Energie vody
Na následující stránce je představen způsob historického využití vodní energie – vodní hamr a současného využití vodní energie – model přečerpávací elektrárny.
Vodní hamr
Teorie
Vodní kolo nebo též mlýnské kolo je jedním z nejstarších zařízení k získání energie proudící vody.
Síla vodního proudu byla jedním z prvních využívaných zdrojů energie. Vodní kolo bylo široce využíváno ve starověku, středověku, i na počátku novověku, a to především pro pohon vodních mlýnů. Později bylo používáno i pro pohon mechanismů v kovářských dílnách – hamrech a na pilách. V některých zemích je vodní kolo dodnes využíváno například pro čerpání vody.
Typy vodních kol
Vodní kolo bývá obvykle vyrobeno sekernickými mistry z dubového dřeva a po obvodu má řadu dřevěných lopatek nebo kapes. Principiálně lze vodní kola rozdělit na tři druhy:
- Kolo na spodní vodu využívá pouze kinetické energie vody, proudící po ním.
- Kolo na střední vodu využívá i potenciální energie vody, která je k němu přiváděna výše, než je hladina odtékající vody. Oba druhy kol se otáčí spodní částí ve směru toku vody.
- Kolo na vrchní vodu je zaléváno svrchu a otáčí se ve směru proudu vody vrchní částí. Využívá především potenciální energie vody.
(zdroj: Wikipedia.org)
Praxe
Vodní hamr - pohled 1
Vodní hamr - pohled 2
Popis obrázků
Obr. 1 – vodní hamr s kolem na vrchní vodu. Zleva váha na určení hmotnosti „kladiva“, odměrný válec na změření průtoku, závěsná váha – siloměr pro určení momentu síly, stopky pro změření průtoku a výkonu, posuvné měřítko a sada kladívek.
Obr. 2 – pohled z hora zobrazuje celý mechanizmus. Ve spodní nádrži je umístěno čerpadlo s nízkým průtokem, voda je vyčerpána do „náhonu“. Z náhonu stéká do kapes vodního kola a to se otáčí. Převodovým mechanismem dojde k přenosu pohybu na kladivo.
Experimenty
-
Výkon vodního hamru v závislosti na hmotnosti kladívka
Výkon hamru: Pvýst[W] = m[kg].g[m.s-2].h[m]/t[s],
kde Pvýst – výstupní výkon, h – výška zdvižení kladívka,
g – gravitační zrychlení, t – čas mezi dvěma údery kladívka.
Vynesení závislosti výkonu na hmotnosti kladívka
– graf(Pvýst[W]/m[kg]) -
Výkon vodního hamru v závislosti na průtoku
Výkon hamru: Pvýst[W] = m[kg].g[m.s-2].h[m]/t[s],
kde Pvýst – výstupní výkon, h – výška zdvižení kladívka,
g – gravitační zrychlení, t – čas mezi dvěma údery kladívka.
Průtok: QV[m3.s-1]=V[m3]/t[s],
kde QV – průtok, V – objem vyteklé vody, t – čas měření.
Vynesení závislosti výkonu na průtoku
– graf(Pvýst[W]/QV[m3.s-1]) -
Účinnost hamru
Výkon hamru určíme stejně jako v předešlých měřeních.
Příkon: Pvst[W]=V[m3].ρH2O[kg.m-3].g[m.s-2].h[m]/t[s],
kde Pvst – příkon, V – objem vyteklé vody, ρH2O – hustota vody,
g – gravitační zrychlení, h – výška vyústění náhonu nad
hladinou, t – čas měření.
Účinnost: η[%]=(Pvýst[W]/Pvst[W]).100,
kde η – účinnost, Pvýst – výkon, Pvst – příkon. -
Síla a tlak úderu bucharu
Pro měření musíme umístit kostku plastelíny na „kovadlinu“
Měření se skládá ze 3 částí:-
rychlost dopadu kladívka na kovadlinu:
v[m.s-1] = √(2.g[m.s-2].h[m]),
kde v – rychlost dopadu, g – gravitační zrychlení,
h – maximální výška výstupu nad kostkou z plastelíny, -
určení zpomalení kladívka při dopadu na plastelínu:
a[m.s-2] = 0,5.v2[m.s-1]/s[m],
kde a – zpomalení, v – dopadová rychlost,
s – hloubka „úderu“, -
určení síly úderu a tlaku na podložku
síla úderu: F[N]=m[kg].a[m.s-2],
kde F – síla úderu, m – hmotnost kladívka,
a – zpomalení vypočtené v předešlém kroku.
tlak na podložku: p[Pa]=F[N]/S[m2],
kde p – tlak na podložku, F – síla úderu,
S – plocha úderu.
