Khám phá giới hạn chiều cao tuabin gió

Tua bin gió là những vật thể lớn, vươn cao lên bầu trời để tận dụng những cơn gió ổn định. Nhưng chính xác thì nó cao bao nhiêu? Hầu hết các tuabin gió đều ở giữa hư không và có thể được đặt cao trên đỉnh núi hoặc đồi, vì vậy rất khó để đánh giá xem chúng thực sự cao bao nhiêu. Các kỹ sư đang thúc đẩy để làm cho các tuabin cao hơn nữa. Nhưng cao bao nhiêu là quá cao? Trong bài viết này, chúng ta sẽ phân tích mức độ cao của các tháp tuabin, cũng như các yếu tố quyết định kích thước của chúng.

Chiều cao trung bình cho tháp của tuabin gió là từ 60 đến 120 mét. Ở Mỹ, tuabin 1,5 MW điển hình có chiều cao tháp khoảng 80 mét. Haliade-X của GE, tuabin gió lớn nhất thế giới cho đến nay, có chiều cao tháp là 138 mét.

Tại sao phải xây dựng tuabin cao hơn?

Các tuabin gió cao hơn có khả năng tiếp cận với gió chất lượng cao hơn. Ở độ cao lớn hơn, gió gặp ít chướng ngại vật hơn như cây cối, đồi núi và các vật thể nhân tạo như tòa nhà. Điều này tạo ra một luồng gió ổn định, cho phép các tuabin tạo ra nhiều năng lượng hơn. Mặc dù không có bất kỳ hướng dẫn vững chắc nào cho tỷ lệ giữa chiều cao của trục và bán kính cánh quạt, một nghiên cứu cho thấy tỷ lệ dao động trong khoảng 0,5 đến 0,7, với các tuabin lớn hơn có tỷ lệ lớn hơn.

Ngoài ra còn có khái niệm về lực cản khí động học. Gió ở độ cao thấp bị ảnh hưởng trực tiếp bởi bề mặt. Không khí chuyển động tạo ra ma sát với mặt đất, làm chậm đáng kể tốc độ của nó. Ngoài các chướng ngại vật, bức xạ nhiệt từ mặt đất cũng có ảnh hưởng đến mật độ không khí. Tốc độ gió, độ nhớt không khí và mật độ thay đổi đáng kể khi độ cao tăng lên. Với chiều cao như chúng, hầu hết các tuabin gió vẫn không thoát ra khỏi lớp bề mặt. Các tuabin sẽ cần phải có chiều cao từ 200 đến 300 mét để đạt được những luồng gió tương đối không bị nhiễu bởi bề mặt.

Các tuabin cao hơn có thể nâng cao đáng kể công suất của một khu vực nhất định. Một nghiên cứu của NREL cho thấy rằng việc nâng cao chiều cao trung tâm cho các tuabin 3 MW và 5 MW đã làm tăng công suất lên 10%. Ở những vùng có tốc độ gió tương đối thấp, các tuabin cao hơn có thể nâng cao giá trị của vùng có tiềm năng gió thấp.

Chiều cao của Tower không được chọn chỉ dựa trên độ cao và tốc độ gió. Chi phí và sự ổn định cũng được tính đến. Mặc dù chi phí trả trước có thể cao hơn đối với các tuabin cao hơn, nó thực sự có chi phí thấp hơn về tổng thể. Các tuabin cao hơn tạo ra nhiều điện hơn, do đó cần ít hơn để tạo ra một lượng công suất nhất định. Các trang trại gió nhỏ hơn với các tuabin lớn hơn tốn ít chi phí xây dựng, lắp đặt và bảo trì hơn. Chúng cũng chiếm ít không gian hơn.

Nhiều khu vực được bao phủ đồng nghĩa với nhiều năng lượng được thu nhận hơn, dẫn đến nhiều năng lượng hơn. Những cánh quạt lớn nhất được chế tạo cho đến nay chỉ dài hơn 107 mét và thuộc về Haliade-X khổng lồ. Chúng có đường kính cánh quạt là 220 mét, được gắn trên một tòa tháp 138 mét, và tổng chiều cao là 248 mét. Các cánh quạt cách mặt đất 28 mét ở cuối vòng quay của chúng.

Tuabin gió ngoài khơi

Bạn có thể nhận thấy kích thước lớn hơn của các tuabin gió ngoài khơi. Chúng có xu hướng cao hơn và có cánh lớn hơn. Điều này là để tận dụng năng lượng gió cao hơn sẵn có trên biển. Lực cản trên đại dương ít hơn đáng kể so với đất liền vì nước chuyển động theo gió. Điều đó chuyển thành gió mạnh hơn và tiềm năng năng lượng cao hơn.

Tháp cho tuabin ngoài khơi phải được xây dựng để chịu được môi trường khắc nghiệt của đại dương. Họ phải chống chọi với sóng mạnh, hơi muối liên tục và tốc độ gió mạnh hơn so với trên cạn. Điều này ngoài việc phải hỗ trợ các cánh quạt lớn hơn và hộp số nặng hơn. Các tháp cho tuabin ngoài khơi vẫn được làm bằng thép nhưng thường được xử lý bằng lớp phủ chống ăn mòn.

