Năng lượng gió là gì? Nguyên lý hoạt động của Năng Lượng Gió

Gió là một nguồn năng lượng tự nhiên vô tận và sạch, được sử dụng từ xa xưa để phục vụ cho nhu cầu của con người. Ngày nay, năng lượng gió ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất và đời sống, đặc biệt là trong sản xuất điện năng. Vậy năng lượng gió là gì? Nguyên lý hoạt động của nó ra sao? Hãy cùng Hoàng Phát tìm hiểu chi tiết qua bài viết sau đây nhé!

Năng lượng gió là gì?

Năng lượng gió là một phương thức khai thác năng lượng tái tạo, dựa vào lực của gió để sinh ra điện năng. Gió là nguồn năng lượng tự nhiên, vô tận và sạch, đã được con người khám phá và sử dụng từ hàng ngàn năm trước. Năng lượng gió, trong thực chất, là một hình thức năng lượng gián tiếp từ năng lượng mặt trời. Nó được hình thành do sự khác biệt trong việc hấp thụ nhiệt từ mặt trời giữa các vùng khác nhau trên Trái Đất, cùng với sự quay của Trái Đất quanh mặt trời và sự phân bố nhiệt không đồng đều trong khí quyển. Kết quả là sự chênh lệch áp suất khí quyển, tạo ra gió – một nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng để phát điện.

Năng lượng điện gió, với cơ chế hoạt động đơn giản nhưng hiệu quả, đã và đang trở thành một lựa chọn hàng đầu trong các chiến lược phát triển năng lượng bền vững. Sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng không tái tạo như than đá, dầu mỏ đang dần được thay thế bằng năng lượng gió, một phần của xu hướng chung toàn cầu hướng tới một tương lai xanh và bền vững.

Vai trò của năng lượng điện gió trong tình hình hiện nay

Điện gió không chỉ là một giải pháp năng lượng xanh, mà còn là chìa khóa quan trọng trong cuộc chiến chống lại biến đổi khí hậu. Khác biệt rõ ràng nhất của điện gió so với các nguồn năng lượng truyền thống là tính sạch và thân thiện với môi trường. Điện gió không phát thải CO2 hay các chất ô nhiễm khác, điều này làm giảm đáng kể lượng khí nhà kính gây hiệu ứng nhà kính, nguyên nhân chính của biến đổi khí hậu.

Hơn nữa, điện gió tận dụng nguồn tài nguyên tự nhiên là gió, không chỉ dồi dào mà còn là nguồn tài nguyên không bao giờ cạn kiệt. Với những điều này đã giúp điện gió có thể phát triển mạnh mẽ ở hầu hết các khu vực trên thế giới, kể cả những nơi có mật độ dân cư cao, mà không gây ra bất kỳ tác động tiêu cực nào đến môi trường sống.

Về mặt kinh tế và xã hội, ngành công nghiệp điện gió mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Nó không chỉ tạo ra hàng ngàn cơ hội việc làm trong các lĩnh vực như thiết kế, sản xuất, lắp đặt, vận hành và bảo trì, mà còn thúc đẩy sự phát triển kinh tế ở những khu vực có tiềm năng gió cao. Sự đầu tư vào điện gió còn là cú hích cho sự phát triển của công nghệ mới, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất năng lượng, từ đó giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ môi trường.

Như vậy, điện gió không chỉ là một nguồn năng lượng thay thế, mà còn là một yếu tố quan trọng trong việc xây dựng một tương lai bền vững, với sự hài hòa giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường.

Cấu tạo của tuabin gió

Tuabin gió bao gồm các bộ phận chính sau:

