Voda tvorí až 71% celkovej plochy Zeme a teda sa jedná o najbežnejšie sa vyskytujúcu látku na našej planéte. Je to obnoviteľný zdroj energie, ktorý sme schopní dlhodobo využívať bez vážnych ekologických škôd. Energia vody je vo svojej podstate premenenou slnečnou energiou. Z celkovej slnečnej energie dodanej Slnkom na Zem tvorí len 0,4%. Energia vody má však v porovnaní s priamou premenou slnečnej energie na elektrickú omnoho vyššiu technicky dosahovanú účinnosť premeny na elektrickú energiu vďaka čomu je tento primárny zdroj energie veľmi zaujímavý pre masové využitie. Vo všeobecnosti je možné povedať že účinnosť malých vodných elektrárni je do 90 % a pri veľkých zdrojoch môže byť účinnosť vyššia než 90 %.

Energia vody je obsiahnutá v:

  • energii atmosférických zrážok
  • energii ľadovcov
  • energii vodných tokov
  • energii morí

Z týchto zložiek je veľmi málo využívaná mechanická energia morí. Energiu atmosférických zrážok a ľadovcov v súčasnosti nie je možné efektívne použiť na premenu na elektrickú energiu. Vodné elektrárne využívajú  na výrobu elektrickej energie hydroenergetický potenciál vodných tokov, čo je súčin priemerných prietokov a spádov daného úseku toku.

Vďaka neustále dopadajúcemu slnečnému žiareniu na našu Zem, je voda v neustálom kolobehu (obr. 1.1.), kde slnečné žiarenie odparuje vodu z vodných plôch, jazier, riek a morí (1). V atmosfére vodná para vytvára oblaky (2), kde ochladená vodná para kondenzuje (3) a vo forme atmosférických zrážok padá naspäť na Zem (4). Vodné toky odvádzajú tieto zrážky naspäť do morí a iných vodných plôch (5).

Obr. 1 Kolobeh vody v prírode [1]

Ľudstvo je odpradávna závislé na energii. Ľudia ako prvú začali používať energiu ohňa. Ale na premenu tejto energie na mechanickú sú potrebné zložité technické zariadenia. Energiu vody a vodných tokov najskôr využívali len na plavbu, v poľnohospodárstve na zavlažovanie a až neskôr na premenu na mechanickú energiu. Začiatok využívania sily vody na energetické účely sa datuje do roku 135 p. n. l., keď Ctébius (Kteribius Alexandrijský) vynašiel lopatkové vodné koleso. Na začiatku kresťanskej éry sa vodné koleso začalo používať na pohon mlynov v blízkom Oriente a z rokov 260 až 300 n. l. sú známe historické podklady o veľkomlyne pri Arles vo Francúzsku, ktorý využíval spád 18 m vo dvoch paralelných kanáloch s celkovo osemnástimi vodnými kolesami.  [2]

Vodná energetika

Vodná energetika je vo svetovom meradle druhým najväčším zdrojom elektrickej energie a do roku 2030 môžeme očakávať nárast množstva vyrobenej elektrickej energie zo súčasných 3188 TWh až na 4259 TWh ročne.

Keďže hydropotenciál vyspelých krajín je už z väčšej časti je využitý, je možné očakávať nárast využívania hydropotenciálu rozvojových krajín Južnej Ameriky a Ázie. Napríklad v Číne za uplynulé desaťročia spustili do prevádzky už 43027 malých vodných elektrární s celkovým inštalovaným výkonom 26260MW a tiež aj najväčšie vodné dielo na Zemi, vodnú elektráreň Tri úžiny s celkovým inštalovaným výkonom 18200MW. [4] Po vzore úspešného čínskeho programu využívania hydropotenciálu krajiny je už dnes v Ázii známych viac než 3000 stavieb mikrolektrární, ktoré budú v krátkom čase schopné zásobiť elektrickou energiou ďalšie 2000 000 obyvateľov.  [3]

Obr. 2 Percentuálne využitie technicky využiteľného hydropotenciálu. [3]

Tabuľka 1 Rozloženie vodných elektrární vo svete [3]

