Vodní energie

[Josef]

Pár slov úvodem:

Asi by se slušelo začít tento sešit okřídleným rčením: „Již staří Římané...“, protože římské starověké impérium i technologie považujeme za rozvinutou civilizaci, a pak pokračovat popisem vodního supermlýna v Barbegalu. Kdybych se chtěl blýsknout jako patriot, mohl bych také začít třeba tím, že první mlýn s mechanickým vyséváním na světě byl postaven právě u nás. I tím, že okolo vody, vodních mlýnů, mlynářů i vodníků se točí téměř každá česká pohádka. Ale začnu jinak - pro mne je srdeční záležitostí a i významným symbolem civilizace přehlížená a takřka zapomenutá - vodní pila. Nikoli ruční nástroj, ale provozovna. Je to geniální zařízení (nu, jak by ne, když za její konstrukcí stál sám Leonardo da Vinci). Pila, která jako málo co jiného, pomohla proměnit tento svět. Nevěříte? Ještě jste o tom nikdy neslyšeli? Tak si to zkuste promyslet třeba jako na počítačovou hru „budovatelské strategie“:

Představte si mírně kopcovitou, zalesněnou krajinu, protkanou stužkami bystřin, potoků a říček. Takovou, jaká tvoří většinu podhůří a vysočin naší země. Když v takové krajině zbudujete vodní pilu, pak stačí několik šikovných lidí znalých řemesel a pár tažných koní k tomu, aby se stromy v lese staly kládami. Klády se změnily na trámy, fošny, prkna i latě. Ze dřeva se dobře tvoří - stavby, nábytek, nástroje, nářadí, nádoby, ba i hračky a ozdoby. Je jen krůček k tomu, aby údolí okolo pily zaplnily domky, na návrší kostelík. Za domy se objeví první skromná políčka, kousek dál na louce u lesa se pase dobytek a suší seno. Vymlácené zrno je třeba umlít a tak na potoce pod pilou vyrostl nový mlýn. Nehostinný kraj se od základu změnil. Je tu nová malebná podhorská vesnice, která poskytuje přístřeší, teplo domova i dostatek jídla. Základní věci k trvalému poklidnému lidskému žití, ale také k zábavě a kulturnímu vyžití. Co byste chtěli víc? Už můžete zvolat: „Vítejte u nás doma!“

Možná přespříliš idylické, připouštím. Ale to nic nemění na faktu, že s využitím vodní energie může člověk i za pomoci hodně jednoduchých prostředků rychle dojít k cíli. A to i v hodně nuzných podmínkách po nějaké rozsáhlé přírodní kalamitě či vleklé válce, která vyčerpala suroviny, zničila veškerou infrastrukturu a uvrhla tak zbytky přeživšího obyvatelstva do mnohem horších podmínek, než byly i ve středověku. Vodní síla může řezat dřevo, mlít obilí, čerpat vodu do kopců nebo naopak ji táhnout z hlubinných dolů, může vyrábět elektřinu. Cokoli, na co pomyslíme. Levně, efektivně a nic od nás za to nechce. Byla tu tisíce let před námi a zůstane i po nás, nevyčerpatelná a vždy připravená posloužit. Avšak jen tehdy, budeme-li se zodpovědně starat o naši krajinu, aby nezpustla a nevyschla.

[Josef]

Nebudu zde rozebírat žádné údolní hydroelektrárny - to nechť zůstane tématem pro odborníky. My zůstaňme zatím jen u toho, co lze uchopit a vyrobit lidskýma rukama. Zapomeňme na výkony srovnatelné s Orlickou přehradou. Běžný vesnický mlýn si vystačil s několika málo kilowatty, přesto s nimi pomlel obilí všem v širém okolí, jeho pila pořezala dříví z okolních lesů a večer ještě dokázal vyrábět elektřinu pro osvětlení místní hospody a několika domů.

Když bude nouze, budeme rádi i za výkony mnohem menší než mlýn. Budeme vděčni i za výkony řádu stovek, či jen desítek wattů. Ale ani to nemusí být málo - voda umí pracovat 24 hodin denně, zejména za sychravého, deštivého počasí, když fotovoltaika nefunguje.

Když chcete, aby pro vás voda pracovala, musíte své požadavky buď přizpůsobit možnostem vody, kterou máte ve svém okolí k dispozici. Nebo najít vodu dostatečně silnou na to, aby vaše požadavky uspokojila. Abyste to však dokázali srovnat a posoudit, musíte se naučit vodní sílu nějakým způsobem měřit a vědět co je důležité dodržet a co není. To je první úkol, který musíte zvládnout.

