Vodná energia

Vodná energia
 
Úvod
Kolobeh vody v prírode ako priamy dôsledok slnečného žiarenia umožňuje nevyčerpateľne využívať energiu obsiahnutú vo vode a to v rôznych formách. Najčastejšie využívaný druh energie je kinetická energia vodných tokov (riek), ktorá sa využíva na výrobu elektrickej energie.
Využitie  riek na výrobu elektrickej energie vo vodných elektrárniach určujú najmä prírodné podmienky . Využitie vodných tokov má v porovnaní s využívaním iných energetických zdrojov (fosílne palivá, jadrová energie) niekoľko zásadných výhod:
- -  Je to trvalý, nevyčerpateľný, stále sa obnovujúci zdroj
- -  Je to zdroj vlastný, nezávislý na okolitých krajinách.
- - Je to jeden z ekologicky najčistejších zdrojov, neznečisťuje ovzdušie a neprodukuje odpad.
- -  Je to zdroj, ktorý dokáže rýchle (v priebehu niekoľkých sekúnd) reagovať na zmeny zaťaženia v elektrizačnej sústave.
- -  Vyžaduje veľmi nízke prevádzkové náklady pri dlhej životnosti a vysokom počte prevádzkových hodín.
- -  Vyžaduje minimálnu obsluhu.
- -  Má vysokú účinnosť, až 90 % dostupnej energie môže premeniť na užitočný výkon.
 
Vodná energia tokov a morí je forma mechanickej energie a môže na prejaviť ako:
- -  potenciálna energia (polohová, tlaková),
- -  kinetická energia.
 
Základnými veličinami hydroenergetického diela sú prietok, spád a účinnosť.
Prietok turbínou – Q (m3.s-1) je celkové množstvo vody pretekajúce turbínou za 1 sekundu. Rozumie sa  tým úhrnné množstvo vody potrebné pre prevádzku turbíny pri danom zaťažení, vrátane strát. Často sa používa aj výraz hltnosť turbíny.

Spád – H (m). Celkový statický spád medzi dvoma uvažovanými profilmi ohraničujúcimi úsek rieky, ktorý chceme energeticky využiť, je celkový alebo hrubý spád. Turbína nemôže tento spád využiť úplne, pretože časť z neho sa spotrebuje na prekonanie hydraulických odporov v prívodnom kanále a odpadovom kanále, čím dostaneme tzv. užitočný spád.
Účinnosť turbíny - ηt (%) je pomer skutočného výkonu turbíny na hriadeli k jej teoretickému výkonu. Vyjadruje straty pri premene hydraulickej energie na mechanickú. Býva 75 až 93 % podľa druhu a veľkosti turbíny.
Straty pri premene energie vo vodnej turbíne sú trojakého druhu:
- objemové (zohľadňujú znížený prietok obežným kolesom),
- hydraulické (zohľadňujú zníženie spádu vplyvom trenia vody o steny turbínových kanálov, vplyvom ohybu vodného prúdu a vplyvom vírenie vody),
- mechanické (zohľadňujú straty trenia v ložiskách turbíny, v upchávkach hriadeľa turbíny a trenie vonkajších plôch obežného kolesa o vodu).
 
Vo svojej podstate je vodná elektráreň zložitým inžinierskym vodným dielom. Čím je väčšia a využíva väčšie prietoky, bývajú aj nároky na funkciu vodného diela (VD) rozmanitejšie. V súčasnosti sa vodné diela s energetickým využitím riešia komplexne, t. j. okrem výroby elektrickej energie pristupujú aj ďalšie funkcie (ochrana územia pred povodňami, ochrana životného prostredia, zásobovanie vodou, vodná doprava, športová a rekreačná plavba, rybolov atď.).
  
Delenie vodných elektrární
Vodné elektrárne z hľadiska výkonu delíme :
- -  malé vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW,
- -  stredné vodné elektrárne s inštalovaným výkonom od 10 MW do 200 MW,
- -  veľké vodné elektrárne s inštalovaným výkonom nad 200 MW.
 
