Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất, một trong những hình thức gián tiếp của năng lượng Mặt Trời. Sử dụng năng lượng gió là một trong các phương pháp lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường thiên nhiên.
I. SỰ HÌNH THÀNH NĂNG LƯỢNG GIÓ
Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống mặt đất không đều, nên khí quyển và thuỷ quyển (nước đại dương) nóng lên ở mỗi nơi khác nhau. Sự khác biệt này gây ra chênh lệch áp suất không khí giữa xích đạo và hai vùng cực, giữa nửa ban ngày và nửa ban đêm của Trái Đất, tạo thành gió thổi từ nơi không khí có áp suất cao hơn đến nơi áp suất thấp hơn. Mặt khác, Trái Đất quay cũng góp phần tạo ra gió xoáy bởi hiệu ứng Coriolis. Hơn nữa, trục quay của Trái Đất nghiêng so với mặt phẳng nghiêng hoàng đạo cũng là nguyên nhân tạo nên các dòng không khí theo mùa. Ngoài các yếu tố có tính tuần hoàn đó, gió còn bị ảnh hưởng của địa hình. Nước và đất đá có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất đá nóng nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất, gây ra gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Ban đêm, đất đá nguội lạnh nhanh hơn nước, gió thổi ngược lại.
Bản đồ vận tốc gió theo mùa.
Từ xa xưa, con người đã sử dụng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm, khinh khí cầu, cối xay gió… Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện được hình thành ngay sau khi phát minh ra điện và máy phát điện. Ban đầu, các máy phát điện bằng sức gió được áp dụng từ cối xay gió, thay vì cơ năng của cánh quạt dùng để xay, nghiền hạt ngũ cốc thì người ta mới cho quay máy phát điện.
Cối xay gió.
II. SẢN XUẤT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG GIÓ
Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng phát sinh từ các turbine gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại Châu Âu, năng lượng gió được nối mạng toàn Châu Âu, nhờ đó mà việc sản xuất điện có thể điều hoà được một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa trên cao, rồi dùng nước đó để vận hành turbine khi không đủ gió.
Một công nghệ hiện đại có thể tích trữ và điều hòa năng lượng gió, đó là cánh quạt gió được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí. Động năng của gió được tích luỹ vào hệ thống nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này luân phiên phun vào các turbine để làm quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn, dù gió mạnh hay yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình và dễ dàng điều khiển cường độ cũng như lưu lượng khí nén từ bình phun ra.
Turbine gió của công ty General Compression có tích hợp máy nén khí bên trong vỏ turbine.
Một công nghệ hiện đại khác, ưu việt hơn, đó là dùng bánh đà để tích lũy năng lượng gió. Cánh quạt quạt thu gió biến thành chuyển động quay, rồi truyền động làm quay bánh đà. Vì có moment quán tính lớn, nên khi không có gió nữa, bánh đà vẫn quay ổn định nhờ định luật bảo toàn moment động lượng. Cơ năng từ bánh đà làm quay máy phát điện và công cụ khác.
Bánh đà trong turbine gió.
III. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT TURBINE GIÓ
Các turbine gió được thiết kế để phát điện với giá thành thấp nhất có thể. Vì thế chúng được sản xuất để tối ưu hóa công suất phát điện tại vận tốc gió khoảng 15 m/s . Trong trường hợp gió mạnh, để tránh hư hại turbine gió buộc phải bỏ phí lượng công suất dư thừa này, trong khi ở các trường hợp vận tốc yếu hơn cần phải điều chỉnh vận tốc. Do đó tất cả các turbine được thiết kế với một dạng điều khiển công suất. Có một số phương pháp khác nhau để thực hiện việc này một cách an toàn trong các turbine gió hiện đại:
1. Điều khiển góc – pitch control
Pitch control đề cập đến việc thay đổi góc nghiêng của các cánh turbine gió, nhờ đó vận tốc, moment quay của rotor và công suất phát được giữ ở một mức mong muốn. Đây là một cách để chế tạo một turbine gió “vận tốc cố định” và có thể được thực hiện nhờ cơ cấu bằng cơ khí (thủy lực) hoặc cơ điện (động cơ). Phương pháp này được sử dụng khá phổ biến hiện tại, ngoài ra, nó được sử dụng để điều khiển mỗi cánh một cách độc lập. Điều khiển góc cũng là cơ cấu an toàn vì có thể giới hạn mức độ hoạt động tối đa của hệ thống.
Điều khiển pitch control của Enercon.
Hệ thống điều khiển góc cánh turbine bên trong rotor.
Trên một turbine gió sử dụng pitch control, bộ điều khiển điện tử sẽ giám sát công suất đầu ra của turbine một vài lần trên giây. Khi công suất đầu ra tăng quá cao, bộ điều khiển gửi lệnh đến cơ cấu điều khiển góc của cánh, ngay lập tức thay đổi góc các cánh rotor một góc nhất định để tránh gió. Ngược lại, cánh sẽ quay trở lại góc đón gió bất cứ khi nào vận tốc gió giảm.
