Năng lượng gió đã phát triển nhanh chóng trong 10 năm qua. Mặc dù chúng ta đã quen với thiết kế kiểu cối xay gió truyền thống, nhưng các nhà nghiên cứu vẫn miệt mài nghiên cứu chế tạo một số loại tuabin gió khác nhau. Hóa ra có nhiều cách khác nhau để khai thác gió, một số cách hiệu quả hơn những cách khác, từ tuabin savonius đơn giản được sử dụng trong máy đo gió cho đến thiết kế tuabin không cánh sáng tạo. Tương lai của năng lượng gió rất thú vị, và đây mới chỉ là sự khởi đầu!

Tóm lại, các loại tuabin gió chính hiện có:

Tua bin gió trục ngang (HAWT)
Tua bin gió trục thẳng đứng (VAWT)
Tua bin gió xuôi
Tua bin gió không cánh
Bộ cánh quạt quay ngược (Counter-Rotating)

Mục lục

Tua bin gió trục ngang:

Khi bạn nghĩ về một tuabin gió, có lẽ bạn sẽ nghĩ đến một tuabin gió ngang, được gọi tắt là HAWT. Đây là loại tuabin phổ biến nhất và có thể dễ dàng nhận ra bởi thiết kế giống như cánh quạt của chúng. Chúng thường có 3 lưỡi, mặc dù một số giống có hai. HAWT tạo ra điện bằng cách sử dụng lực nâng với các cánh có hình dạng giống như những chiếc máy bay, giống như cách một chiếc máy bay cất cánh trên mặt đất. Mặc dù, các cánh của tuabin gió có tỷ lệ lực nâng cao hơn nhiều lần so với cánh của một máy bay thương mại. Cho đến nay, đây là loại tuabin gió hiệu quả nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng.

HAWT được thiết lập trên cao trên các tháp lớn để tận dụng tốc độ gió ở độ cao lớn. Mặc dù điều này mang lại hiệu quả tốt hơn nhưng lại gây khó khăn cho việc sửa chữa. Hộp nan hoa, hoặc hộp nhỏ phía sau rôto, chứa hộp số, máy phát điện, phanh tốc độ, cơ cấu yaw và máy đo gió. Hộp số được dùng để khuếch đại tốc độ tuabin, cho phép máy phát điện tạo ra.

HAWT phải giữ vuông góc với gió để tối đa hóa hiệu quả. Cơ chế yaw quay các tuabin theo hướng gió để đảm bảo tuabin vẫn thẳng hàng với hướng gió. HAWT cũng không hoạt động tốt ở tốc độ gió cực mạnh. Khi máy đo gió nhận được tốc độ gió có thể làm hỏng tuabin, hệ thống hãm tốc độ sẽ được kích hoạt để ngăn tuabin quay quá nhanh. Hãy xem bài viết sau đây để có cái nhìn chuyên sâu hơn: cách thức hoạt động của tuabin gió

Tua bin gió trục thẳng đứng

Tua bin gió tiếp cận thẳng đứng, hoặc VAWT, quay trên trục thẳng đứng với gió. Chúng có xu hướng ít phổ biến hơn ở quy mô công nghiệp. VAWT thường được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn HAWT và chủ yếu được sử dụng trên các mái nhà như một nguồn năng lượng bổ sung. Chúng thường ở gần mặt đất, làm cho chúng kém hiệu quả hơn do tốc độ gió thấp hơn nhưng dễ bảo trì và bảo dưỡng hơn.

Không phải tất cả các VAWT đều giống nhau. Chúng có hai thiết kế chính, Darrieus và Savonius. Cả hai đều rất khác nhau về cách chúng thu nhận năng lượng gió và mỗi loại đều có một số thiết kế phụ trợ cho các mục đích khác nhau.

Tua bin gió Darrieus

Các tuabin gió Darrieus được nhận dạng bởi hai cánh quạt dạng cánh cong gắn vào trục trung tâm, tạo cho chúng hình dạng “chiếc máy đánh trứng”. Các cánh quạt gắn ở đầu và cuối trục và quay theo phương thẳng đứng xung quanh trục để phản ứng với gió. Giống như HAWT, tuabin gió Darrieus tạo ra điện bằng lực nâng.

