Turbina wiatrowa typu Q + farma: klucz do osiągnięcia samowystarczalności energetycznej

Ostatnio skontaktował się z nami klient z Stanów Zjednoczonych. Zarządza własną fermą, położoną w odległości około trzech kilometrów od najbliższej publicznej sieci elektroenergetycznej. W związku z tym połączenie jego farmy z publiczną siecią elektroenergetyczną wiązałoby się z dużymi kosztami. Jednakże, jeśli tego nie zrobi, cała infrastruktura wymagająca zasilania elektrycznego – takie jak oświetlenie, lodówki i telewizory – nie będzie mogła być używana swobodnie, co od dawna stanowi dla niego poważny problem.

Tymczasem w zimowych miesiącach jego rodzina musi polegać na ogrzewaniu podłogowym elektrycznym i natychmiastowych podgrzewaczach wody do celów grzewczych. W rezultacie jego dzienne zużycie energii elektrycznej osiąga 15–20 kilowatogodzin. W nocy, gdy cała instalacja grzewcza działa jednocześnie, chwilowy szczytowy pobór mocy elektrycznej może nawet wzrosnąć do 5 kW. Oznacza to nie tylko wyższe rachunki za prąd, ale także zagrożenie bezpieczeństwa. Dlatego też pilnie potrzebuje zmiany tej sytuacji.

Po wysłuchaniu wówczas opisu klienta od razu przyшла mi do głowy myśl: to po prostu doskonały scenariusz zastosowania turbiny wiatrowej typu Q. Klienci najbardziej przejmują się dwoma rzeczami: po pierwsze codziennym zużyciem energii elektrycznej w ciągu dnia – na przykład oświetlenie, lodówka i telewizor – które w rzeczywistości nie zużywają dużo prądu; po drugie ogrzewaniem w okresie zimowym – elektrycznym ogrzewaniem podłogowym w połączeniu z grzałką natychmiastowego podgrzewania wody, która w nocy osiąga szczytowe zapotrzebowanie mocy wynoszące 5 kW, a całkowite dzienne zużycie energii wynosi 15–20 kWh. Te dane są bardzo istotne. Informują nas o dwóch rzeczach: po pierwsze, szczytowe zapotrzebowanie mocy występuje w zimowych nocach; po drugie, wartość szczytowej mocy nie jest szczególnie wysoka i może być w pełni pokryta przez samodzielny, średniej wielkości system pozasieciowy.

Głównym elementem planu, który mu poleciłem, jest turbina wiatrowa typu Q. Dlaczego wybrać typ Q? Ponieważ teren wokół gospodarstwa jest zazwyczaj stosunkowo otwarty, a warunki wiatrowe dobre, lecz tradycyjne trójłopatowe turbiny wiatrowe wymagają wysokiej prędkości wiatru, generują duży hałas i są uciążliwe w konserwacji. Typ Q ma konstrukcję osi pionowej, a jego prędkość wiatru zapoczatkowująca obrót jest niska – wiatr o prędkości ok. 2 m/s wystarcza do uruchomienia turbiny, a zmiana kierunku wiatru nie stanowi dla niej problemu. Nawet w przypadku turbulencji wiatru wywołanej budynkami gospodarskimi i drzewami wokół gospodarstwa turbina nadal wytwarza energię elektryczną w sposób stabilny. Co ważniejsze, działa cicho i nie będzie przeszkadzać klientom w spaniu z powodu nocnego „brzęczenia”.

W zależności od położenia klienta średnia roczna prędkość wiatru na farmie w środkowym zachodzie Stanów Zjednoczonych wynosi około 4–5 m/s. Turbina wiatrowa typu Q o mocy 5 kW, po połączeniu z odpowiednim zestawem akumulatorów, może w pełni zaspokoić chwilowe zapotrzebowanie w szczytowym obciążeniu wynoszącym 5 kW. Przygotowałem dla niego obliczenia: zimą zużycie energii elektrycznej wynosi 20 kWh dziennie, a ogrzewanie nocne koncentruje się w pierwszej połowie nocy, czyli przez około 4–5 godzin. W tym czasie, jeśli wiatr wieje stale, a akumulatory dostarczają energii, całe zapotrzebowanie może być w pełni pokryte. W ciągu dnia zużywana jest mniejsza ilość energii, a nadmiar jest magazynowany w akumulatorach, tworząc zamknięty obieg.

