wz

Dynamická energie vody

"Sací" nebo "proudová" turbína Viktora Schaubergera

Hydroenergetické inženýrství se dodnes téměř výhradně zabývá dvěma proměnnými, jednou z nich je výškový rozdíl mezi hladinou a turbínou a druhou je množství vody, která proteče turbínou.

Třetí proměnná, rychlost proudu vody, je všeobecně pokládána za nedůležitou. Je brána v úvahu pouze jako rychlost, která vznikne uvolněním tlaku vody závislého na rozdílu výšek, ale nikoli jako důležitý faktor sám o sobě. Konstrukce dnešních hydroelektráren běžně vylučují využití potenciálu dynamické energie spojené s volným tokem vody. Přehrada ničí tento přirozený energetický potenciál tím, že převádí dynamický stav tekoucí vody na statický stav úplné absence pohybu.

Když studujeme spisy Viktora Schaubergera a Ludwiga Herbranda, zjistíme, že energie obsažená ve volném a nebrzděném toku vody může mít potenciál mnohem větší než lze získat z výhradního využití tlaku, jenž je výsledkem rozdílu výšek.

U vodních mlýnů a starých hamrů předindustriální éry byl více využíván normální tok vody než tlak způsobený výškovým rozdílem.

Schauberger

Nedávno to byl Viktor Schauberger, rakouský vynálezce a geniální pozorovatel přírody, který jako první upřednostňoval použití zvýšené rychlosti vody před využitím tlaku vody pro výrobu elektrické energie. Již v roce 1930 obdržel patent na to, co nazval trysková turbína (Strahlturbíne) (1).

Principy, které Schauberger použil, aby zvýšil rychlost vody, byly trysková konfigurace vstupní roury a působení vírového pohybu vody pomocí spirálových žeber na vnitřní straně trysky.

Schaubergerův patent nám vlastně dává dvě velmi důležitá vodítka pro inovační změny technologie hydroenergetiky.

Prvním z nich je, že potrubí vytvarované jako trychtýř nebo tryska zvýší rychlost toku vody omezením prostoru, kterým voda může protékat. Toto zvýšení rychlosti je obzvlášť velké, jestliže trychtýř nebo tryska dovoluje nebo dokonce podporuje, aby voda vytvářela charakteristický vzor, známý jako vír. Tento vír má sám o sobě tendenci, zcela odděleně od tryskového efektu, zvyšovat rychlost vody, snižovat její teplotu a zvětšovat hustotu vody.

Druhou inovací, navrženou Schaubergerem, je revoluční konstrukce turbíny, získávající rotaci velmi vysokou rychlostí, která se zároveň vyhýbá obvyklým potížím s kavitací, s níž se setkáváme u běžných konstrukcí vysokorychlostních turbín. Kolo Schaubergerovy turbíny má kónický tvar s „žebry“ spirálovitě stočenými do vývrtky na povrchu kónusu, a je umístěno uprostřed proudu vody. Kolo turbíny ve tvaru vývrtky je součástí toku vody a získává její dynamickou energii a nechává tok plynout bez větších poruch. Turbíny běžné konstrukce „rozsekají“ vodu na tisíce destruktivních protitoků a příčných vírů, takže se vyplýtvá mnoho dostupné energie a dochází k obvyklému problému kavitace, superrychlé korozi a zničení materiálu lopatek turbíny.


Zde je popis nového typu turbíny, jak je uveden v Schaubergerově patentu číslo 117.749:


„Předmětem vynálezu je hydroenergetický stroj, který využívá mocnou energii proudu vody pro účely výroby energie.

Podle vynálezu, kolo turbíny tvoří kónus s lopatkami ve tvaru vývrtky. Osa kónusu je srovnána s osou proudu vody. Tímto způsobem je proud vody rozdělen a odkloněn ze svého směru a takto odevzdává celou svou energii k roztáčení kónusu tím způsobem, že - za předpokladu, že délka kónusu a šířka jeho základny jsou vzájemně ve správném poměru a za předpokladu, že lopatky jsou nastaveny pod správným úhlem, tyto parametry jsou závislé na rychlosti proudu vody – voda bude vytékat ze stroje hladce a bez poruch.

