Năng lượng gió là lĩnh vực năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất, thậm chí đánh bại cả năng lượng mặt trời. Điều đó có nghĩa là tuabin gió ngày càng trở thành một phần phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. Mặc dù không giống như năng lượng mặt trời, tuabin gió hầu như chỉ là các dự án quy mô lớn được xây dựng bởi các nhà sản xuất công nghiệp và thương mại. Vì vậy, người bình thường ít có khả năng làm quen với cách thức hoạt động của tuabin gió. Hãy tiếp tục đọc để tìm hiểu về tuabin gió là gì và cách chúng sản xuất điện như thế nào?

Mục lục

Làm thế nào để tuabin gió tạo ra điện? Nguyên lý hoạt động

Cách phổ biến nhất để tạo ra điện là quay một tuabin kết nối với máy phát điện. Điều này thường được áp dụng cho nhiên liệu hóa thạch, trong đó nhiên liệu được đốt cháy, tạo ra hơi hoặc khí có áp suất làm quay tuabin và tạo ra điện. Các tuabin gió hoạt động trên cùng một tiền đề, nhưng chúng sử dụng sức gió. Các cánh của tuabin gió thu nhận động năng từ gió, khiến chúng quay. Chuyển động quay này sau đó tạo ra điện.

Bước 1: Gió đập vào tuabin

Trước khi bạn có thể khai thác năng lượng gió, cần có gió để thổi. Gió đập vào các cánh quạt, làm quay cánh quạt. Các cánh quạt có hình dạng giống như cánh máy bay, tương tự như cánh của máy bay, khiến chúng tạo ra lực nâng. Đây là lực tạo ra điện. Vì các cánh luôn chuyển động nên gió sẽ tác động vào các cánh theo một góc tương đối. Các cánh quạt được thiết kế với mục đích này, kết hợp xoắn và góc để tận dụng momen động lượng và thu được nhiều năng lượng nhất có thể.

Bước 2: Tua bin quay

Khi tuabin quay, năng lượng gió sẽ được chuyển vào hộp số. Bản thân tuabin gió quay quá chậm để tạo ra điện, vì vậy cần có bánh răng để khuếch đại mô-men xoắn. Hộp số bao gồm một trục tốc độ thấp và một trục tốc độ cao. Các cánh được kết nối với trục tốc độ thấp, trục này kết nối với trục tốc độ cao. Trục tốc độ cao kết nối với máy phát điện.

Bước 3: Điện!

Hộp số giống như một cái phễu, ép một lượng lớn năng lượng vào một cánh quạt nhỏ, làm quay một nam châm điện bên trong máy phát điện. Điện được tạo ra khi năng lượng cơ học từ gió được chuyển thành năng lượng điện.

Bước 4: Truyền điện

Dòng điện chạy qua các dây cáp trong tháp đến một máy biến áp ở chân tuabin gió. Máy phát điện trong hầu hết các tuabin gió tạo ra nguồn điện xoay chiều, do đó không cần phải chuyển đổi từ điện một chiều sang điện xoay chiều như ở nhà máy điện truyền thống. Máy biến áp khuếch đại điện áp để phân phối trên diện rộng.

Hướng & Tốc độ gió

Vận tốc và hướng của gió có ảnh hưởng chính đến công suất tạo ra bởi các tuabin gió. Gió mạnh hơn tạo ra nhiều điện hơn, mặc dù có giới hạn. Các tuabin sẽ tắt khi tốc độ gió trên 55 dặm/giờ để tránh hư hỏng, và có những trường hợp tuabin bị phá hủy hoàn toàn do gió lớn trong các cơn bão. Tương tự, tốc độ gió quá thấp sẽ mang lại ít khả năng sản sinh ra điện. Hầu hết các tuabin gió ngừng hoạt động khi tốc độ gió giảm xuống dưới 8 dặm/giờ.

Tua bin hoạt động tốt nhất khi gió vuông góc với mặt phẳng của cánh quạt, hoặc khi cánh quạt và hướng gió tạo thành góc 180 độ. Hiệu suất của tuabin giảm xuống khi góc bắt đầu lệch. Bản chất không hoàn hảo và hướng gió có thể thay đổi đột ngột mà không cần thông báo nhiều, vì vậy hầu hết các tuabin gió đều được trang bị hệ thống ngàm và mô tơ định hướng tuabin theo hướng gió.

