Malé zdroje elektrické energie Vodní energie

Mastný P.

UEEN VUT FEKT v Brně Malé zdroje elektrické energie – Vodní energie

1 Vodní energie Vodní energie je považována za energii obnovitelnou. Jejím zdrojem jsou déšť a sníh v koloběhu, udržovaným sluneční energií. Vodní energie se projevuje jako energie potenciální, tlaková a kinetická. Měrná energie vodního toku je dána vztahem

p c2 w= g⋅H + + ρ 2

(J.kg-1)

(1.1)

1.1 Hlavní znaky vodní energie • • • • •

nevyčerpatelnost a kolísavost příkonu, přirozená koncentrace nositele z povodí do hlavních toků, značné investiční náklady pro výstavbu vodních děl, nízké provozní náklady vodních elektráren, poměrně malá energie w v nositeli.

1.2 Význam vodních elektráren pro energetiku ČR Význam vodních elektráren v hydrologických podmínkách ČR nespočívá v objemu výroby elektrické energie, jaký poskytuje např. jaderná energetika, tj. JE Dukovany a JE Temelín, ale ve specifických vlastnostech jejich provozu. Vodní elektrárny dokáží velmi pohotově reagovat na okamžitou potřebu elektrické energie v energetické soustavě, nezatěžují životní prostředí odpady, jako je např. vyhořelé palivo, není třeba budovat úložiště odpadu apod. Vodní elektrárny představují levný zdroj elektrické energie, který se využívá zejména v období špičkové spotřeby. Přečerpávací vodní elektrárny navíc umožňují i účelné využití elektřiny produkované méně flexibilními energetickými zdroji v období nízké spotřeby. Vodní elektrárny mají i vodohospodářský význam. Kromě průtokových vodních elektráren patří mezi nejznámější typy vodních elektráren elektrárny akumulační. Jsou součástí vodních děl - nádrží. Tato vodní díla kromě akumulace vody pro výrobu elektrické energie stabilizují průtoky říčním korytem, chrání před povodňovými vlnami a podporují ekonomicky výhodné plavební možnosti vodních toků. Břehy nádrží mohou sloužit jako rekreační oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné vody pro vodárny, zdrojem technologické vody pro průmysl a závlahové vody pro zemědělství. V neposlední řadě je třeba připomenout, že v Evropě má své významné a uznávané místo i architektura českých vodních elektráren. Využití vodních elektráren a především vodních děl z hlediska vodohospodářského významu se projevilo v období katastrofických záplat v roce 2002. Těm se sice v povodí Vltavy nepodařilo zcela zabránit; jejich důsledky by však bez schopnosti operativně a plánovitě příval vodní masy zadržet byly daleko ničivější. Vodní elektrárny mají řadu specifických vlastností. Jednou z nich je schopnost tzv. přečerpávacích vodních elektráren operativně řešit zvýšenou potřebu elektrické energie v období energetických špiček.

Strana 1 / 16

Mastný P.


Elektrizační soustava státu musí v každém okamžiku vyrobit přesně tolik elektrické energie, kolik jí je právě třeba. Spotřeba elektrické energie přitom jak během dne, tak i v delších obdobích kolísá. Elektrickou energii sice nelze v čistém stavu skladovat, situaci však účinně pomáhají řešit přečerpávací vodní elektrárny. Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v době energetické špičky; v době útlumu se voda z dolní nádrže přečerpává "levnou elektřinou" do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na své optimální využití v "pravou chvíli". Na každou akumulovanou kWh, kterou z přečerpávací vodní elektrárny odebíráme, je nutné k načerpání vody do horní nádrže vynaložit asi 1,4 kWh. Ke stabilizaci elektrizační sítě jsou však tyto elektrárny nezastupitelné - na potřebu elektrického výkonu v síti, popř. na eventuální výpadek výkonu některé z uhelných elektráren, dokáží reagovat okamžitě. Stejně jako u ostatních typů vodních elektráren přitom využívají své schopnosti rychlého najetí při velkém výkonu. Technologie využívající principu přečerpávacích vodních elektráren je perspektivní především z hlediska možnosti akumulace elektrické energie. Posláním vodních elektráren v ČR je pracovat jako doplňkové zdroje primárních zdrojů (klasických elektráren, JE Dukovany, JE Temelín).

