Hoa Kỳ – Một tua-bin gió cao 260 m, với những cánh dài hơn cánh máy bay Boeing 747, cần đến ba cần cẩu chuyên dụng để di chuyển, nhiều tháng thi công và phần móng bê tông có diện tích tương đương một ngôi nhà. Quá trình xây dựng cũng gây tác động đến cảnh quan môi trường.

Trong bài viết này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video từ kênh Interesting Engineering, giới thiệu ba giải pháp điện gió Aeromine, Aeroleaf và Airloom, cùng nguyên lý hoạt động, ứng dụng và vấn đề kỹ thuật của từng giải pháp.

Để xem và hiểu đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] ở góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Bên cạnh hướng phát triển những tua-bin ngày càng lớn, các giải pháp nhỏ hơn đang mở ra khả năng khai thác gió tại những nơi mà thiết bị quy mô lớn không thể tiếp cận. Các công nghệ Aeromine, Aeroleaf và Airloom đại diện cho ba giải pháp khai thác năng lượng gió, từ tận dụng luồng gió trên mái nhà, khai thác nhiễu động do phương tiện giao thông tạo ra đến thay đổi cấu trúc của hệ thống điện gió. Mỗi giải pháp có nguyên lý hoạt động, công nghệ kỹ thuật và vị trí riêng trong cơ cấu phát điện.

Hệ thống Aeromine: khai thác luồng gió trên mái nhà

Nguyên lý hoạt động
Khi không khí bị đẩy qua mép mái bằng của một tòa nhà, vận tốc có thể tăng từ 40 đến 60%, theo cùng những nguyên lý vật lý chi phối luồng không khí đi qua cánh máy bay. Trong nhiều năm, các kỹ sư và kiến trúc sư xem hiệu ứng này là một vấn đề cần giảm thiểu khi thiết kế công trình. Công ty Aeromine có trụ sở tại Hoa Kỳ đã lựa chọn khai thác hiệu ứng đó để phát điện. Hệ thống thu nhận luồng gió bằng cách làm dòng khí chuyển động đều hơn và định hướng theo phương ngang. Sau đó, một bộ khuếch tán truyền thống làm tốc độ gió tăng thêm khoảng 80%. Dòng khí được dẫn qua một tua-bin để thu năng lượng. Cơ sở của phương pháp này là mối quan hệ giữa vận tốc gió và năng lượng có thể khai thác: khi tốc độ gió tăng gấp đôi, năng lượng khả dụng tăng gấp tám lần. Việc tăng tốc dòng khí giúp tạo ra mật độ năng lượng cao trước khi luồng khí đi qua tua-bin.

Thiết kế và khả năng phát điện
Thay vì sử dụng những cánh quạt lớn để đón gió, hệ thống Aeromine có kết cấu dạng hộp cố định đặt tại mép mái nhà. Không khí được tăng tốc trước tiên nhờ hình dạng của tòa nhà, sau đó thông qua các bộ khuếch tán bên trong thiết bị, rồi đi qua một tua-bin tiêu chuẩn. Theo mô tả của công ty, hệ thống hoạt động êm, các bộ phận quay được đặt bên trong thiết bị, giúp tránh nguy cơ chim bị thương do va chạm với cánh quạt. Một hệ thống Aeromine chỉ cần khoảng một phần mười diện tích mái so với các tấm pin năng lượng mặt trời để tạo ra cùng một mức năng lượng, đồng thời có thể hoạt động vào ban đêm. Sự khác biệt về thời điểm phát điện cũng là một yếu tố đáng chú ý. Điện mặt trời có sản lượng cao vào mùa hè khi ánh nắng dồi dào. Trong khi đó, gió biến thay đổi trong ngày và có thể tuân theo những quy luật nhất định tùy vị trí địa lý, nhưng vẫn xuất hiện cả ban ngày, ban đêm và qua các mùa. Công ty Aeromine cho biết đặc điểm này cho phép hệ thống đạt hệ số công suất cao hơn so với điện mặt trời. Công ty đưa ra các dự án có hệ số công suất ở mức 20%, 25% và 27%, đồng thời cho rằng hệ thống có thể tạo ra năng lượng thường xuyên hơn nhờ sự hiện diện của gió trong nhiều thời điểm khác nhau.