2. Các turbine gió sử dụng điều khiển hãm chủ động
Các turbine gió vận tốc cố định, công suất cao hơn (1 MW trở lên) đang được phát triển với cơ cấu điều khiển công suất “hãm chủ động”. Nhằm mục đích đạt được moment quay lớn, hợp lý ở vận tốc gió thấp, các cơ cấu này thường sẽ được lập trình để thay đổi góc cánh turbine gần giống như cơ cấu điều khiển góc nghiêng cánh turbine ở vận tốc gió thấp. Khi đạt đến công suất định mức: nếu máy phát chuẩn bị quá tải, cơ cấu sẽ nghiêng cánh về hướng ngược lại một vài độ so với cơ cấu điều khiển pitch control. Hay nói cách khác, nó sẽ tăng góc đón gió của cánh turbine nhằm khiến chúng “hãm sâu”, bỏ qua năng lượng dư thừa từ gió.
Thêm vào đó, điều khiển hãm chủ động có thể điều khiển công suất đầu ra chính xác hơn hãm bị động, do đó tránh quá công suất định mức ở giai đoạn bắt đầu có gió giật. Một ưu điểm khác đó là turbine có thể chạy ở gần như chính xác công suất định mức tại các vận tốc gió cao. Một turbine gió điều khiển hãm chủ động thông thường sẽ gây tổn thất công suất đầu ra ở vận tốc gió cao hơn, do các cánh turbine hãm sâu.
3. Hệ thống yaw
Trục rotor của một turbine thường không trùng với hướng gió, do gió thay đổi hướng liên tục. Một rotor cố định hướng như thế sẽ có hiệu suất thấp hơn loại có thể điều chỉnh góc lệch đó, do đó việc điều chỉnh trục rotor một cách linh động trùng với hướng gió là khá quan trọng. Hơn nữa, việc để trục rotor lệch so với hướng gió như thế sẽ đặt áp lực ưng suất cao hơn lên các cánh turbine, gây mỏi cánh.
Cơ cấu yaw.
Với những lý do đó, hầu hết tất cả các turbine đón gió trước trục ngang sử dụng cơ cấu điều chỉnh góc lệch cưỡng bức, đó là một cơ cấu sử dụng các động cơ điện và hộp số để giữ turbine lệch vuông góc với hướng gió.
Điều khiển góc lệch giữa turbine và hướng gió (yaw) chủ động đặc biệt hữu dụng để cung cấp khả năng thích ứng tối đa ở các địa hình phức tạp. Cơ cấu yaw được kích hoạt bởi bộ điều khiển điện tử, nó kiểm tra vị trí của cánh turbine một vài lần trên giây, bất kể khi nào turbine đang quay.
IV. SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG GIÓ
Ngày nay, cùng với năng lượng nước thì năng lượng gió là rẻ tiền nhất. Lấy một ví dụ so sánh giá thành của điện gió so với thuỷ điện. Nhà máy thuỷ điện Sơn La với công suất thiết kế là 2400 MW, dự kiến xây dựng trong 7 năm với tổng đầu tư 2,4 tỷ USD. Giá thành khi phát điện (chưa tính chi phí môi trường) là 70 USD/MWh. Như vậy để có 1 kW công suất điện gió cần đầu tư 1000 USD trong 7 năm. Trong khi đó theo thời giá 2003, đầu tư cho 1 kW điện gió ở nhiều nước Châu Âu cũng cỡ đó. Điều đáng lưu ý là giá thành này giảm đều hằng năm do cải tiến công nghệ. Nếu thời gian sử dụng trung bình của mỗi trạm điện gió là 20 năm thì chi phí khấu hao cho 1kW sẽ là 14 USD. Cộng chi phí thường xuyên, tổng chi phí quản lý và vận hành sẽ vào cỡ 48 – 60 USD/MWh, tương đương với thuỷ điện vốn được coi là nguồn năng lượng rẻ và hiệu quả.
Ở Việt Nam, các khu vực có thể phát triển năng lượng gió chủ yếu tập trung ở Quảng Ninh, Quảng Bình, Quảng Trị, Tây Nguyên, Ninh Thuận, Bình Thuận và một số tỉnh đồng bằng sông Cửu Long, trong đó hai vùng miền giàu tiềm năng nhất là Sơn Hải (Ninh Thuận) và dải đồi cát cao từ Hàm Tiến đến Mũi Né (Bình Thuận).
Trang trại điện gió ngoài khơi tại Bình Định.
Việt Nam có một dự án điện gió với công suất 50 MW: nhà máy điện gió Phương Mai ở tỉnh Bình Định, phục vụ cho khu kinh tế Nhơn Hội. Ngày 3/4/2012, Công ty Cổ phần phong điện Phương Mai I đã khởi công xây dựng trên diện tích 143 ha tại bán đảo Phương Mai, tổng công suất 30 MW, với tổng mức đầu tư 60,2 triệu USD. Dự kiến nhà máy sẽ đi vào hoạt động trong quý II năm 2013.
Đứng trước thực tế nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao nhưng những nguồn năng lượng hóa thạch như dầu, khí đốt, than,… đang ngày càng trở nên khan hiếm cũng như gây ra những tác hại khôn lường cho môi trường. Vì vậy, năng lượng gió hiện nay là một nguồn năng lượng tiềm năng, có những ưu điểm lớn về mặt chi phí, môi trường,… và có thể cân nhắc cũng như ứng dụng những lợi ích của nguồn năng lượng xanh này vào cuộc sống.
Yến Nhi sưu tập, có chỉnh sửa bổ sung.
Nguồn: Vật lý hỏi và đáp - NXB Đại học quốc gia
Tác giả: Nguyễn Hữu Thọ