Ilustrace je přibližné schématické znázornění vynálezu.

Rotující kónus, jehož osa (1) je ve směru proudu vody, který opouští hubici potrubí (2), je opatřen lopatkami (3) ve tvaru vývrtky.

Konce (4) těchto lopatek (3) jsou poněkud zahnuty proti proudu vody, aby způsobily odchýlení proudu vody a přeměnili co nejvíc energie proudu vody na rotační pohyb kónusu.

Uvnitř hubice (2) jsou žebra ve tvaru šroubovice (5), která podporují rotaci, která ve shodě s pozorováními zvýší rychlost vody a účinnost stroje.

PATENTOVÉ NÁROKY:

Přihláška tohoto patentu byla podána v roce 1926 a patent byl udělen roku 1930. Zdá se, že Schauberger v těchto letech skutečně použil malou turbínu této konstrukce v proudu vody nedaleko hájovny pro výrobu elektřiny, ale spolehlivé záznamy nejsou dostupné. (2)


Herbrand

Další příklad použití dynamické síly tekoucí vody je zdokumentován Ludwigem Herbrandem, německým inženýrem, který jako student v polovině 30. let byl povolán, aby zhodnotil a vypočítal parametry několika generátorů a budicích jednotek, které byly nedávno instalovány v elektrárně v Rheinfeldenu, a zkonstruoval elektrickou ochranu proti přetížení a vhodný spínací mechanismus pro tyto generátory. Také měl za úkol porovnat tyto generátory s generátory v jiných elektrárnách, které byly popsány v článku v jednom odborném časopise.

K zděšení tehdy mladého a zvídavého studenta inženýrství se zdálo, že zkoumané generátory dodávaly více energie než podle platné teorie měly. Jeden z generátorů elektrárny Rheinfelden, s průtokem 50 kubických metrů vody za sekundu a výškovým rozdílem pouze jeden metr, dodával stejné množství energie jako generátor nedaleko Ryburg-Schwörstadtu, který měl kapacitu 250 kubických metrů a rozdíl výšek mezi hladinou vody a turbínou 12 metrů! (3)

Tento fakt byl potvrzen profesorem Finzim, konstruktérem turbín a generátorů, který mladému Herbrandovi řekl:

„Nedělejte si s tím starosti. Je to správně. Generátor pracuje bez problémů již nějakou dobu. Proveďte zpětné výpočty a uvidíte sám. Jsme elektrotechničtí inženýři. Není na nás, abychom řešili ostatní problémy, ty přenecháme lidem od vody. Zopakovali jsme naše měření a tyto generátory dodávají tolik energie, jak bylo uvedeno. Jediným problémem je, že nikdo neví, proč.“ (4)

Herbrand byl brzy nato odveden do armády a 2. světová válka mu nedovolila dál se touto věcí zabývat. Až mnohem později, v 70. a 80. letech, se Herbrand vrátil ke svým výpočtům, které dělal v rámci svého studia inženýrství, a pokoušel se – dosud bez úspěchu – vzbudit zájem průmyslu a vlády pro toto odlišné a mnohem efektivnější využití energie vody.

Technická fakta

Pokusím se zde načrtnout technická fakta, s použitím výpočtů, založených na uznávaných vzorcích a fyzikálních úvahách potvrzených platnými experimenty, abych ukázal, že s odlišným přístupem k hydroenergetickému inženýrství můžeme obdržet mnohem více elektrické energie než je získáváno z vodních zdrojů dnes, a to s jednodušším strojním zařízením a menšími náklady, stejně jako s menšími zásahy do životního prostředí.