Thượng nguồn so với Hạ lưu

Thượng nguồn là nơi gió thổi đến, hoặc khu vực phía trước tuabin. Hạ lưu là nơi gió đang đi, hoặc phía sau tuabin gió. Vì các tuabin gió đang khai thác năng lượng từ gió, nên tốc độ gió ở hạ lưu luôn thấp hơn tốc độ gió ở thượng nguồn. Tốc độ gió chạy qua mặt phẳng, hoặc đoạn làm việc của tuabin là trung bình của vận tốc thượng lưu và hạ lưu. Hiệu suất của tuabin cao nhất khi tốc độ gió ở hạ lưu bằng 1/3 tốc độ gió ở thượng lưu. Hiệu suất của tuabin gió bị giới hạn bởi Giới hạn của Betz, quy định rằng không có tuabin gió nào có thể khai thác hơn 59,3% năng lượng gió sẵn có.

Các bộ phận của tuabin gió là gì?

Nhìn từ bên ngoài, thiết kế của một tuabin gió có vẻ đơn giản. Nó chỉ là một chiếc quạt khổng lồ, phải không? Sai lầm. Đạt được hiệu quả tốt nhất có nghĩa là vô vàng kỹ thuật, vật lý và động lực học chất lỏng được đưa vào thiết kế tuabin gió. Chúng là một hệ thống phức tạp gồm các bộ phận hoạt động để khai thác nhiều năng lượng nhất có thể.

Cảnh quạt & Rotor

Đặc điểm chính của tuabin gió là các cánh quạt. Hầu hết có ba, mặc dù một số thiết kế chỉ yêu cầu hai cánh. Các cánh quạt có hình dạng giống như cánh máy bay, giống như cánh của máy bay. Thiết kế khí động học này tạo ra lực nâng nhiều hơn lực cản, khiến các cánh quạt quay.

Kể từ khi các cánh quay, chúng hứng chịu gió một cách tương đối. Mặc dù gió vuông góc với các cánh quạt, đầu trên của cánh gió chịu nhiều gió nhất. Vì vậy, các nhà thiết kế nghiêng các cánh quạt theo hướng tương đối của gió để tối đa hóa hiệu quả. Tốc độ và hướng gió tương đối thay đổi một chút đi từ gốc của lưỡi đến đầu ngọn. Các cánh hiệu quả nhất có một chút xoắn để tận dụng hiệu ứng này.

Các cánh được gắn vào một trung tâm hình nón. Cùng với nhau, các cánh quạt và trục tạo thành rôto quay theo chiều gió.

Hộp số

Tự bản thân, các tuabin gió quay quá chậm để tự sản xuất năng lượng. Để quay máy phát điện đủ nhanh để tạo ra điện, cần phải có hộp số để tăng tốc độ quay. Hộp số bao gồm một trục tốc độ cao và một trục tốc độ thấp. Rotor được nối với trục tốc độ thấp, trục này nối với trục tốc độ cao và đến lượt nó, nối với máy phát điện. Hộp số đảm bảo rằng đủ mô-men xoắn, hoặc năng lượng quay, đến máy phát điện để tạo ra điện.

Máy phát điện

Máy phát điện là nơi sản xuất ra điện năng. Mô-men xoắn tạo ra bởi Rotor được khuếch đại trong hộp số và sau đó được chuyển thành năng lượng điện. Giống như hầu hết các máy phát điện, máy phát điện trong tuabin gió quay một cánh quạt được kết nối với một nam châm điện để tạo ra điện.

Phanh tốc độ (Brake)

Để tránh bị hư hại khi có gió tốc độ cao, các tuabin gió được trang bị phanh hãm tốc độ. Nếu tốc độ gió vượt quá 55 dặm/giờ, ngắt sẽ bật lên, dừng chuyển động quay của các cánh quạt. Điều này bảo vệ cánh quạt, hộp số và máy phát điện khỏi bị hư hỏng.

Vỏ

Tất cả các bộ phận trên được đặt bên trong nacelle. Các nacelle là hộp phía sau các cánh quạt và Rotor. Nó bảo vệ hộp số, cánh quạt và máy phát điện khỏi tiếp xúc với các yếu tố.

Máy đo gió & Wind vane

Máy đo gió là một thiết bị đo tốc độ gió. Máy đo gió sẽ gửi tín hiệu đến tốc độ phanh khi tốc độ gió quá cao hoặc quá thấp. Wind vane đo hướng gió và gửi tín hiệu đến thiết bị điện tử điều khiển hệ thống yaw. Cả hai máy đo gió và Wind vane đều nằm trên đỉnh của ống gió, thường hướng về phía sau.

Hệ thống Yaw

Hệ thống yaw giữ cho tuabin gió được định hướng theo đúng hướng. Giống như chúng ta đã nói trước đó, hiệu suất tối đa đạt được khi các cánh quạt tuabin vuông góc với hướng gió. Hệ thống yaw nhận đầu vào từ cánh gió về hướng gió và định hướng tua bin cho phù hợp. Nó bao gồm một hệ thống động cơ và phanh, và sử dụng bánh răng điện hoặc ổ trục thủy lực để quay. Hệ thống yaw được đặt ở vị trí của nacelle gặp tháp.