1.3 Princip vodní elektrárny Ve vodních elektrárnách voda roztáčí turbínu; ta je na společné hřídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody se tak mění na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst spotřeby. Obdobný princip využívá i uhelná nebo jaderná elektrárna. Výběr turbíny závisí na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v řadě modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá akční Peltonova turbína. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V malých vodních elektrárnách se převážně zabydlela malá horizontální turbína Bánkiho spolu s upravenou jednoduchou turbínou Francisovou. Vůbec nejvyšší účinnost pro velké spády vykazuje Dériazova turbína z roku 1951. Jde o diagonální verzi Kaplanovy turbíny. Podle způsobu práce se moderní turbíny dělí na rovnotlaké a přetlakové. V rovnotlakých turbínách zůstává tlak vody stále stejný, to znamená, že voda vychází z turbíny pod stejným tlakem, pod jakým do ní vstupuje. U přetlakových turbín vstupuje voda do oběžného kola s určitým přetlakem, který při průtoku klesá. Při výstupu z turbíny má tedy voda nižší tlak než při vstupu do ní. Tak pracují např. Francisovy turbíny, vhodné pro střední spády. Pro malé výkony na malých spádech jsou vhodné horizontální turbíny, pro malé spády a velké výkony se stavějí turbíny vertikální. Vývoj Francisových turbín ještě není ukončen. Dosahují výkonů až 250 MW, jsou však schopny i 1000MW výkonu a výkonů vyšších. Vodní turbíny jsou technicky nejdokonalejší mechanické motory vůbec - dosahují 95% účinnosti. Umístění vlastní elektrárny může být různé podle tvaru terénu, výškových a spádových možností a na množství vody. Existují elektrárny zabudované přímo do tělesa hráze, jinde je elektrárna vystavěna hluboko v podzemí. Voda se k ní přivádí tlakovým potrubím a odvádí se podzemním kanálem. Strana 2 / 16

Mastný P.


1.4 Malé vodní elektrárny V principu jsou malé vodní elektrárny (MVE) velmi jednoduchá zařízení. Na vodní tok navazuje vtokový objekt (jez, přehrada), který soustřeďuje průtok a zvyšuje spád vodního toku. Voda je přivedena přivaděčem přes česle (hrubé a jemné), které zadržují mechanické nečistoty, do strojovny. Tam se hydraulická energie vody v turbíně mění na mechanickou. Mechanická energie z turbíny je přes hřídel přenášena do generátoru, kde se mění na elektrickou energii. MVE se skládají z několika základních částí: • vzdouvací zařízení (hráze, jezy) - slouží ke vzdutí vodní hladiny (zvětšení spádu) a k usměrnění průtoku do přivaděče, • přivaděče - přivádějí vodu k vodní turbíně, • česle - slouží k odstranění mechanických nečistot a zabraňují jejich vniknutí do turbíny, • technologická zařízení – turbíny slouží k přeměně hydraulické energie vody na mechanickou, generátory přeměňují mechanickou energii na elektrickou, • odpadní kanály - vrací vodu do původního koryta.

1.4.1 MVE skupiny ČEZ Malé vodní elektrárny ČEZ a.s. Instalovaný výkon (MW) Uvedení do provozu Lipno II

1 x 1,5

1957

Hněvkovice

2 x 4,8

1992

Kořensko I

2 x 1,9

1992

Mohelno

1 x 1,2; 1 x 0,56

1977

Dlouhé stráně II

1 x 0,16

2000

Kořensko II

1 x 0,94

2000

Želina

2 x 0,315

1994

tabulka 1-1

1.4.2 Dělení malých vodních elektráren Obecně můžeme MVE dělit podle několika hledisek: • podle systému soustředění vodní energie (průtoku a spádu) • podle dosažitelného výkonu • podle jednotkového výkonu soustrojí • podle velikosti spádu • podle způsobu zapojení 1.4.2.1 MVE podle sytému soustředění vodní energie • přehradní a jezové, které využívají vzdouvacího zařízení (jez, přehrada), • derivační, které odvádí vodu z původního koryta přivaděčem a opětně ji přivádí do koryta, • přehradně derivační, kde je vzdouvacím zařízením přehrada, která soustřeďuje spád i průtok, voda je přivaděčem vedena k turbínám, Strana 3 / 16

Mastný P.