Miesto Typ elektrárne Množstvo vyrobenej elektrickej energie v roku 1995 (TWh/rok) % malých vodných elektrární                  (do 10MW) % celo-svetovej výstavby Odhadované množstvo vyrobenej elektrickej energie v roku 2010 (TWh/rok) % malých vodných elektrárni            (do 10MW) % celo-svetovej výstavby
Svet – celkovo Veľké vodné 2265 5 3990 6
Malé vodné 115 220
EU 25 Veľké vodné 401,5 10 18 443 11 11
Malé vodné 40 50
Krajiny strednej a východnej Európy Veľké vodné 57,5 8 3 83 19 2
Malé vodné 4,5 16
Krajiny bývalého Sovieckého zväzu Veľké vodné 160 3 7 388 3 10
Malé vodné 4 12
USA, Kanada, Mexiko Veľké vodné 635 3 28 685 4 17
Malé vodné 18 25
Austrália, Japonsko, Nový Zéland Veľké vodné 131 menej ako 1 6 138 2 4
Malé vodné 0,7 3
Turecko, Cypru, Džibraltár, Malta Veľké vodné 35,5 1 2 72 1 2
Malé vodné 0,5 0,7
Afrika Veľké vodné 65,4 2 3 147 2 4
Malé vodné 1,6 3
Blízky východ Veľké vodné 24,8 menej ako 1 1 49 2 1
Malé vodné 0,2 1
Ázia Veľké vodné 291 14 13 1000 10 25
Malé vodné 42 100
Južná Amerika Veľké vodné 461,5 menej ako 1 20 990 1 25
Malé vodné 3,5 10

Vodná energetika na Slovensku

Na Slovensku má výstavba vodných diel dlhú tradíciu. Jej počiatky siahajú až do 14. storočia, kde sa v okolí banských miest  voda používala pre banícke účely a vďaka vodnému kolesu na pohon mlynov a hámrov. V 18. storočí sa rozvinula výstavba vodných nádrží a voda z nich sa používala na pohon banských strojov. Koncom 19. storočia sa začalo využívanie vodnej energie na výrobu elektrickej energie. Prvá vodná elektráreň na Slovensku bola postavená už v roku 1886 v Košiciach, osadená Francisovou turbínou.

Vodná energia je v Slovenskej republike najviac využívaný obnoviteľný zdroj energie na výrobu elektriny. Využiteľný potenciál na výrobu elektrickej energie na báze vodnej energie predstavuje 7361 GWh za rok je súčasnosti je využívaný na 57,5%. Podiel veľkých vodných elektrární na vyrobenej elektrickej energii za rok 2002 predstavoval 92 %, MVE 8 % [6]

Ako malé vodné elektrárne (MVE) sa označujú elektrárne s inštalovaným výkonom do 10 MW. Úlohou MVE je popri veľkých VE využiť primárny hydroenergetický potenciál územia SR na výrobu elektrickej energie. Z celkového využiteľného potenciálu sa v priemere malé vodné elektrárne podieľajú na tomto potenciáli 16 % (1220 GWh). Z celkového využiteľného potenciálu MVE sa v súčasnosti využíva 24,5 % (284,1 GWh). [5]

Zostávajúci využiteľný potenciál je 790 GWh. Z tohto potenciálu je po zohľadnení hlavne environmentálnych aspektov možné celkovo využiť 400-450 GWh ročne, čo zodpovedá inštalovanému výkonu MVE na úrovni 100 MW na riekach Dunaj, Hron, Bodrog a Hornád. [6]

Vodné stroje a ich rozdelenie

Vodný stroj je zariadenie, ktoré využíva potenciálnu, kinetickú alebo tlakovú energiu vody a mení ju na mechanickú energiu točiaceho sa hriadeľa. Prehľadné členenie vodných strojov je na obr. 3.1.

obr. 3.1 Schém členenia časti hydroagregátov

Keďže vo vodných elektrárňach dochádza spravidla k premene mechanickej energie toku na rotačnú energiu hriadeľa, ktorý poháňa generátor, budeme sa podrobnejšie zaoberať rotačnými vodnými motormi.

