Návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne Diplomová práca Študijný program: Elektroenergetika Študijný odbor: Elektrotechnika Školiace pracovisko: Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky Vedúci práce: Ing. Marek Pípa, PhD. Bratislava 2011 Bc. Tomáš Hricko

2 ABSTRAKT Slovenská technická univerzita v Bratislave FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Študijný program: Elektrotechnika Autor: Bc. Tomáš Hricko Názov diplomovej práce: Návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne Vedúci diplomovej práce: Ing. Marek Pípa, PhD. Mesiac a rok odovzdania: Máj 2011 Diplomová práca sa zaoberá problematikou malých vodných elektrární. Cieľom diplomovej práce je na základe teoretických poznatkov a technického zhodnotenia existujúcej vodnej elektrárne urobiť návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne. Diplomová práca je rozdelená do niekoľkých častí. Prvá časť obsahuje základné hydrologické termíny, ako aj členenie vodných elektrárni. V ďalšej kapitole je popis základných častí vodnej elektrárne. Hlavná časť obsahuje postup pri navrhovaní malých vodných elektrárni. Na základe zistených dosiahnutých parametrov niekoľkých MVE a vodných tokov na Slovensku je spracovaná typová technológia malej vodnej elektrárne. Posledná časť práce obsahuje ekonomické zhodnotenie projektu, pripomína moţnosť vyuţitia financovania z prostriedkov EÚ a obsahuje aj vyčíslenie návratnosti investície. Kľúčové slová: malá vodná elektráreň, prietok, turbína

3 ABSTRACT Slovak University of Technology in Bratislava FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND INFORMATION TECHNOLOGY Degree Course: Electrical Engineering Author: Bc.Tomáš Hricko Title of the diploma thesis: Proposal type of technology a small hydroelectric power plant Supervisor: Ing. Marek Pípa, PhD. Year of the submission: May 2011 The thesis deals with small hydroelectric plants. The aim of this thesis is based on heoretical knowledge and technical assessment of existing hydro - type technology to make the proposal a small hydropower plant. The thesis is divided into several parts. The first section contains basic hydrological terms, as well as the breakdown of water power. The next chapter is a description of the essential parts of hydroelectric power. The main section contains the procedure for the design of small hydro power. Based on the identified parameters obtained several small hydropower plants and watercourses in Slovakia is that type-technology small hydropower plant. Last part contains an economic assessment of the project, notes the possibility of using EU funding and also includes quantifying the return on investment. Keywords: small hydropower plant, flow, turbine

4 VYHLÁSENIE Prehlasujem, ţe som túto diplomovú prácu s názvom Návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne spracoval samostatne pod vedením vedúceho práce s pouţitím citovanej literatúry. V Bratislave, dňa Bc. Tomáš Hricko

5 Poďakovanie Týmto by som sa chcel srdečne poďakovať všetkým, ktorí pri mne stali počas môjho štúdia, v prvom rade mojím rodičom za ich podporu. Ďakujem patrí aj vedúcemu práce Ing. Marekovi Pípovi, PhD. za jeho rady, kritiku i pomoc pri riešení projektu.

6 Obsah Obsah... 7 Zoznam obrázkov... 8 Zoznam tabuliek... 8 Úvod Vodné elektrárne Rozdelenie vodných elektrární Priehradové vodné elektrárne Haťové vodné elektrárne Derivačné vodné elektrárne Prečerpávacie vodné elektrárne Prílivové vodné elektrárne Základné časti vodných elektrární Generátory vodných elektrární Vlastná spotreba a vyvedenie výkonu Vodné motory Vodné kolesá Vodné turbíny Postup pri navrhovaní malých vodných elektrární Návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne Základné údaje pre stavbu malej vodnej elektrárne Technologické vybavenie MVE Elektrotechnologické vybavenie MVE Ekonomické zhodnotenie Záver Zoznam pouţitej literatúry:... 50

7 Zoznam obrázkov Obr. 1 Odtoková krivka [6] Obr. 2 Priehradová vodná elektráreň [9] Obr. 3 Výpusť haťovej vodnej elektrárne [10] Obr. 4 Derivačný kanál vodnej elektrárne [13] Obr. 5 Pohľad na obe nádrţe prečerpávacej vodnej elektrárne Čierny Váh [15] Obr. 6 Prílivová vodná elektráreň [7] Obr. 7 Schematický priečny rez MVE [18] Obr. 8 Kaskádový rybovod [19] Obr. 9 Typy vodných kolies [4] Obr. 10 Sagebienovo koleso [21] Obr. 11 Ponceletovo koleso [21] Obr. 12 Zuppingerovo koleso [21] Obr. 13 Aplikácia turbín podľa výšky spádu a prietoku [X] Obr. 14 Bánkiho turbína [2] Obr. 15 Obeţné koleso Bánkiho turbíny [16] Obr. 16 Peltonova turbína [21] Obr. 17 Špecifický tvar lopatiek PT [3] Obr. 18 Obeţné koleso Peltonovej turbíny [3] Obr. 19 Kaplanova turbína [21] Obr. 20 Francisova turbína [21] Obr. 21 Grafická závislosť priemerných mesačných prietokov riek Obr. 22 Kaplanova turína typu HYDROHROM OK 1000 [22] Obr. 23 Transformátor ELVIM 250 kva [23] Zoznam tabuliek Tabuľka 1 Najvýznamnejšie slovenské rieky Tabuľka 2 Vybrané elektrárne s určitým prietokom Tabuľka 3 Priemerné ročné prietoky na tokoch vo vybraných staniciach Tabuľka 4 Priemerné prietoky v jednotlivých mesiacoch v roku Tabuľka 5 Parametre generátora Tabuľka 6 Prehľad nákladov... 47

8 Úvod Vodná energia sa u nás ale aj vo svete začala vyuţívať uţ veľmi dávno. V minulosti sa vodná energia vyuţívala na mechanický pohon mlynov a zavlaţovacích systémov. Prvé poznatky o vyuţívaní vodnej energie pochádzajú z roku 600 pred n. l.. Aj na Slovensku sa zachovali stavebné a technologické časti historických vodných diel, ktoré sa vyuţívali na mechanickú prácu, alebo na výrobu elektrickej energie. Najstaršie vodné diela sa u nás začali stavať koncom 19. storočia. Najprv sa vodné elektrárne vyuţívali v banskom a hutníckom odvetví. Začiatkom 20. storočia sa vodné diela začali vyuţívať aj pre priemysel, najmä pre ţeleziarne. V medzivojnovom období došlo u nás k budovaniu malých vodných diel. Elektráreň Ladce bola s výkonom 15 MW uvedená do prevádzky v roku 1936 ako prvá väčšia vodná elektráreň. Prvá prečerpávacia vodná elektráreň bola na Slovensku uvedená do prevádzky v roku 1948 v Dolnom Jelenci s prečerpávacím výkonom 0,91 MW. Najvýznamnejšia vodná elektráreň u nás, Gabčíkovo, bola spustená v októbri Výroba elektriny vo vodných elektrárňach predstavuje asi jednu šestinu celoročnej spotreby elektrickej energie na Slovensku. Výroba elektriny vo vodných elektrárňach je u nás prakticky jediným obnoviteľným zdrojom elektrickej energie, ktorý má istý význam. Súčasné vodné elektrárne zahŕňajú v sebe mikrozdroje, malé vodné elektrárne a veľké vodné elektrárne. V súčasnosti pouţívané vodné turbíny sú z hľadiska účinnosti oveľa efektívnejšie pri výrobe elektriny ako iné typy elektrární. Vodné elektrárne premieňajú aţ 90 % dostupnej energie na uţitočný výkon. Na proti tomu tepelné alebo jadrové elektrárne pracujú u nás s neporovnateľne niţšou účinnosťou. Vodné elektrárne patria medzi najspoľahlivejšie a najdlhšie pracujúce zdroje elektrickej energie. Ich veľkou výhodou je, ţe neznečisťujú ţivotné prostredie škodlivými emisiami, neprodukujú odpad, nepotrebujú na svoj chod ţiadne ďalšie suroviny. Napriek tomu majú aj vodné diela negatívny dopad na ţivotné prostredie. Veľké vodné diela zaberajú veľkú plochu územia a to vrátane fauny a flóry. Taktieţ majú nemalý vplyv na riečnu ekológiu. Vybudovaním vodného diela dochádza k regulácii vodnej hladiny, spomaľovaniu rýchlosti vodných tokov alebo aj k úprave brehov. 9

