Như các bạn đã biết thì năng lượng gió đang dần trở thành nguồn năng lượng tái tạo cực kì phổ biến trong cuộc sống hằng ngày và được rất nhiều nước khai thác. Điều này đồng nghĩa với việc turbin gió trở thành một phần quan trọng trong cuộc cách mạng năng lượng này. Tuy nhiên, người thông thường hiếm khi được tiếp xúc với turbin gió cũng như hiểu được turbin gió hoạt động như thế nào. Vì thế, hãy cùng mình tìm hiểu về turbin gió trong bài viết này nhé.
Turbin gió là gì?
Turbin gió hay còn gọi là máy phát điện gió, là một thiết bị chuyển đổi năng lượng từ sức gió thành điện năng. Turbin gió bao gồm các cánh quạt xoay xung quanh một trục trung tâm và được kết nối với một hệ thống máy phát điện. Khi gió thổi qua cánh quạt, chúng bắt đầu xoay và tạo ra động năng và sẵn sàng để biến đổi thành điện năng.
Cấu tạo của Turbin gió
Nhìn từ bên ngoài, cấu trúc của một turbin gió có vẻ đơn giản và có thể nhìn nhầm là chỉ là một chiếc quạt khổng lồ. Nhưng điều này là sai lầm, để đạt được hiệu suất tốt nhất, việc thiết kế turbin gió đòi hỏi sự kết hợp của vô số kiến thức kỹ thuật, lý thuyết vật lý và động lực học chất lỏng. Đây là một hệ thống phức tạp, bao gồm nhiều bộ phận hoạt động nhằm mục đích khai thác một lượng lớn năng lượng có thể.
Cảnh quạt & Rotor
Đặc điểm chính của turbin gió là các cánh quạt, thường các turbin sẽ có ba cánh, mặc dù một số thiết kế chỉ sử dụng hai cánh. Các cánh quạt được thiết kế hình dạng giống như cánh máy bay. Hình dạng khí động học này tạo ra lực nâng lớn hơn lực cản, giúp cánh quạt quay khi chúng hứng chịu gió.
Khi cánh quạt quay, chúng tương đối nhạy cảm với sức gió. Mặc dù gió thường vuông góc với các cánh quạt, phần đầu của cánh quạt chịu áp suất gió mạnh nhất. Do đó, để tối ưu hóa hiệu suất, các nhà thiết kế nghiêng cánh quạt theo hướng tương đối của gió. Tốc độ và hướng gió có sự biến đổi nhỏ từ gốc đến đỉnh của cánh quạt. Cánh quạt hiệu quả nhất thường có một chút xoắn để tận dụng hiệu ứng này.
Các cánh quạt được gắn kết vào một trung tâm hình nón. Khi kết hợp với nhau, cánh quạt và trục tạo thành rôto quay theo hướng của gió.
Hộp số
Một điểm đặc biệt là các turbin gió tự quay quá chậm để tạo ra năng lượng. Để tăng tốc độ quay đủ để cho máy phát điện hoạt động tạo ra điện thì cần phải sử dụng hộp số.
Hộp số này bao gồm một trục tốc độ cao và một trục tốc độ thấp. Rotor kết nối với trục tốc độ thấp, trục này liên kết với trục tốc độ cao, và sau đó nó lại kết nối với máy phát điện. Hệ thống hộp số sẽ đảm bảo rằng đủ mô-men xoắn, tức là năng lượng xoay được truyền đến máy phát điện để tạo ra điện.
Máy phát điện
Máy phát điện là nơi chuyển đổi năng lượng thành điện năng. Mô-men xoắn được tạo ra bởi rotor và được khuếch đại trong hộp số và sau đó được chuyển đổi thành năng lượng điện. Tương tự như hầu hết các máy khác, máy phát điện trong turbin gió quay một cánh quạt liên kết với một nam châm điện để tạo ra điện.
Phanh tốc độ (Brake)
Để ngăn chặn việc turbin bị hỏng khi có gió mạnh, các turbin gió được trang bị hệ thống phanh tốc độ. Khi tốc độ gió vượt quá 55 dặm/giờ thì hệ thống ngắt tự động sẽ được kích hoạt và làm ngừng quay các cánh quạt. Điều này giúp bảo vệ cánh quạt, hộp số và máy phát điện khỏi bị hỏng hóc.