Jak jsem se zmínil výše, současné hydroenergetické inženýrství pracuje s tlakem vody, který je získáván jako výškový rozdíl mezi hladinou vody a umístěním turbíny. Tento tlak, když je propouštěn skrze turbínu, má za následek urychlení vody a tedy získání určité rychlosti vodního proudu. Tuto rychlost je možné vypočítat podle vzorce

v = Sqrt (2.g.h)

v je rychlost, g je gravitační zrychlení země (9.81 m/sec2) a h je výškový rozdíl v metrech.

Příklad: Výška 12 m má za následek rychlost v = Sqrt (2.8,81.12) = 15,3 m/sec.

Růst rychlosti s výškou je ukázán v následující tabulce:

Výška v metrech

12

24

36

48

60

72

84

96

108

120

Rychlost v m/sec

15.3

21.7

26.6

30.7

34.3

37.6

40.6

43.4

46

48.5

Výška v metrech

132

144

156

168

180

192

204

216

228

240

Rychlost v m/sec

50.9

53.1

55.3

57.4

59.4

61.4

63.3

65.1

66.9

68.6

Tyto hodnoty jsou vyneseny do grafu níže.


Vidíme, že křivka rychlosti nejdříve stoupá strměji a s větším výškovým rozdílem je stoupání méně strmé.

Nyní vyšetřeme zisk výkonu v kilowattech v závislosti na rozdílu výšek.


Výkon se zvyšuje lineárně s výškou, jak ukazuje graf výše.

Výpočet

Elektrický výkon, který může být získán z vody na základě rychlosti toku v a hmotnosti m vody, tj. velikosti průtoku I měřeného v kubických metrech za sekundu, se vypočítá podle vzorce

P = Ekin/t = (m/2 . v2)/t = I/2 . v2 (kW)

Předpokládejme například rychlost 25 m/sec. a průtok I = 5 kubických metrů za sekundu:

P = 5/2 . 252 = 1562.5 kW

Pro srovnání jsou v následující tabulce uvedeny vypočtené hodnoty výkonu pro různé rychlosti (předpokládáme malý konstantní průtok vody pouze 2 kubické metry za sekundu):

rychlost v m/sec

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

elektrický výstup v kW

225

400

625

900

1225

1600

2025

2500

3025

3600

rychlost v m/sec

65

70

75

80

85

90

95

100

105

110

elektrický výstup v kW

4225

4900

5625

6400

7225

8100

9025

10,000

11,025

12,100



Tato čísla ukazují, že zdvojnásobením rychlosti se zčtyřnásobí výstupní výkon, ztrojnásobení rychlosti vede k devítinásobnému zvýšení výkonu atd. Jinými slovy, máme zde exponenciální růst. Křivku růstu výkonu v závislosti na rychlosti vody ukazuje třetí graf.


Z grafického znázornění dat je jasné, že růst rychlosti způsobuje větší růst energie. Proto čím vyšší je rychlost vody, tím vyšší je celková účinnost elektrárny!

Z hlediska využití energie vody pro výrobu elektrické energie je je však zcela nepodstatné, jestli je rychlost vody výsledkem tlaku získaného výškovým rozdílem, nebo je jí dosaženo nějakým jiným způsobem, jako je povzbuzení přirozené tendence vody téci. A zdá se, že můžeme zvyšovat rychlost toku vody téměř libovolně.

Jak zvýšit elektrický výkon

V hydroenergetice existují dvě základní veličiny, které určují elektrický výkon. Jsou to, množství dostupné vody a rychlost toku. První veličina, množství dostupné vody, je do značné míry závislá na umístěn elektrárny a obecně pro zvýšení jejího množství člověk nemůže mnoho udělat.

Je to druhá veličina, rychlost proudu vody, s níž lze mnoha způsoby manipulovat. Nemluvě o zvýšení tlaku vody, který je poměrně neefektivním způsobem, jak zvýšit rychlost vody, tento parametr může být ovlivněn jinými, jednoduššími a úspornějšími inženýrskými metodami.