Tower

Gió có xu hướng mạnh hơn ở độ cao lớn hơn, vì vậy các tuabin gió được đặt trên đỉnh tháp lớn để tận dụng tốc độ gió cao hơn. Chiều cao của tháp rất quan trọng khi đánh giá khả năng phát điện. Nâng hoặc hạ chiều cao tháp có thể ảnh hưởng lớn đến công suất điện dự kiến. Trong khi Indiana có công suất điện dự kiến là 30.000 MW, con số đó đã tăng lên 40.000 MW khi chiều cao tháp được nâng từ 50m lên 70m. Chiều cao trung bình của tháp khoảng 65 mét. Để tránh xô lệch, việc tăng gấp đôi chiều cao tháp đòi hỏi phải tăng gấp đôi đường kính của tháp và tăng lượng vật liệu lên gấp 4 lần.

Phần lớn các tháp được làm bằng thép và chiếm từ 30% đến 65% tổng trọng lượng của tuabin. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư đang nghiên cứu các hợp kim thép cao cấp hơn có trọng lượng nhẹ hơn nhưng vẫn mang lại sự ổn định. Thép có nhược điểm của nó, vì nó không đủ mạnh để hỗ trợ việc xây dựng các tòa tháp cao hơn 90 mét. Nghiên cứu đang được thực hiện trên thép trộn với bê tông dự ứng lực, có thể hỗ trợ việc xây dựng các tuabin gió siêu cao.

Tòa tháp chứa các dây cáp chạy điện đến bộ chuyển đổi điện ở chân của nó. Trong hầu hết các tuabin, dòng điện được tạo ra đã là dòng điện xoay chiều, có thể chạy qua một máy biến áp để tăng hoặc giảm điện áp, sau đó được cấp trực tiếp vào lưới điện.

Các loại tuabin gió:

Loại tuabin gió phổ biến nhất là tuabin gió trục ngang, gọi tắt là HAWT. Thiết kế HAWT sản xuất phần lớn năng lượng gió ngày nay. Nó chỉ đơn giản là thiết kế hiệu quả nhất và được nghiên cứu kỹ lưỡng. Các cánh trên HAWT tạo ra lực nâng, làm cho các tuabin quay và tạo ra điện. Không giống như các thiết kế khác, HAWT phải đối mặt với gió để có hiệu quả và được trang bị hệ thống ngàm để đảm bảo đạt được góc 180 độ không đổi. Hầu hết các HAWT có 3 cánh, nhưng thiết kế hai cánh cũng phổ biến.

VAWT, hoặc tuabin gió tiếp cận thẳng đứng, ít phổ biến hơn. Như tên cho thấy, VAWT có tuabin định hướng thẳng đứng quay quanh trục trung tâm. Một ưu điểm chính của VAWT là chúng không phải hướng về phía gió, điều này rất tốt cho những khu vực có hướng gió thay đổi. Trong khi một số VAWT là các dự án quy mô lớn, hầu hết có xu hướng được sử dụng ở quy mô nhỏ, như cấp điện cho một tòa nhà hoặc cấu trúc nhỏ.

Saponius VAWTs và Darrieus VAWTs là hai thiết kế phổ biến nhất. Saponius VAWT là một trong những cách đơn giản nhất để tạo ra năng lượng gió, được thực hiện bằng cách sử dụng một vài cánh quạt hoặc muỗng, được hợp nhất thành một trục quay trung tâm. Chúng tự khởi động, nhưng hiệu quả thấp vì chúng tạo ra năng lượng bằng cách sử dụng lực cản thay vì lực nâng. Các tuabin Darrieus sử dụng hai cánh gió cong lớn gắn vào đỉnh và đế của trục trung tâm. Darrieus VAWT khá hiệu quả vì chúng tạo ra điện bằng thang máy, nhưng chúng có những điểm yếu về cấu trúc. Họ cũng cần một nguồn điện bên ngoài để bắt đầu.