9 1 Vodné elektrárne V problematike vodných elektrární sa často stretávame so zauţívanými hydrologickými pojmami. V tejto časti práce sa s nimi bliţšie oboznámime. Spád H, je výškový rozdiel vodných hladín. Spády môţeme rozdeliť do dvoch skupín: a) hrubý spád to je celkový statický spád daný rozdielom hladím pri nulovom prietoku vodnou elektrárňou. Určíme ho niveláciou úseku od vtokového objemu po úroveň spodnej hladiny odpadu turbíny, b) čistý spád získame ho odčítaním hydraulických strát tesne pred a po vodnom motore, strát spôsobených zmenami smeru toku a objemovými stratami v privádzacom kanále, v potrubí atď. Prietok Q, prietokom sa rozumie prietočné mnoţstvo vody v danom vyuţiteľnom profile. Odtoková krivka udáva prietok zaručený v danom profile toku pre určitý počet dní. Obr. 1 Odtoková krivka [6] Priemerný mesačný prietok PRM. aritmetický priemer priemerných denných prietokov v danom profile za jednotlivé mesiace. Špecifický odtok Š.O. odtok vody z jednotky povodia. Mesačný odtok ODT. objem vody, ktorý pretiekol vodomerným profilom za daný mesiac. Ročný súčet súčet všetkých priemerných denných prietokov. Ročný priemer aritmetický priemer priemerných denných prietokov v danom roku. Ročné maximum najväčší kulminačný prietok za rok. 10

10 Ročné minimum najmenší priemerný denný prietok za rok. Ročný špecifický odtok ročný špecifický odtok vody z povodia. Ročný odtok objem vody, ktorý pretiekol vodomerným profilom za mesiac. Energetická bilancia riečneho toku Energetická bilancia riečneho toku zahŕňa v sebe niekoľko druhov energií. Dajú sa spojiť do štyroch skupín: a) energia, ktorá sa spotrebuje na prekonanie odporu prúdenia vody, b) energia, ktorá sa spotrebuje na deformáciu koryta vodorovnú aj zvislú, c) energia, ktorá sa spotrebuje na odnášanie splavenín, d) kinetická energia toku. Vodná energia určitého toku je vlastne mechanická energia a tá má dve zloţky: 1. potenciálna energia polohová energia, tlaková energia 2. kinetická energia 1.1 Rozdelenie vodných elektrární Vodné elektrárne moţno rozdeliť podľa viacerých kritérií. Uvádzam aspoň niektoré z nich. 1. Členenie vodných elektrárni podľa toho, pre aké spády a akým spôsobom sa vodný tok vyuţíva [1]: a) akumulačné VE ich súčasťou je veľká akumulačná nádrţ, b) derivačné VE sú postavené na derivačnom kanále, c) prietokové VE prehradzujú pôvodné alebo nové koryto vodného toku, d) prečerpávacie VE majú 2 nádrţe / dolnú a hornú /. V čase nízkej záťaţe prečerpávajú vodu do vyššie poloţenej nádrţe. V čase vyššej záťaţe táto voda potom poháňa hydrogenerátor na výrobu elektrickej energie, e) kombinované VE. 2. Rozdelenie vodných elektrárni podľa vyuţívaného spádu [6]: a) nízkotlakové spád do 20 m, b) stredotlakové spád od 20 m do 100 m, c) vysokotlakové spád nad 100 m. 11

11 3. Rozdelenie podľa inštalovaného výkonu [1]: a) mikroelektrárne inštalovaný výkon do 100 kw, b) malé vodné elektrárne inštalovaný výkon do 10 MW, c) stredné vodné elektrárne inštalovaný výkon od 10 MW do 200 MW, d) veľké vodné elektrárne inštalovaný výkon od 200 MW. 4. Rozdelenie vodných elektrárni podľa stavebného vyhotovenia [1]: a) priehradové alebo haťové ich spád je utvorený priehradou alebo haťou, b) derivačné ich spád je utvorený prevaţne deriváciou, c) prečerpávacie vyuţívajú vodu prečerpávanú z dolnej nádrţe do hornej, d) prílivové vyuţívajú spád utvorený morským prílivom a odlivom. 5. Rozdelenie vodných elektrárni podľa doby vyuţitia inštalovaného výkonu [1]: a) prietočné VE h, b) akumulačné VE h, c) prečerpávacie VE h Priehradové vodné elektrárne Medzi priehradové vodné elektrárne patria akumulačné resp. regulačné elektrárne. Zo spádového hľadiska sú to strednotlakové, alebo vysokotlakové vodné elektrárne s Kaplanovou alebo Francisovou turbínou. Priehrady sú najväčšími a najviac namáhanými časťami celého vodného diela. Na priehradu najviac pôsobí tlak vody, sila zeminy, na ktorej je priehrada vystavená a tlak vetra. Priehrady môţeme rozdeliť podľa konštrukcie na [1]: 1) murované hrádze z lomového kameňa, betónové gravitačné alebo klenbové. 2) zemné hrádze hlinité, balvanité. Priestor, v ktorom sa priehradou zadrţuje voda, sa nazýva vodná nádrţ. Veľké vodné nádrţe sú viacúčelové. Ich hlavné časti sú: 12

12 ochranný ( retenčný) priestor - slúţi na čiastočné zadrţanie veľkých vôd a na zníţenie vrcholov povodňových vôd, uţitočný ( zásobný) priestor - slúţi na akumuláciu vody pre vodohospodárske a energetické účely, stály ( rezervný) priestor - je obmedzený dolnou hladinou uţitočného priestoru a dnom nádrţe. Ak je vodná elektráreň priamo pri priehrade, vtok k turbínam má byť umiestnený pod dolnou hladinou uţitočného priestoru, aby bola zabezpečená prevádzka vodných turbín. Veľkosť stáleho priestoru závisí aj od mnoţstva očakávaných usadenín. Z hľadiska vybudovania vodnej elektrárne a priehrady sú dané tri typy vodných elektrární: 1) priehradová VE strojovňa celkom, resp. čiastočne umiestnená v telese priehrady, 2) podpriehradová VE strojovňa umiestnená pod priehradou, 3) podpriepadová VE strojovňa umiestnená pod priepadmi pri vzdušnej päte telesa priehrady. Obr. 2 Priehradová vodná elektráreň [9] 13

13 1.1.2 Haťové vodné elektrárne Haťové vodné elektrárne sú podtypom akumulačných vodných elektrární. Väčšinou sú to nízkotlakové priebeţné elektrárne. Haťové VE sa stavajú na riekach s veľkými prietokmi a s malým sklonom dna. Táto elektráreň leţí v bezprostrednej blízkosti hate alebo priamo v jej telese. Hať musí trvale udrţať najvyššie dovolené vzdutie hornej vody bez ohľadu nato, aké je ročné obdobie. Hate poznáme pevné a pohyblivé. Haťové VE delíme na: 1) príťahové strojovňa umiestnená v tesnej blízkosti hate, 2) VE so strojovňou v telese hate pilierové haťové VE, podpriepadové haťové VE, zdruţené VE. Obr. 3 Výpusť haťovej vodnej elektrárne [10] 14

14 1.1.3 Derivačné vodné elektrárne Deriváciou sa rozumie umelé vedenie vody z vodného toku k elektrárni a od nej späť. Derivácia slúţi nielen na vedenie vody, ale najmä na sústredenie spádu. Derivácie moţno rozdeliť podľa spôsobu vedenia jej trasy: trasa derivácie ide pozdĺţ vyuţívaného toku, trasa derivácie skracuje oblúk vyuţívaného toku, derivácia odvádza prietok z vyššie poloţeného toku do niţšie poloţeného toku. Derivácia vodnej elektrárne môţe byť: beztlaková, tlaková, beztlakovo-tlaková (zmiešaná) jeden úsek derivácie vedie vodu voľnou hladinou a v ďalších úsekoch voda tečie pod tlakom. Obr. 4 Derivačný kanál vodnej elektrárne [13] Derivačné elektrárne s beztlakovou deriváciou Deriváciou tohto typu elektrární je otvorený ţľab alebo kanál. Ak je tento kanál väčší, potom hovoríme o kanálovej vodnej elektrárni. Celú deriváciu kanálových vodných elektrární tvoria privádzací a odpadový kanál s voľnou hladinou. Hlavné objekty kanálovej vodnej elektrárne sú: hať, zdrţ, vtokový objekt, derivačný kanál, výrobné objekty, jalová priepusť, plavebné komory. 15

15 Derivačné elektrárne s tlakovou a zmiešanou deriváciou Derivácia týchto elektrární sa skladá z prívodu a odvodu. Tieto elektrárne sú vhodné pre úseky tokov, kde sú veľké spády a menšie prietoky. Prívod je rozdelený regulačnou, alebo vyrovnávacou komorou na: a) privádzač vedie vodu z haťovej zdrţe po regulačnú alebo vyrovnávaciu komoru, b) tlakové potrubie, alebo šachta vedie vodu od komory aţ po vtok do turbín. Priehradovo-derivačné elektrárne V tomto type vodnej elektrárne sa spád sústreďuje a voda akumuluje v nádrţi pomocou priehrady. Spády sú zväčša veľké, a tým aj výkon týchto elektrární je pomerne veľký. Tieto elektrárne pracujú ako špičkové regulačné. Na regulovanie sa pouţívajú akumulačné nádrţe. Tieto môţeme rozdeliť podľa veľkosti na denné, týţdenné, ročné aj viacročné Prečerpávacie vodné elektrárne Tento typ elektrárne má dve vodné nádrţe, jednu z nich vyššie poloţenú ako druhú. Medzi nimi je turbína. Vo vyššie poloţenej nádrţi je uskladnená potenciálna energia v podobe vody. Počas maximálneho zaťaţenia siete sa táto voda spúšťa kanálom cez turbínu. Tým sa vyrába elektrická energia. V noci, keď je spotreba elektrickej energie menšia, sa z dolnej nádrţe prečerpáva do hornej nádrţe a elektrická energia sa spotrebúva. Táto spotreba je zvyčajne vyššia ako mnoţstvo vyrobenej energie. Prečerpávacie vodné elektrárne majú aj napriek tomu svoj význam v sústave, keďţe dokáţu vyrábať potrebnú energiu prakticky okamţite, keď je to najviac potrebné. U nás je asi najznámejšia prečerpávacia vodná elektráreň Čierny Váh. Inštalovaný výkon tejto PVE je 735,16 MW. Zaujímavosťou je, ţe horná nádrţ v nadmorskej výške 1160 m. n. morom nemá prirodzený prítok. 16

