Các loại tua-bin gió HAWT, VAWT và nhiều hơn thế nữa được giải thích

Hầu hết tua bin gió thấy xung quanh vùng nông thôn trong các trang trại gió (cả trên bờ và ngoài khơi) đều là thiết kế 3 cánh tiêu chuẩn. Tuy nhiên, có một số phong cách/kiểu tuabin khác nhau và cách mà chúng khai thác năng lượng động từ gió là khá khác biệt.

Hai loại chính của tuabin gió là trục ngang và trục dọc. Tuabin gió trục ngang có trục xoay được đặt theo chiều ngang. Chúng thường có 3 cánh và được thiết kế để hướng vào gió. Tuabin gió trục dọc có trục xoay thẳng đứng và được thiết kế để khai thác năng lượng động theo hướng ngược lại.

Ngoài tuabin gió trục ngang và trục dọc, còn có những phiên bản khác của tuabin đáng để khám phá.

Loại tuabin gió phổ biến nhất là 'Tuabin Gió Trục Ngang'. Nó được gọi là trục ngang vì trục quay nằm ngang (xem sơ đồ bên dưới).

Tuabin gió trục ngang cần phải chỉ thẳng vào hướng gió để hoạt động với hiệu suất tối đa, và toàn bộ phần đầu được thiết kế để quay面向 gió. Khi gió thay đổi hướng, phần đầu phải quay (hoặc 'chuyển hướng') để tiếp tục chỉ vào hướng gió.

Tuabin gió trục ngang được chọn cho các trang trại gió ngoài khơi và trên bờ nơi đất chủ yếu bằng phẳng và rộng mở, vì chúng hoạt động hiệu quả hơn so với tuabin trục dọc ở những khu vực mà gió không乱 lưu.

Được xây dựng cho kích thước lớn

Mặc dù có nhiều tua-bin gió trục ngang quy mô nhỏ được bán thương mại cho các chủ nhà quan tâm đến năng lượng, một trong những lợi thế lớn của chúng là khả năng mở rộng tốt cho sản xuất và có thể được xây dựng RẤT LỚN. Đây cũng là lý do tại sao chúng được sử dụng trong các trang trại gió. Việc xây dựng và vận hành một tua-bin 10 megawatt (MW) hiệu quả về chi phí hơn nhiều so với việc vận hành 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 15 megawatt (MW). Nó có đường kính cánh quạt 236m – cao hơn gấp đôi tượng Nữ thần Tự do! Chỉ một vòng quay duy nhất của các cánh sẽ 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 kém hiệu quả và ít phổ biến hơn là 'Tua-bin Gió Trục Dọc'. Nó được gọi là trục dọc vì trục quay được bố trí thẳng đứng.

Không thể xây dựng tua-bin trục dọc ở quy mô lớn như chúng ta thấy trong các trang trại gió tua-bin trục ngang. Tua-bin gió trục dọc lớn nhất từng được xây dựng là tua-bin "ÉOLE" cao 110m, công suất 3.8MW tại Quebec, Canada. Tuy nhiên, ổ bi của cánh quay đã hỏng vào năm 1993 dưới trọng lượng 880 tấn mà nó phải chịu. Từ đó đến nay, nó đã ngừng hoạt động và hiện trở thành một điểm tham quan cho du khách. Rất khó có khả năng ai sẽ thử xây dựng một tua-bin trục dọc lớn hơn thế này do những vấn đề kỹ thuật liên quan đến việc trực tiếp chịu những trọng lượng nặng như vậy trên một ổ đỡ duy nhất.

Được thiết kế linh hoạt

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

Điều này khiến tua-bin gió trục dọc tốt hơn trong việc bắt giữ năng lượng gió trên mái nhà thành phố và các khu vực đông đúc, nơi gió乱luôn thay đổi hướng.

Tua-bin gió trục dọc chiếm ít không gian hơn so với tua-bin trục ngang có công suất tương đương, và thường được chọn cho các khu vực có giới hạn không gian.

