Q-typens vindturbin + lantbruk: Nyckeln till energisjälvförsörjning

Nyligen kontaktade en kund från USA oss. Han driver sin egen gård, som ligger cirka tre kilometer bort från det närmaste allmänna elnätet. Därför kommer det att kosta mycket pengar att ansluta hans gård till det allmänna elnätet på denna distans. Men om han inte gör detta kan all infrastruktur som kräver el – till exempel lampor, kylskåp och TV-apparater – inte användas efter behov, vilket alltid har varit en källa till irritation för honom.

Under tiden måste hans familj under kalla månader förlita sig på eldrivna golvvärmesystem och snabbvattenuppvärmare för uppvärmning. Som ett resultat kommer hans dagliga elförbrukning att uppgå till 15–20 kilowattimmar. På natten, när all uppvärmningsutrustning är i drift samtidigt, kan den momentana toppelförbrukningen till och med stiga till 5 kilowatt på en gång. Detta innebär inte bara högre elräkningar, utan utgör även säkerhetsrisker. Därför behöver han akut förändra denna situation.

Efter att ha lyssnat på kundens beskrivning vid tillfället dök en idé genast upp i mitt huvud: detta är helt enkelt ett utmärkt användningsområde för Q-typens vindturbin. Det finns två saker som kunderna har störst problem med: för det första är den dagliga elanvändningen på dagen – till exempel belysning, kylskåp och TV-apparater – faktiskt inte särskilt hög; för det andra är uppvärmningen på vintern, där elektrisk golvuppvärmning kombinerad med en direktverkande vattenberedare slås på under nattens toppbelastning med 5 kilowatt, vilket ger en total daglig elanvändning på 15–20 kilowattimmar. Dessa data är mycket viktiga. De visar oss två saker: för det första att dess toppelbehov inträffar på vinternätterna; för det andra att toppelbehovet inte är särskilt högt och kan täckas fullständigt av ett mediumstort friliggande system.

Kärnan i planen som jag rekommenderade till honom är en Q-typens vindturbin. Varför välja Q-typen? Eftersom området runt gården vanligtvis är relativt öppet och vindförhållandena är goda, men den traditionella trebladiga vindturbinen ställer höga krav på vindhastighet, ger hög ljudnivå och kräver besvärlig underhållning. Typ Q har en vertikal axelkonstruktion och en låg startvindhastighet – vinden kan vara så låg som ca 2 m/s, och turbinen är oberoende av vindriktningen. Även om det uppstår turbulent vind på grund av ladugårdar och träd runt gården kan den fortfarande generera el på ett stabilt sätt. Viktigare än så är att den är tyst och inte gör att kunderna inte kan sova på grund av "surrande" buller på natten.

Beroende på kundens plats är den genomsnittliga årliga vindhastigheten på en jordbruksgård i Mellanvästern i USA cirka 4–5 m/s. En 5 kW Q-typens vindturbin, kombinerad med ett lämpligt batteripaket, kan fullt ut tillfredsställa den momentana effekttoppen på 5 kilowatt. Jag gjorde en beräkning åt honom: på vintern förbrukas elen till 20 grader per dag, och nattuppvärmningen koncentreras till den första halvan av natten, ungefär 4–5 timmar. Vid denna tidpunkt kan turbinen, om det blåser hela tiden, tillsammans med batteriets urladdning, fullt ut stödja behovet. Mindre el används på dagen, och överskottselen lagras i batteriet, vilket skapar en sluten krets.

Självklart är det inte tillräckligt säkert att enbart förlita sig på vindturbinen. Jag föreslår att han lägger till en uppsättning små solpaneler – inte för huvudförsörjningen, utan som komplement. Det finns ju också soliga dagar utan vind, och fotovoltaik fyller precis detta gap. Med ett LiFePO4-batteripaket är lagringskapaciteten på 10 kWh mer än tillräcklig under dagen. Växelriktaren bör vara av typen ren sinuskurva med en effekt på cirka 8 kilowatt, vilket garanterar säkerhet och stabilitet.

När det gäller kostnaden är det som kunderna främst är oroliga för "hur mycket som sparas på elnätet". Att dra ett trekilometers elnät, vilket grovt uppskattat innebär att installera telefonstolpar, transformatorer och utföra byggarbete, kostar minst tiotusentals dollar. En 5 kW Q-typens vindturbin, 5 kW solpaneler och ett 10 kWh elektriskt energilagringssystem har tillsammans en total utrustningskostnad plus installation och infrastrukturbyggnad som är minst hälften lägre än kostnaden för elnätet. Dessutom kan detta system användas problemfritt i 15–20 år. Under denna period krävs nästan ingen underhållsverksamhet – förutom att smörja vindturbinens lager ibland och kontrollera batteriets status. Elräkning? Noll.

Vad som är ännu viktigare är säkerheten. Kunden släckte på all uppvärmningsutrustning samtidigt på natten, vilket motsvarade att belasta kretsen till dess gräns; de gamla ledningarna och strömbrytarna var därför lätt att överhettas och orsaka brand. När det avkopplade systemet designas dimensioneras det med redundans enligt en toppbelastning på 5 kilowatt. Omvandlaren har överlastskydd, batteriet har temperaturstyrning och hantering, samt grenkontroll – till exempel är golvuppvärmningen i sovrummet och i vardagsrummet försenade med en halvtimme i förhållande till varandra, vilket sänker toppbelastningen. På detta sätt är systemet inte bara tillräckligt, utan också säkrare än den ursprungliga stadsnätspaningen.

Vi presenterade dessa analyser för kunden en i taget, och han blev omedelbart entusiastisk. Slutligen frågade han: "Om uppvärmningen inte sätts på under sommaren, vad händer med den överskottsel som då uppstår?" Vi svarade med ett leende att att installera en eldriven vattenuppvärmare eller en liten laddningsplats för att använda elverktyg på gården och framtida elbilar alls inte är en slöseri.

Detta fall är faktiskt mycket typiskt. Många människor tänker direkt på "att installera fler batterier och lägga ut fler solcellspaneler" så snart de pratar om att gå ur elnätet, men de bortser ofta från fördelarna med vindenergi på natten och under vintern. Q-typens vindturbin + solceller + energilagring – denna kombination av "landskapslagring" är nyckeln för avlägsna gårdar att verkligen uppnå energisjälvförsörjning.