Také musíte mít neustále na paměti, že vodní síla je „obnovitelný zdroj“. Myslím to ale úplně jinak než čekáte:
Nevyrobíte-li své zařízení dost důkladně a budete chtít tento zdroj přesto provozovat, budete jej muset neustále „obnovovat“. Voda je totiž nezkrotná - bude 24 hodin denně, 365 dní v roce číhat na vaši chybu nebo nedůslednost a vymýšlet nejrůznější záludné způsoby, jak se zbavit chomoutu, do kterého jste ji zapřáhli.

Pojďme si proto povědět o pár zásadách, jak správně na to:

Některé části textů byly (se souhlasem autora) převzaty ze stránek http://mve.energetika.cz

[Josef]

Průtok a spád

Energii vody můžeme využít pouze tehdy, necháme-li vodu o nějakém množství téct z nějakého vyššího místa do místa nižšího. Množství vody říkáme průtok Q, rozdílu výšky říkáme spád H.

spad-prutok.jpg (71.3 KiB) Zobrazeno 17175 krát

Energie, kterou lze získat z vodního toku odpovídá součinu spádu a průtoku.
Obě veličiny jsou stejně důležité a jedna bez druhé práci vykonat nedokáže.

Mohutný tok bez spádu (např. pomalu tekoucí řeka v nížině) nebo naopak velký spád bez průtoku (např. tlak v uzavřeném potrubí bez pohybu kapaliny) žádnou užitečnou energii neposkytnou.

Co je lepší? Průtok nebo spád?
Zatím co průtok je veličina hodně proměnná a závislá na počasí, spád je možno považovat za konstantu danou tvarem terénu, případně stavební úpravou (jezem, náhonem, hrází). Spád je tedy určitá jistota a to i v suchém období. Záleží však na místních poměrech, kterou z obou položek lze snadněji při stavbě získat. V horách a na vysočině je snazší získat poměrně rychle dostatečný spád a tím i slušný výkon na tocích s menším průtokem bez ohledu na nestálost počasí. V nížinách se setkáme s líně tekoucí vodou velkého průtoku, avšak šance zajistit větší spád je věc stavebně velmi nákladná (dlouhý náhon nebo mohutný jez).

Proto u velkých řek bývala vodní díla často postavena nikoli přímo na hlavní řece, ale v místech, kde se do velké řeky vlévaly z bočních údolí přítoky. Rozdíl výšky hladiny v přítoku a hladinou samotné řeky, byl často natolik velký, že přítok v tomto místě poskytoval více energie (a snadněji využitelné) než samotná velká, ale líná řeka.

[Josef]

Výkon

Výkon na hřídeli vodního motoru je dán okamžitým průtokem, čistým spádem na vodním motoru a účinností vodního motoru:

výkon P [watty] = 0,0981 × průtok Q [ltr./sec.] × spád H [metry] × účinnost [%]

Spád H dosazený do výpočtu je spád čistý. Je to původní rozdíl výšky hladin na úseku potoka, snížený o pokles hladiny v náhonu, na česlích, v potrubí a v odpadním kanále. Vzniká nezbytnými ztrátami, nutnými k tomu, aby voda do stroje proudila. Při zastaveném stroji se hladina ustálí výše. Proto s tímto rozdílem musíme počítat.

Průtok Q dosazený do výpočtu je skutečný průtok přes vodní motor, po odečtení všech nežádoucích prosaků.

Účinnost je závislá na použitém vodním motoru a Achilovou patou celého výpočtu je i to, že účinnost vodního motoru není při různých průtocích stejná, ale se snižujícím průtokem (tzv. plněním) klesá. Navíc neplánujeme vyrábět složitou kaplanovu turbínu ani jiné hi-tech vychytávky s účinností blížící se ideálu 100%. Tento sešitek má posloužit pro dobu, kdy možná nebude k dispozici široké zázemí perfektně vybavených dílen plné CNC obráběcích strojů. Proto raději nebudeme létat myšlenkami v oblacích, ale zůstaneme pokorně na zemi - v dílně vybavené obyčejnou svářečkou nebo možná dokonce jen se sekerou, pilou a dlátem. Proto bude lépe, když pro předběžný výpočet použijete hodnotu účinnosti okolo 60 až 75%.

Budete-li vodní silou vyrábět elektřinu, nezapomeňte započítat i další ztráty (v alternátoru, při přenosu, při nabíjení atd.)

