Một tuabin gió tạo ra bao nhiêu năng lượng?

Tuabin gió rõ ràng là một trong những lựa chọn chính cho năng lượng sạch. Lượng năng lượng mà tuabin gió có thể tạo ra rất quan trọng đối với kinh tế và có thể quyết định xem tuabin có phải là một khoản đầu tư đáng giá hay không. Có khá nhiều yếu tố xác định nguồn năng lượng này, và những yếu tố này cần được xem xét cẩn thận khi đánh giá tiềm năng của một tuabin gió.

Công suất định mức

Thông số kỹ thuật cơ bản nhất cho tuabin gió là công suất định mức

Một tuabin gió dân dụng có thể được đánh giá ở mức 5kW và các tuabin trang trại gió lớn hơn nhiều có thể được đánh giá ở vài MW mỗi tuabin. Tuy nhiên, tuabin sẽ không sản xuất công suất định mức này mọi lúc. Sản lượng điện khá rõ ràng phụ thuộc vào lượng gió thổi. Do đó, công suất định mức của tuabin gió là công suất mà tuabin sẽ tạo ra ở một tốc độ gió cụ thể.

Đường cong dưới đây cho thấy một ‘đường cong công suất’ ví dụ cho tuabin gió có công suất 1000W. Bạn sẽ lưu ý rằng công suất không bắt đầu tăng ở tốc độ gió bằng không: mỗi tuabin có tốc độ gió ‘cắt’ tại đó nó bắt đầu tạo ra năng lượng. Công suất tăng theo tốc độ gió lên đến công suất định mức, ở tốc độ gió xác định (thông số kỹ thuật tuabin gió sẽ nêu công suất định mức và tốc độ gió cho công suất định mức). Sau đó, công suất duy trì khá ổn định với tốc độ gió tăng dần cho đến khi tuabin ngừng hoạt động vì lý do an toàn. Tốc độ tắt thông thường là khoảng 25 m/s.

Để đưa những tốc độ này vào quan điểm, công suất tối đa vào khoảng 11 m/s, tức là 24,6 dặm/giờ hoặc 21 hải lý/giờ. Khá nhiều gió. Tốc độ gió khi tắt là 25 m/s là 56 dặm/giờ hoặc 48,6 hải lý/giờ. Điều này cho thấy rằng các tuabin gió có cửa sổ hoạt động rộng để có gió mạnh hơn. Ở đầu dưới, tốc độ gió tối thiểu khoảng 5 m/s thường được coi là cần thiết để tuabin gió có thể hoạt động được. Tốc độ này là 11 dặm/giờ hoặc 9,7 hải lý/giờ.

Các tuabin gió thương mại có các đường cong công suất khác nhau tùy thuộc vào việc chúng được thiết kế để hoạt động ở tốc độ gió thấp hơn hay cao hơn.

Hóa đơn tiền điện của bạn dựa trên lượng điện bạn sử dụng: nếu bạn nhìn vào hóa đơn, bạn sẽ phải trả cho mỗi kWh (viết tắt của kilowatt-giờ) bạn sử dụng. Năng lượng là công suất nhân với thời gian. Đơn vị của công suất là watt và đơn vị của năng lượng oát-giờ. Ví dụ, nếu một tuabin chạy trong 1 giờ với công suất 1000W, nó sẽ tạo ra năng lượng 1000 watt-giờ. Công suất định mức cao hơn sẽ cung cấp cho bạn nhiều năng lượng hơn, nhưng bạn cũng cần gió thổi với tốc độ tốt trong nhiều thời gian.

Vậy điều gì quyết định công suất định mức? Yếu tố lớn nhất là kích thước của tuabin. Các tuabin gió hoạt động bằng cách chuyển đổi gió đi qua các tuabin đang quay thành năng lượng. Họ làm việc này hiệu quả khoảng 40-50%. Các tuabin quay xác định một vòng tròn, với gió đi qua khu vực của vòng tròn được chuyển đổi thành năng lượng. Ghi nhớ một số dạng toán cơ bản THPT, diện tích hình tròn là pi xr ² . Trong trường hợp này r là chiều dài của các cánh tuabin.

Phương trình này rất quan trọng vì nó chỉ ra công suất và năng lượng mà tuabin tạo ra phụ thuộc vào chiều dài của cánh quạt. Nếu bạn tăng gấp đôi chiều dài của cánh, bạn sẽ nhận được lượng công suất và năng lượng gấp bốn lần.

Các ngôi nhà và địa điểm thương mại có những cân nhắc về không gian và quy định giới hạn độ dài của các cánh quạt. Các trang trại điện gió lớn có ít hạn chế hơn nhiều và liên tục có sự thúc đẩy để tạo ra các cánh tua bin lớn hơn và do đó các tua bin mạnh hơn. Chiều dài kỷ lục thế giới hiện được xác lập là 107m trên tuabin Haliade-X 12 MW của General Electric. Những thứ này có đủ thứ vấn đề về vận tải và chắc chắn không hề rẻ!

Gió bao nhiêu?