16 Obr. 5 Pohľad na obe nádrže prečerpávacej vodnej elektrárne Čierny Váh [15] Prílivové vodné elektrárne Tento typ elektrárni vyuţíva energiu morského prílivu a odlivu. Morský príliv a odliv vzniká pôsobením gravitačného poľa Mesiaca. Príliv a odliv sa pravidelne striedajú v časovom intervale pribliţne 6 hodín a 20 minút. Výškový rozdiel medzi prílivom a odlivom sa vyuţíva na akumuláciu vody. Tento výškový rozdiel je na jednotlivých kontinentoch rozdielny. Najznámejšia prílivová vodná elektráreň sa nachádza vo Francúzsku na rieke La Rance. Jej inštalovaný výkon je 240 MW. 17

17 Obr. 6 Prílivová vodná elektráreň [7] 1.2 Základné časti vodných elektrární Vodná elektráreň premieňa kinetickú, alebo potenciálnu energiu vody na elektrickú energiu. Malé vodné elektrárne majú aj napriek odlišnostiam v konštrukcii jednotlivých MVE niekoľko základných častí. Obr. 7 Schematický priečny rez MVE [18] 18

18 Vodné dielo je sústava stavebných a strojných zariadení, ktoré premieňajú energiu vody na elektrickú energiu. Premena tejto energie sa uskutočňuje v turbíne. Vzdúvacie zariadenia - hrádze, hate a stavidlá, slúţia na zvýšenie vodnej hladiny v toku a na usmernenie vody do privádzača. Hrádze sa vyznačujú veľkou výškou vzdúvania vody, veľkým objemom zadrţanej vody a veľkou plochou zaplaveného územia. Nové hrádze sa pri malých vodných elektrárňach nestavajú, lebo je to finančne veľmi náročné. Môţu sa však vyuţiť uţ postavené staršie hrádze. Hate a stavidlá majú v porovnaní z hrádzami menšiu výšku vzdúvania a menší objem zadrţanej vody. Vtokový objekt - odoberá vodu z rieky a smeruje ju do privádzača. Vtokové objekty majú spôsobovať čo najmenšie tlakové straty, nemajú byť znečisťované splaveninami, ktoré by mohli cez privádzač prejsť aţ k turbíne. Vtokové objekty umoţňujú bezpečné ovládanie prítoku vody a sú vybavené uzávermi a hrablicami. Hrablice - sú to oceľové mreţe, ktorých úlohou je zabrániť nečistotám, aby vnikli do turbíny. Pred turbínou sú umiestnené dve česlá - hrubé a jemné. Hrubé hrablice sa umiestňujú v beztlakových vtokoch. Ich úlohou je zachytiť väčšie unášané predmety. Priemerná rýchlosť vody pretekajúcej cez hrubé hrablice by nemala byť väčšia ako 0,6 m.s -1. Jemné hrablice umiestňujú v tlakových vtokoch. Sklon hrablíc býva od zvislej roviny. Medzery medzi prútmi jemných hrablíc sú 2,5 10 cm. Priemerná rýchlosť prúdiacej vody cez jemné hrablice je 0,8 1,2 m.s -1. Privádzače (náhony) - sústreďujú spád do miesta inštalácie vodnej turbíny. Beztlakové privádzače sa budujú prevaţne výkopom v teréne. Náklady závisia od dĺţky, priečnej svahovitosti terénu a typu zeminy. Tlakové privádzače sú najčastejšie zhotovené z oceľových rúr alebo zo ţelezobetónu. Tlakové privádzače sú drahšie. Vyhotovujú sa čo najkratšie. V mnohých prípadoch sa stáva, ţe sa oba druhy privádzačov kombinujú. Cieľom je dosahovať maximálny spád pri minimálnych nákladoch. V strojovni sú umiestnené strojové a elektrotechnické zariadenie elektrárne. Ide hlavne o turbínu a generátor. V strojovni je taktieţ umiestnený ţeriav, ktorým sa ukladajú stroje na plánované miesto. Úlohou odpadových kanálov je vrátiť vodu do koryta rieky. Budujú sa čo najkratšie. Vo vodných elektrárňach sa tieţ budujú rybovody. Rybovod zabezpečuje migráciu ţivočíchov. K najznámejším a najpouţívanejším patrí kaskádový rybovod. Na jeho prevádzku stačí malé mnoţstvo vody a zároveň okysličuje vodu. Jeho nevýhodou je, ţe sa rýchlo zanáša pieskom. 19

19 Obr. 8 Kaskádový rybovod [19] Generátor sa nachádza na osi sústrojenstva spolu s budiacou súpravou napájanou z pomocného alternátora. Turbína je pevne spojená s generátorom prírubou a spojkou. Voda v turbíne preteká dýzou rozvádzacím kolesom do obeţného kolesa, ktoré sa otáča pôsobením vody a odovzdáva energiu hriadeľu. K základnému príslušenstvu turbín patrí: regulátor turbín poţadovaná stála kmitočtová frekvencia elektrizačnej sústavy závislá od otáčok generátora. Zabezpečenie otáčok sa robí pomocou regulačného zariadenia turbíny. Regulátor turbíny, zariadenie na prenos ovládacích síl a vlastné ovládacie orgány turbíny patria k hlavným súčastiam regulačného zariadenia. Podľa spôsobu prenášania regulačných síl delíme reguláciu na: a) priama regulátor pôsobí priamo na ovládacie orgány turbíny bez silového prevodu. Tento spôsob regulácie sa pouţíva len pri malých hydroagregátoch. b) nepriama regulátor pôsobí cez silový prevod. loţiská v loţiskách sa trením vytvára teplo, ktoré je potrebné odviesť. Loţiská môţu byť axiálne ( pre vertikálne usporiadanie) alebo radiálne pre (horizontálne usporiadanie), ktoré sa pouţívajú spolu s axiálnymi. Uvedené loţiská je potrebné chladiť. Toto chladenie je moţné vykonávať viacerými spôsobmi: a) odvádzaním tepla priamo z kĺznych plôch je veľmi účinné, ale je tam nebezpečenstvo preniku chladiacej vody do oleja, b) odvádzaním tepla oleja z olejovej nádrţe oteplený olej je privádzaný na vonkajší obvod olejovej nádrţe. Tam je umiestnené chladiace potrubie. 20

20 c) odvádzaním tepla z oleja v cirkulačnom systéme mimo loţiskovú nadrţ ohriaty olej sa vedie z loţiskovej nádrţe cez vodný chladič a cez filter sa vracia späť medzi kĺzne plochy axiálneho loţiska Generátory vodných elektrární Pre premenu mechanickej energie na elektrickú energiu sa pouţívajú generátory. Sú to točivé stroje. Základnými parametrami generátorov sú frekvencia, výkon, otáčky a výstupné napätie. Frekvencia je závislá od otáčok. Optimálna frekvencia by mala byť 50 Hz, výkon generátora je daný výkonom pouţitej turbíny v danej vodnej elektrárni. Generátory môţeme rozdeliť na synchrónne a asynchrónne generátory. Synchrónne generátory Synchrónne generátory sa skladajú z rotora a statora. Na rotorové vinutie je privádzaný jednosmerný budiaci prúd, stator je tvorený trojfázovým vinutím. Keďţe je poţadovaná výstupná frekvencia 50 Hz, potom sa musí rotor točiť synchrónnymi otáčkami a tie závisia od počtu pólov. Počet pólov statora aj rotora musí byť rovnaký. Synchrónne otáčky generátora závisia od počtu pólov a môţu byť napr. 3000, 1500, 750, 600, 500, 375, 150, 125, 100. Výstupné napätie môţeme meniť veľkosťou budiaceho prúdu. Tieto generátory menia mechanickú energiu na elektrickú pri synchrónnych otáčkach. Synchrónnosť otáčok znamená, ţe otáčky rotora sa rovnajú otáčkam točivého magnetického poľa statora. Vyrobená elektrická energia sa získava zo statora, mechanická energia je privádzaná na rotor z turbíny, s ktorou je pevne spojený mechanickou spojkou. Pomocou menovitého jalového výkonu a účinníka poznáme charakter záťaţe. Činný výkon moţno regulovať zaťaţovaním, jalový výkon regulujeme budiacim prúdom. Podľa uloţenia budiaceho systému sa synchrónne stroje delia na: Synchrónne stroje s budiacim vinutím v statore - (asi do výkonu 10 kva). Budiaci prúd sa privádza do rotoru cez kefy. Synchrónne stroje s budiacim vinutím v rotore - častejšie, pretoţe odpadá nutnosť kontaktného styku a najviac zostáva v statore viac miesta na aktívne vinutie. Ak je budiaci prúd vyrobený priamo v synchrónnom stroji, hovoríme o vlastnom budení. Ak je budený motor generátorom, akumulátorovu batériou, alebo priamo zo siete cez usmerňovač, hovoríme o stroji s cudzím budením. Malé synchrónne stroje bývajú 21

