TUABIN GIÓ - NĂNG LƯỢNG GIÓ
Năng lượng gió là lĩnh vực năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất, thậm chí được xếp ngang với năng lượng mặt trời. Vì thế mà tuabin gió ngày càng trở thành một phần phổ biến trong cuộc sống của chúng ta. Mặc dù không giống như năng lượng mặt trời, tuabin gió hầu như chỉ là các dự án quy mô lớn được xây dựng bởi các nhà sản xuất công nghiệp và thương mại.
Tuabin gió hoạt động thế nào?
Turbine gió là máy dùng để biến đổi động năng của gió thành cơ năng. Máy năng lượng này có thể được dùng trực tiếp như trong trường hợp của cối xay bằng sức gió, hay biến đổi trực tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió.
Cấu tạo của tuabin gió
Máy phát điện bằng sức gió (hay còn gọi là tuabin gió) bao gồm vài thành phần khác nhau. Nhưng thành phần quan trọng nhất vẫn là motor điện một chiều; loại dùng nam châm bền và cánh đón lấy gió.
Còn lại là các bộ phận khác như: đuôi lái gió, trục và cột để dựng máy phát, bộ phận đổi dòng điện để hợp với bình ắc qui và cuối cùng là 1 chiếc máy đổi điện (inverter) để chuyển điện từ ắc quy thành điện xoay chiều thông dụng.
Máy phát điện turbine gió thường sử dụng máy phát là loại xoay chiều có nhiều cặp cực do kết cấu đơn giản và phù hợp đặc điểm tốc độ thấp của turbine gió.
Các máy phát điện sử dụng năng lượng gió thường được xây dựng gần nhau và điện năng sản xuất ra được hòa vào mạng điện chung sau đó biến đổi để có được nguồn điện phù hợp. Việc sử dụng ăc quy để lưu giữ nguồn điện phát ra chỉ sử dụng cho máy phát điện đơn lẻ và cung cấp cho hộ tiêu thụ nhỏ (gia đình). Việc lưu điện vào ắc quy và sau đó chuyển đổi lại thường cho hiệu suất thấp hơn và chi phí cao cho bộ lưu điện tuy nhiên có ưu điểm là ổn định đầu ra. Ngoài ra còn có một cách lưu trữ năng lượng gió khác. Người ta dùng cánh quạt gió truyền động trực tiếp vào máy nén khí. Năng lượng gió sẽ được tích trữ trong hệ thống rất nhiều bình khí nén. Khí nén trong bình sau đó sẽ được lần lượt bung ra để xoay động cơ vận hành máy phát điện. Quá trình nạp khí và xả khí được luân phiên giữa các bình, bình này đang xả thì các bình khác đang được nạp bởi cánh quạt gió. Điện sẽ được ổn định liên tục. Hiện nay có 2 kiểu turbine phổ biến,đó là loại trục ngang và loại trục đứng. Trục ngang là loại truyền thống như hình trên, còn trục đứng là loại công nghệ mới, luôn quay ổn định với mọi chiều gió.
Làm thế nào để tuabin gió tạo ra điện? Nguyên lý hoạt động
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.Các bộ phận của tuabin gió là gì?
Nhìn từ bên ngoài, thiết kế của một tuabin gió có vẻ đơn giản. Nó chỉ là một chiếc quạt khổng lồ, phải không? Sai lầm. Đạt được hiệu quả tốt nhất có nghĩa là vô vàng kỹ thuật, vật lý và động lực học chất lỏng được đưa vào thiết kế tuabin gió. Chúng là một hệ thống phức tạp gồm các bộ phận hoạt động để khai thác nhiều năng lượng nhất có thể.
Cảnh quạt & Rotor
Đặc điểm chính của tuabin gió là các cánh quạt. Hầu hết có ba, mặc dù một số thiết kế chỉ yêu cầu hai cánh. Các cánh quạt có hình dạng giống như cánh máy bay, giống như cánh của máy bay. Thiết kế khí động học này tạo ra lực nâng nhiều hơn lực cản, khiến các cánh quạt quay.
Kể từ khi các cánh quay, chúng hứng chịu gió một cách tương đối. Mặc dù gió vuông góc với các cánh quạt, đầu trên của cánh gió chịu nhiều gió nhất. Vì vậy, các nhà thiết kế nghiêng các cánh quạt theo hướng tương đối của gió để tối đa hóa hiệu quả. Tốc độ và hướng gió tương đối thay đổi một chút đi từ gốc của lưỡi đến đầu ngọn. Các cánh hiệu quả nhất có một chút xoắn để tận dụng hiệu ứng này.