Oczywiście, poleganie wyłącznie na turbinie wiatrowej nie jest wystarczająco bezpieczne. Zalecam dodanie zestawu małej mocy paneli słonecznych – nie jako źródła głównego zasilania, lecz jako uzupełnienia. Istotne jest bowiem, że są również słoneczne dni bez wiatru, a fotowoltaika właśnie wypełnia tę lukę. W połączeniu z pakietem akumulatorów LiFePO4 pojemność magazynowania wynosząca 10 kWh jest więcej niż wystarczająca w ciągu dnia. Falownik powinien być typu czysta fala sinusoidalna o mocy około 8 kW, co gwarantuje bezpieczeństwo i stabilność działania.

Pod względem kosztów najbardziej niepokoi klientów pytanie: „Ile można zaoszczędzić na sieci energetycznej?”. Przeprowadzenie linii energetycznej na odległość trzech kilometrów – w przybliżeniu szacowane koszty od słupów telefonicznych i transformatorów po budowę – wyniosą co najmniej kilkadziesiąt tysięcy dolarów. Natomiast zestaw składający się z turbiny wiatrowej typu Q o mocy 5 kW, paneli fotowoltaicznych o mocy 5 kW oraz systemu magazynowania energii elektrycznej o pojemności 10 kWh – całkowita cena sprzętu wraz z kosztami instalacji i budowy infrastruktury – jest przynajmniej o połowę niższa niż koszt budowy sieci energetycznej. Co więcej, ten system może być bezproblemowo wykorzystywany przez 15–20 lat. W tym okresie oprócz okresowego smarowania łożysk turbiny wiatrowej oraz sprawdzania stanu baterii prawie nie wymaga on żadnej konserwacji. Rachunek za prąd? Zero.

Co ważniejsze, bezpieczeństwo. Klient włączył w nocy wszystkie urządzenia grzewcze jednocześnie, co było równoznaczne z obciążeniem obwodu elektrycznego do maksimum; stare przewody i wyłączniki łatwo się nagrzewały i mogły zapalić się. Podczas projektowania systemu odłączanego od sieci zaprojektowano go z zapasem mocy na szczytowe zapotrzebowanie wynoszące 5 kW. Inwerter jest wyposażony w ochronę przed przeciążeniem, bateria posiada zarządzanie temperaturą, a sterowanie gałęziami odbywa się np. poprzez przesunięcie w czasie ogrzewania podłogowego w sypialni i w salonie o pół godziny, dzięki czemu wartość szczytowa zostaje obniżona. W ten sposób system nie tylko spełnia swoje zadanie, ale jest również bezpieczniejszy niż pierwotny plan zasilania z sieci miejskiej.

Przedstawiliśmy te analizy klientowi po kolei, a on od razu się zainteresował. Na koniec zapytał: „Jeśli w lecie nie włączymy ogrzewania, co zrobić z nadmiarem energii elektrycznej?”. Uśmiechnięci odpowiedzieliśmy, że zainstalowanie elektrycznego podgrzewacza wody lub małej stacji ładowania do zasilania narzędzi elektrycznych na gospodarstwie oraz przyszłych pojazdów elektrycznych wcale nie jest marnotrawstwem.

Ten przypadek jest w rzeczywistości bardzo typowy. Wiele osób, gdy mówi się o odłączeniu się od sieci energetycznej, od razu myśli o „zainstalowaniu większej liczby akumulatorów i rozmieszczeniu większej ilości paneli fotowoltaicznych”, lecz często pomija zalety energii wiatrowej w nocy i w okresie zimowym. Turbina wiatrowa typu Q + fotowoltaika + magazynowanie energii – ta kombinacja „energii z krajobrazu” stanowi klucz do osiągnięcia prawdziwej samowystarczalności energetycznej w odległych gospodarstwach.