Vynesení závislosti síly úderu na hmotnosti kladívka
– graf(F[N]/m[kg] -
Přečerpávací elektrárna
Teorie
Přečerpávací vodní elektrárna je speciální typ vodní elektrárny, která slouží ke skladování (akumulaci) elektrické energie prostřednictvím gravitační potenciální energie vody. Umožňuje řešit problém rozdílné spotřeby elektrické energie během pracovního dne, kdy ráno a v podvečer bývají v odběru elektrické energie z elektrorozvodné sítě výkonové spotřební špičky, kdežto v noci je odběr elektrické energie malý.
Přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrže. Jedna z nich je umístěna na níže položeném místě (dolní nádrž), druhá pak na vyšším místě (horní nádrž). Obě dvě nádrže jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se využívá přebytečná energie z elektrorozvodné sítě a voda se přečerpává z dolní nádrže do horní (elektrárna se v tomto režimu chová jako velký spotřebič elektrické energie, vyrobené z jiných zdrojů energie). V horní nádrži se tak vytvoří velké zásoby vody. Ve chvíli, kdy vznikne v napájecí elektrorozvodné síti potřeba většího množství špičkové energie je voda řízeně vypouštěna z horní nádrže do dolní nádrže přes turbínu vodní elektrárny a elektrická energie spotřebovaná na její noční přečerpání se tak během dne vrací zpět do elektrorozvodné sítě.
Během přečerpávání se energie samozřejmě ztrácí, za každou kilowatthodinu elektrické energie, kterou je třeba během špičky použít, je nutné mimo špičku akumulovat asi 1,3 kWh do potenciální energie vody. Celková energetická účinnost obvykle nepřevyšuje 80 %.
První přečerpávací elektrárny měly dva samostatné okruhy – turbínu s alternátorem na výrobu elektřiny a čerpadlo poháněné elektromotorem na čerpání vody. To se později ukázalo jako zbytečné, protože každý alternátor lze přepnout tak, aby pracoval jako synchronní elektromotor. Přechod z čerpání na výrobu elektřiny trvá u těchto systémů obvykle jen 3 až 6 minut, vodní turbíny zde pak pracují v opačné roli čerpadel vody.
(Zdroj: Wikipedia.org)
Praxe
Přečerpávací elektrárna
Popis obrázku
Jedná se o model přečerpávací elektrárny s odděleným potrubím pro přečerpání vody do horní nádrže a pracovního potrubí, pro výrobu elektřiny. Vlevo dolní nádrž, zelené „potrubí“ dopravuje vodu do horní nádrže, bílé „potrubí“ přepravuje vodu nazpět. Na konci bílého potrubí je „kaverna“ s vyvedenou hřídelí a přes pružnou spojku připojeným modelářským stejnosměrným elektromotorkem, ve funkci dynama. Na stole zleva horní nádrž, stopky, odměrný válec, panel s luminiscenční diodou, voltmetr a ampérmetr.
Experimenty
-
Výkon elektrárny
Výkon: Pvýst[W] = U[V].I[A],
kde Pvýst – výstupní výkon, U – el. napětí na dynamu,
I – el. proud protékající obvodem.
Měření je nutno provést opakovaně vzhledem ke vzorkovací frekvenci multimetrů a nestejnoměrnému výkonu soustavy. -
Účinnost přeměny energie vody na el. energii
El. výkon určíme stejně jako v předešlé úloze.
Příkon: Pvst[W] = m[kg].g[m.s-2].h[m]/t[s],
kde Pvst – příkon, m – hmotnost přepouštěné vody,
g – tíhové zrychlení, h – průměrná vzdálenost mezi horní
a dolní hladinou, t – čas přepouštění.
Účinnost: η[%] = (Pvýst[W]/Pvst[W]).100,
kde η – účinnost, Pvýst – výkon, Pvst – příkon.