Ветротурбина Q-типа + ветропарк: ключ к достижению энергетической самодостаточности.

Недавно с нами связался клиент из США. Он владеет собственной фермой, расположенной примерно в трёх километрах от ближайшей общественной электросети. Таким образом, подключение его фермы к общественной электросети на таком расстоянии обойдётся ему в значительную сумму. Однако, если он этого не сделает, всё инфраструктурное оборудование, нуждающееся в электроэнергии — например, освещение, холодильники и телевизоры — нельзя будет использовать по своему усмотрению, что всегда вызывало у него серьёзные затруднения.

Между тем в холодные месяцы его семье приходится полагаться на электрический подогрев пола и проточные водонагреватели для отопления. В результате суточное потребление электроэнергии достигает 15–20 киловатт-часов. Ночью, когда всё отопительное оборудование работает одновременно, мгновенная пиковая нагрузка может достигать 5 киловатт. Это не только увеличивает расходы на оплату электроэнергии, но и создаёт угрозу безопасности. Поэтому ему срочно необходимо изменить сложившуюся ситуацию.

После того как я выслушал описание ситуации клиентом в тот момент, мне сразу пришла в голову идея: это просто отличный сценарий применения ветряной турбины типа Q. У клиентов есть две главные проблемы: во-первых, дневное потребление электроэнергии — освещение, холодильники и телевизоры — на самом деле невелико; во-вторых, отопление зимой — электрический тёплый пол в сочетании с проточным водонагревателем, которые включаются ночью в пиковом режиме мощностью 5 кВт, а общее суточное потребление составляет 15–20 кВт·ч. Эти данные чрезвычайно важны. Они говорят нам о двух вещах: во-первых, пиковая мощность потребляется зимой в ночное время; во-вторых, пиковая мощность не слишком высока и может быть полностью обеспечена автономной системой среднего размера.

Сердцем плана, который я рекомендовал ему, является ветряная турбина типа Q. Почему именно тип Q? Потому что территория вокруг фермы обычно относительно открытая, а ветровые условия хорошие; однако традиционные трёхлопастные ветряные турбины требуют высокой скорости ветра, издают сильный шум и сложны в обслуживании. Турбина типа Q выполнена по вертикальной осевой схеме, её пороговая скорость ветра низкая — она начинает вращаться уже при скорости ветра около 2 м/с, и ей не страшна смена направления ветра. Даже при наличии турбулентного ветра, вызванного наличием амбаров и деревьев вокруг фермы, такая турбина будет стабильно вырабатывать электроэнергию. Что ещё более важно, она работает бесшумно и не будет мешать сну клиентов из-за «жужжащего» шума по ночам.

В зависимости от местоположения клиента средняя годовая скорость ветра на ферме в Среднем Западе США составляет около 4–5 м/с. Ветрогенератор типа Q мощностью 5 кВт в сочетании с подходящим аккумуляторным блоком может полностью удовлетворять пиковую мгновенную нагрузку до 5 киловатт. Я произвёл для него расчёт: зимой расход электроэнергии составляет 20 кВт·ч в сутки, а ночное отопление приходится преимущественно на первую половину ночи — примерно на 4–5 часов. В этот период, если ветряк работает постоянно при наличии ветра и одновременно происходит разряд аккумулятора, энергоснабжение обеспечивается полностью. Днём потребление электроэнергии меньше, а избыточная вырабатываемая энергия накапливается в аккумуляторе, образуя замкнутый цикл.

Конечно, полагаться исключительно на ветрогенератор недостаточно безопасно. Я рекомендую добавить комплект солнечных панелей небольшой мощности — не для основного энергоснабжения, а в качестве дополнения. Ведь бывают и солнечные дни без ветра, а фотогальваника как раз заполняет этот пробел. При использовании аккумуляторной батареи LiFePO4 ёмкостью 10 кВт·ч запасённой энергии в течение дня более чем достаточно. Инвертер следует выбрать чисто синусоидальный, мощностью около 8 кВт, что гарантирует безопасность и стабильность работы.

С точки зрения стоимости, что больше всего волнует клиентов, — это «насколько можно сэкономить на электросети». Прокладка трёхкилометровой линии электропередачи — от опор линий электропередачи и трансформаторов до строительных работ — оценивается примерно в десятки тысяч долларов США. В то же время комплект из ветрогенератора типа Q мощностью 5 кВт, солнечных панелей мощностью 5 кВт и системы хранения электроэнергии ёмкостью 10 кВт·ч обойдётся в совокупности (стоимость оборудования плюс монтаж и строительство инфраструктуры) как минимум вдвое дешевле, чем прокладка электросети. Более того, такая система может эксплуатироваться без проблем в течение 15–20 лет. В этот период, за исключением редкой смазки подшипников ветрогенератора и периодической проверки состояния аккумуляторов, практически не требуется техническое обслуживание. Счёт за электроэнергию? Нулевой.

Что еще более важно — это безопасность. Покупатель включал всё отопительное оборудование одновременно ночью, что эквивалентно работе электрической цепи на пределе её возможностей; старые провода и выключатели легко перегревались и могли загореться. При проектировании автономной системы она рассчитывается с запасом мощности, исходя из пикового значения в 5 кВт. Инвертер оснащён защитой от перегрузки, аккумулятор — системой управления температурой, а распределение нагрузки по отдельным линиям осуществляется с учётом приоритетов: например, подогрев пола в спальне и подогрев пола в гостиной включаются с разницей в полчаса, что позволяет снизить пиковую нагрузку. Таким образом, такая система не только полностью обеспечивает потребности, но и является более безопасной по сравнению с первоначальным городским электроснабжением.

Мы рассказали клиенту эти анализы по одному, и он сразу же воодушевился. В конце концов он спросил: «Если летом отопление не включать, то что делать с избыточной электроэнергией?» Мы улыбнулись и ответили, что установка электрического водонагревателя или небольшой зарядной станции для питания электрических инструментов на ферме и будущих электромобилей — вовсе не расточительство.

Этот случай на самом деле весьма типичен. Многие люди при разговоре об автономности от централизованной электросети сразу думают о «установке большего количества аккумуляторов и монтаже большего числа фотогальванических панелей», однако зачастую упускают из виду преимущества ветроэнергии ночью и зимой. Ветротурбина типа Q + фотогальваника + накопители энергии — такая комбинация «ветро-солнечно-аккумуляторной» системы является ключом к достижению истинной энергетической независимости удалённых ферм.