Vỏ Turbin
Tất cả các thành phần nêu trên được đặt bên trong nacelle. Nacelle là một hộp nằm phía sau cánh quạt và rotor, chịu trách nhiệm bảo vệ hộp số, cánh quạt và máy phát điện khỏi tác động của các yếu tố môi trường.
Máy đo gió & Wind vane
Máy đo gió là một thiết bị đo tốc độ gió giúp gửi tín hiệu để kiểm soát tốc độ khi gió quá mạnh hoặc quá yếu. Wind vane đo hướng gió và gửi tín hiệu điều khiển hệ thống yaw. Cả hai thiết bị này đều đặt ở đỉnh ống gió và thường hướng về phía sau.
Hệ thống Yaw
Hệ thống yaw giữ cho turbin gió được đúng hướng theo hướng mà gió thổi tới. Để đạt hiệu suất tối đa, cánh quạt turbin cần vuông góc với hướng gió và lúc này hệ thống yaw sẽ nhận thông tin về hướng gió từ cảm biến và điều chỉnh hướng turbin tương ứng. Công nghệ này sử dụng động cơ, phanh, và bánh răng điện hoặc ổ trục thủy lực để thực hiện việc quay. Hệ thống yaw thường được đặt tại vị trí nacelle phía sau.
Tháp của Turbin gió
Gió thường mạnh hơn ở độ cao lớn hơn, vì vậy turbin gió được đặt trên đỉnh của các tháp cao để tận dụng tốc độ gió cao. Chiều cao của tháp đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá khả năng phát điện, và thay đổi chiều cao có thể ảnh hưởng đến công suất điện dự kiến. Thường thì tháp được làm bằng thép, chiếm từ 30% đến 65% trọng lượng tổng cả turbin.
Tháp chứa các dây cáp dẫn điện đến bộ chuyển đổi điện ở chân tháp. Trong hầu hết turbin, dòng điện sản xuất đã là dòng điện xoay chiều, có thể đi qua máy biến áp để điều chỉnh điện áp, trước khi đưa vào lưới điện.
Turbin gió hoạt động như thế nào?
Nguyên tắc hoạt động của turbin gió dựa trên sự biến đổi năng lượng từ gió thành năng lượng cơ học và sau đó thành năng lượng điện. Quá trình này diễn ra theo các bước sau:
Bước 1: Gió thổi vào cánh quạt của turbin gió
Trước khi có thể khai thác năng lượng gió thì điều quan trọng là cần có gió để thổi vào turbin gió. Khi gió chạm vào các cánh quạt, chúng đẩy cánh quạt quay. Các cánh quạt được thiết kế với hình dạng tương tự như cánh máy bay để tạo ra hiệu ứng lực nâng giống như cánh máy bay. Quá trình này tạo ra động năng và được chuyển đổi thành điện năng.
Thiết kế của các cánh quạt được tối ưu hóa với các góc xoắn và góc nhất định để tận dụng hiệu quả cao về momen động lượng, giúp thu được nhiều năng lượng nhất có thể.
Bước 2: Cánh quạt bắt đầu xoay
Khi turbin gió quay, năng lượng gió sẽ được chuyển đến hộp số. Do turbin gió quay ở tốc độ khá thấp để tạo ra điện năng nên cần sử dụng bánh răng để gia tăng mô-men xoắn.
Hộp số sẽ bao gồm một trục tốc độ thấp kết nối với cánh quạt và một trục tốc độ cao. Cánh quạt được gắn liền với trục tốc độ thấp, và trục này liên kết với trục tốc độ cao. Trục tốc độ cao cuối cùng kết nối với máy phát điện, chuyển đổi năng lượng thành điện năng.
Bước 3: Tạo ra điện
Hộp số tương tự như một phễu, nó tập trung một lượng lớn năng lượng vào một cánh quạt nhỏ và tạo ra xoay trục nam châm điện trong máy phát điện. Điện năng được tạo ra khi năng lượng cơ học từ gió được chuyển đổi thành năng lượng điện.