Druhy vodných elektrární
Optimálna koncepcia hydroenergetického využitia určitého vodného toku alebo jeho úseku je závislá na morfologických, hydrologických a geologických pomeroch v danej oblasti. Po technickej stránke existujú štyri základné varianty riešení:
a) Vzdúvadlové schémy, u ktorých je spád a prípadne i prietok sústredený vzdúvacím zariadením - haťou alebo priehradou. Spád sa dá zvýšiť prípadným prehĺbením a úpravou riečišťa pod vzdúvacou stavbou. Táto schéma sa najviac používa v úsekoch tokov s malým pozdĺžnym sklonom a s veľkými prietokmi.
b) Derivačné schémy, u ktorých sa spád sústreďuje beztlakovou alebo tlakovou deriváciou. Pod pojmom derivácia rozumieme umelé vedenie vody z toku k vodnej elektrárni a od nej späť do toku. Derivácia sa skladá z privádzacieho a odpadového kanála. Derivácia sa buduje tak, aby sa dosiahli minimálne hydraulické straty a maximálne sústredenie využiteľného spádu. Pri derivačných schémach je vzdúvadlom hať, ktorá však nemá za úlohu vytvárať spád, ale len privádzať vodu do derivácie. Sústredenie spádu deriváciou sa získava rozdielom pozdĺžnych sklonov hladiny v rieke a v derivácii, alebo skrátením dĺžky derivácie proti dĺžke využívaného úseku rieky. Tieto schémy sú vhodné predovšetkým na tokoch s väčším pozdĺžnym sklonom dna.
c) Priehradovo-derivačné schémy, u ktorých sa spád získava ako vzdúvacím zariadením (priehradou), tak i deriváciou (privádzačom alebo odpadom). Takéto schémy sú vhodné na tokoch s väčším pozdĺžnym sklonom dna a menšími prietokmi. Používajú sa najčastejšie v horných úsekoch vodných tokov, kde tieto sledujú ešte veľký pozdĺžny sklon údolí.
d) Prečerpávacie schémy, u ktorých sústredenie spádu a veľkosť využívaného prietoku nezávisí na vodnatosti toku. Hodnoty spádu a prietoku sú určované potrebou špičkového výkonu v elektrizačnej sústave a objemom prebytočnej energie v denných a týždenných cykloch. Sú však podmienené reálnymi možnosťami topografie daného územia.
 
Hlavné časti vodných elektrární
Hlavnými technologickými zariadeniami vodných elektrární sú vodná turbína a generátor s príslušenstvom.
Vodné turbíny (obr.3,4,5,6) využívajú prevažne pohybovú energiu vody. Voda preteká najprv pevnými rozvádzacími kanálmi turbíny, v ktorých sa celá polohová energia, alebo jej podstatná časť mení na pohybovú. Usmernený vodný prúd vteká do opačne zakrivených obežných lopatiek obežného kolesa, na ktoré pôsobí tlakom, uvádza ich do otáčavého pohybu a tak im odovzdáva svoju energiu.
Podľa spôsobu premeny energie rozoznávame vodné turbíny, rovnotlakové a pretlakové.
Pri rovnotlakovkých turbínach sa celá polohová energia vody mení už v rozvádzacích kanáloch turbíny na pohybovú energiu, ktorú potom odovzdáva pri nezmenenom tlaku obežnému kolesu. Umiestňujú sa preto nad hladinou dolnej vody. Sem patria napr. turbíny Peltonove, Bánkiho a iné. 
  
Požiadavky energetiky na stredné a veľké vodné elektrárne
Potreba elektrickej energie v elektrizačnej sústave v priebehu dňa veľmi kolíše. Nakoľko elektrická energia sa nedá skladovať v praktickom energetickom využití a jadrové (tepelné) elektrárne nie sú schopné technicky a ekonomicky sledovať priebeh denného diagramu zaťaženia, plnia túto nezastupiteľnú úlohu vodné elektrárne svojou pohotovosťou, hoci na druhej strane je to v rozpore s prirodzeným prietokovým režimom tokov. Tieto protiklady medzi požiadavkami energetiky a medzi prirodzeným prietokovým režimom tokov nutne vyžadujú možnosť regulovania odberov vody jej akumuláciou vo vodných nádržiach. Podľa týchto možností regulácie prietoku rozoznávame vodné elektrárne:

a) Prietokové, tieto využívajú prirodzený prietok v rieke až do jeho určitej hodnoty (Qt), na ktorú sú navrhnuté turbíny. Prebytok prietokového množstva pri vyšších prietokoch ako je Qt, prepadá bez energetického využitia cez hať, ktorá slúži ako vzdúvacie zariadenie pri vtoku do privádzača na elektráreň.
b) Akumulačné, tieto odberajú vodu z vodnej nádrže s väčším zásobným objemom, ktorý umožňuje zadržiavať prietoky a regulovať odtok podľa hospodárskej potreby vody. Prevádzka takýchto hydroenergetických diel je najčastejšie špičková, t. j. vodná elektráreň pacuje len určitý čas denne a to v špičkovej časti zaťaženia elektrizačnej sústavy a zvyšný čas dňa prebieha akumulácia prietokov.

