Sự phát triển năng lượng tái tạo đang đòi hỏi những giải pháp vừa hiệu quả vừa bền vững. Tua-bin gió không cánh ra đời như một lựa chọn mới, loại bỏ hoàn toàn cánh quạt truyền thống để hạn chế tiếng ồn và tiết kiệm vật liệu. Công nghệ này không chỉ mang tính sáng tạo mà còn mở ra khả năng triển khai tại nhiều khu vực vốn không phù hợp với tua-bin gió thông thường, từ đô thị đến vùng hẻo lánh.
1. Giới thiệu tua-bin gió không cánh
Trước nhu cầu ngày càng tăng về các giải pháp năng lượng bền vững và hiệu quả, năng lượng gió đã trở thành một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực năng lượng tái tạo toàn cầu. Các tuabin gió thông thường, đặc trưng bởi cánh quạt quay lớn và các thành phần cơ khí phức tạp, đã được sử dụng rộng rãi trong nhiều thập kỷ.
Tuy nhiên, các hệ thống này đi kèm với một số thách thức, bao gồm chi phí sản xuất và bảo trì cao, ô nhiễm tiếng ồn, tác động trực quan và rủi ro đối với các loài động vật như chim,….
Ngoài ra, tuabin gió truyền thống đòi hỏi không gian đáng kể, gây khó khăn cho việc triển khai chúng trong môi trường đô thị.
Tuabin gió không cánh quạt (bladeless wind turbine) thể hiện một sự thay đổi mang tính đổi mới trong công nghệ năng lượng gió, mang lại một phương pháp đơn giản và hiệu quả hơn để khai thác năng lượng gió.
Không giống như các thiết kế thông thường, tuabin không cánh quạt sử dụng các hiệu ứng khí động lực như dao động do xoáy lốc (vortex-induced vibrations) để tạo ra điện, loại bỏ sự cần thiết của cánh quạt quay và cơ cấu bánh răng phức tạp. Điều này dẫn đến một giải pháp nhỏ gọn hơn, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường hơn với số lượng bộ phận chuyển động tối thiểu.
2. Cấu tạo của hệ thống
Tua-bin gió không cánh tạo xoáy (VBWT) là một hệ thống thu năng lượng gió thế hệ mới, có thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả, gồm các thành phần chính:
2.1 Dầm hẫng linh hoạt
Dầm hẫng là bộ phận chịu trách nhiệm cố định tua-bin vào nền móng, đồng thời cung cấp độ linh hoạt cần thiết để thân trụ dao động dưới tác động của dòng khí. Được chế tạo từ vật liệu có độ đàn hồi cao, dầm hẫng giúp duy trì khả năng dao động ổn định của thân trụ, cho phép hệ thống hoạt động trong nhiều điều kiện gió khác nhau. Thiết kế này cũng giúp giảm thiểu rung động không mong muốn, tăng độ bền và tuổi thọ của tua-bin.
2.2 Thân trụ chính hình trụ
Thân trụ chính có dạng hình trụ thẳng đứng, là bộ phận tương tác trực tiếp với dòng khí và chịu tác động của hiện tượng tách dòng xoáy (vortex shedding). Khi gió thổi qua, các xoáy khí hình thành luân phiên ở hai bên thân trụ, tạo ra một lực dao động liên tục tác động lên tua-bin.
Lực này khiến thân trụ rung động theo phương vuông góc với hướng gió, tạo ra một chuyển động có thể khai thác để chuyển đổi thành năng lượng điện.
Thân trụ được làm từ vật liệu nhẹ nhưng bền chắc, có khả năng chịu tác động của môi trường khắc nghiệt như gió mạnh, mưa bão hoặc nhiệt độ thay đổi. Hình dạng và kích thước của thân trụ có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa sự tương tác với dòng khí, từ đó tăng hiệu suất khai thác năng lượng.
