Tuabin gió được biết đến nhờ khả năng chuyển đổi năng lượng gió tự nhiên thành điện năng. Ban đầu, tuabin điện gió chỉ có công suất 50-100 kW nhưng đến nay chúng đã đạt được khoảng 9,5-10 MW. Hãy cùng Intech Energy tìm hiểu về tuabin điện gió qua bài viết dưới đây.
Định nghĩa tuabin gió là gì?
Tuabin gió (hay tuabin điện gió) là một thiết bị được thiết kế để chuyển đổi năng lượng từ gió thành điện năng. Khi gió thổi làm quay cánh quạt, năng lượng cơ học được tạo ra từ chuyển động này sẽ được máy phát điện chuyển đổi thành điện năng. Tuabin gió thường được lắp đặt ở những khu vực có tốc độ gió ổn định như trên đỉnh đồi, đồng bằng rộng lớn, trên biển nhằm khai thác hiệu quả nguồn năng lượng gió. Năm 2022, năng lượng điện gió chiếm 7,33% sản lượng điện toàn thế giới và con số này ngày càng tăng lên mỗi năm.
Lịch sử và phát triển của tuabin gió và điện gió
Năng lượng gió là một trong những nguồn năng lượng tự nhiên được con người khai thác từ rất sớm, chủ yếu qua việc sử dụng sức gió để vận hành các công cụ cơ học như thuyền buồm hay cối xay. Khi các công nghệ liên quan đến điện và máy phát điện ra đời, ý tưởng tận dụng gió để sản xuất điện cũng bắt đầu phát triển.
Năm 1887, nhà khoa học James Blyth ở Scotland đã tiên phong xây dựng hệ thống phát điện bằng sức gió, góp phần mở đường cho những phát minh tiếp theo trong lĩnh vực này. Một năm sau, kỹ sư người Mỹ Charles Francis Brush đã sáng chế một hệ thống cối xay gió khổng lồ có khả năng sản xuất điện phục vụ nhu cầu sinh hoạt, và từ đây, thuật ngữ “tuabin gió” dần được sử dụng để mô tả những thiết bị này.
Vào thế kỷ 20, tuabin điện gió dần phổ biến tại châu Âu và mở rộng ra khắp thế giới. Hiện nay, điện gió đã trở thành một phần quan trọng trong cơ cấu năng lượng toàn cầu. Theo thống kê, đến năm 2020, công suất điện gió toàn cầu đạt 733 GW, gần gấp đôi so với năm 2011. Sự gia tăng này đặc biệt mạnh mẽ tại các quốc gia như Trung Quốc và Ấn Độ, nơi điện gió được đẩy mạnh nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng lớn.
Dự báo đến năm 2030, công suất điện gió ngoài khơi sẽ tiếp tục tăng nhanh, với châu Âu, châu Mỹ, và châu Á đều ghi nhận sự phát triển đáng kể. Với nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng gia tăng, việc khai thác tiềm năng của năng lượng gió sẽ tiếp tục đóng vai trò thiết yếu trong việc giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và hướng đến sự phát triển bền vững.
Cấu tạo các bộ phận chính của tuabin gió
Để đảm bảo tuabin gió hoạt động ổn định và bền vững, việc thiết kế nền móng là một yếu tố rất quan trọng. Tùy thuộc vào đặc tính của nền đất và vị trí lắp đặt, các loại móng khác nhau sẽ được sử dụng nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và tính ổn định của hệ thống.
Nền móng trên đất liền
- Móng tấm/móng nông: Đây là loại móng phổ biến nhất cho tuabin điện gió lắp đặt trên đất liền. Một tấm bê tông cốt thép lớn được chôn sâu dưới lòng đất, giúp phân tán lực từ tuabin lên bề mặt rộng hơn và giữ cho tuabin đứng vững.
- Móng cọc: Được sử dụng trong các khu vực có nền đất mềm hoặc kém ổn định, móng cọc bao gồm các cọc thép hoặc bê tông cắm sâu vào lòng đất. Cọc này giúp cố định và phân tán lực, ngăn tuabin bị lún hoặc nghiêng khi vận hành.