21 niekedy bez budenia, budiaci systém je potom nahrádza rotor s permanentným magnetom. Synchrónny generátor je na sieti prevádzkovaný paralelne. Podľa veľkosti budiaceho prúdu môţe generátor pracovať v podbudenom, alebo prebudenom reţime. V oboch reţimoch generátor dodáva do siete činný výkon, ktorý je závislý od mechanického výkonu vodného motora. V podbudenom reţime odoberá jalový výkon zo siete, pri prebudenom reţime ho do siete dodáva. Pri veľmi malom budiacom prúde hrozí vypadnutie generátora zo synchrónnej prevádzky. Tieto generátory nie je potrebné napájať jalovým výkonom zo siete. Pre prifázovanie na sieť je potrebné generátor pripojiť pri dosiahnutí presných hodnôt napätia, frekvencie a fázy. Generátory s malým výkonom je moţné pripojiť samosynchronizáciou (pripojenie nenabudeného generátora s pribliţne synchrónnymi otáčkami). Generátor sa nabudí aţ po pripojený na sieť. Synchrónne generátory sa vyrábajú prevaţne pre veľké elektrárne s veľkými výkonmi. Výhodou tohto generátora je, ţe nepotrebuje dodávku jalového výkonu zo siete. Pri poruchách siete a pri prechodných javoch sa synchrónny generátor správa podľa potrieb siete. Asynchrónne generátory Pre malé a menej dôleţité vodné elektrárne sa pouţívajú asynchrónne generátory. Asynchrónne generátory sa skladajú tieţ z rotora a statora. Stator je konštrukčne rovnaký ako pri synchrónnom generátore. Je tvorený trojfázovým vinutím. Rotor je zloţený z plechov. Je dráţkovaný po celom svojom obvode a v týchto dráţkach má rozloţené trojfázové vinutie. Rotorové vinutie je umiestnené v premenlivom statorovom poli. Oproti synchrónnym generátorom sa vyznačujú niţšou cenou a tým, ţe sú podstatne jednoduchšie. Rotory majú jednoduché tyčové vinutie nakrátko, nemajú budiče a nepotrebujú regulátory budenia. Statorové vinutie je napájané z elektrickej siete a vytvára točivé magnetické pole so synchrónnou frekvenciou otáčania. Vo vnútri rotora sa indukuje napätie. Obvod rotora je uzatvorený, preto vinutím rotora preteká prúd. Magnetické pole statora pôsobí silou na tyče rotora a tým vytvára mechanický krútiaci moment na hriadeľ. Toto silové pôsobenie poľa závisí od veľkosti zmeny magnetického toku viazaného vinutím. Táto zmena toku je nenulová len pri rôznych otáčkach poľa statora a rotora. Asynchrónny generátor teda musí pracovať v nadsynchrónnych otáčkach. Tie sú o 3 aţ 5 % väčšie ako synchrónne otáčky. 22

22 S elektrickou sieťou sa spájajú bez synchronizácie a fázovania, ich prevádzka sa ľahko automatizuje. Nevýhodou asynchrónneho generátora je, ţe dodávajú do siete iba pracovný výkon. Jalový výkon pre vlastnú magnetizáciu sa musí dodávať z cudzieho zdroja. Najčastejšie sa jalový výkon odoberá z elektrickej siete, na ktorej musí byť generátor pri prevádzke zapojený. Teda asynchrónny generátor zaťaţuje sieť odberom jalového výkonu a zhoršuje v nej účinník Vlastná spotreba a vyvedenie výkonu Vlastnou spotrebou sa nazýva energia, ktorú elektráreň sama spotrebuje nato, aby mohla vôbec vyrábať elektrickú energiu. Elektráreň potrebuje elektrickú energiu na pohon rôznych motorov a pomocných strojov, ktoré sú potrebné na montáţ a prevádzku turbín, generátorov a transformátorov a pod. Chod spotrebičov vlastnej spotreby musí byť veľmi spoľahlivo zaistení. Spotrebiče a ostatné zariadenia vlastnej spotreby sa delia do troch kategórií podľa dôleţitosti: Prvá kategória tvoria ju spotrebiče, ktorých činnosť nemôţe byť prerušená. Mohlo by tým dôjsť k zničeniu dôleţitých zariadení a prerušeniu dodávky energie. Preto sú spotrebiče inštalované dvojmo. Pre tieto spotrebiče musí byť zaistená dodávka z dvoch na sebe nezávislých zdrojov. Do tejto skupiny spotrebičov patria čerpadla a kompresory regulátorov turbín, mazacie čerpadlá, čerpadlá vody pre chladenie generátorov a transformátorov, čerpadlá pre chladenie loţísk a pod. Najdôleţitejšie spotrebiče sú pripojené na akumulátorové batérie. Druhá kategória - tvoria ju spotrebiče, ktorých krátke prerušenie chodu nenaruší prevádzku elektrárne. Jedná sa napríklad o čerpadlá presiaknutej vody na veku turbíny, kompresory pre elektrické rozvodne, pohony uzáverov priehrady a elektrárne, osvetlenie a nabíjanie batérií. Tretia kategória tvoria ju spotrebiče, ktorých prerušenie chodu nemá vplyv na prevádzku elektrárne. Prerušenie chodu môţe byť aj dlhšie trvajúce. Prerušenie chodu nemá za následok ţiadne ohrozenie na ľudských ţivotoch a ani ekonomické straty. Ide napríklad o pohony ţeriavov, strojov v dielňach. Vlastná spotreba malých vodných elektrární, ktorých rozvod energie je v sieti nízkeho napätia, sa napája priamo z hlavných prípojníc distribučnej rozvodne. Transformátory sa pripojujú na odbočku z výrobného bloku alebo na prípojnice rozvodne vysokého napätia. Generátory vlastnej spotreby sú poháňané samostatnou turbínou, alebo 23

23 sa umiestňujú nad hlavný generátor a potom sú poháňané hriadeľom z hlavného generátora. Hlavnou výhodou generátorov vlastnej spotreby oproti transformátorom je, ţe sú nezávislé na kolísaní napätia (napr. pri skratoch v sieti) a na poruchách v sieti. Preto sa na ne pripájajú spotrebiče prvého stupňa dôleţitosti. Na dieselagregáty sa hľadí ako na núdzový zdroj, ktorý slúţi na spustenie elektrárne vtedy, keď je celá okolitá sieť bez napätia. Zdrojom jednosmerného prúdu sú akumulátory. Ich kapacita je nastavená tak, aby bolo zabezpečené napájanie núdzového osvetlenia, ovládania, signalizácie a automatiky na štyri hodiny. Napätie batérií je 110 V alebo 230 V. Batérie sa nabíjajú cez usmerňovače. Batérie sú umiestnené na stojanoch v uzavretej miestnosti. Táto miestnosť musí byť dobre vetraná pre odvod výparov z kyseliny a vodíku, ktorý sa vyvíja pri nabíjaní batérií. Batérie sa musia chrániť proti slnečnému ţiareniu. Pre vyvedenie výkonu z elektrárne sa pouţívajú transformátory a rozvodňa. Cez rozvodňu sa vyrobená energia dodáva do siete. Transformátory môţu byť jednofázové alebo trojfázové so zapojením do hviezdy, lomenej hviezdy alebo do trojuholníka. Transformátory majú niekoľko charakteristických údajov. Sú to: prevod, hodinový uhol, zapojenie, menovité hodnoty vstupného a výstupného napätia. Ku generátorom sa transformátory zapájanú blokovo, prípadne je jeden transformátor zapojený pre viacero generátorov. Pre malé vodné elektrárne sa pouţíva zapojenie so spoločným transformátorom pre všetky generátory Vodné motory Vodné motory sú zariadenia, ktoré vyuţívajú kinetickú, potenciálnu alebo tlakovú energiu vody a menia ju na mechanickú energiu točiaceho sa hriadeľa. Vodné motory môţeme rozdeliť na dve skupiny: - vodné kolesá, - vodné turbíny Vodné kolesá Vodné kolesá sú najstaršími motormi v dejinách ľudstva. Voda z riečneho toku pôsobí na vodné koleso svojou váhou, teda sa mení polohová energia vody na mechanickú energiu hriadeľa. Vodné kolesá vyuţívajú kinetickú aj potenciálnu energiu podľa toho, ako sú na 24