•

přečerpávací, která má horní a dolní nádrž. V době nedostatku elektrické energie je voda pouštěna z horní nádrže do spodní a dodává elektrickou energii do rozvodné sítě. V době přebytku elektrické energie přečerpává zpět vodu z dolní nádrže do horní, k tomu využívá elektrickou energii odebranou ze sítě.

1.4.2.2 MVE podle dosažitelného výkonu Kategorie MVE výkon MVE (kW) Ia

nad 1000

Ib

nad 500 do 1000

II

nad 100 do 500

III

nad 35 do 100

IV

do 35

tabulka 1-2 Dělení MVE podle výkonu

1.4.2.3 MVE podle jednotkového výkonu soustrojí Třída Jednotkový výkon soustrojí (kW) A

nad 520

B

nad 100 do 520

C

do 100

tabulka 1-3 Dělení MVE podle výkonu soustrojí

1.4.2.4 MVE podle velikosti spádu Třída

Velikost spádu (m)

Nízkotlaké

do 20

Středotlaké

nad 20 do 100

Vysokotlaké

nad 100

tabulka 1-4 Dělení MVE podle velikosti spádu

1.4.2.5 MVE podle zapojení • malé vodní elektrárny, které jsou zapojené do energetické soustavy. Jsou vybaveny asynchronními alternátory, nemají regulaci výkonu a frekvence. Jsou tvořeny jednoduchými vodními systémy bez akumulačních nádrží. • malé vodní elektrárny, které jsou schopné pracovat odděleně od elektrizační soustavy, mají synchronní alternátory. Jsou vybaveny automatickým ovládáním, regulací frekvence i výkonu. Používají se jako záložní zdroje elektrické energie v případě přerušení dodávky elektrické energie z rozvodné sítě. • mikrozdroje a mobilní zdroje, které pracují i s nenormalizovaným napětím, i se stejnosměrným proudem. Používají se pro spotřebiče na ohřev vody, vytápění rodinných domků, rekreačních objektů atd.

Strana 4 / 16

Mastný P.


1.5 Hydroenergetický potenciál Teoretická využitelnost vodních zdrojů je hodnocena očekávaným výkonem elektráren za předpokladu, že průtok je po celý rok konstantní, rovný střednímu a při transformaci na elektrickou energii nedochází k rozptylu energie.

1.5.1 Hrubý hydroenergetický potenciál Hrubý hydroenergetický potenciál PA (TW), WA (GWr) je definován jako součet všech výkonů jednotlivých úseků toku pro střední průtok H

PA = g ⋅ ∫ m& s ⋅ dH

(1.2)

(W),

0

kde: ms

střední průtok v elementárním úseku trasy jako aritmetický průměr průtoku za delší období

H

hrubý geodetický spád mezi pramenem a ústím

dH

hrubý spád elementárního úseku toku při středním průtoku

Grafické zpracování hrubého potenciálu mezi úseky 1 a 2 je naznačeno na XX, takže

PA = g ⋅

m& 1 + m& 2 ⋅ H 12 2

(1.3)

(W),

Hrubý potenciál není ovlivněn technikou a ekonomikou, které se mění s dobou i plochou, celosvětově je odhadován na PA = 3,75 TW (WA = 3,75 TWr), při plném využití středních průtoků V50. Světadíl

PA (TW)

(%)

(kW.km-2)

Evropa

0,24

6,4

25

Asie

1,34

35,7

30

Afrika

0,70

18,7

23

Severní Amerika

0,70

18,7

34

Jižní Amerika

0,60

16,0

33

Austrálie

0,17

4,5

19

tabulka 1-5 Rozdělení světového potenciálu PA

S uplatněním energetických i objemových ztrát a po vyloučení oblastí nevhodných k energetickému využití je teoretický potenciál využitelný jen z části. Jde o tzv. technicky využitelný potenciál PT (kW). Technický potenciál počítá s možností výstavby vodních elektráren jen ve vhodných lokalitách, nevylučuje odběr vody pro další účely a zvažuje ztráty vznikající při transformaci energie. Vyhodnocuje se pomocí střední roční výroby všech vodních elektráren. V ČR je vodní energie velmi cenným zdrojem pro krytí spotřeby elektrické energie. Její dosud stanovený energetický potenciál je PT = 385 MW. Využívání Strana 5 / 16

Mastný P.


technického potenciálu v našich podmínkách je hodnoceno dosahovaným celoročním průměrným výkonem vodních elektráren PCR = 190 MW, který kryje spotřebu energie ze 3%. Perspektivu vývoje v naší lokalitě mají malé vodní elektrárny, neboť z hlediska rozložení zdrojů vodní energie se zde nachází téměř 70% nevyužitého hrubého potenciálu.