2.3 Bộ phận phát điện
Bộ phận phát điện là thành phần quan trọng nhất của tua-bin gió không cánh, có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng cơ học từ chuyển động dao động của thân trụ thành năng lượng điện. Hệ thống này bao gồm:
- Nam châm vĩnh cửu (PM) dao động: Nam châm được gắn vào phần dưới của thân trụ và có thể dao động tự do bên trong một cuộn dây nhiều lớp. Khi thân trụ rung động, nam châm cũng di chuyển tương ứng, tạo ra sự thay đổi từ trường bên trong cuộn dây.
- Cuộn dây cố định: Cuộn dây được cố định vào phần thân tua-bin, không di chuyển cùng với nam châm. Khi nam châm dao động, sự thay đổi từ trường trong cuộn dây tạo ra dòng điện cảm ứng theo nguyên lý của định luật Faraday.
- Lò xo đàn hồi: Để điều chỉnh biên độ và tần số dao động, nam châm được kết nối với một lò xo đàn hồi. Lò xo này giúp nam châm có thể trượt theo hướng dọc của thân trụ và cuộn dây, tối ưu hóa khả năng khai thác năng lượng.
2.4 Cơ chế điều chỉnh tần số dao động
Một điểm nổi bật trong thiết kế của VBWT là khả năng điều chỉnh tần số dao động của tua-bin theo tốc độ gió. Cơ chế này hoạt động bằng cách thay đổi độ cứng của lò xo gắn với nam châm vĩnh cửu trượt.
Tần số dao động cơ bản của tua-bin phụ thuộc vào độ cứng của lò xo. Do đó, bằng cách điều chỉnh độ cứng, tua-bin gió không cánh có thể đồng bộ tần số dao động của thân trụ với tần số tách dòng xoáy của dòng khí ở các tốc độ gió khác nhau.
Điều này giúp tối đa hóa hiệu suất thu năng lượng và duy trì sự ổn định của hệ thống. Các loại lò xo có độ cứng biến thiên như lò xo Belleville, lò xo gợn sóng hoặc lò xo có bước xoắn thay đổi có thể được sử dụng để đạt được đặc tính điều chỉnh linh hoạt.
2.5 Thanh dẫn hướng cứng
Để đảm bảo sự ổn định trong quá trình vận hành, hệ thống còn được trang bị một thanh dẫn hướng cứng. Thanh này giúp hạn chế chuyển động ngang và xoay của nam châm, tránh các dao động không mong muốn có thể gây mất ổn định cho tua-bin gió không cánh. Nhờ cơ chế này, nam châm chỉ dao động theo phương mong muốn, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
3. Nguyên lý hoạt động
Các tua-bin gió truyền thống sử dụng sức gió để đẩy các cánh quạt khổng lồ, làm quay tua-bin trong vỏ máy để tạo ra điện. Nhờ chiều cao vượt trội, thường cao hơn hầu hết các tòa nhà, chúng có thể khai thác cả những luồng gió nhẹ trên cao. Tuy nhiên, chúng vẫn phụ thuộc hoàn toàn vào điều kiện tự nhiên mà con người không thể kiểm soát.
Tua-bin gió không cánh tạo ra điện bằng cách sử dụng cảm ứng điện từ, tương tự như nguyên lý hoạt động của máy phát điện xoay chiều truyền thống, nhưng không cần chuyển động quay.
3.1 Chuyển động dao động tạo ra chuyển động tương đối
Gió tác động lên thân trụ của tua-bin gió không cánh, khiến nó dao động qua lại do hiện tượng tách dòng xoáy (vortex shedding). Một nam châm vĩnh cửu (PM) được gắn vào thân trụ dao động. Một cuộn dây (dây đồng quấn vòng) được cố định bên trong tua-bin và không di chuyển.