[Josef]

Jak změřit spád

Toto je celkem jednoduché - prostě metrem.
Na větší vzdálenosti je to sice komplikovanější, ideální by byl "nivelák", ale i bez něj to jde zvládnout.
Například pomocí hadicové vodováhy:

merenispaduslauchvahou.gif (2.73 KiB) Zobrazeno 17175 krát

-------------------------------------------

Jak změřit průtok

Zde je to už podstatně složitější. Budeme-li se ale bavit jen o využití malých říček a potoků, opět dokážeme vystačit s jednoduchými pomůckami. Například průtokoměrným přelivem...

[Josef]

Thompsonův přeliv
Se hodí pro měření průtoků od 0,2 do cca 60 litrů za sekundu. Metoda spočívá v tom, že se v měřeném místě tok dočasně přehradí neprodyšnou stěnou, ve které je výřez tvaru písmene „V“ s úhlem 90°. Přepadovou hranu tvoří ostrý plech. Voda před stěnou nastoupá a potom začne výřezem přepadat. Po jisté době dojde k ustálení hladiny. Výška hladiny před stěnou měřená vůči spodní hraně „V“-výřezu h [cm] je hodnota, kterou lze matematicky přepočítat na průtok Q [ltr./sec.], který přepadem protéká.

thompson-preliv-1.gif (2.66 KiB) Zobrazeno 17175 krát

V praxi je lépe udělat to takto (hladina v hadičce ukazuje výšku):

thompson-preliv-2.gif (3.87 KiB) Zobrazeno 17175 krát

Praktická realizace:

Výpočet průtoku z naměřené výšky je poměrně komplikovaný:

thompson-preliv-vypocet.gif (5.78 KiB) Zobrazeno 17175 krát

Kdo by si s tím chtěl hrát, inu proč ne (může si na základě tohoto výpočtu naprogramovat třeba nějaký převodník osazený mikropočítačem a průtok sledovat pomocí mobilní aplikace na mobilu z tepla domova).

Ti z vás, kterým nevadí občas zajít k potoku,
si pro běžnou praxi úplně vystačí s jednoduchou tabulku:

tabulka-thompson-preliv.jpg (21.83 KiB) Zobrazeno 17175 krát

[Josef]

Ponceletův přeliv
Tato měřící metoda je vhodná pro měření průtoku malých a středních potoků. Lze ji použít i na jezech pro „dávkování“ vody sanačního průtoku nebo při zkouškách turbín. Je zapotřebí dbát, aby hrany byly ostré a spodní hrana byla vodorovná (do výřezu v dřevěné desce se přitluče plech).

ponceletuv-preliv.gif (2.65 KiB) Zobrazeno 17174 krát

Nebudu zdržovat s výpočtem (kdo chce, si ho na internetu najde),
pro praxi bude opět užitečnější spíš tabulka:

Šířku přelivu udělejte v celých mírách - například 50 cm, 100 cm, 150 cm nebo 200 cm, tak jak je uvedeno v tabulce. Pokud před 50 cm širokým přelivem nastoupá voda výš než na 10 cm, není to o tom, že je tabulka neúplná, ale znamená to, že je přeliv příliš úzký a je potřeba ho rozšířit. Přesnost měření totiž vyžaduje nepřekročit určitý poměr mezi tloušťkou přepadajícího "vodopádu" a jeho šířkou. Prázdná okénka v tabulce tedy znamenají mezní situace, kterým je zapotřebí se vyhnout.

Výše uvedenými dvěma měřícími metodami dokážete změřit jakýkoli průtok v rozsahu od 0,2 po téměř 1000 litrů za sekundu, což zcela bezpečně pokrývá rozsah průtoků a potažmo i výkonů, kterými se v tomto vlákně hodlám zabývat.

[Josef]

Vodní dílo

Vodní dílo se v tomto případě myslí veškeré stavební i strojní zařízení, které je nezbytné pro využití energie vody na určitém úseku vodního toku a její přeměnu na užitečnou práci. Vodní dílo má energii přírodního toku co nejlépe využít.

Přeměna na mechanickou energii se děje jen ve vodním motoru (vodní kolo, turbína). Úkolem všech ostatních částí vodního díla je dopravit k tomuto stroji potřebné množství vody a při tom neztratit nic z původního spádu.


Zásady:
Aby nedocházelo ke ztrátám spádu, je potřeba vést vodu pomalu a klidně, bez zčeření hladiny. Tak, že když do ní kdekoli po trase vnoříte ruku, bude mít čas vaši ruku obtékat, ne se o ni rozrážet a tvořit za ní brázdu. Klidně a pozvolna vodu dostatečně velkým korytem nebo potrubím přivádějte k vodnímu motoru. Nenuťte ji předčasně zrychlovat a opět zpomalovat. Nikde nesmí voda tryskat, šplouchat a čeřit se. Voda vedená otevřenou strouhou nikde nesmí vytvářet „vodopády“ a „peřeje“, její hladina musí být téměř vodorovná. Musí plynout plným korytem nikoli jen šumět po jeho téměř suchém, zato však silně nakloněném dně.

