Veterná turbína typu Q + farmy: kľúč k dosiahnutiu energetickej samostatnosti

Pred nedávnym nás kontaktoval zákazník zo Spojených štátov. Vlastní vlastnú farmu, ktorá je približne tri kilometry vzdialená od najbližšej verejnej elektrickej siete. Preto by bolo pri tejto vzdialenosti veľmi nákladné pripojiť jeho farmu k verejnej elektrickej sieti. Ak však tak neurobí, nemôže voľne využívať všetku infraštruktúru, ktorá potrebuje elektrickú energiu – napríklad osvetlenie, chladničky a televízory – čo mu už dlhodobo spôsobuje problémy.

Medzitým v studených mesiacoch sa jeho rodina musí spoliehať na elektrické podlahové kúrenie a rýchloohrievače vody na vykurovanie. V dôsledku toho sa jeho denná spotreba elektrickej energie pohybuje medzi 15 a 20 kilowatt-hodinami. V noci, keď je všetko vykurovacie zariadenie zapnuté súčasne, okamžitý špičkový výkon môže dosiahnuť až 5 kilowattov naraz. To nielen zvyšuje náklady na elektrinu, ale tiež predstavuje bezpečnostné riziko. Preto má naliehavú potrebu túto situáciu zmeniť.

Po počutí popisu zákazníka v tom čase mi okamžite napadla myšlienka: toto je jednoducho vynikajúci prípad použitia vetrovej turbíny typu Q. Zákazníkov trápi dve veci: za prvé, denná spotreba elektrickej energie počas dňa – napríklad osvetlenie, chladničky a televízory – je v skutočnosti veľmi nízka; za druhé, vykurovanie v zime – elektrické podlahové kúrenie spolu s rýchloohrievacím ohrievačom vody – sa zapína v nočnom špičkovom režime s výkonom 5 kW a celková denná spotreba elektriny dosahuje 15 až 20 kWh. Tieto údaje sú veľmi dôležité. Hovoria nám dve veci: za prvé, jeho špičková spotreba výkonu nastáva v zimných nociach; za druhé, špičkový výkon nie je obzvlášť vysoký a môže ho plne pokryť samostatný stredne veľký off-grid systém.

Jadro plánu, ktorý som mu odporučil, je veterná turbína typu Q. Prečo práve typ Q? Pretože oblasť okolo farmy je zvyčajne relatívne otvorená a podmienky vetra sú dobré, avšak tradičná trojlistová veterná turbína vyžaduje vysokú rýchlosť vetra, sprevádza ju hlasný hluk a údržba je náročná. Typ Q má vertikálnu os a nízku počiatočnú rýchlosť vetra – stačí vietor približne 2 m/s, aby sa turbína začala otáčať, a nie je citlivá na zmenu smeru vetra. Ak sa v dôsledku hospodárskych budov a stromov okolo farmy vytvára turbulentný vietor, turbína stále spoľahlivo vyrába elektrinu. Dôležitejšie je, že je tichá a zákazníkov neprekáža nočný „bzučiaci“ hluk, ktorý by im bránil v spánku.

V závislosti od polohy zákazníka je priemerná ročná rýchlosť vetra na farme v stredozápadnej časti Spojených štátov približne 4–5 m/s. Veterný generátor typu Q s výkonom 5 kW v kombinácii s vhodným batériovým balíkom dokáže plne pokryť okamžitú špičkovú spotrebu elektrickej energie do 5 kW. Pre neho som vykonal výpočet: v zime sa denne spotrebuje približne 20 kWh elektrickej energie a vykurovanie v noci je koncentrované v prvej polovici noci, teda približne 4–5 hodín. V tomto období, ak je po celý čas veterno a batérie sú zároveň vybíjané, je možné plne pokryť potrebu energie. Počas dňa sa spotrebuje menej elektriny a prebytočná energia sa ukladá do batérií, čím vznikne uzavretý okruh.

Samozrejme, spoliehať sa iba na veternú turbínu nie je dostatočne bezpečné. Navrhujem, aby pridal sadu malorozmerných slnečných panelov – nie ako hlavný zdroj energie, ale ako doplnok. Veď existujú aj slnečné dni bez vetra a fotovoltické panely práve tento medzeru zapĺňajú. S batériovým packom typu LiFePO4 je úložná kapacita 10 kWh počas dňa viac než postačujúca. Invertor by mal byť čistovlnný s výkonom približne 8 kW, čím je zaručená bezpečnosť a stabilita.

Z hľadiska nákladov sa zákazníkov najviac zaujíma otázka: „Koľko sa ušetrí na elektrickej sieti?“. Výstavba trojkilometrovej elektrickej siete – od telefónnych stožiarov a transformátorov až po stavebné práce – sa hrubo odhaduje na desiatky tisíc dolárov. Naproti tomu kompletný systém pozostávajúci z 5 kW vetromotoru typu Q, 5 kW slnečných panelov a 10 kWh systému elektrickej energie pre ukladanie má celkovú cenu vybavenia vrátane inštalačných a infraštruktúrnych nákladov aspoň o polovicu nižšiu v porovnaní s elektrickou sieťou. Okrem toho tento systém môže byť bez problémov v prevádzke 15 až 20 rokov. Počas tohto obdobia je potrebná takmer žiadna údržba – iba občasné mazanie ložiskového uloženia vetromotoru a kontrola stavu batérií. Elektrický účet? Nula.

Čo je dôležitejšie, je bezpečnosť. Zákazník zapnul všetky vykurovacie zariadenia súčasne v noci, čo bolo ekvivalentné zaťaženiu elektrickej siete na jej maximálny výkon; staré vedenia a vypínače sa tak ľahko prehrievajú a môžu spôsobiť požiar. Pri návrhu systému mimo siete sa vychádza z rezervy podľa špičkového výkonu 5 kW. Invertor je vybavený ochranou proti preťaženiu, batéria má riadenie teploty a vetvy sú riadené oddelene – napríklad podlahové vykurovanie v ložnici a v obývačke sa zapína striedavo s polhodinovým posunom, čím sa zníži špičkový výkon. Týmto spôsobom nie je systém len dostatočný, ale je aj bezpečnejší ako pôvodný plán napájania zo mestského elektrického rozvodu.

Tieto analýzy sme zákazníkovi postupne vysvetlili a on sa na mieste nadšil. Nakoniec sa opýtal: „Ak sa v lete nezapne vykurovanie, čo sa stane s prebytočnou elektrinou?“ Usmiali sme sa a povedali sme, že pridaním elektrického ohrievača vody alebo malého nabíjacieho stanoviska na používanie elektrických nástrojov na farme a budúcich elektrických vozidiel sa vôbec nič nezbytočne neznehodnotí.

Tento prípad je v skutočnosti veľmi typický. Mnohí ľudia pri rozhovore o odpojení od siete hneď uvažujú o „inštalácii viac batérií a umiestnení viac fotovoltických panelov“, avšak často ignorujú výhody vetra v noci a v zime. Veterná turbína typu Q + fotovoltika + úložisko energie – táto kombinácia „krajinného úložiska“ je kľúčom k skutočnej energetickej samostatnosti odľahlých farm.