Tốc độ gió rõ ràng là rất quan trọng: gió thổi càng lâu với tốc độ càng cao thì tuabin gió tạo ra nhiều năng lượng hơn. Vậy làm cách nào để tìm ra lượng gió tại một địa điểm cụ thể?

Có rất nhiều bản đồ gió xung quanh hiển thị tốc độ gió trung bình tại các địa điểm khác nhau. Có một số điều cần được xem xét khi sử dụng các bản đồ như vậy. Đầu tiên là độ cao so với mặt đất. Điều này có ảnh hưởng lớn đến tốc độ gió trung bình, về cơ bản, gió sẽ tăng lên khi độ cao tăng lên. 3 bản đồ tốc độ gió trung bình của Hoa Kỳ được hiển thị dưới đây, cho các độ cao 10, 40 và 80m so với mặt đất. Những bản đồ này cho thấy chiều cao quan trọng như thế nào. Lấy Nebraska làm ví dụ. Ở độ cao 10m so với mặt đất, tốc độ gió trung bình khoảng 4-4,9 m/s. Điều này gần với khả năng tồn tại của tuabin gió. Ở độ cao 40m, tốc độ gió trung bình tăng lên khoảng 6-6,9 m/s. Và ở 80m, tốc độ của nó lên đến 7-7,9 m/s.

Hình dưới đây cho thấy đường cong công suất của tuabin gió thương mại có công suất định mức là 4000W. Ở tốc độ gió 4,5 m/s, tuabin chỉ phát ra khoảng 230W. Với tốc độ 6,5 m/s, con số này tăng lên khoảng 900W. Với tốc độ 7,5 m/s, công suất phát khoảng 1500W. Một sự khác biệt lớn về sản lượng điện và do đó năng lượng khi độ cao so với mặt đất tăng lên.

Các trang trại gió thương mại với các cánh quạt rất lớn (80m trở lên) có tâm của chúng cao hơn 80m và do đó có thể vươn tới các vùng gió cao hơn. Đối với các hệ thống gia đình và doanh nghiệp nhỏ hơn, chiều cao có thể bị giới hạn bởi quy định của địa phương và tất nhiên là kinh tế. Tuy nhiên, đối với tuabin gió, để tối đa hóa công suất và do đó năng lượng, điều quan trọng là nó phải đạt mức cao như các quy định và / hoặc kinh tế cho phép.

Một yếu tố khác có thể quan trọng khi xem xét tốc độ trung bình là gió không đổi như thế nào. Nếu gió không đổi một cách hợp lý thì tốc độ gió trung bình là một chỉ báo tốt. Tuy nhiên, nếu địa điểm chủ yếu có gió rất nhẹ, nhưng tốc độ trung bình được thúc đẩy bởi các cơn bão dữ dội thường xuyên với tốc độ gió lớn hơn tốc độ tắt máy, thì sản lượng điện và năng lượng sẽ thấp hơn nhiều.

Bao nhiêu năng lượng?

Chúng ta đã thấy rằng sản lượng năng lượng từ tuabin gió phụ thuộc vào định mức công suất của tuabin mà còn phụ thuộc vào mức độ mạnh của gió và thời gian nó thổi. Vì vậy, làm thế nào chúng ta có thể tìm ra bao nhiêu năng lượng mong đợi từ một tuabin? Chúng tôi cần điều này để đánh giá hiệu quả kinh tế.

Các kỹ sư sử dụng một thuật ngữ gọi là ‘Hệ số công suất’ để tính toán lượng năng lượng từ tuabin gió. Hệ số công suất, được biểu thị bằng phần trăm, là sản lượng năng lượng thực tế từ tuabin trong một năm, chia cho sản lượng năng lượng thu được từ tuabin hoạt động ở công suất danh định trong một năm.

Ví dụ, chúng ta hãy xem xét một tuabin 5kW. Nếu tuabin hoạt động ở công suất 5kW trong cả năm, sản lượng năng lượng sẽ là 5kW x 24 giờ mỗi ngày x 365 ngày mỗi năm bằng 43.800 kWh. Như chúng ta đã thấy, tuabin không thực sự làm được điều này. Giả sử tuabin thực sự sản xuất 20.000 kWh trong năm. Hệ số công suất có thể là 20.000 / 43.800 = 45,7%.

Trên đất liền, hệ số công suất dao động trong khoảng 25-50%.

Để vận hành tính kinh tế của tuabin gió, cần phải có một ước tính về hệ số công suất để chúng ta có thể ước tính lượng năng lượng đầu ra. Tốc độ gió trung bình kết hợp với đường cong công suất là một cách để thực hiện điều này. Ví dụ, sử dụng đường cong công suất ở trên, tốc độ gió trung bình là 6 m / s cho công suất đầu ra là 200W, bằng 20% ​​của 1000W định mức. Như vậy hệ số công suất là 20%. Trong tình huống này, tuabin sẽ sản xuất khoảng 20% ​​x 1000W x 24 giờ mỗi ngày x 365 ngày mỗi năm = 1.752 kWh. Ước tính này trở nên tốt hơn khi có nhiều gió liên tục hơn.