Nền móng dưới nước (ngoài khơi – offshore)
- Móng trọng lực (Gravity foundation): Đây là một loại móng phổ biến cho các tuabin gió ngoài khơi, sử dụng trọng lượng của bê tông để giữ cho tuabin ổn định mà không cần cọc cố định. Loại móng này thường được dùng cho các khu vực có đáy biển tương đối cứng.
- Tripod: Với thiết kế ba chân, móng Tripod phân bổ lực từ tuabin gió lên ba cọc thép lớn. Cấu trúc này thích hợp cho các khu vực có mực nước sâu từ 10 đến 20 mét.
- Móng xô (Bucket foundation): Đây là một loại móng có hình trụ bằng thép, mở ra ở phần dưới. Khi đặt xuống đáy biển, hệ thống hút chân không sẽ giúp móng ép chặt xuống đáy. Điều này giúp nền móng bám vững vào lớp đất biển, đặc biệt trong các khu vực có đất mềm.
- Monopile: Monopile là một loại cọc thép có đường kính lớn, thường khoảng 4 mét, được cắm sâu vào đáy biển. Chiều sâu của cọc có thể điều chỉnh từ 10 đến 20 mét tùy vào điều kiện của đáy biển. Monopile là giải pháp phổ biến cho các khu vực biển có mực nước không quá sâu.
Tháp
Tháp tuabin gió không chỉ có nhiệm vụ nâng đỡ phần nacelle và cánh quạt mà còn phải chịu được lực tác động từ gió, bao gồm cả tải trọng tĩnh và động. Để đảm bảo độ bền và ổn định, tháp thường được thiết kế dưới dạng ống bằng thép hoặc bê tông. Trong một số trường hợp đặc biệt, tháp cũng có thể được xây dựng theo kiểu cấu trúc lưới để phù hợp với điều kiện thực địa.
Phần tháp đóng vai trò quan trọng vì phải chịu lực lớn từ trọng lượng của nacelle, thường lên đến hàng trăm tấn, cùng với các tác động liên tục từ gió và cánh quạt. Điều này khiến tháp phải được thiết kế chắc chắn để đảm bảo an toàn và hiệu suất của tuabin điện gió.
Chi phí xây dựng tháp chiếm từ 15 đến 20% tổng chi phí dự án và ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả kinh tế. Mặc dù việc xây dựng tháp cao hơn có thể làm tăng chi phí, nhưng nó lại mang lại lợi thế về sản lượng điện thu được, do tháp cao giúp tiếp cận với những luồng gió mạnh hơn và ổn định hơn. Chiều cao của tháp phải được tính toán cẩn thận dựa trên các yếu tố cụ thể của từng vị trí để tối ưu hóa hiệu quả của hệ thống tuabin gió.
Rotor & cánh quạt
Rotor của tuabin gió là bộ phận quan trọng chuyển đổi năng lượng từ gió thành chuyển động cơ học quay, từ đó tạo ra điện năng. Rotor kết hợp với các cánh quạt điện gió để thực hiện chức năng này.
Hiện tại, rotor với ba cánh quạt trên trục ngang là kiểu thiết kế phổ biến nhất. Các cánh quạt gió thường được chế tạo từ vật liệu composite như sợi thủy tinh hoặc sợi carbon gia cường nhựa (GRP, CFRP), nhằm đảm bảo độ bền và hiệu suất cao. Hình dáng của cánh quạt thường giống như cánh máy bay, hoạt động theo nguyên tắc nâng. Khi gió thổi qua cánh quạt, áp suất không khí phía dưới cánh cao hơn so với phía trên, tạo ra lực kéo. Sự chênh lệch áp suất này làm cho rotor quay, từ đó chuyển hóa năng lượng gió thành năng lượng cơ học và điện.
Nacelle++
Nacelle hay còn gọi là thân trục của tuabin gió, là một bộ phận quan trọng chứa các thành phần chính như hộp số, máy phát điện và hệ thống điều khiển. Nacelle được đặt trên đỉnh của tháp tuabin và kết nối trực tiếp với rotor thông qua trục quay. Khi các cánh quạt của tuabin quay, năng lượng cơ học được truyền qua trục và hộp số, sau đó được chuyển hóa thành điện năng bởi máy phát điện bên trong nacelle.