(Hình minh họa từ YouTube)

Khách hàng và ứng dụng thực tế
Đối với chủ đầu tư tòa nhà, thời gian hoàn vốn là yếu tố quan trọng khi quyết định đầu tư hệ thống năng lượng gió. Khách hàng của công ty Aeromine đa số là những người sở hữu bất động sản lớn, có danh tiếng và sở hữu nhiều công trình. Các doanh nghiệp phân phối là nhóm khách hàng lớn nhất, đặc biệt là những công ty hoạt động trên khắp Bắc Âu, nơi công ty Aeromine nhận được sự quan tâm nhiều nhất. Các nhà sản xuất sở hữu diện tích lớn bất động sản có mái bằng cũng thể hiện sự quan tâm. Trung tâm dữ liệu là một nhóm khách hàng khác. Mặc dù các cơ sở này đặt ra những yêu cầu về khí động học, công ty Aeromine vẫn ghi nhận sự quan tâm trong lĩnh vực có nhu cầu tiêu thụ lượng điện lớn. Công ty BASF đã thử nghiệm hệ thống Aeromine tại một nhà máy ở bang Michigan. Sau đó, hàng nghìn công ty đã gửi yêu cầu tìm hiểu về việc lắp đặt hệ thống Aeromine. Trong bối cảnh chi phí điện tăng, mái nhà kho có thể dần trở thành những vị trí phát điện tiềm năng nhất.

Tua-bin gió Aeroleaf: phát điện phân tán trong không gian đô thị

Thiết kế tua-bin hình lá
Tua-bin gió Aeroleaf được phát triển với mục tiêu cung cấp điện trong môi trường đô thị, nơi có gió nhưng không phù hợp để lắp đặt những tua-bin lớn thường thấy ở những đồng trống. Hướng thiết kế tập trung vào một hệ thống có thể bố trí tại nhiều vị trí trong thành phố mà vẫn hài hòa với cảnh quan đô thị. Từ đó, một dòng sản phẩm mô phỏng cây xanh được hình thành, bao gồm bụi cây gió, cây cọ gió và cây gió. Các cấu trúc này đưa tua-bin gió siêu nhỏ vào không gian đô thị dưới dạng những công trình có tính thẩm mỹ, vừa tạo ra năng lượng vừa hướng đến sự đồng thuận của cư dân. Mỗi thiết bị Aeroleaf là một tua-bin siêu nhỏ có hình dạng chiếc lá, được gắn lên cấu trúc mô phỏng cây hoặc bụi cây. Mỗi chiếc lá tạo ra công suất hàng trăm watt. Giải pháp này dựa trên nguyên lý phát điện phân tán, với nhiều thiết bị nhỏ được bố trí tại các vị trí sử dụng điện. Theo công ty New World Wind (của Pháp), tua-bin thông thường ngoài đồng trống có thể tạo ra sản lượng năng lượng ở quy mô từ MWh đến TWh (terawatt-giờ), tùy tốc độ gió, trong khi công nghệ Aeroleaf tạo ra kWh hoặc MWh mỗi năm. Công ty mô tả mức chênh lệch vào khoảng 1.000 lần. Việc lắp nhiều thiết bị trên mái nhà có thể tăng sản lượng khi tốc độ gió đủ lớn.

Cấp điện tại nơi sử dụng
Chủ tịch kiêm Tổng giám đốc điều hành công ty New World Wind, ông Luc Eric không xem Aeroleaf là giải pháp thay thế cho một trang trại điện gió. Mô hình này sử dụng hàng nghìn thiết bị nhỏ, có thể được bố trí tại những nơi lưới điện không thể cung ứng và phát điện ngay tại nơi tiêu thụ. Công ty cho biết tua-bin gió Aeroleaf có thể cung cấp điện 24 giờ mỗi ngày, bảy ngày mỗi tuần, so với khoảng tám đến mười giờ của các tấm pin năng lượng mặt trời. Khi được lắp trên mái nhà, thiết bị có thể cấp điện trực tiếp cho công trình, và có thể tùy chỉnh. Theo mô tả của công ty, thiết bị không phát ra âm thanh, không cần bảo trì và không ảnh hưởng đến loài chim. Các đệm cách rung được sử dụng để ngăn rung động, trong đó khả năng vận hành êm là một ưu điểm chính.

Vận hành trong môi trường phức tạp
Tua-bin gió Aeroleaf đã được lắp đặt tại các quốc gia Saudi Arabia, Dubai và Abu Dhabi, những nơi có thể xảy ra bão cát. Công ty cho biết cát có thể làm giảm công suất của pin năng lượng mặt trời khoảng 70 đến 80%, khiến các tấm pin cần được vệ sinh hằng tuần để duy trì hiệu suất tối đa. Đối với tua-bin gió Aeroleaf, công ty khẳng định thiết bị không bị ảnh hưởng bởi cát, bụi, nước hoặc tuyết và vẫn tiếp tục hoạt động trong những điều kiện này. Khi gặp gió quá mạnh, tua-bin có thể dừng hoạt động để tránh quay quá tốc độ và hư hỏng. Tua-bin Aeroleaf sử dụng hệ thống kiểm soát tốc độ quay, với phanh làm chậm chuyển động khi tốc độ vượt quá 650 vòng/phút. Thiết bị sử dụng cơ chế phanh điện từ để kiểm soát tốc độ quay, tương tự bộ hãm điện từ hỗ trợ giảm tốc trên xe tải. Theo công ty, cơ chế này vừa làm chậm chuyển động quay, vừa cho phép tăng sản lượng điện và đạt cường độ dòng điện tối đa.

