Kích thước của cánh quạt tuabin gió lớn như thế nào?

Các tuabin gió ngày càng lớn hơn, và các cánh quạt cũng vậy. Trên thực tế, các cánh ngày càng lớn đến mức chúng lớn nhất dài hơn một chiếc 747! Các cánh quạt lớn hơn có nghĩa là nhiều năng lượng hơn và các kỹ sư đang tin tưởng vào việc có thể sản xuất các tuabin được đánh giá cao hơn có thể thực hiện công việc của một số tuabin nhỏ hơn. Tua bin gió rất đắt tiền và cánh quạt là bộ phận đắt tiền nhất, đặc biệt là đối với những tuabin lớn hơn. Nhưng chi phí chế tạo một tuabin lớn vẫn thấp hơn nhiều tuabin nhỏ. Cánh quạt lớn hơn có nghĩa là các trang trại gió sẽ ít tuabin hơn, chiếm ít không gian hơn trong khi cung cấp nhiều năng lượng hơn. Với những cánh quạt cũ chất đống trong các bãi chôn lấp, việc có một vài tua-bin lớn cho mỗi trang trại gió sẽ làm cho năng lượng gió bền vững hơn.

Đối với các tuabin 1,5 MW điển hình, bạn có thể mong đợi chiều dài cánh quạt từ 35 đến 45 mét, với tổng đường kính rôto từ 75 đến 100 mét.

Kích thước cánh quạt

Các tuabin 1,5 MW thường cao khoảng 65 đến 80 mét. Mặc dù không có tỷ lệ lý tưởng cho đường kính rotor và chiều cao tháp, nhưng trung bình, đường kính rotor có xu hướng bằng một nửa chiều cao của trụ đỡ

Những quy tắc này không được thiết lập sẵn và nhiều công ty sản xuất tuabin có cánh nhỏ hơn hoặc lớn hơn tùy thuộc vào tiêu chuẩn kỹ thuật của họ và vị trí của trang trại điện gió. Các tuabin ngoài khơi có các cánh lớn, với đường kính lớn hơn một nửa chiều cao của tháp. Tua bin lớn nhất hiện đang được sản xuất là GE Haliade-X. Tua bin khổng lồ 14 MW này có chiều dài cánh quạt là 107 mét và đường kính cánh quạt bằng 80% chiều cao của trụ.

Kích thước của cánh quạt tuabin gió 1
Lưỡi quạt này tại Trang trại gió đảo Wolfe ở Canada dài 49 mét

Tại sao các cánh quạt lại lớn như vậy?

Nói một cách đơn giản, năng lượng gió là một nền kinh tế có quy mô. Tuabin lớn hơn với cánh dài hơn tạo ra nhiều năng lượng hơn. Nếu bạn muốn sản xuất một lượng điện nhất định, chi phí thấp hơn là phải có một vài tuabin lớn để đáp ứng nhu cầu đó, thay vì sản xuất một số tuabin nhỏ hơn. Nó chiếm ít không gian, vật liệu và ít yêu cầu bảo trì hơn. Có ba yếu tố ảnh hưởng đến lượng điện mà tuabin có thể sản xuất.

Khu vực gió quét

Các cánh dài hơn bằng diện tích quét lớn hơn, hoặc tổng diện tích phẳng được bao phủ bởi rotor. Các tuabin có diện tích lớn hơn sẽ thu được nhiều gió hơn và do đó có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn. Điều này là do bao phủ nhiều diện tích hơn đồng nghĩa với việc thu thập một lượng không khí lớn hơn. Khối lượng lớn hơn cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển. Tăng gấp đôi chiều dài cánh quạt sẽ tăng công suất điện lên gấp bốn lần.

Tốc độ gió

Gió vận tốc cao mang nhiều năng lượng hơn; đó là lý do tại sao mà chọn những nơi nhiều gió để xây dựng các trang trại gió. Tỷ lệ giữa tốc độ gió và năng lượng được tạo ra tuân theo một đường cong công suất, là đường duy nhất cho mỗi kiểu tuabin. Nói chung, chúng bắt đầu tạo ra điện khi tốc độ gió đạt 6 dặm một giờ khi cánh quạt bắt đầu quay. Chúng đạt đến tiềm năng tối đa ở khoảng 25 đến 30 dặm một giờ. Tại thời điểm này, không có năng lượng phụ sẽ được tạo ra cho dù gió thổi nhanh hơn bao nhiêu. Tốc độ cắt của hầu hết các tuabin là 55 dặm một giờ, tại đó các cánh quạt sẽ tắt để tránh hư hỏng các bộ phận bên trong.

Mật độ không khí

Không khí dày đặc hơn nặng hơn và mang nhiều khối lượng hơn, điều này tạo ra lực nâng lên các cánh quạt nhiều hơn. Các khu vực có không khí dày đặc hơn có giá trị hơn đối với các trang trại gió tiềm năng. Mật độ của không khí là một hàm của nhiệt độ, độ cao và áp suất không khí. Không khí lạnh đặc hơn không khí nóng hơn, độ cao thấp hơn dày đặc hơn không khí cao hơn và hệ thống áp suất cao dày đặc hơn hệ thống áp suất thấp. Không khí dày đặc hơn ở mực nước biển cung cấp nhiều năng lượng hơn cho cùng tốc độ gió so với gió ở độ cao lớn hơn.

