Turbine gió
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 tiếp thành điện năng như trong trường hợp máy phát điện bằng sức gió.
Máy phát điện bằng sức 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
Lịch sử Turbine gió
Cối xay gió đã được sử dụng ở Ba Tư (Iran ngày nay) vào đầu năm 200 TCN Bánh xe gió của Heron tại Alexandria đánh dấu một trong những trường hợp được biết đến đầu tiên của máy chạy bằng sức gió trong lịch sử. Tuy nhiên, việc chiếc cối xay gió đầu tiên được biết đến thực tế được xây dựng ở Sistan, một vùng nằm giữa Afghanistan và Iran, từ thế kỷ thứ 7. Những thân cối xay gió là những trục dọc, và có cánh hình chữ nhật.
Các tài liệu đầu tiên về hệ thống để phát điện bằng sức gió được lập vào năm 1887 do một người Scotland tên là James Blyth, để tạo ra năng lượng chiếu sáng cho ngôi nhà trong kỳ nghỉ của mình. Ông đã xây dựng một trục thẳng đứng chắc chắn với 10 mét chiều cao và 4 cánh quạt.
Dane Poul La Cour đến xung quanh bật của thế kỷ bởi các nghiên cứu có hệ thống - trong số những thứ khác, được thiết kế khí động học trong hầm gió airfoils - khái niệm về tốc độ cánh quạt mà cánh quạt chỉ đủ để khai thác năng lượng gió trên toàn bộ diện tích cánh quạt.
Năm 1920, Albert Bates về các nguyên tắc vật lý mà vẫn còn được sử dụng ngày hôm nay để tận dụng lợi thế của năng lượng gió là tối ưu: giảm tốc độ của lưu lượng dòng chảy để chỉ một phần ba tốc độ gió, đồng đều trên diện tích cánh quạt, được thực hiện bởi bề ngoài giảm chiều sâu của cánh quạt.
Các thăng bằng hàng không cải thiện dạng hình trong những năm 50 và 60, cho phép lướt và tỷ lệ trên 50 cực kỳ nhanh chóng chạy với chỉ một lưỡi cánh quạt duy nhất. Cánh quạt với hơn hai lá được coi là lạc hậu.
Theo kế hoạch của Đức turbine với hai lá GROWIAN là một dự án lớn đã được lên và đưa xuống để đưa các khái niệm của Đan Mạch của các hệ thống mạnh mẽ của quyền lực trung nhiều. Nó cũng có một số lượng lớn ở Hoa Kỳ xuất khẩu một hệ thống không đồng bộ, một hoặc hai tốc độ cố định và ba cánh quạt cứng. Kể từ đó, Đan Mạch là nước có tỷ trọng lớn nhất của thế hệ năng lượng gió.
Cấu tạo tuabin gió
- Anemometer: Bộ đo lường tốc độ gió và truyền dữ liệu tốc độ gió tới bộ điểu khiển.
- Blades: Cánh quạt. Gió thổi qua các cánh quạt và là nguyên nhân làm cho các cánh quạt chuyển động và quay.
- Brake: Bộ hãm (phanh). Dùng để dừng rotor trong tình trạng khẩn cấp bằng điện, bằng sức nước hoặc bằng động cơ.
- Controller: Bộ điều khiển. Bộ điều khiển sẽ khởi động động cơ ở tốc độ gió khoảng 8 đến 14 dặm/giờ tương ứng với 12 km/h đến 22 km/h và tắc động cơ khoảng 65 dặm/giờ tương đương với 104 km/h bởi vì các máy phát này có thể phát nóng.
- Gear box: Hộp số. Bánh răng được nối với trục có tốc độ thấp với trục có tốc độ cao và tăng tốc độ quay từ 30 đến 60 vòng/ phút lên 1200 đến 1500 vòng/ phút, tốc độ quay là yêu cầu của hầu hết các máy phát điện sản xuất ra điện. Bộ bánh răng này rất đắt tiền, nó là một phần của bộ động cơ và tuabin gió.
- Generator: Máy phát. Phát ra điện.
- High - speed shaft: Trục truyền động của máy phát ở tốc độ cao.
- Low - speed shaft: Trục quay tốc độ thấp.
- Nacelle: Vỏ. Bao gồm rotor và vỏ bọc ngoài, toàn bộ được dặt trên đỉnh trụ và bao gồm các phần: gear box, low and high – speed shafts, generator, controller, and brake. Vỏ bọc ngoài dùng bảo vệ các thành phần bên trong vỏ. Một số vỏ phải đủ rộng để một kỹ thuật viên có thể đứng bên trong trong khi làm việc.
- Pitch: Bước răng. Cánh được xoay hoặc làm nghiêng một ít để giữ cho rotor quay trong gió không quá cao hay quá thấp để tạo ra điện.
- Rotor: Bao gồm các cánh quạt và trục.
- Tower: Trụ đỡ Nacelle. Được làm bằng thép hình trụ hoặc thanh dằn bằng thép. Bởi vì tốc độ gió tăng lên nếu trụ càng cao, trụ đỡ cao hơn để thu được năng lượng gió nhiều hơn và phát ra điện nhiều hơn.