Tua bin gió Darrieus có một số ưu điểm. Chúng có hiệu quả bất kể hướng gió. Các lưỡi dao cũng có thể có nhiều kiểu dáng khác nhau. Trong khi hình dạng máy đánh trứng là phổ biến nhất, cũng có những lưỡi xoắn kép, nơi các lưỡi xoắn quanh trục trung tâm. Thiết kế con quay hồi chuyển cũng phổ biến, sử dụng các lưỡi thẳng nơi các đầu được tách ra khỏi trục trung tâm. Cả hai thiết kế này thường được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn, như trên các mái nhà. Tiết kiệm cho một số ít được chọn, tuabin Darrieus thường có công suất dưới 1 MW.

Tuy nhiên, tuabin Darrieus có quá nhiều nhược điểm. Chúng có xu hướng kém hiệu quả hơn HAWT vì các lưỡi dao quá gần mặt đất. Thiết kế cũng không phù hợp về mặt cấu trúc ở quy mô MW. Dây Guy là cần thiết để giữ cho các tuabin lớn hơn không bị sập. Tua-bin Darrieus có mô-men xoắn ban đầu thấp, có nghĩa là chúng cần nguồn điện bên ngoài để khởi động. Chúng hiếm khi tự khởi động, ngay cả khi tốc độ gió lớn.

Tuabin gió Savonius

Tua bin gió Savonius là loại tuabin gió đơn giản nhất. Chúng bao gồm tối đa bốn gàu bán trục được gắn theo chiều dọc với một trục trung tâm. Các tuabin này tạo ra điện bằng cách sử dụng lực cản, làm cho chúng kém hiệu quả hơn. Chúng có xu hướng được sử dụng khi chi phí và độ tin cậy là những yếu tố lớn hơn hiệu quả.

Nhờ thiết kế đơn giản, chúng ít yêu cầu bảo trì và hoàn toàn tự khởi động. Chúng đặc biệt hữu ích cho các ứng dụng tiêu thụ điện năng thấp ở các vị trí xa. Phao nước sâu, máy bơm nước và quạt làm mát là những ứng dụng phổ biến cho tuabin savonius. Nhiều máy đo gió là tuabin savonius, vì mục tiêu chính là đo tốc độ gió chứ không phải tạo ra điện năng. Ở châu Âu, tuabin savonius đôi khi được sử dụng làm quảng cáo, trong đó một hình ảnh động hai khung đơn giản được đặt bên trong tuabin, sau đó được kích hoạt bằng chuyển động quay của tuabin.

Tua bin gió khác:

Với sự bùng nổ năng lượng gió trong thập kỷ qua, các kỹ sư đã nỗ lực thiết kế các loại tuabin gió mới và thử nghiệm. Trong khi một số cho thấy hứa hẹn, chúng vẫn chưa đạt được hiệu quả của HAWT.

Tua bin gió xuôi (Downwind)

Tua bin hướng gió có bề ngoài gần giống với HAWT bình thường, mặc dù có một điểm khác biệt lớn. Tua bin hướng gió về cơ bản là quay ngược, nơi các tuabin được đặt ở hạ lưu so với gió. Điều này đặt các lưỡi phía sau nacelle.

Ưu điểm chính của tuabin gió xuôi là chúng có thể quay một cách thụ động để đối mặt với gió, tiết kiệm chi phí trên cơ chế chuyển động ngang. Các lưỡi dao cũng có thể được sản xuất bằng vật liệu linh hoạt hơn, giúp tiết kiệm chi phí. Các lưỡi HAWT thông thường không thể uốn cong, vì chúng sẽ va chạm với tháp. Nhược điểm lớn là sự thay đổi tải trên các cánh khi chúng đi qua phía sau tháp, điều này trong thời gian dài có thể gây ra yếu kết cấu.

Tuabin gió không cánh

Tua bin không cánh là một thiết kế mới sáng tạo dựa trên các dòng gió xoáy thay vì gió liên tục. Thoạt nhìn, khó có thể nhận ra tuabin không cánh là thứ tạo ra năng lượng từ gió. Chúng không có lưỡi và đứng thẳng, giống như những chiếc cọc lớn màu trắng.