Ngoài ra, nacelle cũng được trang bị hệ thống cảm biến và điều khiển để điều chỉnh hướng và tốc độ quay của tuabin sao cho tối ưu, đảm bảo hiệu suất vận hành và an toàn trong mọi điều kiện gió.
Hub
Hub, hay còn gọi là trục trung tâm, là bộ phận quan trọng của rotor nơi các cánh quạt được gắn vào. Hub thường được chế tạo từ gang hoặc thép đúc để đảm bảo độ bền và khả năng chịu lực. Bộ phận này có nhiệm vụ dẫn truyền năng lượng từ cánh quạt tới hệ thống máy phát điện. Trong trường hợp tuabin gió sử dụng hộp số, hub sẽ kết nối với trục quay chậm của hộp số để chuyển hóa năng lượng gió thành chuyển động quay. Với các tuabin truyền động trực tiếp, hub truyền thẳng năng lượng tới máy phát.
Có nhiều phương pháp để gắn cánh quạt vào hub, bao gồm vị trí cố định hoặc hệ thống khớp nối linh hoạt. Phương pháp gắn cố định hiện đang được các nhà sản xuất ưa chuộng do tính ổn định, độ tin cậy cao và thiết kế đơn giản, giúp giảm thiểu các bộ phận di chuyển có khả năng bị hỏng.
Tuabin gió hoạt động như thế nào?
Nguyên lý hoạt động của tuabin điện gió diễn ra khá đơn giản nhưng hiệu quả. Khi gió thổi, rotor được kích hoạt và bắt đầu quay. Chuyển động quay này được truyền tới trục chính và từ đó cung cấp năng lượng cho máy phát điện. Hệ thống điều hướng giúp nacelle xoay theo hướng gió để tận dụng tối đa sức gió. Rotor chỉ khởi động khi tốc độ gió đạt ngưỡng 10 km/h và sẽ tự động ngừng hoạt động khi tốc độ gió vượt quá 90 km/h để đảm bảo an toàn.
Cụ thể, động năng của gió được rotor chuyển hóa thành năng lượng cơ học. Nếu có hộp số, nó sẽ tăng tốc độ quay từ 18-25 vòng/phút lên đến 1.800 vòng/phút, đủ để cung cấp năng lượng cho máy phát điện. Máy phát điện sau đó chuyển đổi năng lượng cơ học này thành điện năng. Cuối cùng, máy biến áp điều chỉnh và truyền tải điện vào lưới điện. Các hệ thống điều khiển trên nacelle liên tục giám sát và điều chỉnh các thông số vận hành để đảm bảo an toàn và hiệu suất cao cho tuabin.
Các loại tuabin gió phổ biến
Tuabin gió trục ngang (HAWT)
Đây là loại phổ biến và đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều dự án điện gió. Tuabin gió trục ngang có thiết kế trong đó rotor được trang bị 3 hoặc nhiều cánh quạt, quay quanh trục ngang vuông góc với gió.
Các cánh quạt được gắn vào trục (phần trung tâm mà các cánh quạt được kết nối), được liên kết với hộp số và máy phát điện. Chức năng chính của hộp số là tăng tốc độ quay của rotor để tạo ra điện.Tháp nâng rotor lên để tận dụng tối đa sức gió mạnh hơn ở độ cao lớn hơn.
Tuabin gió trục dọc (VAWT)
Tua bin gió trục đứng có thiết kế sáng tạo với rotor quay quanh trục thẳng đứng và cánh quạt hình xoắn ốc hoặc hình quả trứng. Thiết kế này làm cho chúng nhỏ gọn và linh hoạt. Nhờ cấu trúc đơn giản và khả năng thích ứng với nhiều hướng gió, chúng là lựa chọn tuyệt vời ở những nơi có không gian hạn chế như môi trường đô thị và cộng đồng đông đúc.
Mặc dù vẫn đang trong giai đoạn phát triển, các tuabin gió dạng này đã cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn trong việc giải quyết nhiều thách thức và có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình phát triển công nghệ gió. Buông bàn tay này chấm hết tất cả những cơn đau
Tuabin gió không cánh
Tuabin gió không cánh , còn được gọi là tua bin gió trục thẳng đứng không cánh, là một cải tiến so với các thiết kế tua bin gió thông thường.