24 danom riečnom toku umiestnené. Účinnosť týchto zariadení sa pohybuje v rozmedzí %. V súčasnej dobe sa tieto kolesá pouţívajú čoraz menej, ich nástupcami sú vodné turbíny. Vodné kolesá majú niekoľko výhod. Určite sú to nenáročné, spoľahlivé a lacné motory. Vodné kolesá sa dajú pouţiť aj v znečistených tokoch, pri malých spádoch (0,1 m), malých prietokoch (0,1 m 3 /s). Ďalšou výhodou je zotrvačnosť a vďaka prevodom aj stabilita otáčok. Nevýhodou je, ţe potrebujú prevodovku s veľkým prevodom, pretoţe pracujú v nízkych otáčkach a generátor je stavaný na podstatne vyššie otáčky. Ďalšou nevýhodou je mrznúca voda, ktorá môţe poškodiť lopatky na vodnom kolese. Preto je vhodné umiestniť vodné koleso do nejakej budovy, strojovne. Šírka vodného kolesa je závislá iba od prietoku vodného toku, od výšky spádu je závislý priemer kolesa a tvar lopatiek. Vodné kolesá môţeme rozdeliť z hľadiska viacerých kritérií[21]: a) podľa konštrukcie: korčekové, lopatkové. b) podľa smeru otáčania: otáčanie v smere proti prúdu dolnej vody, otáčanie v smere prúdu dolnej vody. c) podľa pôsobenia vodného prúdu: s dolným náhonom, so stredným náhonom, s horným náhonom. Koleso s dolným náhonom Koleso so stredným náhonom Obr. 9 Typy vodných kolies [4] Koleso s horným náhonom 25

25 Korčekové vodné kolesá Tento typ vodného kolesa vyuţíva potenciálnu energiu vody. Na tieto kolesá pôsobí horná voda. Voda je na koleso privádzaná zhora pomocou horného náhonu a dopadá do korčekov. Zväčša sa otáčajú v smere prúdu vody, majú najvyššie otáčky v porovnaní s ostatnými typmi vodných kolies a majú aj veľký priemer kolesa. Vyuţívajú sa pre malé a stredné prietoky, pre spády od 3m do 15m. Majú vysokú účinnosť, 60-80%. Typy korčekových vodných kolies: na hornú vodu s priamym chodom, s obráteným chodom, so zadným dopadom. Lopatkové vodné kolesá Lopatkové vodné kolesá sú najstarším typom vodných kolies. Vyuţívajú kinetickú energiu vody. Tieto vodné kolesá sú tvorené lopatkami, spodná časť kolesa je ponorená vo vode, prúd vody pôsobí na lopatky a otáča kolesom. Z toho vyplýva, ţe tieto vodné kolesá sú závislé od výšky hladiny vodného toku. Ak je hladina príliš nízka, môţe dôjsť k vynoreniu kolesa mimo a teda aj k zastaveniu kolesa. Lopatkové vodné kolesá sa pouţívajú pre stredné a veľké prietoky a pre malé spády. Typy lopatkových vodných kolies: Sagebienovo koleso Obr. 10 Sagebienovo koleso [21] 26

26 Ponceletovo koleso Obr. 11 Ponceletovo koleso [21] Zuppingerovo koleso Hrebeňáč Obr. 12 Zuppingerovo koleso [21] Vodné turbíny Vodné turbíny menia kinetickú alebo tlakovú energiu vody na mechanickú energiu otáčajúceho sa hriadeľa. Hriadeľ poháňa rotor generátora, ktorý vyrába elektrickú energiu. Rozdelenie turbín z hľadiska tlakových pomerov: rovnotlakové turbíny vyuţívajú kinetickú energiu vody, pretlakové turbíny vyuţívajú tlakovú energiu vody. Rozdelenie turbín podľa prietoku vody obeţným kolesom: axiálny, tangenciálny. Rozdelenie turbín podľa polohy hriadeľa: horizontálne, vertikálne, šikmé. Najpouţívanejšie turbíny súčasnosti sú Bánkiho, Peltonova, Kaplanova a Francisova turbína. 27

27 Kaţdá turbína je charakterizovaná niekoľkými parametrami, medzi ktoré patria: maximálny výkon P to je výkon, ktorý je k dispozícií na pohon generátora, prietok vody turbínou Q objem vody, ktorá pretečie turbínou za jednotku času, hltnosť turbíny Q max maximálny prietok turbínou, pri ktorom vzniká maximálny výkon a maximálna účinnosť, výška čistého spádu H. Na základe týchto parametrov sa vyberá vhodný typ turbíny na pouţitie. Závislosť výšky čistého spádu H od prietoku vody turbínou Q popisuje Q - H diagram. Z tohto diagramu sa dá určiť vhodný typ turbíny pre vodnú elektráreň. Obr. 13 Aplikácia turbín podľa výšky spádu a prietoku [24] Na nasledujúcom grafe je moţné vidieť závislosť účinnosti turbín od zmeny prietoku. Závislosť je zostrojená pre Kaplanovu, Peltonovu a Francisovu turbínu. Zmenu prietoku znázorňuje pomer vyuţitého výkonu k maximálnemu výkonu turbín. 28

28 29

29 Bánkiho turbína Je to rovnotlaková turbína. Začiatkom minulého storočia to bola najrozšírenejšia turbína v Európe. Bánkiho turbína je vhodná pre spády od 2 m do 30 m a prietoky 20 aţ 2000 l/s. Turbína je konštruovaná tak, ţe voda dopadá na lopatky dvakrát na vstupe aj na výstupe. Voda je k turbíne privádzaná potrubím kruhového prierezu. Pred turbínou je umiestnený medzikus, ktorý mení kruhový prierez na obdĺţnikový. Na konci tohto vstupného dielu je umiestnená klapka. V štrbine medzi klapkou a zakrivenou stenou sa celý spád vody pretransformuje na pohybovú energiu. Voda vstupuje tangenciálne do obeţného kolesa husto osadenými lopatkami. Lopatky sa snaţia odkloniť vodu do stredu obeţného kolesa k hriadeľu. Zmena smeru spôsobuje odovzdávanie energie obeţnému kolesu. Pri prvom prietoku lopatkami sa turbíne odovzdá asi 79 % energie z celkového výkonu. Vplyvom súbehu medzi rýchlosťou vody a otáčaním kolesa nemieri vytekajúca voda na hriadeľ turbíny, ale pokračuje jej voľným zavzdušneným priestorom. Potom vstúpi na lopatky na protiľahlej strane obeţného kolesa. Pretekajúca voda opäť nemí svoj smer a odovzdáva ďalšiu časť energie lopatkám. Je to 21 % z celkového výkonu turbíny. Je pomerne lacná kvôli jednoduchej konštrukcii. Vyuţíva sa najmä v menších vodných elektrárňach. Typovo sa jedná o kríţne dupľovaný prietok turbínou s parciálnym obstrekom, ktorá má prvý dostredivý prietok a druhý odstredivý. Turbína má účinnosť %. Obr. 14 Bánkiho turbína [21] 30

30 Obr. 15 Obežné koleso Bánkiho turbíny [16] Peltonova turbína Prvú turbínu tohto typu skonštruoval uţ v roku 1880 Američan Pelton. V konštrukcii tohto typu turbíny je vyuţitý princíp vodného kolesa. Je to rovnotlaková turbína. Turbína nie je zaplavená vodou. Pouţíva sa pre veľké spády, od 30 m aţ po 200 m a pre prietoky 1,5 aţ l/s. Maximálny výkon sa v súčasnosti pohybuje pri 200MW. Táto turbína má rôzne modifikácie pre rôzne prietoky a spády vody. Voda je privádzaná k turbíne potrubím kruhovým prierezom, ktorý vedie k jednej alebo viacerým dýzam. V dýze, ktorá je kruhového prierezu sa celý spád vody pretransformuje na pohybovú energiu. Voda vstupuje do obeţného kolesa tangenciálne. Obeţné koleso je osadené lopatkami lyţicovitého tvaru. Malý hrot uprostred lopatiek rozdelí prichádzajúci prúd vody na dve polovice a lyţicovitý tvar lopatiek sa snaţí otočiť smer tečúcej vody naspäť. Zmena smeru tečúcej vody spôsobuje odovzdávanie energie obeţnému kolesu. Vzájomným súbehom rýchlosti vody tečúcej po lopatke pri súčasnom otáčaní obeţného kolesa dôjde k tomu, ţe opustí lopatky s minimálnou rýchlosťou a voľne odchádza z oboch strán obeţného kolesa von a padá do odpadu pod turbínou. Turbína je citlivá na dodrţanie menovitých otáčok, ináč stráca na účinnosti. Peltonova turbína nesmie pracovať bez zaťaţenia. Obeţné koleso sa otáča voľne, priestor je zavzdušnený. Účinnosť týchto turbín sa pohybuje od % pre malé turbíny, pre veľké to môţe byť aţ 95 %. 31