Vodné kolesá

Vodné koleso je najstarším a najjednoduchším vodným strojom. Využíva hlavne potenciálnu energiu vody. Voda pôsobí na koleso svojou váhou, teda polohová energia sa mení na mechanickou energii otáčajúceho sa kolesa. Vývojom vodných kolies, ktorý sa zastavil na začiatku 20. storočia, sa ich účinnosť zvýšila až na 80%, pričom bežná účinnosť vodného kolesa je 60 – 70%. V súčasnosti ich nahradili vodné turbíny, ale vodné kolesá majú veľa výhod. Sú to nenáročné, spoľahlivé a lacné motory, ktoré dokážu využiť znečistenú vodu. Dokážu pracovať na spádoch od 0,1m a s prietokmi 0,1m/s a zmena ich výkonu pri zmene plnenia je malá. Veľkou výhodou vodného kolesa je zotrvačnosť a vďaka prevodom stabilita otáčok. Konštrukcia vodného diela s vodným kolesom je oveľa lacnejšia ako vodné dielo s turbínou. Nevýhodou je, že tieto vodné motory majú nízke otáčky preto k svojej činnosti potrebujú prevodovku, teda na pohon generátora je potrebná prevodovka s veľkým prevodom a pri nízkych teplotách pod 0oC zamŕza voda. Ale dá sa tomu zabrániť umiestnením kolesa do drevenej alebo murovanej strojovne. Priemer vodného kolesa a tvar lopatiek je závislý iba od výšky spádu a šírka kolesa je závislá iba od prietoku.

V súčasnosti je vhodné použiť vodné kolesá pre lokality s nízkym spádom (do 1,5m) a premenlivým prietokom.

Podľa konštrukcie delíme vodné kolesá na

  • korčekové – využívajú potenciálnu energiu  vody
  • lopatkové – využívajú kinetickú energiu vody

Podľa pôsobenia vodného prúdu

  • s horným náhonom
  • so stredným náhonom
  • s dolným náhonom

Obr.3.2 Typy vodných kolies a) s horným náhonom, b) so stredným náhonom,                  c) s dolným náhonom,

Podľa smeru otáčania

  • otáčanie v  smere prúdu dolnej vody
  • otáčanie v smere proti prúdu dolnej vody

Korčekové vodné kolesá

Využívajú potenciálnu energiu vody. Sú to  kolesá s horným náhonom. Voda sa na koleso privádza zvrchu pomocou privádzača – náhonu a dopadá do truhličiek – korčekov. Takéto kolesá majú veľký priemer, dosahujú najvyššie otáčky zo všetkých typov vodných kolies väčšinou sa otáčajú v smere prúdu vody. Používajú sa na malé a stredné prietoky a sú schopné spracovať aj najmenšie prietoky. Dosahujú veľmi vysokú účinnosť. Využívajú sa pre spády od 3 do 15m.

Typy korčekových vodných kolies

  • s obráteným chodom – účinnosť až do 85%
  • s horným náhonom s priamym chodom – účinnosť

do 80%

  • zo zadným dopadom – účinnosť 65 – 75%

Lopatkové vodné kolesá

Je to najstarší typ vodných kolies. Využíva kinetickú energiu vody. Tieto kolesá na dolnú vodu, teda s dolným náhonom majú jednoduchú konštrukciu, ktorá je tvorená z lopatiek. Vyskytovali sa so stredným náhonom. Spodná časť  kolesa je ponorená vo vode, prúd vody pôsobí na lopatky a otáča kolesom proti smeru prúdu vody. Okolo kolesa je vytvorený tesný drevený alebo betónový žľab, tak aby voda neobtekala lopatky.

Používajú sa pre stredné a veľké prietoky a pre veľmi malé spády od 0,1 po 2,5m. Tieto kolesá sú závislé od stabilnej výšky hladiny, pretože pri nízkej hladine koleso nezostane ponorené a teda sa prestane točiť.

Typy lopatkových kolies:

  • Sagebienove koleso – účinnosť až do 80%
  • Zuppingerove koleso – účinnosť až do 78%
  • Ponceletove koleso – účinnosť až do 65%

Obr. 3.3 Typy lopatkových kolies z ľava do prava: Sagebienove koleso, Zuppingerove koleso, Ponceletove koleso

Vodné turbíny

Vodná turbína je rotačný vodný motor, ktorý premieňa buď iba kinetickú, alebo kinetickú aj tlakovú časť mechanickej energie na mechanickú energiu rotujúceho hriadeľa obežného kolesa, ktorá je ďalej premieňaná na elektrickú energiu. Podľa týchto dvoch základných parametrov rozdeľujme turbíny z hľadiska tlakových pomerov do dvoch základných skupín:

  • Rovnotlakové turbíny – využívajú kinetickú energiu vody (napr. Peltonova, Bánkiho)
  • Pretlakové turbíny – využívajú tlakovú energiu vody (napr. Kaplanova, Francisova)

Voda tečúca do turbíny na rozdiel od vodného kolesa vstupuje najskôr do rozvádzacieho kolesa, kde sa usmerní jej prúdenie a prechodom cez lopatky obežného kolesa sa energia vody mení na mechanickú energiu. Voda pri prechode cez lopatky obežného kolesa vyvolá na ne silové pôsobenie a táto sila uvádza do pohybu obežné koleso. Vodné turbíny sa začali používať na začiatku 19. storočia. Vo Francúsku v roku 1835 uviedli do prevádzky prvú odstredivú (centrifugálnu) turbínu. Vodné turbíny nahradili dovtedy používané vodné kolesá, majú vyššiu účinnosť a využívajú sa aj pre veľké spády. Vodné koleso pre veľké spády je technicky nemožné vyrobiť.