Các loại VAWT khác nhau

Có hai thiết kế chính của tua-bin gió trục dọc, gọi là Savonius và Darrieus. Các thiết kế này khá khác nhau trong cách chúng bắt giữ năng lượng gió.

VAWT Savonius

Turbine gió trục dọc kiểu Savonius sử dụng nguyên lý của lực cản để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng quay cơ học. Chúng hoạt động như một chiếc muỗng, được tạo hình để bắt gió đi vào turbine, tạo ra lực cản và do đó ép nó quay (xem sơ đồ bên dưới). Dù gió thổi từ hướng nào, nó luôn tác động cả lên mặt trước và mặt sau của chiếc muỗng - nhưng phần sau tròn của muỗng tạo ra ít lực cản hơn, cho phép turbine quay. Tuy nhiên, điều này có nghĩa là một turbine gió trục dọc kiểu Savonius chỉ có thể chuyển đổi tối đa 15% năng lượng gió thành năng lượng quay cơ học.

VAWT Darrieus

Turbine trục dọc Darrieus sử dụng nguyên lý nâng để chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng quay cơ học, và hiệu quả hơn so với turbine trục dọc kiểu Savonius. Turbine trục dọc Darrieus sử dụng cánh có mặt cắt ngang hình dạng giống như cánh của một chiếc máy bay. Khi gió đi qua cánh, hiệu ứng aerofoil tạo ra lực nâng, và đó là điều làm cho turbine quay (xem sơ đồ bên dưới).

Cánh aerofoil của turbine Darrieus có thể có hình dạng thẳng, cong hoặc xoắn ốc (xem sơ đồ bên dưới).

Đây đều là turbine Darrieus – các cánh rotor đều là aerofoil tạo lực nâng giống nhau, nhưng ở các cấu hình khác nhau.

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

Thiết kế Turbine Khác

Mặc dù 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 so với cấu hình thông thường của hai loại này.

Cây Gió

‘Cây Gió’ được xây dựng bởi công ty New World Wind có trụ sở tại Paris, dựa trên tua-bin gió trục dọc kiểu Savonius, nhưng nó độc đáo ở chỗ sử dụng nhiều tua-bin nhỏ được sắp xếp trông giống như lá trên cây để tạo thành một đặc điểm trang trí trong đô thị.

Vortex Bladeless

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

Hệ thống Vortex Bladeless sử dụng một cột trụ cao, hình tháp, để khai thác năng lượng từ gió bằng kỹ thuật gọi là cộng hưởng xoáy涡. Khi gió đi qua cột trụ, nó gây ra nhiễu loạn phía sau, làm cho cột trụ dao động hoặc 'rung' qua lại, và chính năng lượng cơ học này thúc đẩy một máy phát điện tuyến tính, từ đó tạo ra dòng điện.

Do không có cánh quạt quay, kiểu máy phát điện gió này không gây nguy hiểm cho chim di cư hay động vật hoang dã.

Turbine Được Động Cơ Xe Hơi Kích Hoạt

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

Turbine gió trục chéo (CAWT)

Turbine gió trục chéo là một thiết kế thử nghiệm turbine trục dọc sử dụng cả lưỡi quạt ngang và dọc trong cấu hình chéo mới. Với ba lưỡi quạt dọc và sáu lưỡi quạt ngang, nó có thể thu năng lượng gió từ cả hai hướng ngang và dọc. Các nghiên cứu cho thấy nó hiệu quả hơn 2,5 lần so với turbine trục dọc thông thường trong cùng điều kiện gió.

Turbine Tòa Tháp Làm Mát Dòng Khí Thăng

Thiết kế này đề xuất một cấu hình mới của turbine trục dọc Darrieus, được đặt theo chiều ngang và nằm ở đỉnh các tháp làm mát. Dòng khí thăng từ luồng khí thải của tháp, thay vì bị lãng phí vào khí quyển, được sử dụng để vận hành turbine.