1.5.2 Teoretický hydroenergetický potenciál Teoretický hydroenergetický potenciál se určuje podle vzorce

PT = g ⋅ Q ⋅ H

(1.4)

(kW),

při účinnosti přeměny η = 1, tj. 100%. Nejobvyklejším způsobem výpočtu je rozdělení uvažovaného toku pomocí profilů na úseky, ve kterých lze umístit jednotlivé stupně (jezy, přehrady) k soustředění spádu. Jejich výšky se volí tak, aby v podélném profilu vznikla nepřerušovaná kaskáda s vodorovnými hladinami v jednotlivých úsecích. Potenciální výkon toku mezi dvěma zvolenými profily 1 a 2 (Obr. 1.1) s průtokem na začátku a na konci úseku Q1 a Q2 a spádem H1–2 se určí ze vzorce

P1−2 = g ⋅

(Q1 + Q2 ) ⋅ H 2

1− 2

(kW),

(1.5)

Počítá se s průměrným průtokem ve zvoleném úseku 1 – 2.

Obr. 1.1 Výpočet teoretického výkonu toku

Teoretický potenciální výkon toku se počítá pro dvě hodnoty průtoku, které se určují z hydrologických podkladů (křivky překročení průměrných toků): • Q50 – střední průtok s 50% pravděpodobností překročení • Q95 – minimální průtok s 95% pravděpodobností překročení Specifický výkon toku v úseku 1 – 2 s délkou L1 – 2 se určí podle vzorce

p1−2 =

P1−2 L1−2

(kW. km-1),

Strana 6 / 16

(1.6)

Mastný P.


Součet výkonů

n

∑ Pi

jednotlivých n úseků toku je teoretický hydroenergetický

i =1

potenciál. Představuje teoretické zásoby vodní energie při 100% využití celkového spádu toku a při 100% využití středních průtoků. Reálně využitelný hydroenergetický potenciál vodního toku je menší než teoretický hydroenergetický potenciál, jelikož plné využití celkového spádu a průtoku není prakticky možné. Reálná není také úplná přeměna vodní energie na elektrickou. Vznikají ztráty, které můžeme rozdělit do tří skupin: •

ztráty na spádu − důsledek nevhodných geologických a topografických podmínek − ztráty třením − místní ztráty

•

ztráty průtočného množství − průsak − výpar − omezená kapacita vodních elektráren

•

ztráty při převodech potenciální energie toku na mechanickou energii ve vodních strojích, ztráty v přenosových sítích

Technicky využitelný hydroenergetický potenciál představuje přibližně 40 – 50% potenciálu teoretického. Celosvětový technicky využitelný hydroenergetický potenciál je asi 20 000 TWh za rok. Technicky využitelný hydroenergetický potenciál České republiky je přibližně 3,5 TWh za rok.

1.6 Základní parametry hydroenergetického díla Základní parametry charakterizující hydroenergetické dílo: • průtok Q • spád H • účinnost η • výkon P • výroba elektrické energie E Při definování základních parametrů hydroenergetického díla vycházíme z ČSN (STN) 75 0128 – Názvosloví využití vodní energie.

1.6.1 Průtok Průtok turbínou je definovaný jako celkové množství vody protékající turbínou za jednotku času. Základní jednotkou je m3.s-1. U hydroenergetických děl můžeme rozlišovat následující průtoky: • nejmenší a největší využitelný průtok − průtok, který byl v daném období k dispozici k využití ve vodní elektrárně • nejmenší a největší využitý průtok

Strana 7 / 16

Mastný P.