Do vodního motoru nebo ústí trubky musí vtékat voda klidně a nestrhávat sebou z hladiny vzduch či tvořit víry. Vodní motor musí být seřízen a mít po zatížení takové otáčky, aby i z něj voda odcházela opět pokud možno zase klidně - nesmí z něj silou tryskat, ale jen volně „vypadávat“.

Od vodního motoru musí být voda opět odváděna širokým korytem nebo velkým potrubím. Kanálem s téměř vodorovnou hladinou až do původního toku. Opět bez víření, šplouchání, pomalým prouděním. Před napojení na původní řečiště by neměl být zbytečně vysoký schodek.

[Josef]

Potoční vodní dílo

Patří mezi nejstarší a nejprimitivnější vodní díla. Jeho stavba spočívá v tom, že se postaví přímo na břehu potoka v místech, kde jeho řečiště prudce klesá a kde je příhodný spád.

Celý potok se přehradí a navede do téměř vodorovně položeného koryta. Korytem, s co nejmenšími ztrátami na spádu, se voda přivede až k vodnímu motoru. Vodní motor (je stroj, přeměňující energii vody v mechanickou energii točícího se hřídele) - v minulosti většinou šlo o vodní kolo, u potočního díla nejčastěji o typ kola zvaný „korečník s horním dopadem“. Voda se pustí sklopcem v potřebném množství buď do korečků kola, nebo přes zavřený sklopec protéká nad vodním kolem a na konci koryta pak z velké výšky bez užitku padá dolů.

voddilo-potocni.gif (9.86 KiB) Zobrazeno 17174 krát

Potoční dílo je však bohužel vystavené přímému účinku povodní a je jen otázkou času, kdy ho smetou. Proto má význam stavět ho jen jako dočasné.

[Josef]

Derivační vodní dílo

U tohoto vodního díla je strojní část umístěná zcela mimo původní tok. Voda se z původního řečiště odkloní do náhonu (strouhy) nebo do potrubí a odvede stranou k vodnímu stroji. Spád se nezískává vysokým jezem, ale vedením náhonu po vrstevnici svahu, zatím co přírodní tok přirozeně v údolí klesá. Náhon se vede úbočím svahu až do místa, kde oproti původnímu řečišti vykazuje spád potřebný pro provoz vodního motoru o potřebném výkonu. Pak se z náhonu svede krátkým potrubím k turbíně nebo vantrokem k vodnímu kolu. Od vodního motoru se voda vrací odpadním kanálem nebo odpadním potrubím zpět do původního řečiště.

Toto řešení je zdánlivě komplikované, ale v nejistých klimatických podmínkách bezpečnější, protože stroje jsou mimo hlavní řečiště, kde může bez nebezpečí poškození proběhnout povodeň. Ke strojům se přivádí jen potřebné množství vody, zatím co povodňové průtoky se ponechají v původním přírodním korytě. Kopaná strouha s otevřenou hladinou je levná na zřízení i údržbu a nepřekročí-li v ní rychlost proudění vody 0,3 metru za sekundu, ztrácí se na ní mnohem méně spádu, než by se ztratilo třením o stěny ve stejně dlouhém potrubí.

Derivačně uspořádaná byla valná většina malých vodních děl v historii* - mlýnů a pil, ale i prvních přádelen, textilek i strojíren. A mnohé, byť s různými peripetiemi, vydržely bez úhony dodnes.

-----------------------------

*) V minulosti se dal při stavbě použít i „reverzní“ postup vyměřování náhonu. Naši předkové si např. spočítali, že pro mlýn potřebují hnací výkon 4 koňské síly a že tento výkon při aktuálním průtoku potoka získají jen tehdy, budou-li mít na vodní kolo k dispozici spád 5 metrů. Vytyčili si nad místem budoucího mlýna ve stráni tento rozdíl hladin a od vytyčovacího kolíku začali ve svahu po vrstevnici (s nepatrným spádem) kopat proti proudu strouhu tak dlouho, až se jejím dnem setkali s hladinou potoka. Pak přehradili potok nízkým jezem s tzv. korunní deskou. Deskou hladinu v potoce zvýšili tak, že jim voda začala proudit do náhonu. Avšak kdykoli po odstranění korunní desky mohli přítok do náhonu zastavit a náhon vyčistit od naplaveného bahna. Nebyli tak závislí na dokonalé těsnosti stavidla u jezu, a přesto jim to dokonale fungovalo.