Je to běžný princip v raketové technice ke zvýšení rychlosti proudu horkých spalin omezením průtoku těchto plynů. Nazývá se tryskový princip a úspěšně se používá již řadu desetiletí.

Stejný princip může být použit pro zvýšení rychlosti průtoku vody, například v řece. V místech, kde je řeka nucena přirozeným uspořádáním terénu téci úzkou roklí, rychlost v nejužším místě je mnohem vyšší než v širších místech před a za roklí. Tohoto efektu může být využito nalezením přírodní rokle nebo umělým zúžením řečiště, aby se zvýšila rychlost vody.

Další způsob, jak zvýšit rychlost proudu vody, je podporovat vytvoření podélného víru. Je to valivý a rotační pohyb, jehož osa má stejný směr jako je směr proudu vody. Takové víry mají tu vlastnost, že zvyšují průtokovou rychlost a snižují průřez potřebný pro průtok vody. Také způsobují snížení teploty vody a tím zvyšují její hustotu. (Nejvyšší hustoty vody je dosaženo při teplotě +4 st. C.)

Voda má přirozenou tendenci vytvářet víry, zvláště v případech, kdy je urychlena nějakým vnějším vlivem, jako je gravitace. Můžeme to pozorovat, když vypouštíme plnou vanu nebo dřez nebo nějakou jinou nádobu plnou vody, kdy je voda nucena téci potrubím ve dně nádoby. Ale dokonce i jednoduchý vodovodní kohoutek bude předvádět stejný fenomén, když voda poteče relativně klidně, bez bublinek a vzruchu. Jakmile voda nabírá rychlost, vytváří zřetelné trychtýřovité víry přímo před našima očima.

Potvrzení této tendence vírů zvyšovat rychlost vody (nebo, jinými slovy, snižovat odpor proudu vody) pochází od experimentů prováděných v roce 1952 na Technické univerzitě ve Stuttgartu profesorem Franzem Pöpelem a Viktorem Schaubergerem.

Tyto experimenty byly prováděny s potrubím z různých materiálů a různých tvarů, aby se zjistilo, zda materiály nebo tvary mají vliv na tok vody potrubím.

Zdá se, že nejlepších výsledků bylo dosaženo s měděnými trubkami a že tento materiál vykazoval menší odpor proudu vody než i hladké skleněné trubky použité pro srovnání. Ale nejdůležitější údaj, který vyplynul z těchto experimentů, je, že s použitím trubky jistým způsobem stočené do spirály, založeným na tvaru rohu antilopy kudu, tření v této trubce se s rychlostí snižovalo a od určité rychlosti voda protékala se záporným odporem. (5)

Teorie a praxe

Sebelepší teorie nemá větší cenu než je cena papíru, na němž je napsána, pokud nemůže být realizována v praxi. Budeme proto zkoumat praktickou využitelnost těchto principů v hydroenergetice.

Cílem je zvýšit rychlost toku vody do takového stupně, že výsledný proud bude mít větší kinetickou energii než při konvenčním využití tlaku vody, dosaženém srovnatelnými prostředky

Krok 1:
Jako první krok zvýšíme rychlost toku řeky tím, že postavíme zeď, která postupně omezí řečiště. Tímto způsobem můžeme zvýšit normální rychlost toku, která je 2 – 5 m/sec., na 10 – 15 m/sec.

Krok 2:
V tomto bodě, abychom dále zvýšili rychlost vody, musíme vybudovat kanál, který se více podobá tvaru přírodního víru. Uděláme to tak, že v nejužším místě řečiště, omezeného zdí, vložíme do cesty proudu „trychtýř“ nebo proudnici, která se dále zužuje, čímž se rychlost proudu vody ještě zvýší.

Abychom napomohli tomuto procesu, můžeme podpořit vytvoření víru v trychtýři nebo v proudnici, čímž zajistíme, že voda opustí ústí potrubí se značnou rychlostí. Můžeme toho docílit buď pomocí spirálovitých žeber na vnitřní straně potrubí, jak navrhoval Schauberger, nebo tím, že potrubí vytvarujeme mírně do tvaru „vývrtky“.