• • • •

− průtok vodní elektrárnou, který byl v daném období energeticky využitý průměrný roční využitelný průtok − úhrnné množství vody, které mohlo být v jednom roce celkem využité, podělené počtem sekund v roce průměrný roční využitý průtok − celkové množství vody v jednom roce skutečně využité ve vodní elektrárně, podělené počtem sekund v roce jalový průtok vodní elektrárny − průměrný průtok vodní elektrárny, který nebyl v daném energetickém období využitý provozní průtok vodní elektrárny − dosažitelný průtok, který je k dispozici vodní elektrárně při daném spádu v daném časovém okamžiku

Z hlediska průtoku vody vodní turbínou rozeznáváme: • průtok turbínou • hltnost turbíny • jmenovitou hltnost • návrhový průtok turbínou • využitelný průtok turbínou • jednotkový průtok turbínou • průtok turbínou při chodu naprázdno

1.6.2 Spád Spád vodní elektrárny je výškový rozdíl hladin před vtokem a před vyústěním do odpadu vodní elektrárny. Rozlišujeme dva druhy spádu: • spád odpovídající nulovému průtoku hydraulickým systémem • spád dynamického režimu práce vodní elektrárny 1.6.2.1 Celkový spád vodní elektrárny Hc Hc je statický spád mezi dvěma posuzovanými úseky toku, který chceme energeticky využít. Je určen výškovým rozdílem horní a dolní hladiny při nulovém průtoku vodní elektrárnou. Představuje potenciální energii vody, která je k dispozici pro energetickou přeměnu ve vodní turbíně mezi jejím vstupním a výstupním profilem. 1.6.2.2 Čistý spád vodní elektrárny Čistý (provozní) spád vodní elektrárny je celkový spád zmenšený o hydraulické ztráty kromě ztráty v hydraulickém obvodu. Po odečtení hydraulických ztrát v hydraulickém obvodu dostaneme užitečný spád (Hu) vodní elektrárny. Užitečný spád lze definovat jako výškový rozdíl mezi čárami měrné energie těsně před vstupem do vodního stroje a na jeho výstupu. Pro turbíny se uvádějí následující užitečné spády: • návrhový spád (Hn) • maximální spád (Hmax) • jmenovitý spád (Hm)

Strana 8 / 16

Mastný P.


Spád je určen topografickými a hydraulickými poměry, schématy a typem hydroenergetického díla, stavebním a hydraulickým řešení objektů. Vztah mezi celkovým spádem a užitečným spádem, rychlostními výškami a hydraulickými ztrátami v hydraulickém obvodu vodní elektrárny i ztrátami ve využívaném úseku toku je dán řešením Bernoulliho rovnice.

1.6.3 Výpočet výkonu a výroby elektrické energie v MVE Vodní elektrárna zpracovává v turbínách průtočný objem Qt, který může být podle typu elektrárny buď menší nebo větší než průtok vodním tokem. Spád, který se v turbíně využije je však jednoznačně menší než hrubý spád H, který vznikl vzdutím hladiny a je dán rozdílem horní a dolní hladiny. Turbína zpracovává tzv. užitečný spád Hu, což je hrubý spád zmenšený o hydraulické ztráty vznikající přívodem vody k turbíně. Další ztráty vznikají při přeměně energie ve vodní turbíně a v generátoru, takže užitečný výkon vodní elektrárny na svorkách generátoru potom bude

Pg = 9,81 ⋅ Qt ⋅ H u ⋅ ηt ⋅ η g

(kW; m3.s-1, m),

(1.7)

a vyrobená energie

E g = 9,81 ⋅ Qt ⋅ H u ⋅ ηt ⋅ η g ⋅ t

(kWh; m3.s-1, m, h),

(1.8)

Účinnost vodních turbín ηt je poměrně vysoká - od 0,8 až 0,96. Její odnota závisí na typu turbíny, její velikosti i řadě dalších faktorů. Účinnost hydroalternátorů ηg dosahuje hodnot od 0,95 do 0,98. Při provozu vodní elektrárny kolísá hladina v horní akumulační nádrži v rozmezí několika metrů, proto se výkon turbíny Pn na spojce počítá z návrhového spádu Hn, návrhového průtoku Qn a návrhových otáček nn. Tento výkon se označuje jako návrhový. Návrhový spád Hn bývá obvykle nejčastěji se vyskytující užitečný spád nebo střední užitečný spád stanovený z nejvyšší a nejnižší provozní hladiny. Návrhový průtok bývá obvykle shodný s hltností turbín. Instalovaný výkon elektrárny Pi je dán součtem jmenovitých výkonů hydroalternátorů instalovaných v elektrárně. Součet elektrické energie měřené na svorkách jednotlivých hydroalternátorů udává celkovou hrubou roční výrobu elektrárny Ec. Jednou ze základních technickoekonomických otázek opodstatněnosti výstavby vodní elektrárny je velikost doby ročního využití instalovaného výkonu Ti. Její velikost je určena volbou instalovaného výkonu elektrárny při daných hydrologických poměrech. Doba ročního využití instalovaného výkonu se stanoví:

Ti =

Ec Pi

(h; kWh, kW),

(1.9)

Doba ročního využití instalovaného výkonu pro jednotlivé typy vodních elektráren bývá: -

průtočné

Ti = 4 000 až 6 500 h,

-

akumulační

Ti = 1 500 až 3 000 h,

Strana 9 / 16

Mastný P.


