Tin tức
Tuabin gió là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động tuabin gió
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. Hãy cùng Thiết Bị Điện Goldsun tìm hiểu về tuabin gió ngay nhé!
Tuabin gió là gì?
Tuabin gió – còn được gọi là wind turbine, có hình dáng và cách thức hoạt động tựa như cối xay gió. Công năng tuyệt vời của tuabin gió chính là việc dựa vào tốc độ quay của cánh quạt 13-20 vòng/ phút để chuyển đổi động năng của gió thành cơ năng, sau đó tiếp tục chuyển hóa thành điện năng.
Nhờ đó mà sản phẩm này được ví von như một chiếc máy phát điện sử dụng sức gió hiệu quả. Tuabin gió ghi điểm tuyệt đối trong nền công nghiệp phát triển hiện nay bởi khả năng tạo nên nguồn năng lượng (điện năng) vững bền mà lại vô cùng thân thiện với môi trường.
Cấu tạo của tuabin gió
Tuabin gió thuộc loại thiết bị cơ khí có cấu trúc không quá phức tạp, bao gồm:
- Pitch: Bộ phận hỗ trợ bảo vệ cánh quạt và rotor trong điều kiện gặp gió lớn. Ngoài ra, pitch còn giúp tạo nên nguồn điện năng ổn định đạt hiệu suất cao nhất (không quá cao hoặc quá thấp) khi quay trong gió.
- Hub: Là tâm của rotor, có chất liệu chính từ gang/ thép, thực hiện “công tác” chuyển hướng năng lượng từ cánh quạt vào máy phát điện
- Trong trường hợp tuabin gió có hộp số, Hub sẽ được nối trực tiếp với trục hộp số quay chậm nhằm chuyển năng lượng gió thành năng lượng lực quay tạo nên điện.
- Trong tường hợp tuabin gió có bộ truyền động trực tiếp, Hub sẽ truyền năng lượng đến máy phát vòng ngay lập tức.
- Rotor: Rotor là thiết bị gắn liền với cánh quạt giúp tạo ra điện năng. Chúng sẽ hoạt động dựa theo nguyên tắc nâng: Khi xuất hiện luồng gió đi qua dưới cánh quạt sẽ khiến không khí tạo nên áp suất cao. Song song đó, phía trên cánh quạt cũng sẽ tạo nên lực kép làm rotor quay.
- Blades: Thuộc bộ phận cánh quạt của tuabin gió, kết hợp với trục động cơ tuabin để quay hoặc chuyển động tạo năng lượng.
- Brake: Là phanh (bộ hãm), dùng để dừng rotor trong những tình trạng khẩn cấp.
- Gear box: Bộ phận kết nối chuyển động quay của rotor với máy phát điện để sinh ra năng lượng điện.
- Yaw drive: Giúp định hình rotor luôn hướng về chiều có xuất hiện nguồn gió chính.
- Yaw motor: Động cơ giúp cho thiết bị yaw drive định hình được hướng gió một cách chính xác.
- Tower: Trụ đỡ Nacelle, có chất liệu chính được làm từ thép. Khi trụ càng cao sẽ hỗ trợ thu về năng lượng gió càng nhiều, từ đó tạo ra dòng điện lớn hơn.
- Low Speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ thấp của máy phát.
- High Speed Shaft: Là trục truyền động tốc độ cao của máy phát.
- Controller: Bộ phận điều khiển chính của tuabin gió.
- Anemometer: Bộ phận đo lường tốc độ gió. Thực hiện nhiệm vụ truyền tốc độ gió đến bộ phận điều khiển (controller).
- Wind vane: Hỗ trợ xử lý hướng gió và kết hợp cùng yaw drive để định hình tuabin gió.
- Generator: Giúp phát điện sau khi tuabin gió tạo ra điện.
- Nacelle: Là lớp vỏ của tuabin gió, lớp vỏ này giúp bảo vệ các thiết bị bên trong thật cẩn thận.
Nguyên lý hoạt động của tuabin gió
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 và 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 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 loại tuabin gió
Có 2 loại tuabin gió phổ biến là:
HAWT
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
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.
Lợi ích và hạn chế
Lợi ích của tuabin gió
- Có khả năng phát triển quy mô cho hệ thống động cơ điện gió với đa dạng mục đích sử dụng, địa hình (đồi núi, biển đảo, nhà dân,…) và điều kiện môi trường khác nhau.
- Tạo nguồn năng lượng tái tạo mang đến lợi nhuận cao.
- Mang đến tiềm năng giá trị kinh tế bền vững.
- Hỗ trợ công suất trong việc giảm tải lưới điện quốc gia, góp phần đáp ứng nhu cầu sử dụng điện của người dân hữu hiệu.
- Bảo vệ môi trường (giảm khí nhà kính, không gây nhiễu xạ điện từ,…).
Mặt hạn chế của tuabin gió
- Vì không thể tạo ra năng lượng liên tục như mặt trời nên năng lượng từ gió không phù hợp với việc lưu trữ điện bằng pin/ ắc quy.
- Chi phí dành cho lắp đặt và bảo trì khá tốn kém.
- Tuabin gió cần được đặt ở địa thế xa khu dân cư, vì khi quay cánh quạt sẽ tạo nên tiếng ồn.
- Quá trình vận chuyển các bộ phận để lắp đặt hoàn thiện tuabin gió khá cồng kềnh.
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…
Tuabin 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.
Trên đây Thiết Bị Điện Goldsun đã tổng hợp các thông tin về tuabin gió là gì giúp cho quý bạn đọc cung cấp các kiến thức cần thiết để áp dụng cho công việc và học tập.
