Tuabin gió hoạt động như thế nào? Nguyên lý, ưu và nhược điểm

Năng lượng gió là một lĩnh vực năng lượng tái tạo đang phát triển rất nhanh, vượt xa năng lượng mặt trời. Điều này đồng nghĩa với việc tuabin gió ngày càng trở nên phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. Mặc dù khác biệt với năng lượng mặt trời, tuabin gió thường được triển khai trong các dự án quy mô lớn do các nhà sản xuất công nghiệp và thương mại xây dựng. Do đó, người dân thông thường ít có cơ hội tiếp xúc với cách hoạt động của tuabin gió. Hãy cùng Việt Nam Solar tiếp tục đọc để hiểu rõ hơn về tuabin gió là gì và cách chúng tạo ra điện năng.

Tuabin gió là gì?

Tuabin gió, còn được gọi là wind turbine, có hình dạng và hoạt động tương tự như cối xay gió. Điểm đặc biệt của tuabin gió là khả năng sử dụng tốc độ quay của cánh quạt (từ 13 đến 20 vòng/phút) để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng cơ và sau đó chuyển đổi thành năng lượng điện. Điều này khiến tuabin gió trở thành một máy phát điện hiệu quả sử dụng sức gió. Tuabin gió đã ghi điểm cao trong ngành công nghiệp phát triển hiện nay nhờ khả năng tạo ra một nguồn năng lượng (điện năng) ổn định và đồng thời là thân thiện với môi trường.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động tuabin gió

Tuabin gió là một thiết bị cơ khí có cấu trúc đơn giản bao gồm các thành phần sau:

• Pitch: Đây là bộ phận hỗ trợ bảo vệ cánh quạt và rotor khi gặp gió mạnh. Ngoài ra, pitch còn giúp điều chỉnh hiệu suất của tuabin gió để đạt được tốc độ quay phù hợp và tối ưu nhất trong điều kiện gió.
• Hub: Hub là trung tâm của rotor, thường được làm từ gang hoặc thép. Nó chuyển đổi năng lượng từ cánh quạt vào máy phát điện. Trong trường hợp tuabin gió có hộp số, hub sẽ được kết nối trực tiếp với trục hộp số để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng quay của trục, tạo ra điện. Trong trường hợp tuabin gió có truyền động trực tiếp, hub truyền năng lượng trực tiếp đến máy phát điện.
• Rotor: Rotor là bộ phận gắn liền với cánh quạt và tạo ra năng lượng điện. Nó hoạt động dựa trên nguyên tắc nâng: Khi có gió đi qua dưới cánh quạt, tạo áp suất cao, và phía trên cánh quạt tạo lực kéo, làm rotor quay.
• Cánh quạt (Blades): Đây là phần cánh quạt của tuabin gió, kết hợp với trục động cơ tuabin để tạo ra quay hoặc chuyển động và tạo năng lượng.
• Brake: Brake là hệ thống phanh, được sử dụng để dừng rotor trong tình huống khẩn cấp.
• Gearbox: Gearbox là bộ phận kết nối giữa rotor và máy phát điện để chuyển đổi năng lượng quay thành năng lượng điện.
• Yaw drive: Yaw drive giúp điều chỉnh hướng của rotor để luôn đối mặt với hướng gió chính.
• Yaw motor: Động cơ yaw motor làm cho yaw drive định vị chính xác hướng gió.
• Tower: Tower là cột hỗ trợ nacelle, thường được làm bằng thép. Chiều cao của tower càng lớn, càng giúp tuabin gió thu nhận nhiều năng lượng gió và tạo ra nhiều điện năng hơn.
• Low Speed Shaft: Đây là trục truyền động tốc độ thấp của máy phát điện.
• High Speed Shaft: Đây là trục truyền động tốc độ cao của máy phát điện.
• Controller: Controller là bộ điều khiển chính của tuabin gió, điều chỉnh các thông số hoạt động của tuabin gió để đạt hiệu suất tối ưu.
• Anemometer: Anemometer là bộ đo tốc độ gió. Nó gửi thông tin về tốc độ gió đến bộ điều khiển.
• Wind vane: Wind vane hỗ trợ xác định hướng gió và kết hợp với yaw drive để điều chỉnh hướng của tuabin gió.
• Generator: Generator là bộ phận tạo điện sau khi tuabin gió tạo ra năng lượng điện.
• Nacelle: Nacelle là lớp vỏ bảo vệ các thiết bị bên trong tuabin gió, giữ chúng an toàn và bảo vệ khỏi yếu tố môi trường.

Tuabin gió hoạt động như thế nào ?

Cách phổ biến nhất để tạo ra điện là sử dụng tuabin gió kết nối với máy phát điện. Quá trình này tương tự như sử dụng nhiên liệu hóa thạch, nhưng thay vì nhiên liệu đốt cháy, chúng ta tận dụng lực đẩy của gió để tạo ra điện.

Bước 1: Thu thập năng lượng gió

Đầu tiên, cần có gió để đánh vào tuabin. Các cánh quạt trên tuabin giống như cánh máy bay, khi gió đánh vào chúng, tạo ra lực nâng và khiến chúng quay. Các cánh quạt được thiết kế đặc biệt để tận dụng sức đẩy và góc đánh của gió, nhằm thu thập nhiều năng lượng nhất có thể.