-

přečerpávací

Ti = 1 000 až 1 500 h.

Pro výrobu elektrické energie je určena část objemu vody v nádrži (Obr. 1.2), kterou jsme si označili jako užitný (užitečný) objem Vu.

Obr. 1.2 Rozdělení objemu nádrže

Tento objem je v dané nádrži zásobou potenciální energie, která představuje jakousi akumulovanou elektrickou energii, jež lze v případě potřeby použít pro rychlé krytí zvýšeného zatížení soustavy. Výroba elektrické energie za určitý čas t je dána objemem vody, který za tento čas proteče turbínami, užitečným spádem a ostatními parametry strojního vybavení elektrárny (viz rovnice 1.8). V případě, že necháme nějakou fiktivní turbínou protéct během jedné hodiny (t = 1 h = 3600s) celý užitný objem Vu bude vteřinová hltnost turbíny

Q=

Vu V = u t 3600

(m3.s-1; m3, s),

(1.10)

Za tuto hodinu se vyrobí elektrická energie ekvivalentní potenciální energii v nádrži. Dosadíme-li do vztahu pro energii vodní elektrárny vypočítanou hltnost fiktivní vodní turbíny hodin (rovnice 1.10) dostáváme tzv. energetický ekvivalent nádrže En, což je hodnota akumulované elektrické energie v užitném objemu nádrže, takže

En = 9,81 ⋅ Q ⋅ H u ⋅ ηt ⋅ η g ⋅ t = 9,81 ⋅

Vu ⋅ H u ⋅ ηt ⋅ η g ⋅ t 3600

(kWh), (1.11)

Po dosazení za čas t = 1 h a úpravě dostáváme pro energetický ekvivalent praktický vztah

En =

Vu ⋅ H u ⋅ ηt ⋅ η g 367

(kWh),

(1.12)

z tohoto praktického vztahu můžeme po úpravě určit např. i objem vody potřebný na výrobu 1kWh (En =1) nebo jakou elektrickou energii získáme z 1 m3 vody (Vu = 1 m3). Z uvedeného vyplývá, že výroba a výkon vodní elektrárny při konstantním spádu jednoznačně závisí na průtoku vody turbínami.

1.7 Elektrotechnické zařízení MVE Základní prvky elektrického systému MVE jsou: • generátor • vývody z generátoru Strana 10 / 16

Mastný P.

UEEN VUT FEKT v Brně Malé zdroje elektrické energie – Vodní energie • • • • • • •

rozvodna generátorových vývodů blokový transformátor vývody z transformátoru venkovní rozvodna (může i nemusí být) transformátor vlastní spotřeby elektrické motory různých zařízení (jeřáb, čerpadla) budiče generátorů a pomocná zařízení (odpojovače, vypínače, jističe...)

Možné hlavní elektrické schéma MVE je vidět na obrázku Obr. 1.3.

Obr. 1.3 Možné hlavní schéma elektrického zařízení MVE

1.7.1 Začlenění MVE do energetického systému Česká elektrizační soustava pracuje se střídavým elektrickým proudem s frekvencí 50 Hz. Napěťové úrovně se dělí následovně: • vvn (110 až 400 kV) – dlouhá přenosová vedení • vn (10, 20 a 35 kV) – distribuční sítě • nn (do 1000 V) – místní sítě, domovní a průmyslové rozvody MVE pracují paralelně s elektrizační sít. Nejmenší výkony jsou připojovány k síti nn v rámci objektu a vyrobená elektrická energie je určena pro vlastní spotřebu objektu. Případný přebytek výkonu se dodává do místní distribuční sítě. I MVE s vyššími výkony (od 300 do 1000 kW) lze připojit k distribuční síti nn. Vyšší výkony se zpravidla připojují k síti vn.

