Mlynské koleso–najstarší stroj na výrobu elektriny

Motto autora:

Neprekonateľné nie sú len klimatické činitele, ale byrokratický aparát Ministerstva životného prostredia a Štátnej ochrany prírody SR. 

Sila vody bola jedným z prvých zdrojov energie. Vodné koleso bolo využívané v staroveku, stredoveku i novoveku, najmä na pohon vodných mlynov, je najstarší motor v dejinách ľudstva. História využívania vodnej energie sa začína datovať už 2. storočí p. n. l. , kedy bolo zostrojené prvé vodné koleso s vertikálnym hriadeľom. Postupným zdokonaľovaním a vývojom sa stali pohonom vodných mlynov a gátrov.

Krátko z histórie mlynských kolies na Slovensku

Vodné kolesá /mlynské kolá/ sú i najstarším rotačným vodným strojom, ktorý sa využíval po celé tisícročie.. Prvé stopy využívania vodných strojov sú z Indie a Číny kde sa vodné kolesá používali asi 2000 rokov p.n. l. na závlahy a  mletie obilia.

Na Slovensku sa používali až do obdobia 50 – tých rokov minulého storočia

Prvý zákon , ktorý upravoval tzv. vodné právo na Slovensku, bol vydaný za bývalého Uhorska ; zák. čl. XXIII z roku 1885 . Po vzniku ČSR sa na Slovensku od r.1920 uplatňoval zák. č. 116/1884 o zveľadení poľnohospodárstva vodnými stavbami a novela zák. č.4/1909 pri financovaní vodohospodárskej výstavby , ktoré boli upravené zák. č. 21/1920. Tieto zákony pretrvali s minimálnymi dodatkami až do roku 1955, kedy bol vydaný zák. č. 11 a 12/1955 o vodnom hospodárstve – vodoprávny zákon, ktorý obsahoval aj podmienky pre prevádzku mlynských kolies ,obnovu mlynských náhonov a neškodné odvádzanie povrchových vôd .

Podľa zoznamov a máp bolo na území Slovenska evidovaných 1180 vodných kolies a turbín rôznych typov v ktorých evidenčne boli zahrnuté pôvodne existujúce alebo vojnou a inak poškodené mlynské hate, stavidlá a náhony. Mlynské právo si vlastníci neobnovovali z dôvodu vtedajšej politickej situácie a nástupom elektrifikácie ,prechádzali na elektrický zdroj energie preto  postupne zanikali. Evidovaný počet mlynov nevystihuje skutočný počet lebo mlyny boli začiatkom socializácie dediny konfiškované, súkromné vlastníctvo likvidované a elektrifikácia dosiahli cieľ. Zo strany štátu nebol záujem zistiť presný alebo približný počet zlikvidovaných mlynov a poškodení mlynári, ktorým bol zhabaný majetok počty zveličovali. Je na škodu , že tieto unikátne stavby na Slovensku už zanikli ; svojím umiestnením dávali krajine osobitný ráz, vytvárali v nej zvláštny architektonický prvok. Popri krajinotvornej funkcie vodné kolesá /vodné stroje/ môžu vyrábať i elektrickú energiubez negatívnych dopadov na životné prostredie. Aj napriek tomu majú ekologickí environmentalisti výhrady lebo stavba je naprieč vodného toku, hatí hromadnému ťahu rýb a vodným živočíchom v smere i proti toku

Za takéto dlhé obdobie prešiel tento vodný stroj len relatívne malým konštrukčným vývojom, ktorý sa ustálil na niekoľko osvedčených a optimalizovaných typoch. Nemôžeme hovoriť , že vodné kolá sú technicky zastarané a prekonané novým typom vodných strojov—rôzne typy vodných turbín. Môžu dosiahnuť až 60—80% účinnosť čo je porovnateľné s účinnosťou moderných a zlepšených typov Kaplanovej alebo Bánkiho turbíny. Vodné kolá môžeme považovať za vodné stroje, ktoré ako jediné efektívne využívajú lokality s minimálnym užitočným spádom vody—menej ako 0,5 m. Pre spádové rozmedzie od 0,5—1,5 m je ich použitie takmer nezastupiteľné iným typom vodných strojov.

Technické posúdenie kolesa

Hlavným zdrojom výroby energie je množstvo vody pritekajúce na koleso. Podľa charakteru mechanickej energie vody, ktoré vodné kolá premieňajú na energiu rotujúceho hriadeľa rozlišujeme dva druhy:

-vodné lopatkové kolá, využívajú kinetickú energiu vodného prúdu—nátoku vody,

-vodné korčekové, využívajú ako jediný vodný zdroj potenciálnu energiu vody.