Cánh tuabin lớn nhất từng có

Vào năm 2019, GE đã công bố tuabin gió ngoài khơi Haliade-X khổng lồ của mình. Cỗ máy khổng lồ này có công suất định mức từ 12 MW đến 14 MW. Tòa tháp cao 248 mét, nhưng từ chân đế đến đầu cánh, tuabin cao tới 260 mét. Nó có đường kính cánh quạt là 220 mét, bằng hơn 80% chiều cao của tháp. Haliade-X có thể cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà trong hai ngày chỉ với một vòng quay và một tuabin duy nhất có thể tạo ra 74 GWh điện hàng năm.

Kích thước của cánh quạt tuabin gió 2
Nguyên mẫu Haliade-X tại cảng Rotterdam, Hà Lan

Các cánh trên Haliade-X dài khoảng 107 mét. Nó chỉ bằng chiều dài của một sân bóng đá và dài hơn một lần rưỡi so với chiếc máy bay phản lực Boeing 747. Phải mất Hussein Bolt, người giữ kỷ lục thế giới về tốc độ chạy nhanh nhất, khoảng 10 giây để chạy từ đầu đến cuối. Các cánh của Haliade-X có thể chỉ nằm trong số các thành phần máy lớn nhất từng được chế tạo.

Mặc dù các cánh quạt trên Haliade-X khá lớn, nhưng điều đó không có nghĩa là phải có gió mạnh hơn mới có thể di chuyển được. So với các tuabin khác cùng loại, nó có thể bắt đầu tạo ra năng lượng ở tốc độ gió thấp hơn. Quán tính quay thấp của nó cho phép cánh quạt tiếp tục quay ngay cả khi gió mạnh.

Có giới hạn về kích thước cánh quạt không?

Người ta đặt câu hỏi: có giới hạn nào không? Các cánh quạt chỉ có thể dài đến vậy trước khi nó bắt đầu uốn cong và uốn cong, gây nguy cơ có thể xảy ra va chạm với tòa tháp. Tại một thời điểm nào đó, các định luật vật lý sẽ hạn chế kích thước tuabin tối đa.

Điều đó không có nghĩa là các kỹ sư không cố gắng. Những tuabin lớn đầy tham vọng đang được thiết kế như chúng ta đang nói. Dự án UpWind đã lên kế hoạch cho một tuabin khổng lồ công suất 20 MW với các cánh quạt dài 123 mét và đường kính cánh quạt là 252 mét. Một thiết kế khác cho tuabin công suất 50 MW lớn đến mức ngớ ngẩn yêu cầu chiều dài cánh quạt là 200 mét.

Rõ ràng, việc xây dựng một tuabin lớn mà vẫn đảm bảo vận hành an toàn, trong thời điểm hiện tại là không thể. Những cỗ máy này đang đạt đến kích thước của một số cấu trúc cao nhất của chúng ta. GE Haliade-X chỉ ngắn hơn Tháp Eiffel 40m. Rất khó để xây dựng một cấu trúc lớn với các bộ phận chuyển động. Đảm bảo rằng nó luôn đứng vững trong thời tiết khắc nghiệt hoàn toàn là một thách thức khác. Cho đến khi chúng ta có vật liệu và kỹ thuật chế tạo tốt hơn, kích thước tuabin sẽ bị hạn chế.

Kích thước của cánh quạt tuabin gió 3
Kích thước của tuabin bị giới hạn bởi vật liệu, giá thành và các quy luật vật lý

Phần kết luận

Các cánh của tuabin gió quyết định nó có thể tạo ra bao nhiêu năng lượng. Cánh quạt lớn hơn tạo ra nhiều điện hơn. Với việc tuabin ngày càng lớn hơn, chúng ta cũng có thể mong đợi thấy những cánh quạt lớn hơn, nhưng nó không chỉ là về kích thước cánh quạt tổng thể. Các cánh quạt cũng ngày càng lớn hơn so với chiều cao của tuabin. Haliade-X công suất 14 MW khổng lồ của GE có cánh quạt dài 107 mét, với đường kính cánh quạt kéo dài hơn 3/4 chiều cao của nó. Cánh dài hơn có nghĩa là tuabin có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn với ít vật liệu hơn và trong tương lai, chúng ta có thể thấy các trang trại điện gió với ít tuabin nhưng cánh dài hơn.

Các câu hỏi thường gặp

Các cánh của tuabin gió lớn bao nhiêu?

Đối với tuabin công suất trung bình 1,5 MW, các cánh quạt nằm trong khoảng từ 35 đến 45 mét. Điều này cho phép đường kính roto trung bình khoảng 75 đến 100 mét.

Các cánh quạt ảnh hưởng như thế nào đến sản lượng điện của tuabin gió?

Tua bin gió có cánh lớn hơn có công suất điện cao hơn. Điều này là do các cánh bao phủ một khu vực lớn hơn và do đó thu được một khối lượng lớn hơn của không khí chuyển động. Nhiều khối lượng hơn có nghĩa là nhiều năng lượng hơn.

Các cánh quạt trên tuabin lớn nhất thế giới lớn bao nhiêu?

GE Haliade-X có các lưỡi dài 107 mét. Nó dài hơn một sân bóng đá và gấp rưỡi chiều dài của một chiếc Boeing 747.

Các cánh tuabin lớn nhất từng được đề xuất?

Các kỹ sư đã đề xuất các tuabin công suất 50 MW với các cánh quạt dài hơn 200 mét. Những thiết kế này hiện không thể thực hiện được do những hạn chế về mặt vật lý.

Bài viết Liên quan: