✨Năng lượng gió

[[Turbine gió tại Tây Ban Nha]]

Năng lượng gió là động năng của không khí di chuyển trong bầu khí quyển Trái Đất. Sử dụng năng lượng gió là một trong các cách lấy năng lượng xa xưa nhất từ môi trường tự nhiên và đã được biết đến từ thời kỳ Cổ đại.

Sự hình thành năng lượng gió

Bức xạ Mặt Trời chiếu xuống bề mặt Trái Đất không đồng đều làm cho bầu khí quyển, nước và không khí nóng không đều nhau. Một nửa bề mặt của Trái Đất, mặt ban đêm, bị che khuất không nhận được bức xạ của Mặt Trời và thêm vào đó là bức xạ Mặt Trời ở các vùng gần xích đạo nhiều hơn là ở các cực, do đó có sự khác nhau về nhiệt độ và vì thế là khác nhau về áp suất mà không khí giữa xích đạo và 2 cực cũng như không khí giữa mặt ban ngày và mặt ban đêm của Trái Đất di động tạo thành gió. Trái Đất xoay tròn cũng góp phần vào việc làm xoáy không khí và vì trục quay của Trái Đất nghiêng đi (so với mặt phẳng do quỹ đạo Trái Đất tạo thành khi quay quanh Mặt Trời) nên cũng tạo thành các dòng không khí theo mùa.

nhỏ|Bản đồ vận tốc gió theo mùa

Do bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng Coriolis được tạo thành từ sự quay quanh trục của Trái Đất nên không khí đi từ vùng áp cao đến vùng áp thấp không chuyển động thắng mà tạo thành các cơn gió xoáy có chiều xoáy khác nhau giữa Bắc bán cầu và Nam bán cầu. Nếu nhìn từ vũ trụ thì trên Bắc bán cầu không khí di chuyển vào một vùng áp thấp ngược với chiều kim đồng hồ và ra khỏi một vùng áp cao theo chiều kim đồng hồ. Trên Nam bán cầu thì chiều hướng ngược lại.

Ngoài các yếu tố có tính toàn cầu trên gió cũng bị ảnh hưởng bởi địa hình tại từng địa phương. Do nước và đất có nhiệt dung khác nhau nên ban ngày đất nóng lên nhanh hơn nước, tạo nên khác biệt về áp suất và vì thế có gió thổi từ biển hay hồ vào đất liền. Vào ban đêm đất liền nguội đi nhanh hơn nước và hiệu ứng này xảy ra theo chiều ngược lại.

Vật lý học về năng lượng gió

Năng lượng gió là động năng của không khí chuyển động với vận tốc $v$. Khối lượng đi qua một mặt phẳng hình tròn vuông góc với chiều gió trong thời gian $t$ là:

với ρ là tỷ trọng của không khí, V là thể tích khối lương không khí đi qua mặt cắt ngang hình tròn diện tích A, bán kinh r trong thời gian t.

Vì thế động năng E (kin) và công suất P của gió là:

Điều đáng chú ý là công suất gió tăng theo lũy thừa 3 của vận tốc gió và vì thế vận tốc gió là một trong những yếu tố quyết định khi muốn sử dụng năng lượng gió.

Công suất gió có thể được sử dụng, ví dụ như thông qua một tuốc bin gió để phát điện, nhỏ hơn rất nhiều so với năng lượng của luồng gió vì vận tốc của gió ở phía sau một tuốc bin không thể giảm xuống bằng không. Trên lý thuyết chỉ có thể lấy tối đa là 59,3% năng lượng tồn tại trong luồng gió. Trị giá của tỷ lệ giữa công suất lấy ra được từ gió và công suất tồn tại trong gió được gọi là hệ số Betz (xem Định luật Betz), do Albert Betz tìm ra vào năm 1926.

Có thể giải thích một cách dễ hiểu như sau: Khi năng lượng được lấy ra khỏi luồng gió, gió sẽ chậm lại. Nhưng vì khối lượng dòng chảy không khí đi vào và ra một tuốc bin gió phải không đổi nên luồng gió đi ra với vận tốc chậm hơn phải mở rộng tiết diện mặt cắt ngang. Chính vì lý do này mà biến đổi hoàn toàn năng lượng gió thành năng lượng quay thông qua một tuốc bin gió là điều không thể được. Trường hợp này đồng nghĩa với việc là lượng không khí phía sau một tuốc bin gió phải đứng yên.

Ứng dụng năng lượng gió

nhỏ|Cối xay gió

:Đọc bài chính về lịch Ứng dụng năng lượng gió

Năng lượng gió đã được sử dụng từ hằng trăm năm nay. Con người đã dùng năng lượng gió để di chuyển thuyền buồm hay khinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo công cơ học nhờ vào các cối xay gió.

Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn cơ học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1962 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại.

Sản xuất điện từ năng lượng gió

Vì gió không thổi đều đặn nên, để cung cấp năng lượng liên tục, năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác như năng lượng mặt trời: Gió thổi vào ban đêm thường mạnh hơn ban ngày.

Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao.

Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. (Đọc thêm thông tin trong bài tuốc bin gió).

Người ta còn có một công nghệ khác để tích trữ năng lượng gió. Cánh quạt gió sẽ được truyền động trực tiếp để quay máy nén khí. Động năng của gió được tích lũy vào hệ thống nhiều bình khí nén. Hệ thống hàng loạt bình khí nén này sẽ được luân phiên tuần tự phun vào các turbine để quay máy phát điện. Như vậy năng lượng gió được lưu trữ và sử dụng ổn định hơn (dù gió mạnh hay gió yếu thì khí vẫn luôn được nén vào bình, và người ta sẽ dễ dàng điểu khiển cường độ và lưu lượng khí nén từ bình phun ra), hệ thống các bình khí nén sẽ được nạp khí và xả khí luân phiên để đảm bảo sự liên tục cung cấp năng lượng quay máy phát điện (khi 1 bình đang xả khí quay máy phát điện thì các bình khác sẽ đang được cánh quạt gió nạp khí nén vào).

Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường ví dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất ([http://www.externe.info/] ).

Khuyến khích sử dụng năng lượng gió

thumb|Roscoe Wind Farm in West Texas Phát triển năng lượng gió được tài trợ tại nhiều nước không phụ thuộc vào đường lối chính trị, ví dụ như thông qua việc hoàn trả thuế (PTC tại Hoa Kỳ), các mô hình hạn ngạch hay đấu thầu (Ví dụ như tại Anh, Ý) hay thông qua các hệ thống giá tối thiểu (Ví dụ như Đức, Tây Ban Nha, Áo, Pháp, Bồ Đào Nha, Hy Lạp). Hệ thống giá tối thiểu ngày càng phổ biến và đã đạt được một giá điện bình quân thấp hơn trước, khi công suất các nhà máy lắp đặt cao hơn.

Trên nhiều thị trường điện, năng lượng gió phải cạnh tranh với các nhà máy điện mà một phần đáng kể đã được khấu hao toàn bộ từ lâu, bên cạnh đó công nghệ này còn tương đối mới. Vì thế mà tại Đức có đền bù giá giảm dần theo thời gian từ những nhà cung cấp năng lượng thông thường dưới hình thức Luật năng lượng tái sinh, tạo điều kiện cho ngành công nghiệp trẻ này phát triển. Bộ luật này quy định giá tối thiểu mà các doanh nghiệp vận hành lưới điện phải trả cho các nhà máy sản xuất điện từ năng lượng tái sinh. Mức giá được ấn định giảm dần theo thời gian. Ngược với việc trợ giá (Ví dụ như cho than đá Đức) việc khuyến khích này không xuất phát từ tiền thuế, các doanh nghiệp vận hành lưới điện có trách nhiệm phải mua với một giá cao hơn.

Bên cạnh việc phá hoại phong cảnh tự nhiên những người chống năng lượng gió cũng đưa ra thêm các lý do khác như thiếu khả năng trữ năng lượng và chi phí cao hơn trong việc mở rộng mạng lưới tải điện cũng như cho năng lượng điều chỉnh.

Thống kê

Đức và sau đó là Tây Ban Nha, Hoa Kỳ, Đan Mạch và Ấn Độ là những quốc gia sử dụng năng lượng gió nhiều nhất trên thế giới.

Công suất lắp đặt trên thế giới

Trong số 20 thị trường lớn nhất trên thế giới, chỉ riêng châu Âu đã có 13 nước với Đức là nước dẫn đầu về công suất của các nhà máy dùng năng lượng gió với khoảng cách xa so với các nước còn lại. Tại Đức, Đan Mạch và Tây Ban Nha việc phát triển năng lượng gió liên tục trong nhiều năm qua được nâng đỡ bằng quyết tâm chính trị. Nhờ vào đó mà một ngành công nghiệp mới đã phát triển tại 3 quốc gia này. Công nghệ Đức (bên cạnh các phát triển mới từ Đan Mạch và Tây Ban Nha) đã được sử dụng trên thị trường nhiều hơn trong những năm vừa qua.

