Вятърна турбина тип Q + ферма: ключът към постигане на енергийна самодостатъчност

Наскоро клиент от Съединените щати се свърза с нас. Той управлява собствена ферма, разположена на около три километра от най-близката обществена електрическа мрежа. Следователно, при това разстояние свързването на фермата му към обществената електрическа мрежа ще струва много скъпо. Ако обаче не го направи, всички инфраструктурни обекти, които изискват електричество – като осветление, хладилници и телевизори – не могат да се използват по желание, което винаги е причинявало главоболия на клиента.

Междувременно през студените месеци семейството му трябва да разчита на електрическо подово отопление и бързо действащи водонагреватели за отопление. В резултат на това дневното му електрическо потребление достига 15–20 киловатчаса. Нощем, когато цялото отоплително оборудване работи едновременно, върховото мигновено електрическо потребление може дори да се покачи до 5 киловата наведнъж. Това не само води до по-високи сметки за електричество, но и създава опасности за безопасността. Затова той изключително спешно има нужда да промени тази ситуация.

След като чух описанието на клиента по това време, веднага ми хрумна една идея: това е просто отличен сценарий за приложение на вятърна турбина от тип Q. Има две неща, които най-много затрудняват клиентите: първо, дневното електрическо потребление през деня – например за осветление, хладилници и телевизори – всъщност е сравнително ниско; второ, отоплението през зимата – електрическо подово отопление плюс бойлер за моментално загряване на вода, който се включва през нощта в часа на върховото натоварване с мощност 5 киловата, а общото дневно електрическо потребление е 15–20 киловатчаса. Тези данни са изключително важни. Те ни показват две неща: първо, че върховото електрическо натоварване се наблюдава през зимните нощи; второ, че върховата мощност не е особено висока и може да бъде напълно покрита само от средно голяма автономна (off-grid) система.

Сърцевината на плана, който му препоръчах, е вятърна турбина от тип Q. Защо да се избере тип Q? Защото районът около фермата обикновено е относително открит и ветровите условия са добри, но традиционната трилопаткова вятърна турбина изисква висока скорост на вятъра, произвежда силни шумове и изисква сложна поддръжка. Турбината от тип Q има вертикална ос и ниска прагова скорост на вятъра – вятърът може да я задвижи при около 2 м/с, а тя не е чувствителна към промени в посоката на вятъра. Ако в района около фермата възникне турбулентен вятър поради наличието на обори и дървета, турбината все пак ще генерира електроенергия стабилно. По-важното е, че тя работи тихо и няма да попречи на клиентите да спят поради „бръмченето“ през нощта.

В зависимост от местоположението на клиента средната годишна скорост на вятъра за фермата в Средния запад на Съединените щати е около 4–5 m/s. Вятърна турбина от тип Q с мощност 5 kW, комбинирана с подходящ аккумулаторен пакет, може напълно да задоволи мигновената потребност при пиков товар от 5 киловата. Изчислих му един примерен разчет: през зимата електроенергията се използва по 20 градуса на ден, а нощното отопление е концентрирано в първата половина на нощта – около 4–5 часа. В този период, ако вятърната турбина работи постоянно при вятър и се допълва с разряд на аккумулатора, тя може напълно да осигури нуждите. През деня се използва по-малко електроенергия, а излишъкът се съхранява в аккумулатора, като така се формира затворен цикъл.

Разбира се, изключителната зависимост от вятърната турбина не е достатъчно безопасна. Предлагам да се добави комплект маломощни слънчеви панели – не за основно захранване, а като допълнение. В края на краищата има и слънчеви дни без вятър, а фотоволтаичните панели точно запълват този пробел. С аккумулаторен пакет LiFePO4 капацитетът за съхранение от 10 киловатчаса е повече от достатъчен през деня. Инверторът трябва да бъде чиста синусоида с мощност около 8 киловата, което гарантира безопасност и стабилност.

От гледна точка на разходите, най-много клиентите се безпокоят от въпроса „колко ще спестят за електрическата мрежа“. Построяването на трикилометрова електрическа мрежа – приблизително оценено от телефонните стълбове и трансформаторите до строителството – струва поне десетки хиляди долара. От друга страна, комплект от 5 kW вятърна турбина от тип Q, 5 kW слънчеви панели и 10 kWh система за електроенергиен аккумулатор има обща цена на оборудването плюс разходите за инсталация и изграждане на инфраструктурата поне наполовина по-ниска в сравнение с електрическата мрежа. Освен това тази система може да се използва без проблеми в продължение на 15–20 години. През този период, освен периодично смазване на лагерите на вятърната турбина и проверка на състоянието на батериите, почти няма нужда от поддръжка. Сметката за електричество? Нулева.

По-важното е сигурността. Клиентът включил едновременно всички отоплителни уреди през нощта, което е еквивалентно на натоварване на електрическата верига до максимума; старите кабели и прекъсвачи лесно се прегряват и могат да предизвикат пожар. При проектирането на автономната (извънмрежова) система тя се изпълнява с резерв, базиран на пиковата мощност от 5 киловата. Инверторът разполага с защита срещу претоварване, батерията – с управление на температурата, а клоновете се контролират поотделно – например подовото отопление в спалнята и подовото отопление в дневната се включват с половин час разлика, което намалява пиковата мощност. По този начин системата не само че е напълно достатъчна, но и по-безопасна в сравнение с първоначалния градски електроснабдителен план.

Представихме тези анализи на клиента един по един и той веднага се въодушеви. Накрая той попита: „Ако през лятото отоплението не се включва, какво става с излишната електроенергия?“ Усмихнахме се и отговорихме, че инсталирането на електрически бойлер или малка зарядна станция за захранване на електрически инструменти на фермата и бъдещи електромобили изобщо не е загуба.

Този случай всъщност е много типичен. Много хора веднага мислят за „инсталиране на повече батерии и монтиране на повече фотогалванични панели“, когато говорят за напускане на централната електрическа мрежа, но често пренебрегват предимствата на вятърната енергия през нощта и зимата. Вятърна турбина от Q-тип + фотогалванична система + енергийно съхранение — тази комбинация от „ландшафтно съхранение“ е ключът за истинската енергийна самодостатъчност на отдалечените ферми.