Các yếu tố địa điểm khu vực

Bản đồ gió trung bình đều tốt và tốt, nhưng các yếu tố địa phương có thể đóng một vai trò quan trọng và có thể hướng dẫn vị trí đặt tuabin tốt nhất. Các cấu trúc như cây cối và tòa nhà làm xáo trộn luồng không khí, khiến nó trở nên hỗn loạn hơn. Các tuabin gió kém hiệu quả hơn trong luồng không khí hỗn loạn và do đó sẽ cung cấp ít năng lượng hơn.

Theo quy luật chung, một cấu trúc sẽ tạo ra luồng không khí hỗn loạn đến khoảng gấp đôi chiều cao của nó. Vì vậy, tuabin gió ít nhất phải cao bằng mức này ở phần thấp nhất của các cánh quạt. Vùng nhiễu động cũng sẽ tiếp tục xuôi chiều với khoảng cách bằng khoảng hai mươi lần chiều dài của cấu trúc.

Cấu trúc địa phương cũng có thể được sử dụng để tạo lợi thế. Ví dụ, một ngọn đồi đủ nhẵn sẽ không tạo ra luồng không khí hỗn loạn nhưng có thể nén luồng không khí trên đỉnh đồi, làm tăng tốc độ gió trung bình.

Năng lượng Gió và năng lượng Mặt trời

Hãy so sánh hệ thống năng lượng gió và năng lượng mặt trời, cả hai đều có công suất định mức là 4kW, được lắp cùng 1 khu vực. Sử dụng phần mềm mô hình năng lượng mặt trời, hệ thống pin năng lượng mặt trời 4 kW sản xuất khoảng 5.679 kWh mỗi năm, hoặc trung bình 15,6 kWh mỗi ngày. Đối với tuabin gió 4 kW, chúng tôi giả định rằng tuabin cao 40m. Tốc độ gió trung bình khoảng 6,5 m/s, cho công suất trung bình 900W (từ đường cong công suất). Năng lượng trung bình mỗi ngày là 900W x 24h = 21.600 Wh hoặc 21,6 kWh.

Rõ ràng là năng lượng đầu ra tương đối phụ thuộc rất nhiều vào vị trí. Nếu chúng ta lấy ở địa điểm khác làm ví dụ khác, tốc độ gió trung bình chỉ là 5,5 m/s, cho công suất điện khoảng 500W. Điều này chỉ cung cấp khoảng 12 kWh mỗi ngày. Hệ thống năng lượng mặt trời cho khoảng 13,7 kWh.

Có rất nhiều khu vực mà gió có thể có ý nghĩa. Ở nhiều khu vực này, năng lượng mặt trời cũng rất tốt, vì vậy các hệ thống kết hợp sử dụng cả gió và mặt trời cũng có thể đáng được xem xét.

Phần kết luận

Có khá nhiều yếu tố xác định mức năng lượng mà tuabin gió sẽ tạo ra. Những cái lớn được đánh giá công suất và tốc độ gió trung bình.

Một phân tích kinh tế kỹ lưỡng nên được thực hiện đối với các tuabin gió cụ thể ở các địa điểm cụ thể. Năng lượng mà tuabin tạo ra là rất quan trọng đối với tính kinh tế này.

Câu hỏi thường gặp

Tôi cần bao nhiêu gió cho một tuabin gió?

Tốc độ gió trung bình thấp nhất thường được sử dụng là 5 m/s hoặc khoảng 11 dặm/giờ. Tuy nhiên, một phân tích kinh tế cần được thực hiện đối với các sản phẩm và giá cả cụ thể. Rõ ràng là tính kinh tế này trở nên tốt hơn khi gió trung bình tăng lên và trở nên rất tốt ở khoảng 7 m/s hoặc 15,7 mph.

Có thể gió quá mạnh?

Đúng. Tua bin sẽ ngừng hoạt động ở một tốc độ gió nhất định, thông thường khoảng 25 m/s hoặc 56 dặm/giờ. Bạn cũng nên kiểm tra tốc độ gió tối đa được chỉ định cho tuabin của mình để đảm bảo rằng nó không bị thổi bay!

Điều gì tốt hơn, năng lượng gió hay năng lượng mặt trời?

Điều này thực sự phụ thuộc vào vị trí của bạn và yêu cầu một phân tích thích hợp. Một lợi thế tiềm năng của gió so với năng lượng mặt trời là nó có thể cung cấp năng lượng khi mặt trời không chiếu sáng. Nó có thể đáng xem xét một sự kết hợp giữa gió và mặt trời.

Tua bin gió phải cao bao nhiêu?

Càng cao càng tốt! Gió mạnh dần lên theo độ cao. Tuy nhiên, tại các khu dân cư và thương mại, chiều cao cho phép sẽ được quy định. Kinh tế và diện tích sẵn có cũng ảnh hưởng đến chiều cao thực tế có thể đạt được.

Tham khảo thêm:

• Nguyên lý hoạt động của Tuabin Gió
• Các loại tuabin gió