Instalací turbíny a generátoru v bodě, kde voda opouští potrubí, nejlépe takové konstrukce, jakou navrhoval Schauberger, vyrobíme mnohem více elektrické energie než je dosažitelné srovnatelnými prostředky konvenčním způsobem.

Tam, kde krok 1 není uskutečnitelný, protože řeka je příliš malá, nebo kde jednoduše chceme upravit existující elektrárnu pro využití dynamické energie vodního toku, můžeme krok 2 s výhodou kombinovat s běžnou konstrukcí malé vodní elektrárny změnou tvaru přívodního potrubí do trychtýře nebo proudnice, aby se zvýšila rychlost proudu vody a vytvořil tryskový efekt a vodní vír.

Bez teoretického limitu

Existují limity, jakou rychlostí může být voda přinucena téci potrubím? Tuto otázku bychom si zřejmě měli položit, než se pustíme do projektu tohoto druhu.

Zdá se, že neexistují žádná teoretická omezení, pokud je při průtoku potrubím použit vír. Jestliže je voda nucena téci rovnými trubkami, odpor se s růstem průtokové rychlosti zvětšuje. Nikoli však, když vodě dovolíme, aby tekla přirozeným způsobem a přizpůsobíme tvar potrubí víru. V tomto případě může být odpor velmi nízký a dokonce záporný, jak ukázaly experimenty prováděné ve Stuttgartu.

Pro účely odhadu potenciálního užitku z použití dynamických sil spojených s průtokem vody, můžeme umírněně předpokládat, že bez větších potíží lze získat rychlosti mezi 40 a 50 m/sec. Toto je odhad založený na pozorování Herbranda v elektrárně Rheinfelden, kde bylo dosaženo rychlosti 35 m/sec.

Pomocí výše popsaných výpočtů můžeme zjistit, že rychlost 45 m/sec je ekvivalentní k výškovému rozdílu více než 100 metrů. A za předpokladu, že máme průtok vody 10 m3/sec, můžeme odhadnout elektrický výkon na 10 megawatt. Toto je značné množství energie a může být získáno kdekoli podél normálního toku řeky bez drahé a z hlediska životního prostředí problematické praxe konstruování přehrad a umělých jezer, abychom získali výškový rozdíl 100 metrů.

Jestliže je pravda, že rychlost vody může být zvyšována téměř libovolně a pomocí poměrně jednoduchých prostředků za zlomek ceny běžných hydroelektráren, někdo se může zeptat: Proč nepoužíváme tuto zjevně dokonalejší metodu?

Utkvělé myšlenky a „zákon o zachování energie“

Je velmi těžké odnaučit se něco, co jste se jednou naučili a zvláště tehdy, když jste z toho museli složit zkouškou. Váha takzvaných „přírodních zákonů“, které mají podepřít tyto doktríny činí pro člověka ještě obtížnějším vstát a říct: „Hej, něco jsme tady přehlédli!“

Samozřejmě „každý ví“, že voda se musí natlakovat, jestliže se má použít pro výrobu elektrické energie. A každý také ví, že technologie hydroenergetiky byla zvládnuta již na přelomu století. Tak proč se obtěžovat s hledáním nových řešení?

To však neplatilo o Ludwigu Herbrandovi. Bojoval svůj boj nepřetržitě více než 20 let, aby docílil uznání této nové technologie. Napsal doslova stovky dopisů vládě a průmyslu, stejně jako mezinárodním institucím s mnoha negativními odpověďmi, více nebo méně zdvořilých, říkajících, že jeho návrhy nejsou vítány.

Je obtížné prolomit tuto bariéru „vědomostí“, zvláště když se odborníci domnívají, že se jedná o porušení zákona o zachování energie. Zachování energie je vzýváno, když se zdá, že výpočty neumožňují dosáhnout vyššího výkonu. Ale v tomto případě máme faktor, který je ve výpočtech obvykle zanedbáván, nikoli porušení zákona o zachování energie.

