Cứ mỗi 24 giờ, gió trên Trái Đất tạo ra đủ động năng để sản xuất lượng điện nhiều hơn khoảng 35 lần so với lượng điện mà nhân loại sử dụng mỗi ngày. Và không giống như than đá hay dầu mỏ sẽ dần cạn kiệt, nguồn tài nguyên này là vĩnh cửu và được tái tạo mỗi ngày. Vậy làm thế nào chúng ta có thể khai thác được nguồn năng lượng khổng lồ này và liệu có thể tạo ra một thế giới chạy hoàn toàn bằng gió?
Nguyên lý để sản xuất năng lượng từ gió rất đơn giản. Các cánh quạt được gắn xung quanh một trục đón gió và chuyển động năng của nó thành năng lượng quay. Cối xay gió truyền thống sử dụng năng lượng quay đó để xay lúa mì hoặc bơm nước. Nhưng trong các tuabin gió hiện đại, nó được sử dụng để chạy máy phát điện và tạo ra điện. Sự chuyển đổi từ gió sang năng lượng quay và thành điện năng thông qua tuabin gió đã được phát minh vào cuối thế kỷ 19.
Có ba yếu tố quyết định lượng năng lượng mà tuabin gió có thể tạo ra:
Nguyên lý để sản xuất năng lượng từ gió rất đơn giản. Các cánh quạt được gắn xung quanh một trục đón gió và chuyển động năng của nó thành năng lượng quay. Cối xay gió truyền thống sử dụng năng lượng quay đó để xay lúa mì hoặc bơm nước. Nhưng trong các tuabin gió hiện đại, nó được sử dụng để chạy máy phát điện và tạo ra điện. Sự chuyển đổi từ gió sang năng lượng quay và thành điện năng thông qua tuabin gió đã được phát minh vào cuối thế kỷ 19.
Có ba yếu tố quyết định lượng năng lượng mà tuabin gió có thể tạo ra:
- Kích thước và hướng của cánh quạt.
- Thiết kế khí động học của cánh quạt.
- Lượng gió làm quay cánh quạt.
Kích thước và hướng của cánh quạt
Đầu tiên, định hướng của cánh quạt. Tua bin gió có thể được thiết kế với cánh quạt theo phương thẳng đứng hoặc phương nằm ngang. Với cánh quạt theo phương thẳng đứng có thể đón gió từ bất kỳ hướng nào, nhưng với hiệu suất kém hơn nhiều so với cánh quạt phương nằm ngang.
Thiết kế nằm ngang cho phép các cánh quạt đón toàn bộ lực của gió. Tuy nhiên với điều kiện phải theo dõi hướng gió và quay mặt về hướng đón gió. Những cối xay gió khi xưa cũng đã được thiết kế trục xoay để di chuyển về hướng đón gió bằng sức người. Ngày nay, các cảm biến gió và hệ thống máy tính tự động điều chỉnh các cánh quạt với độ chính xác cao để thu được nhiều năng lượng nhất có thể.
Thiết kế khí động học của cánh quạt
Trong khi các thiết kế ban đầu sử dụng cánh phẳng, thì các cánh quạt hiện đại lại cong như cánh máy bay. Gió di chuyển nhanh hơn trên bề mặt cong, tạo ra một túi áp suất thấp phía trên cánh quạt và đẩy nó hướng lên trên. Vì lượng lực nâng phụ thuộc vào góc mà gió chuyển động so với cánh quạt, nên các cánh quạt hiện đại cũng có thể di chuyển để tối ưu hóa khả năng cắt vào gió. Được làm từ các lớp sợi thủy tinh và nhựa, những cánh quạt này đủ mạnh để hoạt động dưới mưa, sét và ánh nắng chói chang trong hơn 20 năm.
Lượng gió làm quay cánh quạt
Ngay cả khi áp dụng khí động học và đặt đúng hướng đón gió, tuabin gió chỉ có thể tạo ra năng lượng trong môi trường nhiều gió. Vì vậy, ngày nay, hầu hết các tuabin đều cao hơn 100 mét. Một tuabin với chiều cao và kích thước này có thể thu được lượng gió khổng lồ, tạo ra đủ điện để cung cấp năng lượng cho 750 ngôi nhà hàng năm. Một trang trại điện gió gồm 200 tuabin có kích thước tương tự có thể cung cấp năng lượng cho 150.000 ngôi nhà.
Quảng cáo
Các trang trại điện gió ngoài khơi chứa một số lượng lớn các tuabin thậm chí còn lớn hơn. Năm 2019, tuabin gió lớn nhất từng được chế tạo bắt đầu hoạt động ngoài khơi bờ biển Hà Lan. Với đường kính cánh quạt là 220 mét, chỉ với một tua-bin như vậy đã có thể đáp ứng nhu cầu sử dụng điện hàng năm của 16.000 hộ gia đình.
Mặc dù có tiềm năng đáng kinh ngạc, năng lượng gió vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức. Gió có thể là một loại nhiên liệu miễn phí và vĩnh cửu, nhưng vẫn bị giới hạn về hiệu suất chuyển đổi từ động năng thành điện năng. Nhà vật lý người Đức Albert Betz đã tính toán rằng một tuabin chỉ có thể thu được 59,3% năng lượng từ gió. Ngoài ra, một số người cảm thấy tuabin làm gián đoạn cảnh quan thiên nhiên và việc sản xuất lượng điện không đều của năng lượng gió có thể gây khó khăn cho việc tích hợp vào lưới điện.
Nhưng ngay cả với những thách thức này, các tuabin gió hiện đại đã biến gió trở thành nguồn tài nguyên hiệu quả và rẻ tiền nhất. Việc các tuabin gió đã cung cấp năng lượng thiết yếu cho rất nhiều hộ gia đình trên khắp thế giới là không thể chối cãi. Và đối với nhiều nông dân, việc sở hữu một tuabin gió có thể mang lại một nguồn thu nhập ổn định. Với những cải tiến liên tục trong dự báo gió, cơ sở hạ tầng lưới điện và lưu trữ năng lượng, năng lượng gió có là giải pháp thiết thực nhất để cải thiện mọi vấn đề về năng lượng của chúng ta.
Nguồn: TED-Ed