V súčasnosti sú najpoužívanejšie štyri základné druhy vodných turbín – Bánkiho, Peltonova, Francisova a Kaplanova.

Turbíny je okrem hľadiska tlakových pomerov možné deliť aj z nasledovných hľadísk:

Z hľadiska smeru prúdenia vody

  • Axiálna turbína – voda tečie rovnobežne s osou turbíny
  • Radiálna turbína – voda tečie v smere kolmom na os turbíny
  • radiálna turbína s vnútorným vtokom (centripetálna)  – voda prúdi od hriadeľa, pričom obežné koleso je na vonkajšej strane rozvádzacieho kolesa
  • radiálna turbína s vonkajším vtokom (centrifugálna) – voda prúdi ku hriadeľu, pričom obežné koleso je vo vnútri rozvádzacieho kolesa
  • Radiaxiálna turbína – voda mení smer radiálneho na axiálny až v obežnom kolese
  • Diagonálna (kužeľová)  turbína -  voda preteká turbínou šikmou vzhľadom na jej hriadeľ (Dériazova turbína)
  • Tangenciálna turbína – voda dopadá na obežné koleso ako lúč (Peltonova turbína)

Podľa polohy hriadeľa

  • turbína s vertikálne uloženým hriadeľom
  • turbína s horizontálne uloženým hriadeľom
  • turbína so šikmo uloženým hriadeľom

Podľa vtoku do turbíny

  • turbína s plným vtokom
  • turbína s parciálnym vtokom

Závislosť výšky spádu H od prietoku vody Q popisuje H-Q diagram. Podľa tohto

diagramu sa vyberá vhodný typ turbíny na použitie v elektrárni so známymi parametrami výšky spádu, prietokom vody a požadovaným výkonom. Na to slúži diagram na obr 5.4

Obr. 5.4 H-Q diagram (zdroj OZE)

Charakteristické údaje turbíny

  • maximálny výkon P – výkon, ktorý je k dispozícii na pohon generátora
  • prietok vody turbínou Q – objem, ktorý pretečie turbínou za jednotku času. Maximálny prietok turbínou, pri ktorom vzniká maximálny výkon sa nazýva hltnosť turbíny Qmax a je to zároveň prietok, pri ktorom ma turbína maximálnu účinnosť
  • čistý spád H

Rovnotlakové turbíny

Rovnotlakové turbíny využívajú rýchlosť prúdenia vody, čo je kinetická energia vody. Rýchlosť prúdenia je závislá na spáde vodného toku. Turbíny tohto typu sú pomalobežné vodné motory, pretože  obvodová rýchlosť turbíny je polovičná ako rýchlosť prúdenia vody, čo zabezpečuje optimálne využitie kinetickej energie vody. Tlak vody pôsobiaci na lopatky je rovnaký počas celej cesty vody cez turbínu. Tieto turbíny majú čiastočný (parciálny) ostrek, voda vstupuje do turbíny len čiastočne po jej obvode.

Peltonova turbína

Peltonova turbína bola vynájdená v roku 1880 americkým vynálezcom Lesterom Allanom Peltonom. Účinnosť malej turbíny je 80 až 85% a veľkej 85 až 95%. Turbína je zobrazená na obr. 5.5.