• Cánh quạt: Cánh quạt là bộ phận quan trọng nhất của tuabin gió. Cánh quạt có hình dạng aerofoil, giống như cánh máy bay, giúp tối ưu hóa khả năng đón gió và chuyển động quay của gió thành chuyển động quay của trục máy phát. Cánh quạt thường được làm bằng vật liệu composite, có độ bền cao và chịu được tác động của gió.
• Trục máy phát: Trục máy phát là bộ phận truyền chuyển động quay của cánh quạt đến máy phát điện. Trục máy phát thường được làm bằng thép hoặc hợp kim nhôm, có độ cứng cao và chịu được tải trọng lớn.
• Máy phát điện: Máy phát điện là bộ phận chuyển đổi chuyển động quay của trục máy phát thành điện năng. Máy phát điện thường được sử dụng là máy phát điện xoay chiều, có công suất phù hợp với công suất của tuabin gió.
• Hộp số: Hộp số là bộ phận giúp tăng tốc độ quay của trục máy phát từ tốc độ thấp (30-60 vòng/phút) lên tốc độ cao (1200-1500 vòng/phút) phù hợp với tốc độ quay của máy phát điện. Hộp số thường được làm bằng thép, có độ bền cao và chịu được tải trọng lớn.
• Bộ điều khiển: Bộ điều khiển là bộ phận điều khiển hoạt động của tuabin gió, đảm bảo tuabin gió hoạt động an toàn và hiệu quả. Bộ điều khiển thường được làm bằng các linh kiện điện tử, có độ bền cao và khả năng chống chịu được thời tiết khắc nghiệt.
• Hệ thống theo dõi hướng gió: Hệ thống theo dõi hướng gió giúp tuabin gió luôn quay theo hướng gió chính, nhằm tối ưu hóa khả năng phát điện. Hệ thống theo dõi hướng gió thường bao gồm một cánh quạt hướng gió và một động cơ hướng trục.

Nguyên lý hoạt động của năng lượng gió

Tuabin gió với cấu trúc và cơ chế hoạt động đơn giản là một giải pháp mới nhất trong việc tạo ra năng lượng sạch. Mỗi tuabin gió thường được trang bị 2 hoặc 3 cánh quạt lớn, quay xung quanh một trục gọi là rotor. Khi gió thổi, nó tạo ra lực đẩy làm cho cánh quạt này quay. Sự quay này không chỉ là chuyển động vật lý đơn thuần, mà còn là khởi nguồn cho quá trình phát điện.

Rotor của tuabin được kết nối trực tiếp với trục chính, mà từ đó truyền động lực tới máy phát điện. Khi trục chính của máy phát điện quay, nó tạo ra điện năng qua quá trình chuyển đổi năng lượng cơ học thành năng lượng điện.

Một điểm đặc biệt trong thiết kế của tuabin gió là việc lắp đặt chúng trên những trụ cao. Độ cao này, thường khoảng 30 mét, không chỉ giúp tuabin gió thu được lượng gió mạnh mẽ và ổn định, mà còn tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng gió. Ở độ cao này, luồng gió thường đều đặn và ít bị tác động bởi các yếu tố môi trường bất thường, từ đó tăng cường hiệu quả hoạt động của tuabin.

Tuabin gió không chỉ dùng để cung cấp điện cho các hộ gia đình, mà còn có thể kết nối với nhau tạo thành một mạng lưới điện rộng lớn, phục vụ cho nhu cầu điện năng của các công trình xây dựng hay các khu công nghiệp. Sự linh hoạt và khả năng mở rộng này làm cho tuabin gió trở thành một phần quan trọng trong hệ thống cung cấp năng lượng, đặc biệt trong bối cảnh tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế sạch và bền vững.

Các kiểu tuabin năng lượng gió hiện nay

Tuabin gió là thiết bị chuyển động của gió thành điện năng. Đây là một nguồn năng lượng tái tạo sạch và bền vững, không gây ô nhiễm môi trường và không phát thải khí nhà kính.

Trước khi tìm hiểu về các kiểu tuabia gió thì chúng ta hãy cùng điểm qua đôi nét về lịch sự hình thành của nó. Tuabin gió được sử dụng từ rất xa xưa, ban đầu để xay xát ngũ cốc, bơm nước,… Đến thế kỷ 19, tuabin gió bắt đầu được sử dụng để phát điện. Tuabin gió hiện đại đầu tiên được sản xuất tại Đan Mạch vào năm 1887. Các trục của tuabin gió cũng được ra đời từ Đan Mạch.

Phân loại tuabin gió:

• Tuabin gió trục ngang: Loại tuabin này có cánh quạt nằm ngang, quay theo hướng gió. Tuabin gió trục ngang có hiệu suất cao hơn tuabin gió trục đứng, dễ lắp đặt và bảo trì.
• Tuabin gió trục đứng: Loại tuabin này có cánh quạt nằm dọc, quay theo trục của tuabin. Tuabin gió trục đứng không cần bộ phận điều hướng, dễ lắp đặt trong khu dân cư hay nơi chật hẹp.

