně vyvíjen jiný typ vírové turbíny, jejíž oběžné dvou nebo více lopatkové kolo vychází z původní Kaplanovy turbíny, která se při velmi nízkém spádu v malých vodních zdrojích dříve využívala. Kaplanova turbína je ale konstrukčně zbytečně komplikovaná a při spádu do dvou metrů výrazně klesá její účinnost. Proto z ní byla modifikací odvozena nová vírová turbína, která vyniká svou jednoduchostí a všestranností. Nepoužívá žádné složité rozváděcí lopatky nebo natáčecí rotorové lopatky, takže je její výroba a instalace jednoduchá a úsporná. Voda vstupuje do oběžného kola vírové turbíny ve směru osy rotace, zatímco za ním obíhá proti směru rotace kola (opačný princip než u Kaplanovy turbíny). Poměrně vysoké provozní otáčky vírové turbíny umožňují její přímé propojení s generátorem. I při takto malých spádech dosahuje vírová turbína vysokou účinnost, pohybující se za hranicí 80 %. Dvě prototypové instalace těchto turbín jsou v provozu v malé vodní elektrárně Želina.

Bánkiho turbína

 

Vodní turbína pojmenovaná po maďarském vynálezci Donátu Bánkim je jednoduchá horizontální rovnotlaká turbína s dvojnásobným průtokem oběžného kola. Voda, podobně jako u vodního kola, je přiváděna k rotoru turbíny jen na části jeho obvodu. Speciálně tvarované lopatky obloukovitého tvaru z konstrukční nebo nerezové oceli, kterých je od 24 do 36 kusů, mění kinetickou energii vodního proudu na mechanický rotační pohyb horizontální hřídele a zároveň směřují vodní proud do centra rotoru. První průchod vody turbínou je vlastně přetlakový a představuje přibližně 80 % celkového výkonu turbíny.

Konstrukce a princip práce Bánkiho turbíny

Konstrukce a princip práce Bánkiho turbíny

V dolní části oběžného kola voda následně podruhé prochází jeho lopatkováním, již za stejného tlaku (rovnotlaký průchod) vykoná další práci a odevzdává mu zbývající porci své energie (20 %). Po výstupu z turbíny voda volně odtéká do výstupního kanálu. Úhel nátoku i průtok oběžným kolem je závislý na poloze regulační klapky, umístěné těsně před kolem. Bánkiho turbína je použitelná při spádech od 2 do 30 metrů a průtocích do 2 m3/s.

Na principu Bánkiho turbíny s horizontální osou a tangenciálním ostřikem pracuje i mikroturbína Cink, určená k napájení odlehlých míst namísto dieselagregátů. Průtoky pro tyto turbíny jsou tak malé, že v případě nouze je možné přivést vodu k turbíně obyčejnou požární hadicí. Oběžné kolo mikroturbíny Cink může být podélně rozděleno na dvě části (2/3 a 1/3). Dvoukomorové uspořádání umožňuje pracovat v širokém rozmezí průtoků s maximální účinností. Pouze užší komora pracuje při nejnižších průtocích (kolem 10 % návrhového průtoku), širší komora je určena pro střední průtoky a pro plný průtok se využívají obě komory. Komerčně se vyrábí mikroturbíny Cink s výkony v řádu jednotek až desítek kW a účinností převyšující 80 % i při minimálních spádech.

Uspořádání a uchycení rotoru odvalovací turbíny, vykonávajícího otáčivý a precesní pohyb

Uspořádání a uchycení rotoru odvalovací turbíny, vykonávajícího otáčivý a precesní pohyb

Mikroturbína SETUR

Turbína SETUR představuje bezlopatkový vodní stroj pracující na principu odvalování rotačního tělesa ve vstupní části výtokového potrubí, jehož průtočný průřez se plynule zmenšuje (konfuzoru). Rotační těleso má většinou tvar duté polokoule nebo komolého kuželu a jeho odvalování souvisí s hydrodynamickým jevem. Turbína SETUR byla vynalezena a patentována v České republice Ing. Miroslavem Sedláčkem.

Energie rotující tekutiny v konfuzoru se přenáší na rotor turbíny a při jeho odvalování generuje mechanický výkon využitelný v generátoru

Energie rotující tekutiny v konfuzoru se přenáší na rotor turbíny a při jeho odvalování generuje mechanický výkon využitelný v generátoru

Voda při průchodu mezi rotačním tělesem a stěnou turbíny zvyšuje svou rychlost, co způsobuje snížení tlaku a přitlačení rotoru ke stěně. Díky tangenciálnímu nátoku do pracovní válcové nádoby začíná těleso rotovat, ale vzhledem k přitlačení ke stěně a tření se rotace mění v odvalování. Rotační pohyb odvalovaného tělesa je podobný pohybu satelitu v planetové převodovce a je přenášen kardanovým kloubem nebo pružným hřídelem na hřídel generátoru. Rotační těleso může být v konfuzoru na hřídeli zavěšeno nebo je hřídelí zespoda podepřeno. Od způsobu přenosu rotačního pohybu závisí podmínky obtékání rotoru a možnosti použití celé mikroturbíny.

Účinnost turbíny SETUR se podle konkrétního provedení pohybuje od 40 do 75 %. Turbína je dobře využitelná nejen na méně významných vodních zdrojích, ale i ve vodárnách a čistírnách odpadních vod.

Schématický nákres Archimédovy šnekové turbíny. Ž – ocelovy žlab se šnekovým rotorem; PL – patní ložisko rotoru; PŘ – převodovka; A – alternátor (kresba Jan Tůma)

Schématický nákres Archimédovy šnekové turbíny.

Ž – ocelový žlab se šnekovým rotorem; PL – patní ložisko rotoru; PŘ – převodovka; A– alternátor (kresba Jan Tůma)

Archimédova šneková turbína

Archimédova šneková turbína byla vynalezena řeckým vynálezcem Archimédem ve třetím století př. n. l. Původně se tato šroubovice šikmo uložená ve žlabu nebo v trubce používala jako čerpadlo, ale při napojení na vodní zdroj může fungovat i jako turbína.

Princip práce je velmi jednoduchý. Dvou až tříchodová šroubovice je pod úhlem 22 až 35° uložena ve dvou ložiscích v betonovém žlabu. Voda se v horní části volně vlévá do závitů a tlačí na šikmou plochu šroubovice. Síla působící po celé délce žlabu šroubovici roztočí a rotační pohyb je převeden v pevně připojeném generátoru na elektrickou energii. Menší Archimédovy spirály dosahují přibližně 1 otáčku za sekundu, stroje pro větší spády a průtoky se otáčí pomaleji (cca 20 otáček za minutu). Délku spirály určuje spád a sklon žlabu, průměr závisí od požadovaného průtoku. Například pro průtok 1 m3/s má Archimédova šneková turbína průměr asi 1,9 m.

Tři šroubové Archimédovy turbíny MVE Planá u Českých Budějovic v plném výkonu (foto Jan Tůma)

Tři šroubové Archimédovy turbíny MVE Planá u Českých Budějovic v plném výkonu (foto Jan Tůma)

Systém se šnekovou šroubovicí je jednoduchý s minimem malých a pohyblivých částí. Je spolehlivý v širokém rozmezí průtoků prakticky od 15 % hltnosti turbíny. Nevyžaduje ke své funkci úplně čistou vodu a na vodních tocích stačí, když se použijí jen hrubé česle. Účinnost Archimédovy šikmé šroubovice dosahuje úctyhodných 70 až 80 %.

Vrátit se nahoru
detail