Využívanie mlynských kolies na iné účely ,ako mlyn na mletie obilia, sa snaží ľudstvo viac ako tisícročie. Vo východných krajinách sa používa aj na závlahy, ako bez energetické čerpadlo na prečerpávanie vody do závlahových kanálov. Na tento účel je možné použiť každý typ vodného kolesa: Sagebiénovo nízko otáčavé s veľkým priemerom ,alebo Ponceletovo s priemerom do 5,0[m] s vyššími otáčkami do 20[ot × min-1 ].
Pri návrhu kolesa na výrobu elektriny ,nás musí zaujímať jeho hydroenergetický výkon, ktorý závisí:
-
najmä na lopatkách a
-
prevod na hriadeľ generátora výroby elektrickej energie.
Celkový výkon kolesa cez lopatky—zabezpečujú otáčky kolesa aj otáčajú hriadeľ generátora ,je technicky náročný mechanizmus prevodu. Generátor potrebuje prevody do rýchla, často i niekoľko stupňové, aby sa dosiahli maximálne otáčky hriadeľa generátora. Okrem posúdenia nátoku vody na koleso, je potrebné posúdiť aj mechaniku niekoľkostupňového prevodu z kolesa na rýchle otáčky generátora. Toto je v súčasnosti technický problém prečo sa tento obnoviteľný zdroj energie dostatočne na našich drobných vodných tokoch nevyužíva.
Používané vodné kolesá na výrobu elektrickej energie majú spoločné výhody: prevádzková spoľahlivosť ,relatívne vysoká účinnosť, jednoduchá výroba, cenove prístupné a jednoduchá prevádzka—i niektoré nevýhody. Napr.: Ponceletovo koleso je založené výlučne na priemere /využíva malé spády vody/ má nízke prevádzkové otáčky na hriadeli generátora. Nevyhovujúce je aj pomalobežné vodné Sagebiénovo koleso u ktorého sú požiadavky na priemer kolesa takmer dvojnásobne vyššie/ do 8,0 [m] / a viac ,ako o polovinu nízke prevádzkové otáčky. Podobne je to u iných typoch, ktoré všeobecne dosahujú nižšiu účinnosť.
Posudzovanie výkonu kolesa na výrobu elektriny bolo v minulosti založené iba na rýchlosti vytekajúcej vody z lopatiek kolesa. Výsledky výkonu boli nepresné z dôvodu rôzneho tvaru lopatiek. Na tomto základe vznikla r. 1750 konštrukcia Segnerovo kolesa, ktoré zostrojil Bratislavský rodák Jan Andrej Segner. Dokázal, že rotácia vodného kolesa nie je spôsobená nárazom vody na lopatku—kinetická energia, alebo váha vody—potenciálna energia, ale reakcia vytekajúceho prúdu z lopatky—tlaková energia. Táto teória bola použitá pri triskových motoroch. Podľa tohto princípu je potrebné hodnotiť vodné koleso ako za určitých podmienok vhodný resp. nevhodný vodný stroj výroby elektriny.
Predstavu na množstvo vyrobenej elektriky v danej lokalite vodným kolesom získame zo všeobecného vzťahu pre celkový výkon hydroenergetického zdroja:
P=9,81× Q × H × ηc /1/
Kde:
P je výkon vodného kolesa[kw, Mw], Q značí prítok vodným kolesom[m3×s-1], H udáva spád vody na koleso—označovaný aj nátok vody [m] a ηc celkovú účinnosť zariadenia[%]. K základným parametrom patria otáčky kolesa n[ot/min-1 ]. Zo vzťahu vyplýva, že výkon P na hriadeli je priamo úmerný množstvu pretečenej vody cez mlynské koleso Q[m×s-1 ], užitočnému spádu vodnej hladiny H[m] a účinnosti ηc [%], ktorý vyjadruje vplyv prevodových momentov na generátor výroby elektriny.