Podľa druhu akumulácie vodné elektrárne môžu byť:
-S prirodzenou akumuláciou.
-S umelou akumuláciou, sú to tzv. prečerpávacie vodné elektrárne
pozostávajúce z dvoch nádrží, dolnej a hornej, s užitočnými objemami zodpovedajúcimi minimálnej požadovane dennej výrobe. Zhodnocuje sa v nich najmä nočná prebytočná elektrická energia na cennú špičkovú elektrickú energiu, ich účinnosť býva nad 70%.
- So zmiešanou akumuláciou, prirodzenou aj umelou. Sú to prečerpávacie vodné elektrárne, ktoré vyrábajú časť elektrickej energie s prirodzenej akumulácie a sčasti zhodnocujú prebytočnú nočnú elektrickú energiu prečerpávaním.
Prečerpávacie vodné elektrárne sa využívajú aj na reguláciu frekvencie, na kompenzáciu a aj ako rýchly rezervný zdroj na krytie krátkodobých výpadkov v elektrizačnej sústave.
Regulácia frekvencie. V elektrizačnej sústave je nevyhnutnosť udržať frekvenciu striedavého prúdu na hodnote 50 Hz s prípustnými normovými odchýlkami. Vodná elektráreň regulujúca frekvenciu to robí zvyšovaním alebo znižovaním výkonu podľa okamžitej hodnoty frekvencie. Klesajúcej frekvencii bráni generátor turbíny zvyšovaním svojho výkonu, pri zvyšovaní frekvencie turbínový regulátor zase výkon znižuje.

Kompenzácia účinníka. Mnohé elektrické spotrebiče v elektrizačnej sústave (elektromotory, transformátory) potrebujú pre svoju činnosť magnetické pole, ktoré sa vytvára indukciou. Indukčnosť sa dosahuje pôsobením jalovej zložky prúdu (Ij). Pri kompenzačnej prevádzke hydroagregátu sa nedodáva žiadny činný výkon, iba jalový. Na pohon generátorov stačí minimálna energia na krytie strát pri otáčaní a na budenie, pritom turbína nemá brodiť vo vode. Zabezpečuje sa to znížením hladiny vody natlačením vzduchu do oblasti obežného kolesa.

Na funkciu poruchovej rezervy sú vhodné akumulačné vodné elektrárne pre svoju pohotovosť, t. j. schopnosť okamžite prebrať zaťaženie namiesto elektrárne v poruche a hospodárnosť. Pri prečerpávacích vodných elektrárniach možno použiť nielen výkon rezervovaný, ale aj príkon v čerpadlovej prevádzke jeho znížením alebo úplným prerušením čerpania.

Malé vodné elektrárne
Malé vodné elektrárne (MVE) sú vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW. Bývajú budované väčšinou ako prietočné bez akumulácie. Nemávajú teda schopnosť regulovať prietok, tým ani výkon a výrobu elektrickej energie v reálnom čase. Ich prevádzka býva plne závislá od okamžitých hydrologických podmienok na toku.
 
Koncepčné riešenie a vybavenie MVE
Podľa spôsobu získavania spádu, čo vlastne odpovedá technickému riešeniu využitia vodnej energie určitého úseku toku, je možné uvažovať v s nasledovnými typmi:
a) Priehradové, pri ktorých je spád vytvorený priehradou. Ich nádrže majú spravidla dosť veľký zásobný objem, takže môžu pracovať ako špičkové (regulačné) vodné elektrárne.
b) Prihaťové (zdržové), pri ktorých je spád vytvorený haťou. Pracujú najčastejšie ako prietočné elektrárne.
c) Derivačné, pri ktorých sa využíva spádu získaného vedením vody v derivácii tlakovej (potrubie, tlaková štôlňa) alebo v derivácii s volnou hladinou. Pracujú najčastejšie ako prietočné elektrárne.
d) MVE využívajúce vodnú energiu na privádzačoch budovaných pre iné účely
 
MVE pozostávajú z nasledovných objektov (technologických zariadení) (obr.2) :
- Horná vodná nádrž vytvorená vzdúvacím zariadením prehradzujúcim vodný tok.
- Vtokový objekt, ktorý nadväzuje na vodný tok príp. na nádrž, vytvorený na vodnom toku priehradou. Slúži na odber vody pre elektráreň.
- Privádzač vody, ktorý privádza vodu z vtokového objektu do turbíny.
- Výrobný objekt MVE
-Odpadný objekt
Základnou technologickou jednotkou MVE je turbína.