Năm 2007 thế giới đã xây mới được khoảng 20073 MW điện, trong đó Mỹ với 5244 MW, Tây Ban Nha 3522MW, Trung Quốc 3449 MW, 1730 MW ở Ấn Độ và 1667 ở Đức, nâng công suất định mức của các nhà máy sản xuất điện từ gió lên 94.112 MW. Công suất này có thể thay đổi dựa trên sức gió qua các năm, các nước, các vùng.

Nguồn: [http://www.igwindkraft.at/ IG Windkraft Österreich]

Công suất định mức lắp đặt tại Đức

phải|nhỏ|Bản đồ phân bố của các [[tuốc bin gió ở Đức]] Trong năm 2004, với 25.000 GWh, lần đầu tiên tại Đức sản xuất điện từ năng lượng gió đã vượt qua được nguồn cung cấp điện từ năng lượng tái sinh khác được sử dụng nhiều nhất cho đến thời điểm này là thủy điện với 20.900 GWh.

Công suất định mức lắp đặt tại Đức theo tiểu bang:

Nguồn: [http://www.dewi.de Viện năng lượng gió Đức], tính đến ngày 31 tháng 12 năm 2004.

Công suất định mức lắp đặt tại Pháp

Nguồn: [http://www.exportinitiative.de/media/article005618/VortragKlugFrankreich.pdf Viện năng lượng gió Đức] tính đến cuối năm 2003.

Thiết kế tua bin

thumb| Typical wind turbine components: thumb|right|Typical components of a wind turbine (gearbox, rotor shaft and brake assembly) being lifted into position

Tua bin gió là các thiết bị chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng điện. Kết quả của hơn một ngàn năm phát triển cối xay gió và kỹ thuật hiện đại, các tuabin gió ngày nay được sản xuất trong một loạt các trục ngang và trục dọc. Các tuabin nhỏ nhất được sử dụng cho các ứng dụng như sạc pin cho nguồn điện phụ trợ. Các tuabin lớn hơn có thể được sử dụng để đóng góp một phần nhỏ năng lượng vào nguồn điện được sử dụng trong nước. Tiêu biểu như những mảng tua-bin lớn, còn được gọi là trang trại gió, đã trở thành nguồn năng lượng tái tạo và được sử dụng ở nhiều nước và là một phần chiến lược trong việc giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Thiết kế tuabin gió là quá trình xác định hình dạng và thông số kỹ thuật của một tuabin gió để trích năng lượng từ gió. Việc lắp đặt tuabin gió bao gồm các hệ thống cần thiết để thu năng lượng từ gió, đưa tuabin vào gió, chuyển đổi vòng quay cơ học thành năng lượng điện, và các hệ thống khác để cho quá trình có thể bắt đầu, dừng và từ đó điều khiển được tuabin.

Năm 1919, nhà vật lý người Đức Albert Betz đã chỉ ra rằng đối với một máy khai thác năng lượng gió lý tưởng, các định luật cơ bản về bảo tồn khối lượng và năng lượng cho phép không được vượt quá 16/27 (59,3%) động năng của gió. Định luật Betz này có thể được tiếp cận trong các thiết kế tuabin hiện đại, có thể đạt tới 70 đến 80% giới hạn Betz lý thuyết.

Khí động học của tuabin gió không đơn giản. Luồng không khí ở các lưỡi dao không giống như luồng không khí ở xa tuabin. Bản chất từ việc năng lượng được tách ra từ không khí cũng làm cho không khí bị lệch hướng bởi tuabin. Ngoài ra khí động lực học của một tuabin gió ở bề mặt rotor còn thể hiện hiện tượng hiếm thấy trong các lĩnh vực khí động học khác. Hình dạng và kích thước của lưỡi dao của tuabin gió được xác định bởi hiệu suất khí động học cần thiết để trích xuất năng lượng từ gió, và do sức mạnh cần thiết để chống lại các lực trên lưỡi dao.

Ngoài thiết kế khí động học của lưỡi dao, thiết kế của một hệ thống năng lượng gió hoàn chỉnh cũng phải giải quyết thiết kế của trục quay trung tâm rotor, vỏ bọc, cấu trúc tháp, máy phát điện, điều khiển và nền móng của thiết bị. Thiết kế tuabin được sử dụng rộng rãi ở các công cụ mô phỏng và mô phỏng máy tính. Những điều này ngày càng trở nên tinh vi hơn và được nhận xét bởi một bài đánh giá hiện đại gần đây của Hewitt và các cộng sự. Các yếu tố thiết kế xa hơn cũng phải được xem xét khi tích hợp tuabin gió vào lưới điện.