Điện gió là gì? Tuabin và nguyên lý phát điện từ gió

Điện gió là gì? Đây là một loại năng lượng tái tạo đang được quan tâm trên toàn cầu. Những khu vực có thể khai thác nguồn năng lượng gió cần có tốc độ gió lớn và ổn định, mật độ không khí cao và vị trí địa lý thuận lợi như ở các vùng ven biển, ngoài khơi, hay các vùng đồng bằng, thung lũng hẹp. Tìm hiểu những thông tin thú vị về điện gió cùng ALEN trong nội dung bài viết này để biết tại sao nó được xem là nguồn năng lượng sạch. 

1. Điện gió là gì?

Điện gió là một loại năng lượng tái tạo sạch, tận dụng sức gió để tạo ra điện năng cho con người sử dụng hàng ngày. Tuabin điện gió được lắp đặt ở những khu vực rộng, xa khu dân cư và có nhiều gió. Khi gió thổi đến làm cánh quạt của tuabin quay, sự vận động này sẽ truyền đến máy phát điện và tạo ra điện năng. Nguồn điện được tạo ra từ gió là nguồn điện sạch, hoàn toàn không làm ảnh hưởng đến tự nhiên, góp phần bảo vệ môi trường.

2.Tuabin điện gió là gì và hoạt động như thế nào?

Tuabin gió là thiết bị chuyển đổi điện năng gió thành cơ năng, sau đó biến đổi gió thành điện năng. Đây là phương thức tận dụng nguồn năng lượng tái tạo từ gió để tạo ra điện năng mà không gây ô nhiễm môi trường.

2.1.Nguyên lý hoạt động của tuabin điện gió

Tuabin gió hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển động của gió tạo ra áp lực khác nhau trên từng cánh quạt, khiến chúng chuyển động, quay tròn. Điều này dẫn đến việc trục quay hoạt động và sinh ra năng lượng cơ học. Năng lượng này sau đó được chuyển đổi thành điện năng thông qua hệ thống generator.

2.2. Tuabin trục ngang (HAWT) và tuabin trục đứng (VAWT)

Tuabin gió trục ngang là loại tuabin phổ biến nhất hiện nay. Nó có thiết kế giống như cánh của máy bay. 

• Cơ chế đón gió: Trục quay của cánh quạt nằm song song với mặt đất. Tuabin bắt buộc phải quay về phía gió thổi để có thể hoạt động.

• Nguyên lý chuyển động: Khi có gió thổi qua, sự chênh lệch về áp suất giữa hai mặt cánh quạt tạo ra lực nâng giống như cánh máy bay khiến cho cánh quạt quay.

• Truyền động: Cánh quạt làm quay trục tốc độ thấp, đi qua hộp số  để tăng tốc độ quay, rồi chạy máy phát điện phía trên đỉnh cột.

• Hệ thống định hướng: Sử dụng cảm biến và động cơ rơ le để tự động xoay toàn bộ thân trên của tuabin hướng về phía có gió.

Tuabin trục đứng là loại có trục quay đặt vuông góc với mặt đất, các cánh quạt quay quanh trục đứng giống như vòng xoay ngựa gỗ.

• Cơ chế đón gió: Hoạt động độc lập, không theo hướng gió. Gió thổi từ bất kỳ hướng nào thì tuabin cũng có thể tự quay mà không cần xoay thân.
• Nguyên lý chuyển động: Sử dụng kết hợp lực cản và lực nâng. Khi gió thổi vào, các cánh quạt ở một bên cản gió tạo lực đẩy, trong khi các cánh đối diện lướt qua gió, giúp trục trung tâm quay tròn.
• Truyền động: Trục đứng quay truyền thẳng cơ năng xuống máy phát điện và hộp số thường được đặt ngay dưới mặt đất.

2.3. Quạt điện gió: cánh quạt được làm từ vật liệu gì?

Quạt điện gió, hay tuabin gió hoạt động dựa trên nguyên lý khí động học để biến đổi động năng của gió thành điện năng. Thiết bị có các cánh quạt được chế tạo từ vật liệu composite tiên tiến, có khả năng chịu lực lớn. 