Voda je akumulátor energie

Existují důkazy, že snížení tepoty vody, jež je důsledkem pohybu víru, dodává vodě energii, které říkáme kinetická a projevuje se zvýšením rychlosti vody. Tímto způsobem může vodní vír transformovat teplo (které je náhodný pohyb molekul) na dynamickou energii (která je pohybem určitým směrem). Schauberger zdůrazňoval fakt, že voda může tím, že je zahřáta, akumulovat ohromné množství energie. V článku o řece Dunaji tvrdil, že pro zahřátí jednoho kubického metru vody o pouhou desetinu stupně Celsia je potřeba 42.700 kgm energie (to je cca 116Wh). Ve vodě je vázáno obrovské množství energie, které se při jejím ochlazování uvolňuje. (6)

Termodynamika, jak se učí v našich školách a na univerzitách, neumožňuje takovou dvoucestnou transformaci tepla při nízkých rozdílech teplot. Termodynamika je založena na pozorování parních strojů a má málo společného s přírodou, ačkoli někdo tvrdí, že takzvané zákony termodynamiky jsou „přírodní zákony“. Nicméně, termodynamika není schopna vysvětlit jisté přírodní fenomény. (7)

Při výpočtech elektrického výkonu není rychlost uvažována odděleně, ale výhradně jako výsledek rozdílu výšek. Je to jako kdybychom řekli, že rychlosti vody nelze dosáhnout jinak než tlakem. Může to být způsob, jak počítají odborníci, ale fyzikální realita je jiná. Rychlost vody, jak víme, není spojena výhradně s tlakem, ale může jí být dosaženo různými způsoby.

Takže správný způsob výpočtu by měl začínat u rychlosti a skončit u výstupního výkonu. Rozdíl výšek a ekvivalent rychlosti, jak byl vypočítán z výše uvedeného vzorce, je speciální případ, nikoli obecné pravidlo.

Musíme rozlišovat mezi rychlostí vyvolanou tlakem a přirozenou rychlostí tekoucí vody. Jinými slovy, musíme rozlišovat mezi gravitací a setrvačností. Tyto dvě síly mají podobné účinky, ale přesto jsou to rozdílné síly. Tento článek nedovoluje podrobně zkoumat zapojené fyzikální síly. Pro ty, které tento předmět zajímá, mohu doporučit článek, která jsem napsal o základech fyziky pro časopis EXPLORE! v roce 1992. (8)

Doufám, že tento článek může přispět k překonání „bariéry znalostí“, různých „každý ví“ na poli hydroenergetiky. Všem, chtějí využívat dynamických sil vody, doporučuji studovat spisy Viktora Schaubergera, velkého mistra vodního inženýrství, který po celý svůj život zůstal pro oficiální vědu outsiderem, protože jeho názory se tak radikálně lišily od názorů profesorů jeho doby.

Josef Hasslberger
Rome, Italy
December 1993


References:

  1. Patent granted to Viktor Schauberger by Austrian Patent Office, number 117 749 of 10 May 1930

  2. Implosion nr. 58, pg 31 article (unsigned) "Kann Energie wachsen?"

  3. Hasslberger, Josef Understanding Water Power
    EXPLORE! Vol. 4 number 1, 1993

  4. Herbrand, Ludwig "Das Geheimnis der Wasserkraft", 1. Nov. 1990, S. 9

  5. Alexandersson, Olof "Living Water" Gateway Books, Bath, UK

  6. Schauberger, Viktor "Das Problem der Donauregulierung" in Implosion nr. 23

  7. Hasslberger, Josef A New Beginning for Thermodynamics EXPLORE! Vol. 4 number 5, 1993

  8. Hasslberger, Josef Vortex - The Natural Movement EXPLORE! Vol. 3 number 5, 1992