Tento typ turbíny vychádza z konštrukcie vodného kolesa. V Peltonovej turbíne sa voda na obežné koleso privádza tangenciálne cez jednu alebo viacero dýz. Pri konštruovaní Peltonovej turbíny je pre určitý rozsah výkonov možné navrhnúť priemer obežného kolesa tak, aby zodpovedal menovitým obrátkam generátora. V takom prípade nie je potrebná prevodovka a celý agregát je jednoduchší, spoľahlivejší, lacnejší, a zároveň má aj vyššiu účinnosť, pretože odpadajú straty v prevodovke. Toto riešenie sa však nedá použiť pre celý rozsah výkonov. Lopatiek býva obvykle 12 až 40 a hriadeľ turbíny aj s generátorom môže byť uložený horizontálne, keď je dýza jedna alebo sú dve. Agregáty so štyrmi až šiestimi dýzami mávajú vertikálnu os hriadeľa. Pre zvýšenie účinnosti  sú lopatky kolmé na lúč dopadajúcej vody. Výrez na lopatke slúži na lepšie prerozdelenie vody. Výstupok na lopatke rovnomerne rozdeľuje vodu dopadajúcu na lopatky. Obežné koleso je vždy uložené v turbínovej skrini, ktorá zabraňuje rozstriekavaniu vody a usmerňuje ju do odpadu. Regulácia prietoku vody v dýze a tým aj výkonu turbíny sa robí ihlovým uzáverom v osi dýzy. Regulácia musí byť plynulá, bez skokových zmien, aby nedochádzalo k rázom v prívodnom potrubí. Peltonova turbína sa používa spravidla pri vysokých spádoch a menších prietokoch..

Obr. 5.5. Peltonova turbína [11]

Turbína sa väčšinou buduje ako horizontálna, teda aj obežné koleso je umiestnené horizontálne, takéto usporiadanie je vhodné pre menšie prietoky. Pri takomto usporiadaní je obežné koleso zavzdušnené a aj ložiská sa nachádzajú mimo vodu. Vertikálne sa umiestňujú len najväčšie Peltonove turbíny s výkonmi do 200 MW a priemerom obežného kolesa až 5 m. Takéto veľké turbíny majú okrem hlavných dýz aj pomocné dýzy slúžiace na rozbeh a brzdenie obežného kolesa. Hltnosť turbíny sa zvyšuje pridaním ďalších dýz. Pri horizontálnom umiestnení obežného kolesa sa používajú maximálne dve dýzy a pri vertikálnom až 6 dýz.

Peltonova turbína s používa pre spády od 10 m. Používa sa pre prietoky od 1,5 l/s až do  34000 l/s. Je vhodná na použite v malých vodných tokoch s veľkým spádom. Dokáže spracovať aj mierne znečistenú vodu a vďaka plochej charakteristike turbíny dosahuje dobrú účinnosť pri zmenách prietoku.

Celé zariadenie je pomerne zložité a drahé, preto sa táto turbína v malých vodných elektrárňach obvykle nepoužíva.

Bánkiho turbína

Bánkiho turbína bola teoreticky vynájdená austrálskym inžinierom A.G.M. Mitchelom v r. 1903, ale pre praktické použitie ju upravil maďarský profesor D. Bánki v r. 1918.

Je to rovnotlaková turbína s veľmi jednoduchou konštrukciou. Horizontálne umiestnené  zavzdušnené obežné koleso sa skladá z dlhých zahnutých lopatiek na koncoch uzavretých diskami. Obežné koleso sa môže skladať z viacerých takýchto sekcií. Prívod vody do turbíny je uskutočnený cez obdĺžnikové vtokové potrubie. Voda pri prechádzaní cez turbínu dopadne na dlhé lopatky obežného kolesa. Lopatky sa snažia odkloniť vodu smerom k hriadeľu turbíny. Voda zmenou smeru odovzdá väčšinu, asi 79%, svojej energie obežnému kolesu. Ďalej voda prechádza cez voľný zavzdušnený priestor turbíny. Potom dopadá na lopatky na opačnej strane obežného kolesa a je opäť nútená zmenou smeru odovzdať energiu obežnému kolesu. Po opustení lopatiek voľne vyteká pod obežné koleso.

Prietok vody cez turbínu sa reguluje pomocou klapky umiestnenej na vstupe vody do turbíny. Ložiská  turbíny sú umiestnené v kryte obežného kolesa a celej turbíny a nie sú v kontakte s vodou. Bánkiho turbína je zobrazená na obr. 5.6.

Obr 5.6 Bánkiho turbína [11]

Bánkiho turbína má veľmi široké použitie. Je vhodná pre spády od 1m až po 50 m s prietokom od 0,5 l/s až do 20000 l/s. Preto sa používa najmä v malých vodných elektrárňach a je v hodná pre toky s malým a premenlivým prietokom. Použitie na vodných tokoch s premenlivým prietokom je možné vďaka jej plochej charakteristike. V rozsahu plnenia od 30% do 100% pracuje s veľmi dobrou účinnosťou. Bánkiho turbína dosahuje účinnosť až 85%. Jednoduchá konštrukcia a s tým súvisiaca finančná náročnosť turbíny je ďalším dôvodom pre použitie v malých vodných elektrárňach.