Na výrobu elektriny musíme poznať aj prevádzkové otáčky mlynského kolesa n= [ot × min-1], ako zmenu rýchlosti otáčania osi hriadeľa generátora vplyvom nátoku vody Q[m3× s-1], čím nastáva aj zmena spádu H[m] vody na koleso. Prevádzková otáčky v závislosti Q na H a opačne riešime pomocou geometrie kolesa. To znamená ,že geometrické otáčky sú definované ako prevádzkové, s takým priemerom kolesa D [m], ktoré pri spáde vody H =1 [m]—nátok na koleso poskytne výkon P=0,736 [kw] t.j. výkon 1 [ks]. Špecifické otáčky n predstavujú charakteristický znak kolesa bez ohľadu na jeho typ ,spôsob nátoku vody, druhy lopatiek.
Z rovnice/1/ je zrejmé, že pre určenie návrhového výkonu je potrebný aj:
-
návrhový prietok vody Q[m× s-1 ] ,
-
čistý spád vody na koleso H[m].
Rovnicu môžeme použiť aj v tvare. P = k T . Q . H [kw], ktorá je analyzovaná v prvej časti.
Hydroenergetické využitie kolesa
Pracovný proces vodného kolesa—vodný stroj, určujú hydraulické javy a premeny mechanickej energie vody na mechanickú energiu otáčajúceho hriadeľa na generátor výroby elektriny. Podľa charakteru pôsobenia celkovej mechanickej energie vody, ktoré vodné kolesá premieňajú na energiu rotujúceho hriadeľa, otáča prevod generátora výroby elektrickej energie, rozlišujeme dva druhy:
-
Vodné kolesá lopatkové,
-
Vodné kolesá korčekové—lopatky sú v tvare valcovej plochy.
Na využívanie veľmi malých prírodných spádov na tokoch—nedostupných ani moderným turbínam aj na drobných vodných tokoch sú vhodné vodné lopatkové kolesá. Môžu využívať spád iba H=0,1 [m], s veľmi nízkou účinnosťou ηc =20[%]. Pri väčších spádoch dosahujú až do 80[%)] účinnosti premeny vodnej energie na elektrinu. Vyššiu účinnosť dosahujú korčekové vodné kolesá s veľkým spádom vody H>3[m], sú náročné na technické prevedenie preto sa u nás vyskytovali len sporadicky.
Pre zabezpečenie dobrých hydraulických vlastností každého typu kolesa a vysokej účinnosti je dôležitá konštrukcia a tvar lopatiek spojených s dvojicou bočných vencov. Medzi lopatkami je koleso priehľadné, bez prelievania vody. Proces prúdenia vody po lopatke a odovzdávanie celej kinetickej energie vody otáčaniu hriadele kolesa na generátor, záleží na celkovom riešení hydraulických vlastností návrhu a konštrukcie kolesa.
Prúd vody vstupuje na lopatku v smere dotyčnice k povrchu lopatky v mieste vstupnej hrany , prúdi po lopatke až na jej koniec. Nesmie nastať preliatie vody do vnútra kolesa, čo znamená, že energia vodného toku sa nevyužíva, znižuje účinnosť generátora. Prúd vody sa vracia opačným smerom po lopatke, ktorú opustí na tej istej hrane na ktorej na lopatku vstupoval. Nátok vody len na lopatkách premieňa celú vstupnú energiu vody na koleso.
Hydraulický vhodné tvarovanie závisí predovšetkým na obtekaní vonkajšieho líca lopatky a vstupnej hrane. To sú dôvody, že vodné kolesá sa využívajú tisícročie , neprešli zvláštnym konštrukčným vývojom iba lopatky; cez celorovinné, zalomené, miskovité, korčeky, až k zakriveným lopatkám v tvare valcovej plochy, ktorá je hydraulický najvýhodnejšia. Pre zaistenie dobrých hydraulických vlastností a vysokej účinnosti je dôležité, aby bolo vodné kolo veľmi tesne uložené v pracovnom nátoku vody s max. uložením ± 10—20(mm).
Pre posúdenie kolesa na výrobu určitého množstva energie v spotrebisku, vykonáme posúdenie zdroja vody na prietoky v bežnom roku. Nie je to jednoduchá úloha, prirodzené prietoky v našich riekach , potokoch, malých vodných tokoch sa v priebehu roka výrazne menia a naviac sa líšia prietoky v suchých a mokrých rokoch. Túto úlohu budeme riešiť v ďalšej časti príspevku.
