Giải thích về các loại tua bin gió HAWT, VAWT và nhiều loại khác

Đại đa số tua-bin gió được thấy xung quanh quận trên các trang trại gió (cả trên bờ và ngoài khơi) là thiết kế 3 cánh quạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên, có một số kiểu/loại tua bin khác nhau và cách chúng khai thác năng lượng động từ gió khá khác nhau.

Hai loại tua bin gió chính là tua bin gió trục ngang và tua bin gió trục dọc. Tua bin gió trục ngang có trục quay được định hướng theo chiều ngang. Chúng thường có 3 cánh và được thiết kế để hướng về phía gió. Tua bin gió trục đứng có trục quay được định hướng theo chiều dọc và được thiết kế để khai thác năng lượng động học theo hướng ngược lại.

Ngoài tua bin gió trục ngang và trục dọc còn có những phiên bản tua bin khác đáng để khám phá.

Loại tua bin gió phổ biến nhất là 'Tua bin gió trục ngang'. Nó được gọi là trục ngang vì trục quay nằm ngang (xem sơ đồ bên dưới)

Tua bin gió trục ngang cần hướng trực tiếp vào gió để hoạt động ở hiệu suất tối đa và toàn bộ đầu được thiết kế để quay về hướng gió. Khi gió đổi hướng, đầu phải quay (hoặc 'nghiêng') để tiếp tục hướng vào gió.

Tuabin gió trục ngang được lựa chọn cho các trang trại gió ngoài khơi và các trang trại gió trên bờ, nơi đất đai chủ yếu bằng phẳng và thoáng, vì chúng hoạt động hiệu quả hơn tua bin trục đứng ở những khu vực gió không nhiễu loạn.

Được xây dựng cho kích thước

Mặc dù có rất nhiều tua-bin gió trục ngang quy mô nhỏ có sẵn trên thị trường dành cho những chủ nhà có ý thức về năng lượng, một trong những lợi thế lớn của chúng là chúng có thể mở rộng quy mô sản xuất tốt và có thể được xây dựng RẤT LỚN. Đây là một lý do khác tại sao chúng được sử dụng cho các trang trại gió. Việc xây dựng và vận hành một tua-bin 10 megawatt (MW) hiệu quả hơn nhiều về mặt chi phí so với năm tua-bin 2 MW.

Tua bin gió lớn nhất thế giới (tính đến mùa hè năm 2021) là tua bin Vestas V236, với công suất định mức là 15 megawatt (MW). Nó có đường kính rotor cánh quạt là 236m – cao hơn gấp đôi chiều cao của Tượng Nữ thần Tự do! Chỉ cần một vòng quay của cánh quạt là có thể cung cấp đủ điện để vận hành một hộ gia đình trung bình trong một ngày.

Tua bin gió trục dọc

Một loại tua bin ít hiệu quả và ít phổ biến hơn là 'Tua bin gió trục đứng'. Nó được gọi là trục đứng vì trục quay được căn chỉnh theo chiều thẳng đứng hướng lên trên.

Không thể xây dựng các tua-bin trục đứng ở quy mô lớn như chúng ta thấy trong các trang trại gió tua-bin trục ngang. Tua-bin gió trục đứng lớn nhất từng được xây dựng là tua-bin “ÉOLE” cao 110m, công suất 3.8MW ở Quebec, Canada. Tuy nhiên, ổ trục rô-to đã hỏng vào năm 1993 do phải chịu trọng lượng 880 tấn. Nó đã không hoạt động kể từ đó và hiện là một sự tò mò đối với khách du lịch. Rất khó có khả năng bất kỳ ai sẽ cố gắng xây dựng một tua-bin trục đứng lớn hơn thế này do các vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc hỗ trợ trực tiếp những trọng lượng nặng như vậy trên một ổ trục duy nhất.

Được xây dựng cho sự linh hoạt

Mặc dù nhỏ hơn, nhưng lợi thế chính của tua bin gió trục đứng so với trục ngang là chúng không cần phải quay. Chúng thu thập năng lượng gió từ mọi hướng mọi lúc. Do cách thiết kế các cánh quạt, chúng luôn quay theo cùng một hướng, bất kể gió đến từ đâu.

Điều này giúp các tua-bin gió trục thẳng đứng thu được năng lượng gió tốt hơn trên các mái nhà thành phố và các khu vực xây dựng, nơi gió mạnh liên tục đổi hướng.

Tua bin gió trục đứng chiếm ít diện tích hơn so với tua bin trục ngang có công suất tương đương và thường được lựa chọn cho những khu vực có không gian hạn chế.

Các loại VAWT khác nhau

Có hai thiết kế chính của tua bin gió trục đứng, được gọi là Savonius và Darrieus. Những thiết kế này khá khác nhau về cách chúng thu năng lượng gió.