31 Obr. 16 Peltonova turbína [21] Obr. 18 Obežné koleso Peltonovej turbíny [3] Obr. 17 Špecifický tvar lopatiek PT [3] Kaplanova turbína Je to pretlaková turbína. Bola vyvinutá z Francisovej turbíny. Je jedna z najpouţívanejších turbín v súčasnosti. Táto turbína sa pouţíva pre malé, stredné ale aj väčšie vodné diela. Táto turbína je konštruovaná ako jeden celok spolu s generátorom. Uvedená turbína je v základnom vyhotovení ľahko regulovateľná, a to vďaka polohovateľným lopatkám. Voda je do turbíny privádzaná cez tlakový privádzač k obeţnému kolesu. Na lopatkách rozvádzacieho kolesa voda získava potrebnú rýchlosť a smer. Potom postupuje na lopatky, kde odovzdá svoju energiu. Voda, ktorá prešla cez turbínu, odteká sacou rúrou do odpadového kanála a cez tento kanál sa vracia späť do rieky. Keďţe je to pretlaková turbína, tlak pred obeţným kolesom je väčší ako za obeţným kolesom. Obeţné koleso má zvyčajne 3 aţ 10 lopatiek. Pre moţné natáčanie lopatiek je táto turbína drahšia ako Francisova, ale dá sa dosiahnuť dobrá účinnosť aj pri značnom rozpätí prietokov. Táto turbína sa dá pouţiť pre prietoky od 0,1m/s a aj pri 32

32 malých spádoch riek. Pre malé turbíny sa jedná o spády od 1m do 20 m, pre veľké turbíny 2 m 80 m. Účinnosť Kaplanových turbín sa pohybuje od 90 %. Obr. 19 Kaplanova turbína [16] Francisova turbína Je to pretlaková turbína často vyuţívaná v malých vodných elektrárňach. Táto turbína je úplne ponorená vo vode. Voda je vypúšťaná otvorom, ktorý je v strede turbíny. Môţu sa vyuţiť pre široké spektrum spádov. V špeciálnom prípade od 0,5 m aţ do 700 m. Je vhodná pre prietoky od 600 l/s. Francisova turbína sa konštruovaná na vysoké výkony. Najväčšia turbína tohto typu má aţ 800 MW. Tento typ turbíny sa konštruuje s vertikálnym, alebo horizontálnym umiestneným rotora. Voda prechádza cez pevne vodiace koleso s nastaviteľnými lopatkami. Voda vytekajúca zo vstupnej časti turbíny je pod vyšším tlakom ako voda vtekajúca na vstupe turbíny. Voda odovzdáva obeţnému kolesu tlakovú energiu. Rozvádzacie koleso s pohyblivými lopatkami slúţi na 33

33 nasmerovanie toku vody na lopatky obeţného kolesa a na získanie rýchlosti. Voda dopadá na obeţné koleso po celom jeho obvode. Pri prechádzaní lopatkami odovzdáva svoju energiu. Účinnosť Francisových turbín sa pohybuje od 90 %. Obr. 20 Francisova turbína [16] 1.3 Postup pri navrhovaní malých vodných elektrární Príprava MVE je pomerne zloţitý proces a vyţaduje si určitú postupnosť krokov. Realizáciu týchto prípravných krokov môţeme rozdeliť na dve etapy: výber lokality s predbeţným ohodnotením a posúdením, projektová príprava. V prvej fáze prípravy sa v podstate tvorí koncepčný návrh celého diela aj s prihliadnutím na prevádzku. Veľmi dôleţité je preveriť majetkovoprávne vzťahy, technicko-vodohospodárske pomery, ochranu prírody, záujmy pamiatkovej ochrany a tieţ stanovisko verejnosti. Samozrejme nesmieme pritom zabudnúť ani na vyvedenie výkonu z MVE. Náš záujem o výstavbu vodného diela musíme prerokovať zo správcom toku, prípadne aj s rybárskym zväzom. Pri výbere lokality pre MVE treba poznať spády a prietoky daného riečneho toku. Od súčinu prietoku a spádu totiţ závisí výkon a výroba elektrickej energie. Od parametrov spádu a prietoku závisia aj rozmery turbín a ich vtoková a výtoková časť. Údaje o spádoch moţno odhadnúť z mapy alebo presnejšie zistíme spád meraním. Na návrh prietokov a neskôr aj turbín sa pouţívajú údaje o priemerných denných prietokoch daného vodného 34

34 toku. Tieto údaje je moţné získať zo Slovenského hydrometeorologického ústavu. Tieto údaje môţeme pouţiť ako podklad na vypracovanie dokumentácie k územnému a stavebnému konaniu. Okrem týchto údajov je nutné zistiť aj parametre povodňových prietokov. Projektová príprava má dve časti vypracovanie projektovej dokumentácie na územné a stavebné konanie. Projektová dokumentácia na územné konanie sa robí na získanie rozhodnutia o umiestnení stavby, následná projektová dokumentácia na stavebné konanie sa robí pre získanie stavebného povolenia. Pre celú fázu projektovej prípravy je potrebný celý súbor podkladov. Medzi hlavné podklady patria: topografické podklady, hydrologické podklady, vrátane splaveninového a zimného reţimu, povodne, charakteristiky malovodných období a podobne, geologické podklady, geotechnické vlastnosti hornín, hydrogeológiu, údaje o kvalite vody v toku, poţiadavky a podmienky štátnej správy, dotknutých orgánov a organizácií, poţiadavky ochrany prírody. Príslušný vodohospodársky orgán štátnej správy v spolupráci so správcom toku stanoví záväzné podmienky, ktoré treba rešpektovať uţ v príprave stavby a následne zabezpečovať pri prevádzke MVE. Podmienky súvisiace z výstavbou a následnou prevádzkou malej vodnej elektrárne upravuje aj príslušná legislatíva. Táto legislatíva sa opiera o nasledujúce zákony: Zákon č. 24/2006 Z. z. o posudzovaní vplyvov na ţivotné prostredie a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov Zákon č. 543/2002 Z. z. o ochrane prírody a krajiny v znení neskorších predpisov Nariadenie vlády SR č. 317/2007 Z. z., ktorým sa ustanovujú pravidlá pre fungovanie trhu s elektrinou Zákon č. 656/2004 Z. z. o energetike a o zmene niektorých zákonov v znení neskorších predpisov Zákon č. 309/2009 Z. z. o podpore obnoviteľných zdrojov energie a vysoko účinnej kombinovanej výroby a o zmene a doplnení niektorých zákonov Zákon č. 276/2001 Z. z. o regulácii v sieťových odvetviach a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov 35

35 Zákon č. 364/2004 Z. z. o vodách a o zmene zákona Slovenskej národnej rady č. 372/1990 Zb. o priestupkoch v znení neskorších predpisov (vodný zákon) v znení neskorších predpisov Vyhláška č. 433/2005 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o vyuţívaní hydroenergetického potenciálu vodných tokov Nariadenie vlády SR č. 269/2010 Z. z., ktorým sa ustanovujú poţiadavky na kvalitu a kvalitatívne ciele povrchových vôd a limitné hodnoty ukazovateľov znečistenia odpadových vôd a osobitných vôd Zákon č. 50/1976 Z. z. Stavebný zákon 2 Návrh typovej technológie malej vodnej elektrárne Vyuţitie hydroenergetického potenciálu na Slovensku sa pohybuje okolo 52 %. Ďalší jeho rozvoj je zameraný predovšetkým na zdroje z menším výkonom, ale vo väčšom počte. Je moţné, ţe niektoré navrhované malé vodné elektrárne budú mať veľmi podobne ak nie aj totoţné parametre. Preto je veľmi výhodné navrhnúť niektoré časti elektrární tak, aby sa dali pouţiť pre viacero budúcich diel. Samozrejme tieto časti by mali mať aj nejaké malé moţnosti prispôsobenia. Na Slovensku je dnes prevádzkovaných celkovo 203 MVE výkonu do 10 MW. Celkový inštalovaný výkon týchto elektrární je 70,16 MW a ročne vyprodukujú pribliţne 284 GWh. Veľké vodné elektrárne na Slovenku prevádzkujú Slovenské elektrárne a.s.. Okrem týchto VE ešte prevádzkujú aj niektoré MVE, a to: MVE Veľké Kozmálovce, MVE Švedlár, MVE Krompachy a MVE Rakovec. Na prevádzku malých vodných elektrární sa zameriava Štátny vodohospodársky podnik š. p.. Celkovo prevádzkuje 33 malých vodných elektrární s celkovým inštalovaným výkonom 8,2 MW. Na začiatku návrhu je potrebné zvoliť, pre aký spád a prietok sa bude navrhovať typová technológia malej vodnej elektrárne. Na to slúţia hydrologické parametre slovenských riek. Tie najvýznamnejšie slovenské rieky z hľadiska prietoku popisuje nasledujúca tabuľka. 36