3.2 Cảm ứng điện từ tạo ra dòng điện
Khi nam châm dao động qua lại so với cuộn dây đứng yên, nó làm thay đổi từ trường đi qua cuộn dây. Theo Định luật cảm ứng điện từ Faraday, sự thay đổi từ thông này sẽ cảm ứng một dòng điện trong cuộn dây. Dao động càng nhanh và mạnh, sự thay đổi từ thông càng lớn, dẫn đến dòng điện sinh ra càng cao.
3.3 Chuyển đổi và lưu trữ năng lượng
Dòng điện được tạo ra là dòng điện xoay chiều (AC) do nam châm di chuyển theo cả hai hướng. Nếu cần, dòng AC có thể được chỉnh lưu thành dòng một chiều (DC) bằng bộ chỉnh lưu để lưu trữ vào pin hoặc sử dụng trực tiếp.
4. Ưu và nhược điểm tua-bin gió không cánh
4.1 Ưu điểm
Các tua-bin gió truyền thống cần gió để hoạt động. Mặc dù chúng không cần quá nhiều gió như nhiều người nghĩ, nhưng nếu không có gió, chúng sẽ trở nên vô dụng. Tua-bin gió không cánh loại bỏ mối lo này bằng cách làm cho chúng tự hoạt động hiệu quả hơn.
Các phiên bản không cánh vượt trội hơn trong việc tạo ra, lưu trữ và phân phối điện. Tua-bin cánh quạt truyền thống có thể mất tới hai phần ba năng lượng gió thu được, trong khi thiết kế không cánh giúp tăng khả năng khai thác năng lượng và hiệu suất tổng thể lên hơn 60%.
Ngoài ra, tua-bin gió không cánh còn thân thiện hơn với chuỗi cung ứng và môi trường. Thiết kế nhỏ gọn, tối giản giúp giảm nhu cầu khai thác nguyên liệu thô so với tua-bin truyền thống. Việc không có cánh quạt cũng giúp bảo vệ chim và dơi, giảm nguy cơ va chạm và tổn thương đến hệ sinh thái.
4.2 Nhược điểm
Hầu hết các công nghệ tua-bin gió không cánh vẫn đang trong giai đoạn phát triển sơ khai. Việc đạt được, hoặc thậm chí ngang bằng, sản lượng điện của tua-bin truyền thống là một thách thức lớn – nếu không muốn nói là bất khả thi.
Sản lượng điện của tua-bin gió không cánh Vortex tương đương với các tấm pin mặt trời hơn là tua-bin có cánh. Cristina Archer, giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Gió (CReW) tại Đại học Delaware, cho rằng các hệ thống gió trên không sẽ không thể thay thế tua-bin gió truyền thống.
Tuy nhiên, có thể chúng không cần phải thay thế. Để đạt được mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050, công suất gió ngoài khơi cần phải tăng lên gấp 50 lần so với hiện tại. Hội đồng Năng lượng Gió Toàn cầu (GWEC) cũng cảnh báo rằng, để giữ nhiệt độ toàn cầu không tăng quá 2°C, tốc độ phát triển năng lượng gió cần tăng gấp ba lần vào năm 2030.
Do đó, để đảm bảo tiến trình chuyển đổi năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào dầu khí, mỗi kW từ năng lượng gió đều quan trọng. Tua-bin gió không cánh và tua-bin trên không không phải là sự thay thế cho tua-bin truyền thống mà là giải pháp bổ sung, giúp tận dụng năng lượng gió linh hoạt hơn, vượt qua rào cản về chi phí, hậu cần và không gian.
Trên đây là toàn bộ thông tin chi tiết về tua-bin gió không cánh mà trung tâm VATC gửi đến bạn. Hy vọng bạn đã có thêm kiến thức hay cho mình trong ngày.
Và nếu bạn có đang đam mê hoặc muốn tìm hiểu về các khóa học trong ngành ô tô thì liên hệ ngay với VATC theo thông tin dưới đây để được tư vấn chi tiết nhất nhé!