Công suất của tuabin năng lượng gió

Tuabin gió là một giải pháp năng lượng đa dạng và linh hoạt, với khả năng thích ứng theo nhu cầu sử dụng điện năng cụ thể. Công suất của tuabin gió có thể biến đổi, từ việc cung cấp một lượng nhỏ cho hộ gia đình cho đến việc cung cấp điện năng cho cả một khu vực rộng lớn.

Các hệ thống tuabin gió lớn, với công suất có thể lên đến vài MW, thường được lắp đặt ở các địa điểm cố định như cánh đồng gió. Những hệ thống này đòi hỏi đầu tư lớn về mặt chi phí cũng như cơ sở hạ tầng, nhưng lại mang lại lợi ích lớn trong việc cung cấp điện năng cho các khu vực có nhu cầu cao, từ đó tạo thành một phần quan trọng của lưới điện quốc gia.

Ở quy mô nhỏ hơn, tuabin gió có công suất dưới 100 KW lại phù hợp cho việc sử dụng trong các hộ gia đình, cung cấp năng lượng cho các thiết bị như máy bơm nước hay hệ thống truyền thông. Sự nhỏ gọn và hiệu quả của những tuabin này làm cho chúng trở thành lựa chọn hợp lý cho những nơi có nhu cầu điện năng vừa phải hoặc những khu vực khó tiếp cận.

Ngoài ra, trong một số trường hợp cụ thể, tuabin gió còn được kết hợp với các hệ thống năng lượng khác như máy phát điện diesel, pin năng lượng mặt trời, tạo nên một hệ thống năng lượng hỗn hợp. Sự kết hợp này không chỉ tăng cường sự đa dạng và linh hoạt trong việc cung cấp năng lượng, mà còn giúp đảm bảo nguồn cung điện ổn định cho những khu vực có điều kiện địa lý và khí hậu khó khăn, đồng thời góp phần vào việc phát triển hệ thống năng lượng bền vững, thân thiện với môi trường.

Những thuận lợi và hạn chế khi sử dụng năng lượng gió

Thuận lợi

Từ thời cổ đại, con người đã biết sử dụng sức gió để di chuyển trên biển bằng thuyền buồm. Đây là bước khởi đầu cho sự hiểu biết của con người về động lực học và lực nâng.

Cối xay gió là một phát minh quan trọng khác dựa trên nguyên lý này. Ngày nay, năng lượng gió được sử dụng để phát điện, là một nguồn năng lượng tái tạo sạch và bền vững. Cụ thể nguồn năng lượng này mang lại những ưu điểm sau:

• Tiết kiệm chi phí: Nguồn năng lượng gió miễn phí giúp tuabin gió sản xuất điện với chi phí thấp, chỉ khoảng 1-2 cent cho mỗi kilowatt-giờ (kWh). Năng lượng gió từ các trang trại gió thường được bán với giá cố định trong thời gian dài, giúp tránh những biến động giá bất thường của nhiên liệu hóa thạch.
• Có thể tái tạo: Gió là nguồn tài nguyên vô hạn, không bao giờ cạn kiệt. Công nghệ tuabin gió ngày càng được cải thiện, nhưng nguồn năng lượng gió vẫn luôn tồn tại, là nguồn năng lượng sạch và có thể tái tạo.
• Hiệu quả không gian: Tuabin gió ngày càng lớn và hiệu quả hơn, mỗi tuabin có thể cung cấp điện cho khoảng 600 hộ gia đình. Tuabin gió chiếm ít không gian, và khu vực xung quanh có thể được sử dụng cho các mục đích khác, như sản xuất lương thực.
• Chi phí vận hành thấp: Tuabin gió sau khi lắp đặt thường ít cần bảo trì. Cơ học của tuabin gió đơn giản và đáng tin cậy, giúp giảm chi phí vận hành và mang lại giá điện thấp hơn cho người tiêu dùng.
• Tạo công ăn việc làm: Ngành công nghiệp năng lượng gió đang phát triển nhanh chóng, tạo ra nhiều cơ hội việc làm trong các lĩnh vực như thiết kế, sản xuất, lắp đặt và bảo trì. Ước tính sẽ có hơn 600.000 việc làm được tạo ra trong ngành này vào năm 2050, với hơn 120.000 người đã làm việc trong lĩnh vực này ở Mỹ hiện nay.