Các trang trại gió

Một nhóm các tuabin gió tạo ra năng lượng tại một địa điểm được gọi là trang trại gió. Một trang trại điện gió có thể có quy mô khác nhau, từ một số ít tuabin gió đến vài trăm tuabin. Số lượng các trang trại điện gió đang tăng lên trên toàn cầu và khi các tuabin gió ngày càng trở nên hiệu quả, cần ít tuabin gió hơn trên một đơn vị công suất. Các trang trại điện gió có thể ở trên bờ hoặc ngoài khơi. Trang trại điện gió trên bờ lớn nhất là Trang trại gió Cam Túc ở Trung Quốc. Trang trại có công suất hiện tại là 8GW, và các kỹ sư có kế hoạch mở rộng trang trại lên 20GW. Trang trại ngoài khơi lớn nhất là Hornsea 1 ở Anh, với công suất 1,2GW. Khi toàn bộ dự án Hornsea hoàn thành, nó sẽ có tổng công suất là 6GW. Ở Việt Nam cũng có rất nhiều trang trại gió đã được xây dựng như Trung Nam ở Ninh Thuận, Quảng Trị…

Tua bin gió có thể sản xuất bao nhiêu điện?

Các tuabin gió lớn có thể cung cấp công suất từ vài trăm kilowatt đến vài megawatt, nhưng vì tốc độ gió thường thay đổi, nên sản lượng điện của tuabin gió cũng vậy. Nếu một tuabin gió được đánh giá ở công suất 1,5 MW, thì nó được kỳ vọng sẽ tạo ra ít điện năng hơn đáng kể trong thực tế. Nói chung, tuabin gió ngoài khơi lớn hơn tuabin trên bờ, và do đó có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn. Các tuabin gió ngoài khơi lớn nhất có sản lượng điện cao tới 8 MW .

Các tuabin gió mới hơn được cố tình thiết kế để không hoạt động hết công suất. Một phần nhỏ năng lượng được lưu trữ trong máy phát điện hoặc lưới điện cho những lúc cần thiết, chẳng hạn như sự cố trong hệ thống điện. Năng lượng bổ sung này cũng được sử dụng trong thời gian tốc độ gió thấp để duy trì nguồn cung cấp điện liên tục.

Nên đặt tuabin gió ở đâu?

Bất kỳ khu vực nào có gió mạnh đều là vị trí mong muốn cho một trang trại điện gió. Nói chung, gió mạnh nhất được tìm thấy trực tiếp ngoài khơi và trên các đèo núi. Đèo có xu hướng là vị trí lý tưởng vì chúng có gió mạnh và ổn định đến từ một hướng duy nhất. Khả năng tiếp cận hệ thống điện, địa lý vật lý và giá điện địa phương cũng đóng một vai trò quan trọng. Một số nơi nhiều gió nhất trên thế giới nằm gần các cực, nhưng cái lạnh cực độ và thiếu các khu dân cư đông đúc có nghĩa là có rất ít lý do để xây dựng một trang trại gió.

Kết Luận:

Làm thế nào để tuabin gió tạo ra điện?

Tua bin gió thu năng lượng từ gió. Năng lượng này sau đó được khuếch đại bằng cách sử dụng một hộp số, làm quay rotor trong máy phát điện, chuyển đổi cơ năng thành năng lượng điện. Các tuabin gió có hiệu suất từ 40% đến 50%, nhưng hiệu suất của chúng bị giới hạn bởi Giới hạn của Betz, quy định rằng không có tuabin gió nào có thể khai thác hơn 59,3% năng lượng của gió.

Các loại tuabin gió khác nhau là gì?

Tua bin gió truy cập ngang, hoặc HAWT, hoặc tuabin gió phổ biến nhất. HAWT hiệu quả hơn và ổn định hơn. Hầu hết các HAWT có hai hoặc ba lưỡi, và chúng sử dụng lực cản để tạo ra sự sống. HAWT phải đối mặt với gió để có hiệu quả. Tua bin gió tiếp cận thẳng đứng, hoặc VAWT, ít phổ biến hơn. VAWT thường được sử dụng ở quy mô nhỏ hơn để cấp điện cho các tòa nhà đơn lẻ hoặc các công trình nhỏ.

Trang trại điện gió lớn nhất thế giới ở đâu?

Trang trại gió Cam Túc ở Trung Quốc là trang trại lớn nhất thế giới, với công suất hiện tại là 8 GW, mặc dù các kế hoạch trong tương lai yêu cầu tổng công suất là 20 GW. Trang trại điện gió ngoài khơi lớn nhất thế giới nằm ngay ngoài khơi nước Anh. Hornsea 1 có công suất 1,2 GW, nhưng khi dự án bốn giai đoạn hoàn thành, dự án Hornsea sẽ có công suất 6 GW.

Điều kiện gió tốt nhất cho tuabin gió là gì? Gió mạnh là tốt nhất để tạo ra năng lượng gió. Gió lý tưởng nên từ 8 đến 50 dặm / giờ và đến từ một hướng duy nhất. Nó cũng phải là một luồng gió ổn định, không có nhiễu động hoặc gió giật đột ngột.