Bước 4: Truyền điện
Dòng điện chạy qua dây cáp bên trong tháp và đến máy biến áp ở chân turbin gió. Máy phát điện trong hầu hết các turbin gió sẽ tạo ra điện xoay chiều, do đó sẽ không cần chuyển đổi từ điện một chiều như ở nhà máy điện truyền thống. Máy biến áp được sử dụng để gia tăng điện áp và phân phối năng lượng điện trên diện rộng.
Tốc độ gió bao nhiêu để Turbin có thể hoạt động?
Tốc độ và hướng của gió đặc biệt quyết định công suất sản xuất điện của các turbin gió. Gió càng mạnh thì turbin sẽ tạo ra nhiều điện hơn, tuy nhiên thì sẽ có một giới hạn. Để tránh hư hại, turbin sẽ tự động tắt khi tốc độ gió vượt quá 55 dặm/giờ và trong những cơn bão khí có gió quá mạnh thì có thể xảy ra tình trạng turbin bị phá hủy hoàn toàn.
Tương tự, khi tốc độ gió quá thấp thì khả năng tạo ra điện của turbin sẽ bị giảm. Thường thì turbin gió ngừng hoạt động khi tốc độ gió giảm xuống dưới 8 dặm/giờ.
turbin đạt hiệu suất tốt nhất khi gió đổi hướng vuông góc với cánh quạt hoặc khi cánh quạt và hướng gió tạo thành góc 180 độ. Hiệu suất sẽ giảm khi góc gió này bị lệch. Để đối phó với sự biến động tự nhiên và thay đổi hướng gió, hầu hết các turbin gió được trang bị hệ thống ngàm và mô tơ định hướng để tự điều chỉnh theo hướng gió mà không cần thông báo trước.
Gió ở thượng nguồn so với hạ lưu
Thượng nguồn là vị trí nơi gió đến, hay khu vực phía trước của turbin gió. Ngược lại, hạ lưu là vị trí nơi gió đang đi, tức là phía sau turbin gió. Vì turbin gió đang tận dụng năng lượng từ gió, tốc độ gió ở hạ lưu luôn thấp hơn so với tốc độ gió ở thượng nguồn.
Tốc độ gió chạy qua mặt phẳng, hay còn gọi là đoạn làm việc của turbin, là giá trị trung bình của tốc độ ở thượng lưu và hạ lưu. Hiệu suất của turbin đạt cao nhất khi tốc độ gió ở hạ lưu bằng 1/3 tốc độ gió ở thượng lưu. Tuy nhiên, theo Quy luật Betz, hiệu suất tối đa của turbin gió bị giới hạn và không thể vượt quá 59,3% năng lượng gió có sẵn.
Có bao nhiêu loại Turbin gió?
Turbin gió có thể được chia thành các loại khác nhau dựa trên cấu trúc và công nghệ sử dụng. Dưới đây là một số loại turbin gió phổ biến:
- Turbin Gió Đứng (VAWT)
Như tên gọi, VAWT có turbin xoay quanh trục đứng. Một ưu điểm của VAWT là chúng không cần phải hướng về hướng gió cụ thể, điều này phù hợp cho các khu vực có hướng gió biến đổi. Turbin gió đứng thường nhỏ gọn và ít ồn, vì vậy chúng thích hợp cho các ứng dụng trong khu vực đô thị.
VAWT có nhiều thiết kế phổ biến, trong đó có Saponius VAWT và Darrieus VAWT. Saponius VAWT đơn giản với một vài cánh quạt hoặc quạt dạng muỗng gắn vào trục quay trung tâm. Mặc dù tự khởi động nhưng chúng có hiệu suất thấp vì sử dụng lực cản thay vì lực nâng. Turbin Darrieus sử dụng hai cánh cong lớn gắn vào đỉnh và đáy của trục trung tâm. Darrieus VAWT khá hiệu quả với cơ chế thang máy nhưng có nhược điểm về cấu trúc và cần nguồn điện bên ngoài để khởi động.
