Tecnicall® - čtvrtletník Českého vysokého učení technického v Praze

Unikátní turbína

Precesní (odvalovací a bezlopatková) turbína je vodní motor, který má původ v České republice, a to na Fakultě stavební ČVUT. Využívá nový fluidní princip, jenž spočívá v odvalování tělesa osově symetrického tvaru ve výtokovém konfuzoru. Rotorem stroje bývá obyčejně dutá polokoule nebo dutý komolý kužel. Má velmi jednoduchou konstrukci a dosahuje účinnosti 40–60 procent. Zařízení je vhodné pro velmi malé vodní zdroje a ostrovní provoz, kdy je vyrobená energie akumulována a spotřebována v místě výroby.

Turbína je spolehlivá a nemá negativní vliv na životní prostředí. Je-li upravena na použití s tlakovým zdrojem vody, může plnit řadu různých pracovních funkcí, například pohánět čisticí nebo vrtací nástroje, rozprašovat vodu do prostoru a mnoho dalších. Inovovaný typ turbíny pro horizontální instalaci je patentově chráněn v mnoha průmyslových zemích světa. Za velmi důležité je třeba považovat to, že precesní turbína přináší možnost ekologicky čisté, technicky jednoduché a ekonomicky výhodné exploatace nejmenších vodních zdrojů (mikrozdrojů). Jejich potenciál bývá obyčejně uváděn ve výši do 2 kW. V praxi tyto mikrozdroje nejsou k výrobě energie v zásadě vůbec využívány. Přitom ve svém souhrnu představují na naší planetě zajímavý energetický potenciál. Jeho efektivní využití cestou precesních turbín by mohlo v regionech s vhodnými podmínkami přispět jak k posílení výroby energie z obnovitelných zdrojů, tak k šetrnému nakládání s vodou v krajině.

Např. malá turbína s komerčním označením DVE 120 může úspěšně pracovat na spádech 2–15 metrů s průtoky 5–15 litrů vody za sekundu. Kotlová verze odvalovací turbíny je vhodná pro spády 1–2 metry a průtoky cca 15 až 50 l/s. Za největší přednost precesních turbín je možné označit skutečnost, že pracují dostatečně efektivně s průtokem desítek, resp. stovek litrů vody za sekundu na spádech menších než jeden metr. Právě zde spočívá velký prostor pro jejich masové uplatnění, protože není třeba budovat velké přehradní hráze a provádět komplikované stavební úpravy. Odvalovací stroj získal řadu domácích i zahraničních ocenění, např. první místo v soutěži o nejúspornější technologii v rámci mezinárodní konference EEBW Praha 2002, ocenění zlatý výrobek v oboru energetika na veletrhu Elektrotechnika 2003 Ostrava, první místo v soutěži o cenu inovace roku 2006, třetí místo na 6. mezinárodní výstavě vynálezů v Suzhou v Číně 2008, zlatou medaili na mezinárodní soutěži vynálezů Genius Europe v Budapešti (2009), zlatou medaili na mezinárodním veletrhu IENA v Norimberku (2010), stříbrnou medaili za využití bezlopatkové turbíny pro výrobu elektřiny z velmi malých potenciálních energií vody na Mezinárodní výstavě inovací 2011 „ARCA“ v Záhřebu, zlatou medaili na výstavě INVENTO v Praze (2013) a další. Odvalovací turbína byla v roce 2016 nominována Evropským patentovým úřadem mezi tři nejlepší vynálezy Evropy v kategorii výzkum v rámci soutěže Evropský vynálezce a byla podrobně představena na slavnostním vyhlášení výsledků v červnu 2016 v portugalském Lisabonu.

Podstata precesní turbíny spočívá v odvalování tělesa osově symetrického tvaru (rotoru) ve výtokovém konfuzoru (statoru, dýze). Při protékání vody v mezeře mezi povrchem rotoru a statoru (dýzy) nastane prozatím málo známý jev, který způsobí obíhání rotoru po vnitřní stěně konfuzoru. Můžeme ho nazvat odvalovacím jevem. Praktické uspořádání obou uvedených základních částí – rotoru a dýzy – může mít podobu podepřeného nebo zavěšeného rotoru, přičemž využívání krouticího momentu na hřídeli může být řešeno různými způsoby, například pomocí pevné hřídele s kardanovým kloubem nebo pomocí pružné hřídele (ocelové lano, uhlíkový kompozit apod.).

Předpokládejme, že máme k dispozici malý vodní tok, ze kterého můžeme pro svoji potřebu nepřetržitě odebírat 10 litrů vody za sekundu na spádu 5 m. Máme tak potenciální energii řádově ve velikosti jedné poloviny kW (konkrétně 490 wattů). Použitou vodu samozřejmě do vodního toku vracíme zpět, aniž bychom ji jakkoli znečistili.

Dokážeme-li tyto uvedené parametry zpracovávat malou odvalovací turbínou s mechanickou účinností například 55 % a s elektrickou účinností 90 %, dostaneme okamžitý elektrický výkon cca 240 wattů. Za jeden den, tedy provoz po dobu 24 hodin, to představuje celkovou produkci 5,7 kWh elektrické energie.

Tato úvaha vychází z přírodních zákonů, z výsledků praktického testování odvalovací turbíny a je v ní uplatněno poměrně nízké ocenění mechanické účinnosti při zpracování uvedeného vodního potenciálu. Energie může být získána i na velmi malém spádu, například na 1 metru, máme-li k dispozici větší množství vody (v tomto případě cca 50 litrů za sekundu). Existuje však i další možnost pro získání denního elektrického výstupu cca 5,7 kWh z odvalovací turbíny, a to například formou využití extrémně nízkého spádu 50 cm při průtoku kolem 100 litrů vody za sekundu. V praxi bylo ověřeno, že odvalovací turbína na všech uvedených parametrech úspěšně funguje a dosahuje deklarované výkony. A za předpokladu nepřetržitého ročního provozu může být s její pomocí dosažena z výše uvedené potenciální energie produkce až 2 MWh elektrické energie.

V jiném příkladu si lze představit elektrickou integraci většího množství malých odvalovacích turbín pracujících v horizontální poloze a využívajících energii mořských nebo říčních proudů. Praktickými pokusy bylo potvrzeno, že rychlost vodního proudu kolem 2 m/s, což odpovídá spádu pouze 0,2 m, může být precesními turbínami smysluplně využívána.


doc. Ing. Miroslav Sedláček, CSc.

sedlacek@fsv.cvut.cz

Autorem první konstrukce turbíny bez lopatek je doc. Ing. Miroslav Sedláček, CSc., z Fakulty stavební ČVUT, Katedry ekonomiky a řízení ve stavebnictví. Vloni se stal jedním ze tří finalistů nominovaných na Evropskou cenu v kategorii „Výzkum“ pro vynálezce roku 2016. Tato cena je udělována Evropským patentovým úřadem. Byl nominován za vývoj odvalovací turbíny, na kterém pracoval společně se svými kolegy z katedry, doc. Jiřím Novákem a doc. Václavem Beranem. Tato turbína má potenciál posunout systém získávání energie z vody o značný kus dopředu a představuje revoluční alternativu.

foto: archiv autora



foto: archiv autora