Các cánh được gắn vào một trung tâm hình nón. Cùng với nhau, các cánh quạt và trục tạo thành rôto quay theo chiều gió.
Hộp số
Tự bản thân, các tuabin gió quay quá chậm để tự sản xuất năng lượng. Để quay máy phát điện đủ nhanh để tạo ra điện, cần phải có hộp số để tăng tốc độ quay. Hộp số bao gồm một trục tốc độ cao và một trục tốc độ thấp. Rotor được nối với trục tốc độ thấp, trục này nối với trục tốc độ cao và đến lượt nó, nối với máy phát điện. Hộp số đảm bảo rằng đủ mô-men xoắn, hoặc năng lượng quay, đến máy phát điện để tạo ra điện.
Máy phát điện
Máy phát điện là nơi sản xuất ra điện năng. Mô-men xoắn tạo ra bởi Rotor được khuếch đại trong hộp số và sau đó được chuyển thành năng lượng điện. Giống như hầu hết các máy phát điện, máy phát điện trong tuabin gió quay một cánh quạt được kết nối với một nam châm điện để tạo ra điện.
Phanh tốc độ (Brake)
Để tránh bị hư hại khi có gió tốc độ cao, các tuabin gió được trang bị phanh hãm tốc độ. Nếu tốc độ gió vượt quá 55 dặm/giờ, ngắt sẽ bật lên, dừng chuyển động quay của các cánh quạt. Điều này bảo vệ cánh quạt, hộp số và máy phát điện khỏi bị hư hỏng.
Vỏ
Tất cả các bộ phận trên được đặt bên trong nacelle. Các nacelle là hộp phía sau các cánh quạt và Rotor. Nó bảo vệ hộp số, cánh quạt và máy phát điện khỏi tiếp xúc với các yếu tố.
Máy đo gió & Wind vane
Máy đo gió là một thiết bị đo tốc độ gió. Máy đo gió sẽ gửi tín hiệu đến tốc độ phanh khi tốc độ gió quá cao hoặc quá thấp. Wind vane đo hướng gió và gửi tín hiệu đến thiết bị điện tử điều khiển hệ thống yaw. Cả hai máy đo gió và Wind vane đều nằm trên đỉnh của ống gió, thường hướng về phía sau.
Hệ thống Yaw
Hệ thống yaw giữ cho tuabin gió được định hướng theo đúng hướng. Giống như chúng ta đã nói trước đó, hiệu suất tối đa đạt được khi các cánh quạt tuabin vuông góc với hướng gió. Hệ thống yaw nhận đầu vào từ cánh gió về hướng gió và định hướng tua bin cho phù hợp. Nó bao gồm một hệ thống động cơ và phanh, và sử dụng bánh răng điện hoặc ổ trục thủy lực để quay. Hệ thống yaw được đặt ở vị trí của nacelle gặp tháp.
Tower
Gió có xu hướng mạnh hơn ở độ cao lớn hơn, vì vậy các tuabin gió được đặt trên đỉnh tháp lớn để tận dụng tốc độ gió cao hơn. Chiều cao của tháp rất quan trọng khi đánh giá khả năng phát điện. Nâng hoặc hạ chiều cao tháp có thể ảnh hưởng lớn đến công suất điện dự kiến. Trong khi Indiana có công suất điện dự kiến là 30.000 MW, con số đó đã tăng lên 40.000 MW khi chiều cao tháp được nâng từ 50m lên 70m. Chiều cao trung bình của tháp khoảng 65 mét. Để tránh xô lệch, việc tăng gấp đôi chiều cao tháp đòi hỏi phải tăng gấp đôi đường kính của tháp và tăng lượng vật liệu lên gấp 4 lần.
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 nghiên cứu các hợp kim thép cao cấp hơn có trọng lượng nhẹ hơn nhưng vẫn mang lại sự ổn định. Thép có nhược điểm của nó, vì nó không đủ mạnh để hỗ trợ việc xây dựng các tòa tháp cao hơn 90 mét. Nghiên cứu đang được thực hiện trên thép trộn với bê tông dự ứng lực, có thể hỗ trợ việc xây dựng các tuabin gió siêu cao.
Tòa tháp chứa các dây cáp chạy điện đến bộ chuyển đổi điện ở chân của nó. Trong hầu hết các tuabin, dòng điện được tạo ra đã là dòng điện xoay chiều, có thể chạy qua một máy biến áp để tăng hoặc giảm điện áp, sau đó được cấp trực tiếp vào lưới điện.