- Turbin Gió Nằm (HAWT)
Thiết kế HAWT chiếm phần lớn thị trường năng lượng gió hiện nay. Các cánh trên HAWT tạo ra lực nâng và làm cho turbin quay và tạo ra điện. Để đạt hiệu suất tối đa, HAWT phải đối mặt trực tiếp với gió và thường được trang bị hệ thống ngàm để duy trì góc 180 độ không đổi. Thông thường thì HAWT có 3 cánh, nhưng cũng có các thiết kế với 2 cánh.
Vị trí đặt Turbin gió
Bất kỳ khu vực nào có gió mạnh đều là địa điểm lý tưởng để xây dựng trang trại điện gió. Thông thường, gió mạnh nhất được tìm thấy trên biển và ở các đèo núi.
Các đèo núi thường được coi là vị trí lý tưởng do có gió mạnh và ổn định từ một hướng cụ thể. Tuy nhiên, khả năng tiếp cận hệ thống điện, đặc điểm địa lý, và giá điện địa phương cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình xác định vị trí xây dựng trang trại điện gió.
Turbin gió sản xuất ra bao nhiêu điện?
Các turbin gió lớn có khả năng cung cấp công suất điện từ vài trăm kilowatt đến vài megawatt. Tuy nhiên, do tốc độ gió thường biến đổi không ổn định nên sản lượng điện của chúng cũng có sự thay đổi tương ứng. Nếu một turbin gió được xác định công suất là 1,5 MW thì thực tế nó sẽ tạo ra ít điện năng hơn so với giả định.
Turbin gió ngoài khơi thường lớn hơn và có khả năng tạo ra nhiều năng lượng hơn so với turbin trên bờ. Turbin gió ngoài khơi lớn nhất có thể đạt sản lượng điện cao tới 8 MW.
Các turbin gió mới thường được thiết kế để không vận hành ở công suất tối đa liên tục. Một phần nhỏ của năng lượng được tích trữ trong máy phát điện hoặc hệ thống lưới điện để sử dụng khi cần, chẳng hạn như trong trường hợp sự cố trong hệ thống điện. Năng lượng bổ sung này cũng có thể được sử dụng trong các điều kiện tốc độ gió thấp để duy trì nguồn cung điện liên tục.
Kết Luận
Thông qua bài viết này thì các bạn cũng đã nắm rõ kiến thức về cách mà Turbin gió hoạt động như thế nào cũng như những điều cần biết về Turbin gió. Hy vọng rằng các bạn đã có cái nhìn sâu sắc hơn về vai trò quan trọng của turbin gió trong ngành năng lượng tái tạo và sẽ tiếp tục quan tâm đến những phát triển mới và ứng dụng rộng rãi của công nghệ này trong tương lai.
Bài viết đây rất thú vị. Tôi rất thích cách trình bày. Cám ơn bạn đã cung cấp!
Nội dung cung cấp nội dung chất lượng. Sự nghiên cứu rất đáng giá. Tôi rất cảm kích cách bạn làm. Cảm ơn bạn đã gửi đến!
Bài viết đây hay. Tôi rất thích nội dung. Cám ơn bạn đã chia sẻ!
Nội dung đây rất dễ đọc. Cách diễn đạt rất rõ ràng. Tôi yêu thích cách bạn trình bày. Cám ơn bạn đã cung cấp!
Tôi thật sự yêu thích nội dung
bài này cực kỳ độc đáo
Cấu trúc rất dễ hiểu
Đây là thứ phù hợp với tôi
Nội dung này cực kỳ độc đáo
Cảm ơn bạn đã chia sẻ
Mình thật sự yêu thích cách bạn trình bày
Tôi thực sự yêu thích cách bạn trình bày
Bài viết đây có phong cách viết hay
Bài đây rất dễ đọc
Cấu trúc rất dễ hiểu
Bài này thực sự ấn tượng
Bài tuyệt vời
Cấu trúc rất rõ ràng
Bài viết này thực sự ấn tượng
Cách tổ chức rất rõ ràng
Tôi thực sự đánh giá cao cách bạn trình bày
Tìm hiểu bí mật Turbin gió hoạt động như thế nào? tuyệt vời
Hoàn hảo cho dự án của tôi .
Cấu trúc rất dễ hiểu
Đúng như những gì tôi cần
Hoàn hảo với mong đợi của tôi