Obežné koleso je zobrazené na obr. 5.7.  Šírka obežného kolesa závisí od jeho použitia. Pre veľké spády sa používa úzke obežné koleso a pre malé spády zase široké obežné koleso. Pre premenlivé prietoky sa obežné koleso rozdeľuje na sekcie 3 x ⅓ šírky. Bánkiho turbína je schopná spracovať znečistené vodné toky a nie je náchylná ku kavitácii.

Obr. 5.7. Obežné koleso Bánkiho turbíny [12]

Pretlakové turbíny

Pretlakové turbíny využívajú tlakovú energiu vody. Časť tlaku vody sa v privádzači premení na rýchlosť, čo zabezpečí potrebné plnenie turbíny. Zvyšný tlak sa využije na lopatkách turbíny na jej roztočenie. Na výstupe z turbíny je nízky atmosférický tlak alebo aj podtlak. Tento podtlak spôsobuje kavitáciu a tá zvyšuje opotrebovanie turbíny. Preto sa na výrobu pretlakových turbín používajú veľmi kvalitné materiály. Na zamedzenie podtlaku za zavádza protitlak, turbína sa umiestňuje pod spodnú hladinu vody. Pretlakové turbíny sú rýchlobežné vodné motory. Ich otáčky sú omnoho vyššie ako je rýchlosť prúdenia vody. Preto majú menšie rozmery ako rovnotlakové turbíny. Tieto turbíny majú úplný ostrek, pretože voda do turbíny vstupuje po celom jej obvode.

Francisova turbína

Francisova turbína bola vyvinutá Jamesom B. Francisom v roku 1848, na základe doposiaľ známych typov vodných turbín. V súčasnosti je to druhá najpoužívanejšia vodnáh turbína. Používa sa najmä pre veľké vodné elektrárne. Je vhodná pre prietoky od  600 l/s a pre spády od 10 m. Dosahuje veľké výkony, v súčasnosti najväčšia má výkon 800 MW. Účinnosť tejto turbíny býva cez 90 %. Radí sa medzi normálobežné a rýchlobežné vodné motory.

Francisova turbína ja pretlaková, to znamená že voda pri prechode turbínou mení svoj tlak. Voda svoju tlakovú energiu odovzdá lopatkám obežného kolesa. Na nasmerovanie toku vody na lopatky obežného kolesa a získanie rýchlosti slúži rozvádzacie koleso s pohyblivými lopatkami. Voda dopadá na obežné koleso po celom obvode, prechádza cez lopatky obežného kolesa a tu odovzdáva svoju energiu. Po prechode obežným kolesom má voda nízky tlak. Francisove turbíny sa osadzujú s horizontálnym aj vertikálnym umiestnením rotora. Turbíny s vertikálnym rotorom sú vhodné pre malé vodné elektrárne, pretože sú schopné využiť spád od 2 m a prietok od 100 l/s. Francisova turbína je zobrazená na obr. 5.8.

Obr. 5.8 Francisova turbína [12]

Kaplanova turbína

Kaplanova turbína je pretlaková turbína, vynájdená rakúskym inžinierom a profesorom Viktorom Kaplanom v roku 1918 počas svojho pôsobenia v Brne. V súčasnosti je to najpoužívanejší typ vodnej turbíny. Má široký rozsah použitia, používa sa pre malé, stredné a aj veľké vodné elektrárne. Dosahuje najvyššiu účinnosť zo všetkých typov vodných turbín a to viac ako 90%. Používa sa pre spády od 1 m až do 80 m a pre prietoky od 200 l/, ale hlavne sa používa pre väčšie prietoky a menšie spády. Kaplanova turbína sa radí do kategórie rýchlobežných vodných motorov, pretože rýchlosť otáčania obežného kolesa je dvakrát väčšia ako rýchlosť vody pretekajúcej cez turbínu.

