Вітрова турбіна + електростанція типу Q: ключ до досягнення енергетичної самодостатності

Нещодавно з нами зв’язався клієнт із Сполучених Штатів. Він власник власної ферми, розташованої приблизно за три кілометри від найближчої загальнодоступної електромережі. Отже, на такій відстані підключення його ферми до загальнодоступної електромережі обійшлось би йому дуже дорого. Однак, якщо він цього не зробить, усі електричні системи та обладнання — такі як освітлення, холодильники та телевізори — не можна буде використовувати за бажанням, що завжди створювало йому проблеми.

Тим часом у холодні місяці його сім’я змушена користуватися електричним підлоговим опаленням та проточними водонагрівачами для обігріву. Внаслідок цього його щоденне споживання електроенергії сягає 15–20 кіловат-годин. Вночі, коли все опалювальне обладнання працює одночасно, миттєве пікове споживання електроенергії може навіть досягати 5 кіловатів за раз. Це не лише призводить до зростання рахунків за електроенергію, а й створює загрозу безпеці. Тому йому терміново потрібно змінити цю ситуацію.

Після того, як я вислухав опис ситуації від замовника в той момент, мені одразу спала на думку ідея: це просто чудовий сценарій застосування вітрової турбіни типу Q. Є дві речі, що найбільше турбують замовців: по-перше, щоденне споживання електроенергії вдень — наприклад, освітлення, холодильники та телевізори — насправді не споживають багато електроенергії; по-друге, опалення взимку — електричне підлогове опалення разом із проточним водонагрівачем, які вмикаються вночі з піковою потужністю 5 кВт, а загальне споживання електроенергії становить 15–20 кВт·год на добу. Ці дані мають велике значення. Вони повідомляють нам дві речі: по-перше, пікова потужність споживається взимку вночі; по-друге, пікова потужність не є надто високою й може бути повністю забезпечена самостійно середньорозмірною автономною системою.

Серцевиною плану, який я йому рекомендував, є вітрова турбіна типу Q. Чому саме тип Q? Тому що територія навколо ферми зазвичай досить відкрита, а вітрові умови — сприятливі, однак традиційні трьохлопатеві вітрові турбіни мають високі вимоги до швидкості вітру, створюють сильний шум і потребують складного обслуговування. Турбіна типу Q має вертикальну вісь обертання, а її початкова швидкість вітру — низька: вона починає обертатися вже при швидкості близько 2 м/с і не чутлива до змін напрямку вітру. Навіть у разі турбулентного вітру, що виникає через наявність комор і дерев навколо ферми, вона здатна стабільно виробляти електроенергію. Ще важливіше те, що вона працює тихо і не заважатиме клієнтам спати через «гул» уночі.

Залежно від розташування клієнта, середня річна швидкість вітру на фермі в Середньому Заході Сполучених Штатів становить приблизно 4–5 м/с. Вітрова турбіна типу Q потужністю 5 кВт у поєднанні з відповідним акумуляторним блоком повністю задовольняє миттєвий піковий попит у 5 кіловат. Я розрахував для нього приблизний баланс: взимку споживання електроенергії становить 20 кВт·год на добу, а опалення вночі концентрується в першій половині ночі — приблизно 4–5 годин. У цей час, якщо вітер постійно дме й турбіна працює, а також відбувається розряд акумулятора, енергопостачання буде повністю забезпечено. Днем електроенергії використовується менше, а надлишок електроенергії зберігається в акумуляторі, утворюючи замкнений енергетичний цикл.

Звичайно, покладатися лише на вітрову турбіну недостатньо безпечно. Я пропоную йому додати набір сонячних панелей невеликої потужності — не для основного живлення, а як додаткове джерело енергії. Адже існують також сонячні дні без вітру, і саме фотогальваніка заповнює цю нішу. З акумуляторним блоком LiFePO4 ємністю 10 кВт·год запас енергії протягом дня більш ніж достатній. Інвертор обирають чистої синусоїдної форми, приблизно 8 кВт, що гарантує безпеку й стабільність роботи.

З точки зору вартості, найбільше клієнтів цікавить питання: «на скільки можна зекономити на електромережі?». Прокладання електромережі на три кілометри — приблизна оцінка вартості від стовпів електропередачі та трансформаторів до будівництва — коштує щонайменше десятки тисяч доларів. У той же час комплект із вітрової турбіни типу Q потужністю 5 кВт, сонячних панелей потужністю 5 кВт та системи накопичення електроенергії ємністю 10 кВт·год має загальну вартість обладнання разом із витратами на монтаж та будівництво інфраструктури щонайменше у два рази нижчу, ніж вартість електромережі. Крім того, така система може безперебійно працювати протягом 15–20 років. Протягом цього періоду, за винятком рідкісного мащення підшипників вітрової турбіни та перевірки стану акумуляторів, практично не потрібне технічне обслуговування. Рахунок за електроенергію? Нуль.

Що ще важливіше — це безпека. Клієнт увімкнув усі нагрівальні прилади одночасно вночі, що еквівалентно навантаженню електричного кола до граничних меж; старі проводи й вимикачі легко перегріваються й загоряються. При проектуванні автономної системи її потужність резервують з урахуванням пікового навантаження в 5 кВт. Інвертор має захист від перевантаження, акумулятор — систему керування температурою, а гілки електромережі контролюються окремо: наприклад, підлогове опалення в спальні та в гостиній увімкнуто з розривом у півгодини, що дозволяє знизити пікове навантаження. Таким чином, така система не лише забезпечує достатню потужність, а й є безпечнішою порівняно з початковим планом електропостачання від міської мережі.

Ми розповіли клієнту ці аналізи по одному, і він одразу ж збудився. Нарешті він запитав: «Якщо влітку опалення не ввімкнуто, що робити з надлишковою електроенергією?» Ми посміхнулися й відповіли, що встановлення електричного водонагрівача або невеликої зарядної станції для живлення електроінструментів на фермі та майбутніх електромобілів узагалі не є марною витратою.

Цей випадок насправді дуже типовий. Багато людей, як тільки йдеться про відключення від мережі, одразу ж думають про «встановлення більшої кількості акумуляторів і монтаж більшої кількості фотогальванічних панелей», але часто ігнорують переваги вітрової енергії вночі та взимку. Вітрові турбіни типу Q + фотогальваніка + акумулювання енергії — ця комбінація «ландшафтного зберігання енергії» є ключем до справжньої енергетичної самодостатності віддалених ферм.