Quy trình tạo gió diễn ra qua 4 bước chính như sau:

• Đón gió và tạo lực nâng: Khi có gió thổi qua, thiết kế khí động học của cánh quạt (mặt trước cong, mặt sau phẳng) đưa không khí di chuyển qua hai mặt với vận tốc khác nhau. Sự chênh lệch áp suất này tạo ra lực nâng và lực đẩy làm cánh quạt quay quanh trục
• Tăng tốc độ quay: Cánh quạt chuyển động kéo theo trục tốc độ thấp (khoảng 8 – 20 vòng/phút). Trục này truyền động vào hộp số (Gearbox) để tăng tốc độ quay lên hơn 100 lần (khoảng 1.500 – 1.800 vòng/phút), đạt mức cần thiết cho máy phát điện.
• Phát ra dòng điện: Trục tốc độ cao sau hộp số sẽ làm quay nam châm bên trong máy phát điện, cắt các đường sức từ và tạo ra dòng điện xoay chiều (AC).
• Truyền tải điện: Dòng điện đi qua bộ đổi nguồn để ổn định tần số, truyền xuống chân cột qua máy biến áp để tăng áp, rồi hòa vào lưới điện quốc gia.

3. Cấu tạo của tuabin điện gió

Cấu tạo của tuabin điện gió bao gồm các phần chính như sau:

3.1. Cánh quạt và rotor

Cánh quạt và rotor là thành phần chịu trách nhiệm tiếp xúc và thu nhận năng lượng từ dòng gió. 

• • Cánh quạt: gồm có 3 sợi được làm từ thuỷ tinh hoặc carbon, được thiết kế theo hình khí động học để tối ưu lực nâng từ gió.

• Hộp đùn (hub): Bộ phận trung tâm làm nhiệm vụ kết nối các cánh quạt, được gắn vào trục chính cả tuabin

• Hệ thống thay đổi góc đón gió (Pitch System): Động cơ cơ khí làm xoay góc của cánh quạt, nhằm tối đa hoá việc đón gió khi gió yếu, hoặc làm giảm lực cản để bảo vệ tuabin khi có bão, gió lớn.

• Rotor: Đây là tổ hợp bao gồm cánh quạt và hộp đùn, nó có tác dụng chuyển đổi động năng cyar gió thành chuyển động tròn của trục.

3.2. Hộp số và máy phát điện

Toàn bộ hệ thống này cùng với trục quay được đặt gọn bên trong một lớp vỏ bảo vệ lớn gọi là Nacelle nằm trên đỉnh tháp.

• Trục tốc độ thấp (Low-speed shaft): Kết nối từ rotor tới hộp số, quay với tốc độ chậm theo tốc độ thực tế của cánh quạt (khoảng 8–20 vòng/phút).
• Hộp số (Gearbox): Bộ phận cơ khí dùng để tăng tốc độ quay từ trục tốc độ thấp lên mức rất cao (khoảng 1.500–1.800 vòng/phút) để phù hợp với yêu cầu đầu vào của máy phát.
• Trục tốc độ cao (High-speed shaft): Kết nối đầu ra của hộp số trực tiếp vào máy phát điện, được trang bị thêm phanh đĩa cơ học để dừng rotor khi khẩn cấp.
• Máy phát điện (Generator): Sử dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để chuyển đổi cơ năng từ trục tốc độ cao thành dòng điện xoay chiều.
• Hệ thống xoay hướng tuabin (Yaw system): Gồm động cơ và bánh răng giúp xoay toàn bộ Nacelle theo hướng gió thổi dựa trên dữ liệu từ cảm biến đo gió.

3.3. Trụ điện gió (tháp đỡ): các loại móng phổ biến

Trụ điện gió (Tower) được làm từ các ống thép hình trụ rỗng nối lại với nhau, nó nâng đỡ toàn bộ hệ thống nacelle và cánh quạt lên cao để đón luồng gió mạnh, ổn định. Phần móng bên dưới thì được lắp đặt tuỳ theo địa hình.

Điện gió trên bờ

• Móng nông (móng bè- gravity base): Khối bê tông cốt thép khổng lồ hình tròn hoặc lục giác chôn nông dưới lòng đất, dùng chính trọng lực của móng để giữ tuabin đứng vững.

• Móc cọc sâu ( pile foundation): Khi nền đất yếu, các cọc bê tông, thép được đóng sâu dưới lòng đất cho đến khi chạm tầng đá cứng để neo giữ trụ.

Điệ gió ngoài khơi

• Móng đơn (Monopile): Một ống thép đường kính lớn đóng thẳng xuống đáy biển, phù hợp cho vùng nước nông (dưới 30m).
• Móng chân đế (Jacket): Khung thép dạng lưới 3 hoặc 4 chân giống như chân đế giàn khoan dầu khí, dùng cho vùng nước sâu hơn (30m – 60m).
• Móng nổi (Floating foundation): Hệ thống phao nổi khổng lồ được neo chặt xuống đáy biển bằng dây cáp xích, áp dụng cho vùng nước siêu sâu nơi không thể đóng mọc cố định.