Zakladané časti turbíny sú pevné rozvádzacie koleso s polohovateľnými lopatkami a obežne koleso s polohovateľnými lopatkami. Práve vďaka polohovateľným lopatkám je turbína veľmi dobre regulovateľná, aj pri premenlivom prietoku dosahuje maximálnu účinnosť, čo umožňuje jej použitie na vodných tokoch s premenlivým prietokom. Konštrukcia tohto typu je veľmi zložitá a tým aj drahá. Preto malé Kaplanove turbíny pre malé vodné elektrárne majú pevné lopatky obežného aj rozvádzacieho kolesa, ale dosahujú nižšiu účinnosť. Počet lopatiek obežného kolesa je vždy párny, najčastejšie sa používajú štyri lopatky. Voda je do turbíny privádzaná cez tlakový privádzač k obežnému kolesu. Na lopatkách rozvádzacieho kolesa voda získa potrebný smer a rýchlosť a postupuje na lopatky obežného kolesa, kde odovzdá svoju tlakovú a kinetickú energiu. Po opustení turbíny má voda nízky tlak. Turbína je náchylná na kavitáciu, preto musí mať protitlak. To sa rieši umiestnením turbíny pod minimálnu hladinu vody vo vývare.

Kaplanova turbína sa umiestňuje vertikálne v akumulačných a haťových elektrárňach alebo horizontálne v prietokových elektrárňach. Výhodou tejto turbíny je malá stavebná výška a tým nižšie náklady na stavbu elektrárne.

V súčasnosti je veľa rôznych modifikácií Kaplanovej turbíny a jej vývoj stále pokračuje. Kaplanova turbína je zobrazená na obr. 5.9.

Obr. 5.9. Kaplanova turbína [12]

Vodná elektráreň

Vodná elektráreň využíva energiu vodného toku (potenciálnu a kinetickú) na výrobu elektrickej energie.[8] Vodná elektráreň je obvykle súčasťou vodného diela. Vodné dielo je  stavebné a strojné zariadenie, ktoré je potrebné na využitie vodnej energie v určitom úseku vodného toku a jej  premenu na mechanickú energiu. Účelom vodného diela je s maximálnou možnou účinnosťou zužitkovať kinetickú alebo potenciálnu energiu vody na premenu najskôr vo vodnom motore na mechanickú energiu a potom v generátore na elektrickú energiu.

Úlohou ostatných častí vodného diela je dopraviť vodu k motoru bez straty energie.

Delenie vodných elektrární podľa:

1. inštalovaného výkonu

-      domáce vodné elektrárne s inštalovaným výkonom do 35kW

-      mikro vodné elektrárne s inštalovaným výkonom od 35 do 1 MW

  • malé vodné elektrárne inštalovaný výkon od 1MW do 10MW
  • stredné vodné elektrárne inštalovaný výkon od 10MW do 200MW
  • veľké vodné elektrárne inštalovaný výkon nad 200MW

2. využívaného spádu

  • nízkotlakové – spád do 20m
  • strednotlakové – spád od 20m do 100m
  • vysokotlakové – spády nad 100m

3. pokrývania denného diagramu zaťaženia

  • základné
  • polo špičkové
  • špičkové
  • samostatné – pracujú v ostrovnej prevádzke

4. pracovného režimu

  • akumulačné VE
  • derivačné VE

- prietokové VE

- prečerpávacie VE

- prílivové VE

Elektrotechnické zariadenia malých vodných elektrární

Už pri návrhu stavebnej časti MVE je potrebné poznať aj druh a rozsah elektrického zariadenia, pretože toto má vplyv na dispozičné riešenie a statické riešenie strojovne elektrárne. Základnými prvkami elektrického systému MVE sú:

  • generátor
  • vývody z generátora
  • rozvodňa generátorových vývodov
  • blokový transformátor
  • vonkajšia rozvodňa
  • transformátor vlastnej spotreby
  • elektrické motory pre ovládanie rôznych zariadení (žeriavy, čerpadlá, klapky atď.)
  • budiče generátorov
  • pomocné zariadenia (odpojovače, ističe, vypínače a pod. )

Vlastnú premenu mechanickej energie, dodávanej vo forme momentu z rotujúceho hriadeľa vodného stroja, zaisťuje elektrický generátor. Tento generátor je pripojený prostredníctvom prenosového a obvykle aj transformačného zariadenia k miestu spotreby. Vyrobenú elektrickú energiu je potrebné okamžite spotrebovať, prakticky sa nedá akumulovať za prijateľnú cenu. Prenosovú cestu tvorí elektrický obvod so spínacími a istiacimi prístrojmi, riadiacimi, meracími a zabezpečovacími obvodmi. Elektrické zariadenie MVE úzko súvisí s usporiadaním hydroagregátu, jeho parametrami a s charakterom spotreby vyrobenej elektrickej energie.