Pri voľbe návrhového prietoku sa uplatňuje snaha dosiahnuť najvyššiu ročnú výrobu energie pri minimálnych investičných a prevádzkových nákladoch.

Pre predbežné výpočty, keď ešte nie je rozhodnuté o type vodného kolesa, nepoznáme jeho výkon , usporiadanie celého diela ako aj odber a privádzač vody , môžeme pre výkon na hriadeli vodného kolesa použiť vzťah :

P = k _T . Q . H ( kW ) [1]

kde : P je výkon vodného kolesa na hriadeli turbíny ( kW )

Q – prietok vody vodným kolesom ( m ³ . s ^{– 1} )

H – užitočný spád vody, daný rozdielom hladín pred a za vodným kolesom ( m)

k _T – súčiniteľ ; k _T = 6,3 ~ 8,2

Zo vzťahu vyplýva, že výkon na hriadeli P (kW) je priamo úmerný množstvu pretečenej vody cez mlynské koleso Q ( m ³ ×s ^{– 1} ) , užitočnému spádu vodnej hladiny H ( m ) a súčiniteľa k _T ktorý vyjadruje účinnosť prevodových momentov na generátor výroby elektriny.

Priložený graf je zostavený pre malé vodné toky, v ktorých sa požadovaný prietok vyskytuje obyčajne do 1,0 (m³ × s^-1 ).

Ak do rovnice (1) dosadíme počet dní pravdepodobnosti prietoku vodné koleso vyrobí množstvo elektriny v kwh. Základný vzťah [1]premeníme na fyzikálne veličiny:

P=7×Q × H (kwh)

P=(7× Q × H × (D × 24))=168× Q× H (kwh) [2]

V ktorom: k_t je súčiniteľ , ktorého konštantná hodnota : 7,0

Q,H—známe veličiny z rov. [1]

D×24—počet dní so zabezpečením  prietoku Q(m³ × s^-1 ) za 24 hodín

Hodnota D—počet dní pravdepodobnosti zabezpečenia p (%) tohto prietoku na našich drobných vodných tokoch sa vyskytuje spravidla v rozmedzí 90—120 dní, t. j. p_% ≈25÷33%. Niekedy sa o nej hovorí ako o stopäťdesiat dennej vode , že sa len toľko dní vyskytuje za rok. Potom vzťah P=7× Q × H môžeme napísať v tvare:

P=168× H × Q (kwh) [3]

Pre správnosť výsledku z rov.[3] môžeme vykonať kontrolný výpočet jednotlivých členov: D,H a Q:

P=(7× QH ×(D × 24)) (kwh)

D=5,952 × (P/HQ) (dni)

H=5,952 × (P/DQ) (m)

Q=5,952 × (P/DH) (m³ × s^-1 )

Návrh vodného kolesa na posúdenie celkového množstva prítoku vody do nátoku kolesa /na lopatky alebo korčeky/pomerne zložitý hydrologický problém. ktorý nazývame návrhový prietok na vodné koleso /npk/, Q_npk= m³×s^-1. . Hydrologické posúdenie veľkosti prietokov sa dajú získať z hydrologického Atlasu; Hydrologické pomery ČSR III. diel. ako štandardný rad pozorovania 1931—1960. Pre jednotlivé merné profily sú uvedené: plocha povodia F (km²), priemerný ročný prietok Q_a (m^{3 ·}·s^-1 ), priemerný špecifický odtok q_a (l·s^-1·km^-2) podľa prekročenia v dňoch t. j. (m denné prietoky) dosiahnutých alebo prekročených za n rokov, (n—ročné vody: 10,25,50 rokov).

V ďalšej časti ukážeme ako sa dá tento zložitý výpočet hydrologických údajov zistiť iba z plochy povodia(km² ), priemerného ročného prietoku Q_a (m³ × s^-1 ) a najnižšieho prietoku Q_min pomocou výskytu zrážok a nadmorskej výšky. Po hydrologickom posúdení sa navrhnú parametre vodného kolesa, ktoré pri spáde H=1,0 m má výkon na hriadeli generátora 0,736 kw—podľa starej jednotky výkon jednej konskej sily.

Alojz Malíšek

(bez úprav, pozn. redakcie)

biosferaklub