1.7.2 Elektrická zařízení MVE Přeměnu elektrické mechanické energie zajišťuje elektrický generátor. Generátor je připojen prostřednictvím přenosového a transformačního zařízení k místu spotřeby.

Strana 11 / 16

Mastný P.


Vyrobenou elektrickou energii je třeba okamžitě spotřebovat (minimální možnosti akumulace). Přenosovou cestu tvoří elektrický obvod se spínacími a jistícími přístroji, řídícími, měřícími a zabezpečovacími obvody. Samotné uspořádání MVE závisí na použitém hydrogenerátoru. Pro většinu provozovaných MVE jsou vhodné generátory na střídavý proud. Využívají se jak synchronní tak asynchronní generátory. Volba mezi uvedenými typy generátorů je podmíněna požadavky provozovatele distribuční sítě, k níž je MVE připojena. Na vybraném typu závisí také skladby elektrického zařízení MVE. 1.7.2.1 Synchronní generátor Synchronní generátor má stator se střídavým trojfázovým vinutím a rotor s jednosměrným budícím vinutím. Konstrukční provedení vychází z velikosti generátoru a počtu pólů. Počet pólů spolu s frekvencí určuje synchronní otáčky generátoru:

n=

f ⋅ 60 3000 , resp. n = p p

(ot.-1),

(1.13)

kde n – synchronní otáčky generátoru f – frekvence sítě p – počet pólových dvojic Synchronní generátor má možnost regulovat napětí a frekvenci, kterou vyjadřuje vztah 1.13. Napětí je možno ovlivnit změnou budícího proudu. Uvedené způsoby regulace platí pro případ samostatného provozu synchronního generátoru do autonomní sítě. Provoz MVE v samostatném chodu je ale spíše výjimkou. Může být požadován v případě výpadku sítě jako náhradní zdroj nebo pro napájení objektů ve vzdálené oblasti. Častější jsou případy chodu synchronního generátoru paralelně s elektrizační sítí.

Strana 12 / 16

Mastný P.


Obr. 1.4 Schéma zapojení synchronního generátoru na síť

Síť je považována za výkonově silnou, tj. s pevným napětím a frekvencí, které se nedají malým výkonem uvažovaného generátoru ovlivnit. Generátor dodává do sítě jalový a činný výkon. Činný výkon je dán mechanickým výkonem vodního stroje a souvisí se zátěžovým úhlem generátoru. Jalový výkon je dán velikostí budícího proudu. k dodávce do sítě se používá regulace na konstantní jalový výkon nebo na konstantní účiník. Paralelní provoz se sítí při nízkém budícím proudu skrývá nebezpečí v podobě vypadnutí generátoru ze synchronizmu. Připojení generátoru k síti (fázování) je jemné při synchronizaci napětí, frekvence a fáze nebo samosynchronizací, tj. připojením generátoru k síti v přibližně synchronních otáčkách v nenabuzeném stavu a následném nabuzení. Samosynchronizací vzniká proudový ráz 2,5 – 3krát větší, než jmenovitý proud. 1.7.2.2 Asynchronní generátor Používá se především v režimu výroby a dodávky elektrické energie MVE do pevné sítě. U samostatného provozu do autonomní sítě se asynchronní generátor nepoužívá. Stator asynchronního generátoru má trojfázové střídavé vinutí, stejně jako synchronní stroje. Rotor může být vinutý s kroužky nebo se dá použít rotor s klecovým vinutím. Při přivedení trojfázového napětí na svorky statoru vznikne točivé magnetické pole, které v rotorovém vinutí indukuje proudy, jejichž silovými účinky se rotor otáčí ve směru točení magnetického pole a stroj se chová jako motor. Když rotor dosáhne synchronních otáček s magnetickým polem, nic se neindukuje. Proto se rotor v motorovém chodu otáčí s otáčkami o něco nižšími, než jsou otáčky synchronní – pracuje se skluzem. Při zvýšení otáček rotoru nad otáčky magnetického pole bude rotor do sítě dodávat činný výkon. Ze sítě však bude odebírat jalový výkon pro svou magnetizaci. Strana 13 / 16

Mastný P.


