Srovnání pravděpodobnosti zranění ryb v hydroelektrárnách při průchodu běžnou a modifikovanou Kaplanovou turbínou: použití blade-strike modelingu

Verze PDF

Se zvyšujícími se nároky na produkci energie se čím dál tím častěji diskutuje efektivnější možnost využití obnovitelných zdrojů – zejména využití vodní a větrné energie. Používání těchto obnovitelných zdrojů ale vede často ke konfliktu zájmů ochrany přírody a požadavků energetických společností.
Vzhledem k množství vhodných toků je v USA nejhojněji využívaným zdrojem obnovitelné energie právě tekoucí voda. Množství toků je ale zároveň po celé délce využíváno migrujícími rybami, z nichž například pstruh americký a skupina lososů rodu Oncorhynchus sp. patří mezi ohrožené druhy. Proto je potřeba zajistit migrační prostupnost klíčových toků a zmenšit míru zranění ryb, které nedokážou najít vhodný rybí přechod a dostanou se do tělesa hydroelektrárny.
Tento článek řeší pravděpodobnost zranění ryb v nejčastějším typu turbín (Kaplanova turbína) a srovnává ji s možností zranění v nově navrženém typu turbín (AHT), které by měly být pro ryby bezpečnější. Srovnání zranění ryb je provedeno pomocí deterministického a stochastického modelu. Stochastický model se ukázal být přesnější oproti deterministickému, u kterého docházelo většinou k nadhodnocení počtu zraněných ryb.
Mezi srovnávanými turbínami (Kaplanova vs. AHT) nebyl zjištěn statisticky signifikantní rozdíl.  Dále bylo zjištěno, že nejdůležitější veličinou ovlivňující zranění ryb, je úhel, pod kterým ryby vstupují mezi lopatky rozváděcího kola.

Využitelné výstupy: 

Ochrana ryb před zraněními způsobenými průchodem turbínou hydroelektrárny se dá uchopit dvěma způsoby. Jednou možností je zabránit rybám ve vstupu do turbíny pomocí systému mříží s dostatečně malými oky. Druhou možností je vytvořit takový design turbíny, ve kterém by bylo zranění ryb sníženo na minimum. Aby bylo možné posoudit veškeré aspekty vedoucí ke zranění, je dobré znát fyzikální podmínky uvnitř turbíny (změny rychlosti a velikosti proudu, tlaku…). Na takovýto průzkum lze využít zařízení SENSOR FISH. Toto  čidlo je pasivně unášeno proudem, přičemž pomocí různých senzorů (rotační, senzory zrychlení, senzor tlaku a teploty) monitoruje situaci v turbíně. Tato data lze pak využít při modelování průchodu ryb turbínou a odhadu pravděpodobnosti zranění.
Pro zjištění pravděpodobnosti zranění ryb se používá tzv. blade strike modeling. Základem tohoto modelu je zjištění poměru skutečného času, který ryba potřebuje na průchod mezi lopatkami rozváděcího kola a rotoru, a času, který uplyne mezi projitím dvou po sobě následujících lopatek rotoru. Nicméně, ne každá ryba, která je lopatkou zasažena, utrpí nějaké rozsáhlejší zranění, takže modelová situace může být oproti skutečnosti mírně nadhodnocená.
V USA bylo nedávno upraveno schéma klasické Kaplanovy turbíny na tzv.ecologically friendly advanced hydropower turbines (AHT) tak, aby ryby mohly lépe procházet bez zranění. K těmto změnám patří například zvýšení mezer mezi lopatkami statoru, redukce turbulence a snížení změny tlaku (zmenšení gradientu rychlosti).
I přes tato vylepšení ale zatím nebyl zjištěn významný rozdíl mezi pravděpodobností zranění v AHT a klasické Kaplanově turbíně.

Grafické přílohy: 
Kaplanova turbína
SENSOR FISH
Průměr míry zranění dle stochastického modelu a srovnání se skutečnou situací
Průměr míry zranění dle deterministického modelu a srovnání se skutečnou situací
Zdroj: 
Deng, Z.; Carlson, T.J.; Dauble, D.D.; Ploskey, G.R. 2011. Fish passage assessment of an advanced hydropower turbine and conventional turbine using blade-strike modeling. Energies 4 : 57-67.
Zadal: 
MarketaMrkvova
EEA Grants Investice do rozvoje vzdělávání
Podpořeno grantem z Islandu, Lichtenštejnska a Norska. Supported by grant from Iceland, Liechtenstein and Norway.