Větrná turbína typu Q + farma: klíč k dosažení energetické soběstačnosti

Nedávno nás kontaktoval zákazník ze Spojených států. Vlastní vlastní farmu, která je přibližně tři kilometry vzdálena od nejbližší veřejné elektrické sítě. Na tomto rozmezí by tedy spojení jeho farmy se veřejnou elektrickou sítí vyžadovalo značné finanční náklady. Pokud však tento krok nepodnikne, nemůže libovolně využívat veškerou infrastrukturu vyžadující elektřinu, jako jsou osvětlení, ledničky či televize, což ho již dlouhou dobu trápí.

Mezitím v chladných měsících musí jeho rodina záviset na elektrickém podlahovém vytápění a průtokových ohřívačích vody pro vytápění. V důsledku toho dosáhne jeho denní spotřeba elektřiny 15 až 20 kilowatthodin. V noci, kdy jsou všechna topná zařízení provozována současně, může okamžitý špičkový výkon elektrické energie dokonce narazit najedou na 5 kilowattů. To nejen zvyšuje náklady na elektřinu, ale také představuje bezpečnostní rizika. Proto je naléhavě nutné tuto situaci změnit.

Po poslechu popisu zákazníka v té době mě okamžitě napadla myšlenka: toto je prostě vynikající aplikační scénář pro větrnou turbínu typu Q. Zákazníkům vadí dvě věci: za prvé denní spotřeba elektřiny během dne – například osvětlení, ledničky a televize – ve skutečnosti není příliš vysoká; za druhé vytápění v zimě – elektrické podlahové vytápění spolu s průtokovým ohřívačem vody, který se zapíná v noční špičce o výkonu 5 kW, přičemž celková denní spotřeba činí 15 až 20 kWh. Tato data jsou velmi důležitá. Ukazují nám dvě věci: za prvé, špičková spotřeba energie nastává v zimních nocích; za druhé špičkový výkon není zvláště vysoký a lze jej plně pokrýt samostatným středně velkým ostrovním systémem.

Jádrem plánu, který jsem mu doporučil, je vertikální větrná turbína typu Q. Proč zvolit právě typ Q? Protože oblast kolem farmy je obvykle poměrně otevřená a podmínky pro větrnou energii jsou dobré, avšak tradiční třílisté větrné turbíny vyžadují vysokou rychlost větru, vyvíjejí velký hluk a jejich údržba je náročná. Typ Q má vertikální osu a nízkou počáteční rychlost větru – stačí již přibližně 2 m/s, a navíc není citlivý na změny směru větru. Pokud se v důsledku stodol a stromů kolem farmy vytvoří turbulentní vítr, turbína stále spolehlivě vyrábí elektřinu. Důležitější je však, že je tichá a nebude kvůli nočnímu „bzučení“ rušit spánek zákazníků.

V závislosti na umístění zákazníka činí průměrná roční rychlost větru na farmě ve středozápadních USA přibližně 4–5 m/s. Větrná turbína typu Q o výkonu 5 kW spolu s vhodným akumulátorovým balíčkem dokáže plně pokrýt okamžitou špičkovou spotřebu až 5 kilowattů. Pro něj jsem provedl výpočet: v zimě činí denní spotřeba elektřiny 20 kWh, přičemž noční vytápění je soustředěno v první polovině noci, tedy přibližně po dobu 4–5 hodin. V tomto období lze při nepřetržitém větru a současném vybíjení akumulátoru celou dobu plně zajistit napájení. Během dne se spotřebuje méně elektřiny a přebytečná energie se ukládá do akumulátoru, čímž vznikne uzavřený okruh.

Samozřejmě, spoléhat se pouze na větrnou turbínu není dostatečně bezpečné. Navrhuji, aby přidal sadu malých slunečních panelů – ne pro hlavní zásobování, ale jako doplněk. Koneckonců existují také slunné dny bez větru a fotovoltaika právě tento mezeru vyplní. S bateriovým packem LiFePO4 je úložná kapacita 10 kWh během dne více než dostačující. Střídač zvolte čistou sinusovou vlnu o výkonu přibližně 8 kW, čímž je zajištěna bezpečnost i stabilita.

Z hlediska nákladů je pro zákazníky nejvíce důležité otázka: „Kolik lze ušetřit na elektrické síti?“. Vedení tříkilometrové elektrické sítě – od telegrafních sloupů a transformátorů až po stavební práce – vyjde přibližně na desítky tisíc dolarů. Naproti tomu sada 5 kW větrné turbíny typu Q, 5 kW solárních panelů a 10 kWh systému akumulace elektrické energie má celkovou cenu za zařízení včetně instalace a výstavby infrastruktury alespoň o polovinu nižší než elektrická síť. Navíc tento systém lze bez problémů provozovat 15 až 20 let. Během této doby je téměř žádná údržba nutná – stačí občas namazat ložisko větrné turbíny a zkontrolovat stav baterií. Elektřina? Žádné náklady.

Důležitější je bezpečnost. Zákazník v noci zapnul současně veškerá topná zařízení, což bylo ekvivalentní zatížení obvodu až na mezní hodnotu; staré vedení a spínače se tak snadno přehřívaly a mohly vyvolat požár. Při návrhu off-grid systému se vychází z rezervy podle špičkového výkonu 5 kW. Invertor je vybaven ochranou proti přetížení, baterie má řízení teploty a řízení jednotlivých větví – například podlahové vytápění ve spalcích a v obývacím pokoji se zapíná s časovým posunem o půl hodiny, čímž se snižuje špičkový výkon. Tímto způsobem není systém pouze dostatečný, ale je i bezpečnější než původní plán využití městského elektrického napájení.

Tyto analýzy jsme zákazníkovi představili postupně, a on se na místě nadšeně rozrušil. Nakonec se zeptal: „Pokud v létě nebude topení zapnuto, co se stane s přebytkem elektřiny?“ Usmátí jsme se a řekli jsme, že instalace elektrického ohřívače vody nebo malé nabíjecí stanice pro použití elektrických nářadí na farmě a budoucích elektrických vozidel rozhodně není plýtváním.

Tento případ je ve skutečnosti velmi typický. Mnoho lidí, jakmile se začne mluvit o odpojení od sítě, okamžitě uvažuje o „instalaci více baterií a umístění většího množství fotovoltaických panelů“, avšak často přehlíží výhody větrné energie v noci a v zimě. Větrná turbína typu Q + fotovoltaika + akumulace energie – tato kombinace tzv. „krajinového úložiště“ je klíčem k dosažení skutečné energetické soběstačnosti vzdálených farem.