Podľa miesta nátoku vody rozdeľujeme vodné kolesá na:
-
dolný a stredný náhon vody
-
horný náhon.
U nás sa využívali mlynské kolesá podľa charakteru vodného toku pretekajúceho v krajine; na nížinách to boli mlyny na dolný nátok, alebo postavené na vode. V horských oblastiach prevažovali mlyny s horným nátokom vody. V rov./1/
Návrh základných parametrov
V rovnici /1/ / P=9,81× Q × H × ηc (kw) alebo zjednodušenej P = k T . Q . H [kw] , hľadáme také množstvo vody, ktoré zabezpečí výkon P=0,736 [kw]. Tomu zodpovedá prietok Q=0,1 [m3]=100 [lit]:
P=9,81×0,1×1,0×0,75=0,736 (kw
Požiadavka je splnená ak prítok vody na koleso Q=0,1 [m3 × s-1 ] , pri spáde H—1,0 [m] a účinnosti ηc—75[%] . Kontrolu správnosti navrhnutého prietoku Q vykonáme podľa upravenej rov./1/:
Q=0,102 ×P/(H× ηc )=0,10 [m3 ×s-1 ]
Pri posúdení kolesa na jeho výkon postupujeme aj opačným spôsobom; poznáme prietok vody napr. Q=0,04[m3 × s-1 ] , zisťujeme aký je potrebný spád vody H[m] na dosiahnutie požadovaného výkonu P=0,736[kw]:
H=0,102× P/(Q× ηc )=0,102× 0,736/(0,04× 0,75)=2,5[m]
Daný prítok vody Q=0,04 [m3 × s-1 ] na dosiahnutie výkonu 1ks potrebuje spád vody H=2,5[m].
Z hydroenergetickej rovnice vodného stroja vyplýva, že výkon je priamo závislý na dvoch veličinách ; prítok vody na koleso Q[m3 × s-1 ] a spáde, výškový rozdiel v prítoku na koleso H[m]. Priamou ľudskou činnosťou môžeme ovplyvniť prítok vody na vodné koleso, len regulovaním odberu vody na rozdeľovacom objekte, alebo priamo v nátoku kolesa. Meníme aj otáčky generátora a bezpečný odtok vody z kolesa.
V západných európskych krajinách, odľahlých a neprístupných oblastiach vo svete sa v praxi používa osvedčené vodné koleso Sabegiénovo typu, vhodné pre nižšie prietoky Q=0,4—0,6 [m3 × s-1] pre spády H=0,5 [m]. Toto koleso je zaradené medzi lopatkové a korčekové typy. Využívajú čiastočne kinetickú Ek i potenciálnu Ep energiu vody ako celkovú mechanickú energiu vody ECME :
ECME = Ek + Ep =(9,81 × H × m)+(0,5×m × v2 ) [kw]
po úprave dostaneme pôvodnú rovnicu rozšírenú o polovičnú hodnotu štvorca rýchlosti vodného prúdu:
P =Q×(9,81×H+ ½ × v2 ) [kw] /2/
Miesto lopatiek sa používajú korčeky, ktorých zakrivenie rk =[m] a objem vypočítame zjednodušeným spôsobom z uhlovej rýchlosti otáčania vodného kolesa ω, ak poznáme; priemer kolesa napr.: D=4,5 [m] a počet otáčok n=8,5[ot ×min-1 ], zistíme kedy bude voda z korčekov vytekať a aká veľká môže byť ich náplň:
rk =g/ω2 =9,81/(π× n/30)2 =12,5 [m]
Polomer zakrivenia korčeka je 12,5[m]. Dĺžku určíme v smere prúdu prítoku na koleso. .Pre technickú náročnosť realizácie kolesa v praxi sa u nás neujal, i napriek tomu, že máme dobrú hustotu vodnej siete a dostatok malých vodných tokov o celkovej dĺžke L=33000 [km] s hustotou 0,8 km na 1km2 .
Alojz Malíšek
—-II.časť—-
(bez úprav, pozn. redakcie)