Bước 2: Chuyển đổi năng lượng quay thành năng lượng điện

Khi tuabin quay, năng lượng từ gió sẽ được truyền vào hộp số. Tốc độ quay của tuabin gió thường không đủ để tạo ra điện trực tiếp, vì vậy cần có hệ thống bánh răng để tăng momen xoắn. Hộp số bao gồm một trục tốc độ thấp và một trục tốc độ cao. Cánh quạt được kết nối với trục tốc độ thấp, và trục này kết nối với trục tốc độ cao. Trục tốc độ cao sẽ kết nối với máy phát điện.

Bước 3: Tạo ra điện

Hộp số hoạt động như một cái phễu, chuyển đổi năng lượng từ nhiều cánh quạt lớn thành một cánh quạt nhỏ hơn, tạo ra quay của nam châm trong máy phát điện. Quá trình này chuyển đổi năng lượng cơ học từ gió thành năng lượng điện.

Bước 4: Phân phối điện

Dòng điện được truyền qua các dây cáp trong cột tuabin đến một máy biến áp ở đáy. Hầu hết các máy phát điện từ tuabin gió tạo ra điện xoay chiều, do đó không cần chuyển đổi từ điện một chiều sang điện xoay chiều như trong nhà máy điện truyền thống. Máy biến áp tăng áp điện áp để có thể phân phối điện rộng rãi.

Các bộ phận của tuabin gió

Cảnh quạt & Rotor

Đặc điểm quan trọng của tuabin gió nằm ở cấu trúc của các cánh quạt. Hầu hết các tuabin gió có ba cánh, mặc dù một số thiết kế chỉ sử dụng hai cánh. Các cánh quạt có hình dạng tương tự như cánh máy bay, được thiết kế khí động học để tạo ra lực nâng vượt trội so với lực cản, từ đó khiến chúng quay.

Khi các cánh quạt quay, chúng đối mặt với gió một cách tương đối. Mặc dù gió đánh vào cánh quạt theo góc vuông góc, phần trên của cánh quạt thường tiếp nhận được sức gió mạnh nhất. Vì vậy, các nhà thiết kế nghiêng các cánh quạt theo hướng của gió để tối đa hóa hiệu suất. Tốc độ và hướng gió cũng có sự thay đổi từ gốc đến đỉnh của cánh quạt. Các cánh quạt hiệu quả nhất thường có một độ xoắn nhỏ để tận dụng hiệu ứng này.

Các cánh quạt được gắn vào một trung tâm hình nón. Khi được kết hợp, các cánh quạt và trục tạo thành một rotor quay theo hướng của gió.

Hộp số

Chính vì tuabin gió quay quá chậm để tạo ra năng lượng điện, nên cần sử dụng hộp số để tăng tốc độ quay. Hộp số bao gồm một trục tốc độ cao và một trục tốc độ thấp. Rotor của tuabin được kết nối với trục tốc độ thấp, và trục này nối với trục tốc độ cao. Trục tốc độ cao lại được kết nối đến máy phát điện.

Hệ thống hộp số đảm bảo rằng đủ mô-men xoắn, tức năng lượng quay, được truyền đến máy phát điện để tạo ra điện. Nhờ vào hộp số, tốc độ quay ban đầu chậm của tuabin gió được tăng lên một cách hiệu quả để đáp ứng yêu cầu quay nhanh hơn của máy phát điện và tạo ra năng lượng điện.

Máy phát điện

Trong tuabin gió, máy phát điện là nơi tạo ra năng lượng điện. Mô-men xoắn từ rotor được gia tăng trong hộp số và sau đó chuyển đổi thành năng lượng điện. Tương tự như hầu hết các máy phát điện, máy phát điện trong tuabin gió quay một cánh quạt kết nối với một nam châm điện để tạo ra điện.

Phanh tốc độ (Brake)

Để đảm bảo an toàn khi đối mặt với gió tốc độ cao, các tuabin gió được trang bị hệ thống phanh tốc độ. Khi tốc độ gió vượt quá 55 dặm/giờ, hệ thống ngắt sẽ được kích hoạt, dừng quay cánh quạt. Điều này giúp bảo vệ cánh quạt, hộp số và máy phát điện tránh bị hư hỏng.

Vỏ

Tất cả các thành phần đó được đặt bên trong nacelle. Nacelle là một hộp được đặt phía sau các cánh quạt và rotor. Chức năng chính của nacelle là bảo vệ hộp số, cánh quạt và máy phát điện khỏi tiếp xúc với các yếu tố bên ngoài.

Máy đo gió & Wind vane

Thiết bị đo tốc độ gió được gọi là anemometer. Anemometer sẽ gửi tín hiệu khi tốc độ gió vượt quá mức cao hoặc thấp đến hệ thống phanh. Một wind vane được sử dụng để đo hướng gió và gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển yaw. Cả anemometer và wind vane thường được đặt trên đầu ống gió và thường hướng về phía sau.