Thay vì sử dụng các cánh quạt cổ điển xoay quanh trục ngang, các thiết bị này lựa chọn cấu hình trục dọc, loại bỏ hoàn toàn các cánh quạt. Thu hoạch năng lượng gió đạt được thông qua các nguyên lý khí động học thay thế, chẳng hạn như sử dụng các hình trụ thẳng đứng hoặc các cấu trúc xoắn ốc. Các thiết kế này nhằm mục đích cải thiện hiệu quả và giảm dấu chân thị giác và âm thanh liên quan đến các cánh quạt truyền thống.
Tuabin gió nhỏ và siêu nhỏ
Được thiết kế với kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho các hộ gia đình, doanh nghiệp nhỏ hoặc khu vực có nhu cầu năng lượng thấp. Với khả năng lắp đặt linh hoạt trên mái nhà hoặc khu vực đất trống, tuabin điện gió nhỏ và siêu nhỏ không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường bằng cách tận dụng nguồn năng lượng tái tạo.
Lợi ích và hạn chế của tuabin gió
Lợi ích
- Sử dụng năng lượng từ gió, một nguồn năng lượng tự nhiên, vô tận và không gây ô nhiễm môi trường.
- Không tạo ra khí CO2 hay các chất gây ô nhiễm, giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến biến đổi khí hậu.
- Sau khi lắp đặt, tuabin gió có thể sản xuất điện với chi phí vận hành thấp, mang lại hiệu quả kinh tế trong dài hạn.
- Được lắp đặt trên đất liền, ngoài khơi hoặc ở các khu vực có gió mạnh, tận dụng tối đa tiềm năng gió ở những vị trí khác nhau.
- Ngành công nghiệp năng lượng gió tạo ra nhiều công việc liên quan đến sản xuất, lắp đặt, vận hành và bảo trì.
Hạn chế
- Chi phí đầu tư ban đầu cao đặc biệt là đối với các dự án quy mô lớn.
- Hiệu suất của tuabin gió phụ thuộc vào sức mạnh và tính ổn định của gió, do đó sản lượng điện không ổn định nếu điều kiện gió không đủ mạnh.
- Gây ảnh hưởng đến cảnh quan tự nhiên và đôi khi làm hại các loài chim hoặc động vật hoang dã trong khu vực.
- Tạo ra tiếng ồn trong quá trình hoạt động, gây phiền nhiễu cho những khu vực dân cư lân cận.
- Tuabin điện gió thường cần không gian rộng để lắp đặt, đặc biệt là các trang trại gió lớn, có thể giới hạn việc sử dụng đất cho mục đích khác.
Câu hỏi thường gặp về tuabin gió
Tua bin gió cao bao nhiêu?
Các trụ tuabin gió thường cao trung bình 100m – 135m. Trọng lượng trung bình khoảng 20 – 200 tấn.
Cánh quạt điện gió dài bao nhiêu mét?
Không chỉ được thiết kế cao, các cánh quạt của các tuabin này cũng có chiều dài lớn từ 65m – 80m.
Công suất của tuabin gió là bao nhiêu?
Công suất điện trung bình của một tua-bin gió là 2-3 megawatt (MW), cho phép sản xuất hơn 6 triệu kilowatt giờ (kwh) điện mỗi năm.
Chi phí 1 trụ điện gió là bao nhiêu?
Thông thường, chi phí cho một tuabin gió có công suất từ 2-3 MW dao động khoảng 2-4 triệu USD, với mức trung bình khoảng 1,3 triệu USD cho mỗi MW. Ngoài ra, chi phí lắp đặt và bảo trì cũng có thể đạt tới 42.000 – 48.000 USD. Ở Việt Nam, một trụ điện gió tại Bình Định có mức đầu tư ước tính khoảng 100 – 115 tỷ đồng, với chiều cao lên tới 105 mét. Mỗi trụ điện gió này có khả năng tạo ra 5 MW điện mỗi giờ.
Hy vọng qua bài viết trên đây, Intech Energy đã giúp bạn hiểu được tổng quan về tuabin gió. Sử dụng năng lượng tái tạo là một trong những giải pháp nhằm đảm bảo môi trường sống trong tương lai khỏi biến đổi khí hậu. Để khám phá thêm những loại năng lượng tái tạo khác hãy tham khảo các bài viết của chúng tôi nhé.