Trong khi các tuabin ngoài khơi có xu hướng cao hơn so với các tuabin trên bờ, chúng thực sự lớn hơn nhiều so với vẻ ngoài của chúng. Tuabin phải được neo vào đáy biển, làm cho chúng cao hơn đáng kể so với tuabin trên đất liền vì một phần chiều cao của chúng nằm dưới mặt nước. Trụ thường được neo vào cột bê tông khi lắp đặt ở vùng nước nông. Tuabin nước sâu vẫn chưa được triển khai rộng rãi, nhưng các kỹ sư đang thử nghiệm chân máy dạng lưới dưới nước để tạo cho tuabin một chân đế rộng hơn nhằm chống chọi tốt hơn với dòng nước sâu mạnh.

Ràng buộc vật lý

Tuabin gió bị giới hạn về chiều cao của chúng. Tháp được làm bằng thép và chỉ có thể chịu được trọng lượng quá lớn. Để tăng gấp đôi chiều cao của tuabin, đường kính cũng phải được tăng gấp đôi, và lượng vật liệu cần thiết gấp bốn lần để đảm bảo độ ổn định. Sau một thời gian, các tuabin lớn hơn đơn giản là không khả thi. Tháp phải chống lại các lực không đổi từ chuyển động quay của các cánh đồng thời hỗ trợ rôto và thanh trụ. Cuối cùng, các vấn đề về an toàn, chi phí và các quy luật vật lý trở thành trở ngại cho việc xây dựng các tuabin lớn hơn. Các tuabin như Haliade-X có thể là giới hạn trên của chiều cao tuabin, ít nhất là cho đến khi vật liệu cứng hơn và thiết kế cứng cáp hơn được hình thành.

Ngay cả khi không có các ràng buộc về vật chất, công tác hậu cần để xây dựng các tuabin lớn cũng rất khó khăn. Các tuabin gió lớn hơn cần nhà kho lớn hơn để sản xuất. Sau đó là phương tiện đi lại. Tuabin gió vốn đã khó vận chuyển. Chúng được coi là một tải trọng quá khổ và yêu cầu toàn bộ tàu để đưa chúng đến đích. Việc xây dựng các tuabin cao hơn đòi hỏi những cần cẩu lớn có thể nâng các cánh quạt nặng hơn lên các tháp cao hơn. Sau khi được chế tạo, việc bảo trì các tuabin này sẽ đòi hỏi công nhân phải leo lên cao hơn để tiếp cận thiết bị, một công việc vốn đã nguy hiểm lại càng trở nên nguy hiểm hơn. Ngay cả khi chi phí cao hơn đáng để đầu tư, thì khối lượng ban đầu có thể đơn giản là nhiệm vụ quá lớn.

Các quy định hàng không có thể đưa ra giới hạn về chiều cao của tuabin gió. Ở Mỹ, các tuabin cao hơn 500 feet, tức khoảng 152 mét, phải gửi thông báo cho FAA. Đây được coi là độ cao an toàn thấp nhất mà phi công được phép bay. Khi các tuabin ngày càng cao, các tiêu chuẩn hàng không sẽ mâu thuẫn với ngành công nghiệp gió. Một số khu vực đã bị giới hạn đối với các trang trại gió và các khu vực khác có thể bị hạn chế về chiều cao của tháp.

Phần kết luận

Các kỹ sư đang tìm cách chế tạo các tuabin gió cao hơn. Các độ cao lớn hơn có thể mang lại hiệu quả với công suất điện cao hơn và các trang trại gió nhỏ hơn. Nhưng việc xây dựng các tuabin cao hơn đi kèm với những thách thức riêng. GE Haliade-X, tuabin gió lớn nhất cho đến nay, có thể chỉ đang đẩy giới hạn trên của kích thước tuabin. Với chiều cao của tháp là 138 mét, việc tìm kiếm cần cẩu có thể nâng các cánh quạt lên cao là điều khó khăn. Nhưng những thách thức về hậu cần có thể đáng giá, vì công suất điện tăng lên có thể hạ thấp đáng kể chi phí trong một ngành phát triển mạnh về quy mô kinh tế.

Các câu hỏi thường gặp

Chiều cao trung bình của tháp tuabin gió là bao nhiêu?

Chiều cao của tháp tuabin gió từ 60 đến 120 mét. Tua bin 1,5 MW điển hình được tìm thấy ở Mỹ cao khoảng 80 mét.

Các tuabin gió cao hơn có tốt hơn không?

Các tuabin gió cao hơn được trang bị tốt hơn để tận dụng tốc độ gió lớn hơn ở độ cao lớn. Chúng có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn và có thể hỗ trợ các cánh quạt lớn hơn.

Tuabin gió cao nhất từng được chế tạo là gì?

Tuabin gió cao nhất được chế tạo cho đến nay là Haliade-X của GE. Nó có chiều cao tháp là 138 mét. Tổng chiều cao của tuabin là 248 mét, bao gồm cả cánh quạt.