36 Tabuľka 1 Najvýznamnejšie slovenské rieky Rieka Dlhodobý priemerný prietok [m 3 /s] Maximálny prietok [m 3 /s] Minimálny prietok [m 3 /s] Dĺžka [km] Dunaj Váh ,3 403 Morava ,7 114 Bodrog ,70 15 Latorica 86, ,6 38 Laborec 54, , Hron 53, ,6 284 Orava 34, ,3 60 Hornád 30, ,5 193 Ondava 22, , Slaná 20,9 72 0,8 110 Ipeľ 20, , Poprad 19, , Nitra 18, , Kysuca 17, ,84 66 Turiec 10, ,2 66 Topľa 10, , Torysa 10, , Hnilec 8, ,9 89 Slatina 7, ,22 55 Rimava 7, ,3 88 Z tabuľky je zrejmé, ţe malú vodnú elektráreň je moţné postaviť prakticky na kaţdom toku (čo sa týka vyuţiteľného prietoku). Je potrebné vyriešiť ešte dostatočný spád. Problémy sa ale tým nekončia. Je potrebné prihliadať na niekoľko zákonov či na chránené krajinné oblasti alebo národné parky. Neraz sa snaha končí aj pri kúpe pozemkov v okolí vodného toku. V nasledujúcej tabuľke je príklad niektorých malých vodných elektrární, ktorých prietok sa pohybuje okolo 6 m 3 s -1, avšak sú skonštruované s rozličnými spádmi. Tabuľka 2 Vybrané elektrárne s určitým prietokom Elektráreň Tok Q [m 3 s -1 ] Spád [m] Výkon [MW] Výroba [GWh/rok] MVE Krompachy II Hornád 6 5,25 0,275 0,65 MVE Ružín II Hornád ,4-13,4 1,8 7,6 MVE Švedlár Hnilec 6 0,68 0,090 0,15 Dobšinský MVE Dobšiná 6 11,5-23,5 2 potok 5,10 37

37 V ďalších tabuľkách sú priemerné ročné prietoky troch slovenských riek vo vybraných staniciach. Ide o rieky Hornád, Hnilec a Torysa. Tieto tri rieky boli vybrané preto, lebo majú dostatočný prietok na spornej časti toku. Údaje o priemerných ročných prietokoch sú z roku Taktieţ priemerné mesačné prietoky sú v jednotlivých kalendárnych mesiacoch z roku Následne pre lepšiu ilustráciu grafická závislosť porovnáva tieto namerané mesačné prietoky. Tabuľka 3 Priemerné ročné prietoky na tokoch vo vybraných staniciach Tok Stanica Qr.2008 Qmax.hod.2008 Qmin.d.2008 Hornád Spišské Vlachy 7, ,457 Torysa Košické Olšany 8, ,754 Hnilec Jaklovce 6, ,873 Tabuľka 4 Priemerné prietoky v jednotlivých mesiacoch v roku 2008 Tok I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Hornád 3,584 4,379 5,875 8,575 5,301 3,69 18,9 7,995 3,914 6,593 3,982 11,1 Torysa 4,877 7,008 9, ,02 2,985 25,2 9,794 5,055 6,741 3,727 8,705 Hnilec 3,022 3,486 5,763 11,3 4,896 3, ,692 2,82 3,919 2, Obr. 21 Grafická závislosť priemerných mesačných prietokov riek 38

38 2.1 MVE Huncovce III MVE v Huncovciach patrí medzi najstaršie vodné elektrárne na Slovensku. V súčasnosti prevádzkovateľom tejto elektrárne je spoločnosť DREVOMAT, s. r. o. Bratislava. Turbíny tejto vodnej elektrárne sa prvýkrát roztočili uţ v roku 1910 v čase Rakúsko - Uhorska. Posledná rekonštrukcia bola vykonaná v roku Vodná elektráreň MVE III v Huncovciach je prietoková elektráreň. Obsluţné zariadenie tvoria dve Francisové horizontálne turbíny, spojené synchrónnymi generátormi o výkone jedného kw, čo je cca 310 kva. Voda sa privádza najprv m dlhým otvoreným kanálom a pokračuje m dlhým krytým kanálom. Vyuţitá voda sa odvádza po niekoľkých metroch naspäť do rieky Poprad. V oboch nádrţiach sú zabudované Francisové horizontálne turbíny, kaţdá so štyrmi obeţnými kolesami. Generátory sú umiestnené v strojovni. Generátory sú prepojené hriadeľom cez stenu nádrţe a spojené s turbínou pruţnou koţenou spojkou. Regulácia turbín sa prevádza hydraulicko-mechanickým zariadením. Cez toto zariadenie sú prepojené aj brzdy zotrvačníka generátora. Regulácia napätia a fázovanie je ručné a sústrojenstvá sú chránené poruchovou automatikou a ochranami prepätia, prúdu, spätnej wattovej a frekvenčnej ochrany. Technický popis: Francisova horizontálna nádrţová turbína - nízkotlaková Výrobok fy Pohl Edo a synovia Szombathely, Rakúsko - Uhorsko (rok 1910) Spád H - 10m Hltnosť Q - 3,1 m 3 sek -1 jednej, spolu 6,2 m 3 sek -1 Otáčky n min -1 Výkon P - 246,32 kw Turbína má horizontálnu dvojdielnú hriadeľ spojenú Periflex spojkou. Kaţdá turbína má štyri obeţné kolesá. Náboj a veniec obeţného kolesa je z oceľoliatiny, obeţné lopatky sú uţ z nehrdzavejúceho oceľového plechu a sú privarené k náboju a vencu. Výkon turbíny je regulovaný 64 kusmi rozvádzacích lopatiek, ktoré majú bronzové puzdra a otáčajú sa na čapoch z nehrdzavejúcej ocele. Turbína je spojená s generátorom v strojovni s pruţnou koţenou spojkou. Ovládanie rozvádzacích lopatiek je prevedené cez dve hriadele systémov roztváracích pavúkov. Hriadele sa dvíhajú pomocou hydraulického zariadenia v strojovni. Turbínová hriadeľ je uloţená na štyroch loţiskách vyliatych kompozíciou. Loţisko pri 39

39 spojke a generátorové loţiská sú takisto s kompozičnými puzdrami. Energetické zariadenia Generátory napájajú cez 5 kv rozvodňu, transformátor je 600 kva s prevodom 5/22 kv a sekundárna strana je vyvedená na rozvodňu 22 kv. Generátory - Synchrónne točivé stroje výrobok fy GANZ Budapešť, Rakúsko Uhorsko. Tieto generátory boli vyrobené v rokoch 1909 a Výkon P- 310 kva Napätie U V Prúd I - 37 A Otáčky n min -1 Vtokový objekt je cca 3 x 2 m pre jednu nádrţ, čiţe pre dve nádrţe 6 x 2 m. Strojovňa má rozmery cca 8 x 14 x 6 m + nádrţe (spolu) 8 x 8 x 6 m. 2.2 Základné údaje pre stavbu malej vodnej elektrárne Na základe prietokov troch slovenských riek sú zvolené nasledovné parametre pre návrh novej malej vodnej elektrárne. Typ MVE prietočná Navrhované parametre MVE prietok Q = 6 m 3 s -1 hrubý spád Hb = 6 m Vyvedenie výkonu 0,4 kv / 22 kv / 50 Hz do najbliţšej rozvodne Q je prevádzkový prietok, ktorý dokáţe elektráreň zuţitkovať. Pri výstavbe vodnej elektrárne sa musia dodrţiavať všetky platné predpisy, ktoré sa týkajú bezpečnosti práce a bezpečnosti osôb pri práci. Keď sa budú dodrţiavať všetky predpisy, tak by nemalo dôjsť k úrazom elektrickým prúdom, taktieţ by nemalo dochádzať k rôznym iným zraneniam. Základné vzorce pre výpočet inštalovaného výkonu MVE. Čistý spád: 3 3 H. Hb.6 4,5m 4 4 Kde: H čistý spád (m), H b hrubý spád (m). (1) 40

40 Teoretický výkon: P 9,81. Q. H 9,81.6.4,5 264,87kW (2) Kde: P teoretický výkon (kw), Q - prietok (m 3 s -1 ). Výkon na hriadeli turbíny: Kde: η T účinnosť turbíny (1). P P. 264,87.0,85 225,14kW T T (3) Výkon na svorkách generátora: P P ,87.0,85.0,949.0,9 192, 291kW G T G PR Kde: η T účinnosť turbíny (1), η G účinnosť generátora (1), η PR účinnosť prevodu z turbíny na generátor (1). (4) Ročná výroba: E P. t 192, ,31MWh Kde: t doba výroby (h). G (5) 2.3 Technologické vybavenie MVE Vtokový objekt Jeho úlohou bude priviesť vodu do privádzača a do rybovodu. Ďalšou úlohou bude zabraňovať vniknutiu väčších plávajúcich častí do privádzača. Navrhovaný vtokový objekt bude mať rozmery 2,5 x 2 m, kaskádový rybovod v jednotlivých stupňoch 200 mm a hĺbka jedného stupňa je navrhovaná 300 mm. Šírka rybovodu je naplánovaná na 400 mm. Špirály vodných turbín Pri vyuţití pretlakovej turbíny musíme zabezpečiť po celom obvode obeţného kolesa rovnomerný prietok. V malých vodných elektrárňach sa na to pouţívajú rôzne typy prívodov. Betónové špirály majú zvyčajne hranatý tvar. Tento tvar môţe byť symetrický 41