Odběr jalového výkonu ze sítě má za následek zvýšení proudu v síti. Pro potlačení tohoto jevu se využívá kompenzace pomocí kondenzátorů, ale to přináší nebezpečí vzniku přepětí na svorkách paralelní kombinace kondenzátor – generátor, samobuzením při výpadku sítě a následném zvýšení otáček hydrogenerátoru. Fázování generátoru se provede jednoduchým připojením generátoru k síti při dosažení přibližně synchronních otáček. Použitím asynchronního generátoru se zjednoduší ostatní elektrická zařízení, zmenšuje se jejich hmotnost, a tím se snižuje i cena. Nevýhodou je odběr jalového výkonu, neschopnost samostatného chodu a nižší účinnost při částečném výkonovém zatížení. Asynchronní stroje se zpravidla dimenzují výkonově co nejblíže k maximálnímu výkonu turbíny.

Obr. 1.5 Schéma zapojení asynchronního generátoru na síť

1.7.3 Silnoproudá zařízení MVE Silnoproudá zařízení jsou určena k přenosu, transformaci, spínání a jištění vyrobené elektrické energie a také k zásobování pohonů a jiných elektrických spotřebičů zahrnutých do vlastní spotřeby MVE. K přenosu výkonu z objektu MVE je určena přípojka venkovním nebo kabelovým vedením, která je na úrovni nn (3 x 400 V) nebo při vyšších výkonech a větší vzdálenosti vn (22 a 35 kV). Elektrická přípojka končí v hlavní skříni nebo v případě přípojky vn v rozvodně vysokého napětí. V případě, že se pro MVE použije více napěťových úrovní, musí se použít transformátor. Pro MVE se používají jednofázové nebo trojfázové transformátory. Generátory jsou k transformátoru připojeny blokově nebo je transformátor společný pro více generátorů. Uspořádání obou způsobů připojení je vidět na obrázku Obr. 1.6 a Obr. 1.7. Blokové zapojení se používá pro případ připojení vn generátorů 6,3 kV k síti 22 kV. Zapojení se společným transformátorem je vhodnější ke spolupráci generátorů nn s vn sítí.

Strana 14 / 16

Mastný P.


Obr. 1.6 Blokové schéma propojení generátorů s transformátory

Obr. 1.7 Propojení generátorů s transformátory se společným transformátorem

1.7.4 Pomocná elektrická zařízení MVE Silové obvody MVE doplňují měřící, jistící a regulační obvody. Ukázkové schéma řídícího systému je na obrázku Obr. 1.8.

Obr. 1.8 Blokové schéma řídícího systému

1.8 Ekonomika provozu MVE Základem pro výpočet ekonomické efektivnosti provozu MVE je vypracování peněžního toku – cash-flow. Jde o bilanci příjmů a nákladů. Z finančního plánu vyplývá tvorba kumulativního výsledku na konci jednotlivých let. Když se tento stav dostane na nulovou hodnotu, je investice splacena. Časový rozdíl mezi touto dobou a dobou, kdy bylo započato s výstavbou MVE, je možno považovat za dobu splatnosti. Určení výše příjmů z provozu MVE je možno provést s velkou přesností. Příjmy u MVE korespondují s množstvím vyrobené elektrické energie, které je možné spolehlivě

Strana 15 / 16

Mastný P.


určit na základě znalosti průtokových poměrů v dané lokalitě pomocí čáry překročení průtoků a závislosti spádu na průtocích. Při výpočtu příjmů z výroby elektrické energie není možné uvažovat nepřetržitý provoz vodní elektrárny (revize , opravy). Pro hodnocení rentability MVE se převážně využívá metoda čisté současné hodnoty, tj. rozdíl diskontovaných příjmů a nákladů k datu rozhodování a výpočet doby návratnosti investice. V současných podmínkách je možno hodnotit investici výstavby MVE takto: •

velmi dobrá – návratnost do 5 let

•

dobrá – návratnost 5 až 10 let

Vyšší doby návratnosti znamenají, že je potřeba zvážit vhodnost výstavby. Stanovování ekonomické efektivnosti MVE je spojeno v mnoha případech s velkými problémy. Ty se týkají především nízkých výkupních cen elektrické energie z produkce MVE. Zatímco v podmínkách po roce 1990 výstavba a provoz MVE reálně značně rostly a rostou, cena vyrobené elektrické energie podléhá cenové regulaci. Pro ilustraci je v následující tabulce uveden vývoj výkupních cen elektrické energie z MVE.

Strana 16 / 16

Malé zdroje elektrické energie Vodní energie

Recommend Documents