4. Phân loại điện gió

4.1. Điện gió trên bờ (Onshore)

Điện gió trên bờ là hình thức phát triển hệ thống điện gió truyền thống, các nhà máy điện được xây toàn bộ trên đất liền:

• Vị trí lắp đặt: Thường đặt tại các vùng cao nguyên, đồi núi, thung lũng hoặc các khu vực ven biển có địa hình thoáng đãng, lộng gió.
• Chi phí đầu tư: Thấp hơn nhiều so với điện gió ngoài khơi nhờ việc vận chuyển thiết bị, thi công móng và xây dựng hệ thống đường dây truyền tải dễ dàng hơn.
• Vận hành và bảo dưỡng: Thuận tiện, chi phí bảo trì thấp do kỹ sư có thể tiếp cận tuabin bằng đường bộ bất cứ lúc nào.
• Hạn chế: Tốc độ gió trên đất liền thường không ổn định do bị cản trở bởi địa hình, cây cối, nhà cửa. Các dự án lớn dễ gây tranh chấp quỹ đất và có thể ảnh hưởng đến cảnh quan hoặc tiếng ồn đối với khu dân cư lân cận.

4.2. Điện gió ngoài khơi (Offshore)

Đây là xu hướng công nghệ mới, các tuabin được lắp đặt cố định hoặc nổi trên mặt biển, cách đất liền từ vài km đến hàng chục km.

• Vị trí lắp đặt: Các vùng biển nông gần bờ (sử dụng móng cố định) hoặc vùng biển sâu xa bờ (sử dụng móng nổi).
• Hiệu suất phát điện: Cực kỳ cao và ổn định. Do mặt biển không có vật cản, tốc độ gió tại đây luôn lớn hơn và thổi đều đặn hơn nhiều so với trên đất liền, cho phép sử dụng các tuabin kích thước khổng lồ.
• Chi phí đầu tư: Rất cao. Việc thi công trên biển đòi hỏi tàu chuyên dụng, công nghệ móng phức tạp, cáp ngầm biển chịu lực và chống ăn mòn mặn.
• Tác động môi trường: Ít gây ảnh hưởng đến quỹ đất sinh hoạt của con người và giảm thiểu ô nhiễm tiếng ồn. Tuy nhiên, quá trình thi công cần được kiểm soát để tránh tác động đến hệ sinh thái biển.

5. Ưu và nhược điểm của điện gió

5.1. Lợi ích môi trường và kinh tế

• Sạch và bền vững: Không phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Là nguồn năng lượng vô tận, sử dụng năng lượng tự nhiên không sợ cạn kiệt.

• Hiệu suất cao: Phát huy tối đa công suất ở những vùng có gió mạnh, ổn định. Là lựa chọn hàng đầu cho các khu vực ven biển, đồi cao.

• Chi phí vận hành rẻ: Gió là nhiên liệu hoàn toàn miễn phí, không tốn tiền mua. Mà chi phí duy trì hệ thống thấp hơn nhiều lần so với nhiệt điện

• Quy mô linh hoạt: Có thể lắp đặt theo mọi kích cỡ và lắp đặt trên nhiều địa hình từ đất liền, núi đồi và ngoài khơi.

5.2. Hạn chế và thách thức

• Phụ thuộc nhiều vào điều kiện thời tiết: Cần gió thổi đủ mạnh để làm tuabin quay, nhưng nếu bão hay gió to cũng cần ngừng hoạt động để tránh hư hỏng. Khả năng phát điện không ổn định, do tốc độ gió thay đổi liên tục.

• Chi phí đầu tư lớn: Vốn đầu tư thiết bị cao, chi phí vận chuyển và lắp đặt lớn hơn so với các hình thức nhiệt điện và thuỷ điện.

• Tác động lớn đến sinh quyển địa phương: Điện gió gây ô nhiễm tiếng ồn, cánh quạt tạo ra tiếng rít cơ học âm lượng lớn, ảnh hưởng đến cuộc sống người dân xung quanh. Đồng thời chiếm dụng không gian sống và có thể gây nguy hiểm cho các loài chim bay trên trời.

Hiểu rõ điện gió là gì giúp chúng ta thấy được tầm quan trọng của nguồn năng lượng xanh. Dù vẫn tồn tại nhược điểm nhưng điện gió vẫn là giải pháp bền vững nhờ ưu điểm sạch, vận hành rẻ và linh hoạt. Việc tối ưu hóa cấu tạo tuabin trục ngang, trục đứng cùng các loại móng trên bờ và ngoài khơi đang mở ra kỷ nguyên mới cho năng lượng tái tạo. Phát triển điện gió chính là chìa khóa để giảm phát thải và bảo vệ hành tinh.