VAWT của Savonius

Tua-bin gió trục đứng kiểu Savonius sử dụng nguyên lý lực cản để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng quay cơ học. Chúng hoạt động giống như một cái gầu, được định hình để giữ gió đi vào tua-bin, tạo ra lực cản và do đó buộc tua-bin phải quay (xem sơ đồ bên dưới). Bất kể gió đến từ hướng nào, nó sẽ luôn đập vào cả mặt trước và mặt sau của gầu – nhưng mặt sau tròn của gầu tạo ra lực cản ít hơn, do đó cho phép tua-bin quay. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là tua-bin gió trục đứng Savonius chỉ có thể chuyển đổi tối đa 15% năng lượng gió thành năng lượng quay cơ học.

VAWT của Darrieus

Tua bin gió trục đứng Darrieus sử dụng nguyên lý lực nâng để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng quay cơ học và hiệu quả hơn tua bin gió trục đứng kiểu Savonius. Tua bin gió trục đứng Darrieus sử dụng các cánh quạt có mặt cắt ngang hình dạng giống như cánh máy bay. Khi gió thổi qua cánh quạt, hiệu ứng cánh máy bay tạo ra lực nâng và đây là lực làm quay tua bin (xem sơ đồ bên dưới).

Các cánh máy bay của tuabin Darrieus có thể có hình thẳng, cong hoặc xoắn ốc (xem sơ đồ bên dưới).

Tất cả đều là tua-bin Darrieus – các cánh quạt đều là cánh tạo lực nâng giống nhau, nhưng có cấu hình khác nhau.

Cấu hình xoắn ốc có lẽ là thú vị nhất vì nó cho phép cánh quạt dài hơn nằm trong cùng một diện tích quay như tuabin cánh thẳng, do đó thu được nhiều gió hơn và tăng hiệu suất. 

Các thiết kế tuabin khác

Trong khi phần lớn các tua-bin gió thuộc hai loại chính này (trục dọc và trục ngang), đã có nhiều thiết kế thử nghiệm khác biệt với cấu hình thông thường của hai loại thiết kế này.

Cây Gió

'Cây gió' do công ty New World Wind có trụ sở tại Paris xây dựng dựa trên tuabin gió trục đứng Savonius, nhưng điểm mới lạ là nó sử dụng nhiều tuabin nhỏ được sắp xếp trông giống như những chiếc lá trên cây để tạo nên một đặc điểm trang trí đô thị.

xoáy không cánh

Vortex Bladeless là một công ty Tây Ban Nha đã sử dụng một phương pháp hoàn toàn khác để khai thác năng lượng động học từ gió. "Tua bin" của họ trông không giống một tua bin thông thường chút nào, vì nó không quay.

Hệ thống Vortex Bladeless sử dụng một cột buồm cao hình trụ, có chức năng trích xuất năng lượng từ gió bằng một kỹ thuật gọi là cộng hưởng do xoáy gây ra. Khi gió đi qua cột buồm, nó sẽ gây ra nhiễu loạn phía sau cột buồm, khiến cột buồm dao động hoặc 'rung' qua lại, và chính năng lượng cơ học này sẽ dẫn động máy phát điện tuyến tính, do đó tạo ra dòng điện.

Vì không có cánh quạt quay nên loại máy phát điện gió này không gây nguy hiểm cho các loài chim di cư hoặc động vật hoang dã.

Tua bin chạy bằng xe

Một số công ty đã bắt đầu phát triển các tua-bin gió trục đứng quy mô nhỏ có thể được đặt ở dải phân cách giữa các xa lộ và đường cao tốc. Thay vì được điều khiển bởi gió 'tự nhiên', thì chính sự nhiễu loạn do dòng xe cộ liên tục chạy qua với tốc độ cao làm quay các tua-bin này. Vì vậy, mặc dù chúng vẫn là tua-bin gió trục đứng thông thường, nhưng tình huống mà chúng được áp dụng là mới lạ.

Tua bin gió trục chéo (CAWT)

Tua bin gió trục chéo là một thiết kế tuabin trục đứng thử nghiệm sử dụng cả cánh tuabin ngang và dọc trong một cấu hình liên kết chéo mới lạ. Với ba cánh dọc và sáu cánh ngang, nó có thể thu được năng lượng gió đến từ cả hai hướng ngang và dọc. Các nghiên cứu cho thấy nó hiệu quả hơn 2.5 lần so với tuabin trục đứng thông thường trong cùng điều kiện gió.

Tua bin Updraft tháp giải nhiệt

Thiết kế này đề xuất một cấu hình mới của tua bin gió trục đứng Darrieus, được định hướng theo chiều ngang và nằm ở đỉnh tháp làm mát. Luồng khí từ luồng khí thải từ tháp, thay vì bị lãng phí vào khí quyển, được sử dụng để dẫn động tua bin.