Vplyv vodných elektrární na životné prostredie

Človek svojou činnosťou vplýva na životné prostredie. Tak isto aj výstavba a prevádzka vodných elektrární spôsobuje zmeny životného prostredia. Malé vodné elektrárne spôsobujú len veľmi malé zásahy do životného prostredia. Ide hlavne o migráciu vodných živočíchov, čo však nie je problém vyriešiť vybudovaním biokoridorov, a o hlučnosť prevádzky. Väčší problém nastáva pri veľkých vodných elektrárňach s akumulačnou nádržou. Najväčším zásahom do životného prostredia je záber veľkej plochy pôdy. V okolí akumulačnej nádrže nastáva zmena klimatických podmienok, zvýšenie vlhkosti a čiastočné vyrovnávanie teplôt. Ostatné negatívne vplyvy sa dajú vyriešiť pomocou technologicko – ekologických opatrení.

Pozitívne vplyvy vodných elektrární na životné prostredie prevyšujú nad negatívnymi vplyvmi. Vodné elektrárne sú bezodpadovým zdrojom elektrickej energie, vodu nespotrebúvajú ale len využijú jej energiu a neprodukujú žiadne emisie. Vodná energia je primárny energetický zdroj, teda nie je závislý na aktuálnej cene na trhu. Najväčším kladným vplyvom vodných elektrární na životné prostredie je náhrada elektrickej energie za zdroje podstatne viac znečisťujúce životné prostredie. Na 1 MWh elektrickej energie vyrobenej v tepelnej elektrárni teba spotrebovať 1,1 až 1,5 tony uhlia. Pri tom sa vyprodukuje veľa škodlivín. Tiež životnosť tepelnej elektrárne je nižšia ako životnosť vodnej elektrárne, ktorá dosahuje aj vyše 100 rokov.

Vodné elektrárne majú oproti iným zdrojom elektrickej energie malý negatívny vplyv na životné prostredie, preto je výhodné zvýšiť využívanie hydroenergetického potenciálu vodnými elektrárňami. [2]

Použitá literatúra

[1] Kolobeh vody, [online] Publikované 2006, Dostupné z

www.ondeo.cz/files/image/clanky/kolobeh_vody.jpg

[2] Janíček, F., a kol., : Obnoviteľné zdroje energie 1, Bratislava, Fakulta elektrotechniky

a informatiky STU, 2007. ISBN 978-80-969777-0-3

[3] The Role of Hydropower in Sustainable Development, IHA White paper, [online]

Publikované 2.2003, Dostupné z

http://www.hydropower.org/downloads/RoleOfHydropowerInSustDev_IHA%20White%20Paper.pdf

[4] Hydropower development with a focus on Asia and western Europe [online] Publikované 6.2003, Dostupné z http://www.vleem.org/PDF/11-2003/annex7.pdf

[5] Teoreticky využiteľný hydroenergetický potenciál  VE a MVE, Interný pracovný dokument Výskumného ústavu vodného hospodárstva, Bratislava, Sprístupnené Bc. Petrovi Hajdučekovi pre účely Diplomovej práce: Návrh malej vodnej elektrárne

[6] Peter Tauš, Radim Rybár, Dušan Kudelas, Dušan Domaracký and Štefan Kuzevič: Potenciál obnoviteľných zdrojov energie na Slovensku z hľadiska výroby elektrickej energie, Acta Montanistica Slovaca, Ročník 10 (2005), číslo 3 317-326, [online] Publikované 2006, Dostupné z http://actamont.tuke.sk/pdf/2005/n3/8taus.pdf

[7] Slovenské elektrárne, a.s., [online] Publikované 2006, Dostupné z http://www.seas.sk

[8] Energetický slovník, [online] Publikované 2006, Dostupné z http://www.javys.sk/sk/index.php?page=energeticky-slovnik/V/3399

[9] Vodné elektrárne, [online] Publikované 2006, Dostupné z http://sizspsd.spsdke.sk/elektrarne/vodne/stredvod.htm

[10]  Marko, Š., Kluch, K., : Elektrárne 1, Bratislava ,Slovenská technická univerzita,

1989. ISBN 80-227-0148-3

[11] Hať vodného diela Žilina, [online] Publikované 2006, Dostupné z http://zilina-gallery.sk/picture.php?/3719/category/372

[12] Wikipedia, http://wikipedia.org/