Khai thác nhiễu động từ giao thông
Ngoài gió tự nhiên, tua-bin Aeroleaf còn được thử nghiệm với luồng khí nhiễu động do phương tiện giao thông tạo ra. Tại thành phố Bilbao (ở miền bắc Tây Ban Nha), công ty đã lắp sáu thiết bị dọc một tuyến đường cao tốc. Theo công ty, tại vị trí lắp đặt ở độ cao từ một đến hai mét, không có gió, nhưng luồng khí do xe tải và ô tô chạy qua khiến các thiết bị quay và phát điện. Công ty đã ghi hình hoạt động này và dự định chia sẻ video trên mạng xã hội.

Công nghệ Airloom: phát điện bằng các cánh di chuyển trên đường ray

Cấu trúc và cơ chế phát điện
Công nghệ Airloom loại bỏ thiết kế tháp và cánh quạt thông thường, thay bằng các cánh khí động học thẳng đứng cao khoảng chín mét, di chuyển quanh một đường ray hình bầu dục khép kín ở độ cao khoảng 25 mét. Khi đón gió, mỗi cánh nghiêng đi. Chuyển động đó dẫn động các máy phát điện bố trí dọc đường ray. Hệ thống có hình dạng gợi liên tưởng đến sự kết hợp giữa đường ray tàu lượn siêu tốc và dây phơi quần áo. Do không sử dụng tháp hay kết cấu quay kích thước lớn, toàn bộ hệ thống có khối lượng bằng một phần nhỏ so với tua-bin thông thường. Công ty tuyên bố thiết kế này chỉ cần khoảng 4% khối lượng của tua-bin để tạo ra năng lượng tương đương. Hệ thống có thể được vận chuyển bằng xe tải tiêu chuẩn và lắp ráp bằng xe nâng. Phần đất bên trong đường ray có thể chăn thả gia súc hoặc lắp đặt pin năng lượng mặt trời.

Chi phí mục tiêu và vấn đề kỹ thuật
Chi phí là điểm thu hút chính của công nghệ Airloom đối với các công ty điện lực. Công ty đặt mục tiêu chi phí điện quy dẫn khoảng 15 USD mỗi MWh, có thể rẻ hơn ba lần so với điện gió thông thường. Tuy nhiên, những người phản biện lưu ý rằng thiết kế này thu nhận gió gần mặt đất, nơi luồng khí nhiễu động hỗn loạn. Các thiết kế tua-bin trục đứng cũng có lịch sử lâu dài với nhiều thất bại thương mại. Công nghệ Airloom lựa chọn chứng minh khả năng của công nghệ ở quy mô lớn. Một hệ thống thí điểm đang hoạt động tại đông nam bang Wyoming (ở miền tây Hoa Kỳ), trong khi các hoạt động thí điểm ở quy mô thương mại được đặt mục tiêu triển khai vào năm 2027. Công ty hướng tới mức chi phí ngang bằng điện lưới vào thời điểm đó và có thể giảm xuống dưới 10 USD mỗi MWh vào năm 2030.

Vai trò của ba giải pháp công nghệ trong cơ cấu phát điện
Xét về công suất tuyệt đối, cả ba giải pháp đều không nổi bật so với tua-bin thông thường. Một tua-bin điện gió ngoài khơi hiện đại có thể đạt công suất ở mức MW, đủ cấp điện cho hàng nghìn hộ gia đình. Tuy nhiên, mỗi công nghệ hướng đến một phạm vi ứng dụng khác nhau, nên việc so sánh cần gắn với mục đích sử dụng. Công nghệ Aeromine phù hợp để so sánh với pin năng lượng mặt trời mái nhà, dựa trên hệ số công suất, diện tích chiếm dụng và khả năng phát điện cả ngày lẫn đêm. Công nghệ Aeroleaf cạnh tranh với việc mở rộng lưới điện, máy phát điện diesel và những phương án khai thác diện tích mái chưa được sử dụng hiệu quả. Công nghệ Airloom có mô hình gần giống với điện gió truyền thống nhất. Chiến lược của công ty dựa trên quan điểm rằng vận chuyển, lắp đặt và bảo trì là những quy trình gây thất thoát chi phí lớn.

Các tua-bin kích thước lớn vẫn sẽ tiếp tục hiện diện. Những hệ thống ngoài khơi sẽ tiếp tục lớn hơn và giữ vai trò chính trong ngành phát điện gió. Đồng thời, năng lượng gió có thể phát triển dưới nhiều hình thức: mái nhà phát điện vào ban đêm, các công trình đường phố khai thác luồng khí từ giao thông và những hệ thống điện gió có thể xếp gọn trên thùng xe tải. Điểm chung của các công nghệ Aeromine, Aeroleaf và Airloom là giải pháp phát điện gần nơi tiêu thụ và khai thác những nguồn gió trước đây chưa được chú ý.

Để xem các tin bài khác về “Năng lượng gió”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Interesting Engineering