Tua bin không cánh dao động để đáp ứng với các xoáy gió trong một hiện tượng cộng hưởng được gọi là rung động do xoáy. Khi gió chạm vào một vật thể cùn, các xoáy được tạo ra. Sau đó, vật thể cùn bắt đầu dao động theo phản ứng cho đến khi tần số cộng hưởng của vật thể trùng với tần số cộng hưởng của gió. Khi tuabin rung, nó tạo ra điện bằng hệ thống máy phát điện.

Tua bin không cánh có ít bộ phận chuyển động hơn và chiếm ít không gian hơn. Điều này mang lại cơ hội tiết kiệm chi phí hơn. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn sơ khai và không hiệu quả so với các thiết kế khác. Tuabin cũng phải dao động khá nhanh để tạo ra điện. Điều đó gây căng thẳng nhiều hơn cho tuabin và có thể gây ra các vấn đề về kết cấu sau này trên dây chuyền.

Counter-rotating

Các tuabin quay ngược chiều là một thiết kế thú vị, trong đó HAWT gió ngược và gió xuôi được đặt trên cùng một tháp. Sau đó, hai rotor quay ngược lại nhau, với tuabin gió xuôi sẽ thu năng lượng còn lại từ tuabin gió ngược. Các tuabin quay ngược chiều đã đạt được hiệu suất tăng thêm 40% bằng cách thu năng lượng gió xuôi chiều. Chúng cũng không yêu cầu hộp số, và chúng tự điều chỉnh một cách thụ động theo hướng gió.

Mặc dù tuabin quay ngược chiều có vẻ có lợi nhưng chúng rất khó để chế tạo. Các tuabin gió xuôi phải nhỏ hơn tuabin gió lên và phải được đặt ở chế độ dừng ở tốc độ gió cao hơn. Chúng cũng phải được hẹn giờ để quay ở các tỷ lệ tốc độ nhất định để ngăn chặn các rung động có thể dẫn đến hỏng kết cấu. Cho đến ngày nay, rất ít tuabin quay ngược chiều đã được bán.

Phần kết luận

Mặc dù các cối xay gió đã tồn tại trong nhiều thế kỷ, nhưng việc nghiên cứu sâu về các thiết kế hiệu quả cho các tuabin gió chỉ mới bắt đầu. Các nhà nghiên cứu đang nỗ lực tạo ra các thiết kế để khai thác năng lượng gió theo nhiều cách khác nhau. Trong khi HAWT hiện vẫn là thiết kế hiệu quả nhất, các kỹ sư đang nhanh chóng khám phá ra những cách mới để cải tiến các phương pháp cũ. Các thiết kế độc đáo như tuabin không cánh là một khái niệm ngoài vòng bít có thể thay đổi diện mạo của năng lượng gió. Trong khi mười năm qua đã chứng kiến sự bùng nổ về tốc độ phát triển của năng lượng gió, thập kỷ tới có thể mang đến cho chúng ta những thiết kế mới đưa cối xay gió truyền thống vào chỗ nghỉ ngơi.

Các câu hỏi thường gặp

Loại tuabin gió phổ biến nhất là gì?

HAWT là loại tuabin gió phổ biến nhất. Cho đến ngày nay, thiết kế giống như cánh quạt 3 cánh là loại tuabin gió hiệu quả nhất và được nghiên cứu rộng rãi. Khi bạn nghĩ về năng lượng gió, bạn rất có thể nghĩ đến HAWT.

Hai loại tuabin gió chính là gì?

HAWT là loại tuabin gió phổ biến nhất, thường được sử dụng cho các ứng dụng quy mô công nghiệp như trang trại gió. VAWT ít phổ biến hơn và thường được dành cho các ứng dụng quy mô nhỏ như tạo gió trên mái nhà hoặc làm máy đo gió.

Tua bin gió không cánh có phải là tương lai của năng lượng gió?

Tua bin không cánh có lợi thế của chúng. Chúng có ít bộ phận chuyển động hơn và chiếm ít không gian hơn. Tuy nhiên, công nghệ này vẫn còn sơ khai. Hiệu suất thấp và thiết kế gặp phải các vấn đề về cấu trúc do dao động tốc độ cao cần thiết để tạo ra điện.