- Wind vane: Để xử lý hướng gió và liên lạc với “yaw drive” để định hướng tuabin gió.
- Yaw drive: Dùng để giữ cho rotor luôn luôn hướng về hướng gió chính khi có sự thay đổi hướng gió.
- Yaw motor: Động cơ cung cấp cho “yaw drive” định được hướng gió.
Cấu tạo của tuabin gió
Các kiểu tuabin gió hiện nay
Các tuabin gió hiện nay được chia thành hai loại:
- Một loại theo trục đứng giống như máy bay trực thăng.
- Một loại theo trục ngang.
Các loại tuabin gió trục ngang là loại phổ biến có 2 hay 3 cánh quạt. Tuabin gió 3 cánh quạt hoạt động theochiều gió với bề mặt cánh quạt hướng về chiều gió đang thổi. Ngày nay, tuabin gió 3 cánh quạt được sử dụng rộng rãi.
Công suất các lại tuabin gió
Dãy công suất tuabin gió thuận lợi từ 50 kW tới công suất lớn hơn cỡ vài MW. Để có dãy công suất tuabin gió lớn hơn thì tập hợp thành một nhóm nhưng tuabin với nhau trong một trại gió và nó sẽ cung cấp năng lượng lớn hơn cho lưới điện.
Các tuabin gió loại nhỏ có công suất dưới 50 kW được sử dụng cho gia đình. Viễn thông hoặc bơm nước đôi khi cũng dùng để nối với máy phát điện diezen, pin và hệ thống quang điện. Các hệ thống này được gọi là hệ thống lai gió và điển hình là sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, những địa phương chưa có lưới điện, những nơi mà mạng điện không thể nối tới các khu vực này.
Nguyên lý hoạt động của các tuabin gió
Các tuabin gió tạo ra điện như thế nào?Một cách đơn giản là một tuabin gió làm việc trái ngược với một máy quạt điện, thay vì sử dụng điện để tạo ra gió như quạt điện thì ngược lại tuabin gió lại sử dụng gió để tạo ra điện.
Các tuabin gió hoạt động theomột nguyên lý rất đơn giản. Năng lượng của gió làm cho 2 hoặc 3 cánh quạt quay quanh 1 rotor. Mà rotor được nối với trục chính và trục chính sẽ truyền động làm quay trục quay máy phát để tạo ra điện.
Các tuabin gió được đặt trên trụ cao để thuhầu hết năng lượng gió. Ở tốc độ 30 mét trên mặt đất thì các tuabin gió thuận lợi: Tốc độ nhanh hơn và ít bị các luồng gió bất thường.
Các tuabin gió có thể sử dụng cung cấp điện cho nhà cửa hoặc xây dựng, chúng có thể nối tới một mạng điện để phân phối mạng điện ra rộng hơn.
Nhìn từ phía ngoài vào một xưởng năng lượng gió thấy được một nhóm các tuabin làm việc và tạo ra điện nhờ các đường dây tiện ích như thế nào?Điện được truyền qua dây dẫn phân phối từ các nhà, các cơ sở kinh doanh, các trường học …
Những thuận lợi và khó khăn của việc sử dụng năng lượng gió
a. Những thuận lợi:
- Năng lượng gió là nhiên liệu sinh ra bởi gió, vì vậy nó là nguồn nhiên liệu sạch. Năng lượng gió không gây ô nhiễm không khí so với các nhà máy nhiệt điện dựa vào sự đốt cháy nhiên liệu than hoặc khí ga.
- Năng lượng gió có ở nhiều vùng. Do đó nguồn cung cấp năng lượng gió của đất nước thì rất phong phú.
- Năng lượng gió là một dạng năng lượng có thể tái tạo lại được mà giá cả lại thấp do khoa học tiến tiến ngày nay. Khoảng 4 đến 6 cent/kWh.Điều đó còn tuỳ thuộc vào nguồn gió, tài chính của công trình và đặc điểm của công trình.
- Tuabin gió có thể xây dựng trên các nông trại, vì vậy đó là một điều kiện kinh tế cho các vùng nông thôn, là nơi tốt nhất về gió mà có thể tìm thấy. Những người nông dân và các chủ trang trại có thể tiếp tục công việc trên đất của họ bởi vì tuabin gió chỉ sử dụng một phần nhở đất trồng của họ, chủ đầu tư năng lượng gió chỉ phải trả tiền bồi thường cho những nông dân và chủ các trang trại mà có đất sử dụng việc lắp đặt các tuabin gió.
.png)
b. Những khó khăn
- Năng lượng gió phải cạnh tranh với các nguồn phát sinh thông thường ở một giá cơ bản. Điều đó còn phụ thuộc vào nơi có gió mạnh như thế nào.Vì thế nó đòi hỏi vốn đầu tư ban đầu cao hơn các máy phát điện chạy bằng nhiên liêu khác.
- Năng lượng gió là một nguồn năng lượng không liên tục và nó không luôn luôn có khi cần có điện. Năng lượng gió không thể dự trữ được và không phải tất cả năng lượng gió có thể khai thác được tại thời điểm mà có nhu cầu về điện.
- Những nơi có năng lượng gió tốt thường ở những vị trí xa xôi cách thành phố, nhưng những nơi đó lại cần điện