Hệ thống Yaw

Hệ thống yaw là hệ thống giúp tuabin gió được định hướng theo đúng hướng. Như đã đề cập trước đó, hiệu suất tối đa đạt được khi các cánh quạt của tuabin gió đối mặt với gió theo góc vuông. Hệ thống yaw nhận tín hiệu từ cảm biến hướng gió và điều chỉnh hướng quay của tuabin gió để đảm bảo sự phù hợp. Nó bao gồm các thành phần như động cơ, hệ thống phanh và sử dụng các cơ chế quay như bánh răng điện hoặc hệ thống trục thủy lực. Hệ thống yaw được đặt trên nacelle của tuabin gió gắn vào tháp.

Tower

Gió thường có tốc độ mạnh hơn ở độ cao cao hơn, vì vậy, các tuabin gió được đặt trên đỉnh của các tháp cao để tận dụng tốc độ gió cao hơn. Chiều cao của tháp đóng vai trò quan trọng trong đánh giá khả năng tạo điện. Thay đổi chiều cao của tháp có thể ảnh hưởng đáng kể đến công suất điện dự kiến. Ví dụ, ở Indiana, khi chiều cao tháp được nâng từ 50m lên 70m, công suất điện dự kiến đã tăng từ 30.000 MW lên 40.000 MW. Chiều cao trung bình của các tháp là khoảng 65 mét. Tuy nhiên, để đảm bảo tính ổn định, việc tăng gấp đôi chiều cao tháp đòi hỏi tăng gấp đôi đường kính tháp và tăng gấp 4 lần lượng vật liệu sử dụng.

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 tiến hành nghiên cứu các hợp kim thép cao cấp có trọng lượng nhẹ hơn nhưng vẫn đảm bảo sự ổn định. Thép cũng có nhược điểm là không đủ mạnh để xây dựng các tháp cao hơn 90 mét. Nghiên cứu đang được tiến hành về sự kết hợp giữa thép và bê tông cốt thép dự ứng suất, có thể hỗ trợ xây dựng tuabin gió siêu cao.

Tháp chứa các dây cáp dẫn điện đến bộ chuyển đổi điện ở chân tháp. Trong hầu hết các trường hợp, dòng điện tạo ra từ tuabin gió là dòng điện xoay chiều, có thể được đưa qua máy biến áp để tăng hoặc giảm điện áp, sau đó được kết nối trực tiếp vào lưới điện.

Tua bin gió có thể sản xuất bao nhiêu điện?

Các tuabin gió lớn có khả năng cung cấp công suất từ vài trăm kilowatt đến vài megawatt. Tuy nhiên, do tốc độ gió thường biến đổi, sản lượng điện của tuabin gió cũng sẽ thay đổi tương ứng. Ví dụ, một tuabin gió được đánh giá có công suất 1,5 MW có thể tạo ra ít hơn công suất đó trong thực tế. Thông thường, các tuabin gió ngoài khơi lớn hơn các tuabin trên đất liền và do đó có khả năng tạo ra nhiều năng lượng hơn. Các tuabin gió ngoài khơi lớn nhất hiện nay có công suất lên đến 8 MW.

Các tuabin gió hiện đại được thiết kế để không hoạt động với công suất tối đa liên tục. Một phần nhỏ năng lượng được lưu trữ trong máy phát điện hoặc lưới điện để sử dụng trong trường hợp cần thiết, chẳng hạn như sự cố trong hệ thống điện. Năng lượng dự phòng này cũng được sử dụng trong thời gian tốc độ gió thấp để đảm bảo nguồn cung cấp điện liên tục.

Nên đặt tuabin gió ở đâu?

Các trang trại điện gió được ưu tiên ở những vị trí có gió mạnh. Thông thường, những vị trí này bao gồm khu vực ngoài khơi và các đèo núi. Đèo núi được xem là lựa chọn lý tưởng vì chúng có gió mạnh và ổn định đến từ một hướng duy nhất. Tuy nhiên, việc tiếp cận hệ thống điện, địa lý vật lý và giá điện địa phương cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí phù hợp.

Một số vị trí có gió mạnh nhất trên thế giới thường nằm gần các cực. Tuy nhiên, do điều kiện khắc nghiệt tại các vùng cực và sự thiếu hụt dân số đông đúc, việc xây dựng trang trại điện gió tại đây có rất ít lợi ích.

Lời kết

Mọi chi tiết xin liên hệ:

• CÔNG TY TNHH VIỆT NAM SOLAR
  
• MST: 0315209693
  
• Địa chỉ: 56A Hồ Bá Phấn, Khu phố 4, Phường Phước Long A, TP. Thủ Đức, TP.HCM
  
• Trung tâm bảo hành: 188 Đông Hưng Thuận 41, Phường Tân Hưng Thuận, Quận 12, TP.HCM
  
• Kho chứa hàng: Lô B14-15 Đường số 2, KCN Hải Sơn, Xã Đức Hòa Hạ, Huyện Đức Hòa, Tỉnh Long An
  
• Hotline: 0981.982.979 – 088.60.60.660
  
• Email: lienhe@vietnamsolar.vn
  
• Website: https://demo.vietnamsolar.vn