41 alebo nesymetrický. Voľba medzi týmito tvarmi profilov závisí od niekoľkých faktorov, napr. od veľkosti spádu, kolísania hladiny. Nakoľko navrhovaná malá vodná elektráreň bude nízkospádová (spád do 25 m), navrhujeme betónové špirály s hranatým priečnym profilom. Kovové špirály sa pouţívajú pri spádoch nad 25m. Hydraulické riešenie betónovej špirály: Maximálny prietok vody cez prierez špirály: q max Kde: φ max poloha od nosa špirály ( ) Q 6. max.205 3,416m s (6) Určenie prierezu špirály: S Q max S 360. k. 2. g. H 360.0, ,81.4,5 ce 2,02m 2 (7) Kde: k ce špecifická rýchlosť na vstupe do špirály Sacia rúra turbíny Úlohou sacej rúry je dopraviť vytekajúcu vodu z obeţného kolesa turbíny do dolnej nádrţe s čo najmenšími stratami energie. Sacie rúry majú dva základné tvary, t.j. priama sacia rúra a kolenová sacia rúra. Priame sacie rúry sú najčastejšie kuţeľové. Ich obmedzujúcim faktorom je dĺţka. Nakoľko sa súčasnosti priame sacie rúry pouţívajú v elektrárňach s malým výkonom a s nízkym spádom, navrhujeme ich pouţiť aj v novej elektrárni. Pri tomto type rúry je dôleţité zvoliť správny vrcholový uhol tak, aby sa vodný prúd neodtrhol od stien sacej rúry. Pri nemoţnosti urobiť hlboký výkop pri pouţití vertikálnej turbíny sa pouţije kolenová sacia rúra. Pri priamej sacej rúre sú celkové straty niţšie ako pri kolenovej rúre. Jemné hrablice Jemné hrablice sú určené na ochranu turbíny pri prevádzke proti poškodeniu nečistotami v rieke. Slúţia aj ako zábrana pre ryby, aby nevošli do vtokového kanála. Hrablice budú naplánované z plochých tyčí s rozmermi 100 x 8 mm. 42

42 Čistiaci stroj Na čistenie hrablíc sa bude pouţívať čistiaci stroj. Tento stroj bude dvojramenný a bude uloţený na koľajovom podvozku. Pohyb ramien je riešený elektrohydraulickým pohonom. Naplaveniny sa dostanú z vtoku na skládku cez dopravníkový pás. Hradenie Hradenie vtoku slúţi na zahradenie vtoku do turbíny. Pouţíva sa najmä pri opravách a pri údrţbe. Pri pouţití hradenia vtoku sa musí pouţiť aj hradenie výtoku. A to kvôli tomu, aby nedošlo k vniknutiu spodnej vody do turbíny. Hradenie je navrhnuté z dvoch kovových vystuţených tabúľ zoradených nad sebou. Tieto tabule sú zoradené nad sebou do jedného celku. Manipulácia sa rieši elektromechanickým pohonom a ten je ovládaný v mieste hradenia. Strojovňa V návrhu MVE je v strojovni navrhnutá Kaplanova turbína HYDROHROM OK V strojovni budú umiestnené aj silové, regulačné a meracie rozvádzače. Navrhované rozmery strojovne sú 6 x 12 x 6 m. Vstup do strojovne bude umoţnený obsluţným otvorom o rozmeroch 800 x 800 mm a nadväzujúcim rúrkovým rebríkom na stene. Podlaha v strojovni bude betónová, spádovaná k nádrţi presiaknutej vody s trvalo osadeným čerpadlom. Nad osou turbíny bude zriadený ďalší montáţny otvor o rozmeroch 4 x 2 m, umoţňujúci prípadné vyzdvihnutie všetkých technologických prvkov. Oba poklopy musia byť riešené ako vodotesné, tepelne aj zvukovo izolované a zabezpečené proti vstupu neţiadúcich osôb. Odpadový kanál Bude slúţiť na odvedenie vody naspäť do koryta rieky. Dno odpadového kanála bude plynulo nadväzovať na dno rieky. Turbína Pri výbere turbíny sa prihliada na stanovené základné údaje. Zvolená turbína od firmy Hydrohrom je priamoprúdová turbína typu Kaplan s moţnou reguláciou obeţného a rozvádzacieho kolesa, alebo s reguláciou len obeţného kolesa (Semi-Kaplan). U turbín s reguláciou obeţného a rozvádzacieho kolesa je prevádzkovým uzáverom turbíny uzatvárateľné rozvádzacie koleso. Turbína je určená pre agregáty pracujúce paralelne so 43

43 sieťou v automatickej bezobsluţnej prevádzke s ovládaním podľa hladinovej regulácie. Podľa spádu a prietoku sú turbíny individuálne vybavované najvhodnejším typom obeţného kolesa z hľadiska kavitácie a efektívnosti. Voľba typu obeţného kolesa umoţňuje tieţ stavebne jednoduché riešenie strojovne tým, ţe obeţné koleso a podlaha strojovne sú umiestnené nad úrovňou dolnej hladiny. Turbíny sú vyrábané s obeţnými kolesami s priemerom 500, 600, 750, 860, 1000, 1200, 1400, 1600 a 2000 mm. V optimálnom reţime dosahuje turbína účinnosť 88%, pri plnom otvorení 84%. Stavba strojovne pre turbíny tohto typu sa vyznačuje svojou jednoduchosťou, pretoţe zloţité tvary hydraulického obvodu sú vytvorené oceľovým plášťom turbíny. Parametre turbíny: Kaplan HYDROHROM OK 1000 Priemer obeţného kolesa: 1000 mm, Max. prietok: 6 m 3 s -1, Min. prietok: 2,6 m 3 s -1, Výkon pri min. prietoku: 35 kw, Výkon pri max. prietoku: 500 kw, Účinnosť: 84 % - 88 %, Spád: 1,5 10 m, Výrobca: Hydrohrom, s. r. o, Svrţenec 1, Bystřice, Česká republika. Obr. 22 Kaplanova turína typu HYDROHROM OK 1000 [22] 44

44 2.4 Elektrotechnologické vybavenie MVE Generátor Zvolený generátor je asynchrónny generátor typu GAK40S10L od firmy TES Vsetín, a.s. Generátor je priamo spojený s turbínou cez hriadeľ. Asynchrónny generátor je 10 pólový so synchrónnymi otáčkami n s = 600 min -1. Pracovné frekvencia je 50 Hz a zapojený je do trojuholníka. Tabuľka 5 Parametre generátora Typ Výkon [kw] Napätie [V] Prúd [A] Príkon [kw] Účinník cos φ Účinnosť [%] GAK400S10L ,9 94,9 Príslušenstvo: kontrola teploty vinutia a loţísk, meranie otáčok, kontrola otáčok, kontrola chvenia. Transformátor Navrhovaný transformátor je od firmy Schneider Electric. Tento transformátor je olejový distribučný hermetizovaný typu ELVIM. Elektrické parametre: menovitý výkon transformátora je 250 kva, straty naprázdno je 440 W, straty nakrátko pri 75 C je 3250 W, menovitá impedancia nakrátko je 6 %, úbytok napätia pri plnej záťaţi pre cosφ =1 je 1,3 %, úbytok napätia pri plnej záťaţi pre cosφ =0,8 je 4,63 %, účinnosť pri zaťaţení 75 % je 98,57 %. Základné vlastnosti: 3-fázové distribučné transformátory, 50 Hz, chladenie sa uskutočňuje prirodzenou cirkuláciou minerálneho oleja, hermetické transformátory (bez konzervátora oleja), vnútorné alebo vonkajšie prevedenie, 45

45 montáţ na podlahu, menovité napätie na primárnej strane 22 kv, menovité napätie na sekundárnej strane 400/420 V naprázdno, hodinový uhol Dyn1 alebo Dyn5 alebo Dyn11, maximálne oteplenie oleja je 60 K a priemerné oteplenie vinutia 65 K, tolerancia strát a impedancie nakrátko. Základné vybavenie 5 - polohový prepínač odbočiek s odbočkami ± 2 x 2,5 % pri 22 kv, priechodky NN a VN, ventily na plnenie, filtrovanie a kontrolu oleja, indikátor hladiny oleja, obojsmerné kolieska, typový štítok, teplomer s indikátorom úrovne oleja a elektrickými kontaktmi, rozmery (š x h x v) sú 1300 x 835 x 1450 mm. Obr. 23 Transformátor ELVIM 250 kva [23] 46