Như vậy, năng lượng gió không chỉ mang lại lợi ích về mặt kinh tế và môi trường, mà còn góp phần vào việc tạo dựng một tương lai bền vững và phát triển xã hội.

Hạn chế

Năng lượng gió, mặc dù mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng có những hạn chế cần được quan tâm:

• Tiếng ồn và tính thẩm mỹ: Tuabin gió có thể tạo ra tiếng ồn, có thể truyền xa đến 2km. Tuy nhiên, mức độ ồn này thấp hơn so với đường cao tốc và thường không nằm gần khu dân cư đông đúc. Âm thanh từ tuabin gió phụ thuộc vào hướng gió và chỉ xuất hiện khi có gió. Về mặt thẩm mỹ, một số người không thích hình ảnh của tuabin gió trong cảnh quan, nhưng đây không phải là vấn đề lớn so với tác động môi trường của các nguồn năng lượng khác.
• Tác động đến động vật hoang dã: Mặc dù tác động của tuabin gió đối với chim và động vật hoang dã ít hơn so với các tòa nhà cao tầng, nhưng các nhà khoa học vẫn đang nỗ lực để giảm thiểu hoặc loại bỏ hoàn toàn tác động này.
• Sự dao động của gió: Một trong những hạn chế của năng lượng gió là sự không ổn định của gió, về cả cường độ và hướng. Tuy nhiên, công nghệ hiện đại, bao gồm điều khiển tự động và máy đo gió, đã giúp cải thiện khả năng thu năng lượng từ gió. Các thiết bị này đo tốc độ và hướng gió, sau đó điều chỉnh hướng của tuabin để tối ưu hóa việc thu năng lượng.
• Cải thiện khả năng lưu trữ điện: Khi công nghệ lưu trữ điện được cải thiện, vấn đề về sự không ổn định của gió sẽ ít ảnh hưởng hơn. Việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác cùng với việc đặt các trang trại gió ở những khu vực có gió mạnh cũng giúp giảm bớt hạn chế này.

Nhìn chung, mặc dù có một số hạn chế, năng lượng gió vẫn là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, mang lại lợi ích về mặt kinh tế và môi trường.

3 Công trình năng lượng gió nổi tiếng tại Việt Nam

Năng lượng điện gió tỉnh Bạc Liêu

Nhắc đến những cánh đồng quạt gió ở Việt Nam, người ta thường nghĩ ngay đến cánh đồng rộng lớn ở Bạc Liêu. Đây không chỉ là công trình năng lượng điện gió đầu tiên của Việt Nam, mà còn là dự án điện gió đầu tiên ở Đông Nam Á xây dựng trên thềm lục địa.

Cánh đồng quạt gió Bạc Liêu nằm ở xã Vĩnh Trạch Đông, thành phố Bạc Liêu, cách trung tâm thành phố khoảng 20km. Với tổng diện tích 110ha, cánh đồng có tổng cộng 62 trụ tuabin gió, cao khoảng 80m, cánh quạt dài 42m. Không chỉ là nguồn năng lượng sạch, cánh đồng quạt gió Bạc Liêu còn là điểm du lịch hấp dẫn của tỉnh.

Năng Lượng điện gió Phương Mai – tỉnh Bình Định

Tọa lạc tại bán đảo Phương Mai, xã Cát Tiến, huyện Phù Cát, tỉnh Bình Định, cánh đồng quạt gió là một trong những địa điểm du lịch nổi tiếng của tỉnh. Với tổng diện tích 122 ha, cánh đồng có 6 trụ tuabin gió lớn nhất Việt Nam, mỗi trụ cao 114m, đường kính cánh quạt 132m, có công suất 3,5MW.

Năng lượng điện gió Đầm Nại – tỉnh Ninh Thuận

Hy vọng bài viết của Hoàng Phát đã giúp chúng ta hiểu rõ hơn về năng lượng gió và có thể sử dụng nguồn năng lượng sạch này thật hữu ích cho cuộc sống của mình.