Tuabin gió kiểu cụm và nguồn năng lượng mới ngoài khơi

Tuabin gió kiểu cụm đang nổi lên như một nguồn năng lượng mới ngoài khơi. Trong bối cảnh đó, Đại học Kyushu (Nhật Bản) có kế hoạch bắt đầu thử nghiệm loại tuabin này vào năm 2028.

Trong bối cảnh mối lo ngại về biến đổi khí hậu và an ninh năng lượng ngày càng tăng, các nhà nghiên cứu đang chạy đua để phát triển công nghệ cho những đơn vị năng lượng gió ngoài khơi kiểu cụm gồm nhiều tuabin.

Mới đây, Trung tâm Nghiên cứu và Giáo dục về Gió ngoài khơi của Đại học Kyushu đã phát triển một thiết kế tuabin mới có tấm che - hoạt động như một loại "thấu kính" thu gió. Trung tâm này cũng có kế hoạch xây dựng một đơn vị mẫu bao gồm 100 tuabin gió nhỏ, theo Nikkei Asia.

Tuabin gió kiểu cụm nổi lên như một nguồn năng lượng mới ngoài khơi. (Ảnh: Đại học Kyushu).

Tuabin gió kiểu cụm

Công suất của tuabin tăng tỷ lệ thuận với phần diện tích quét của mỗi cánh tuabin. Đây là lý do các lưỡi tuabin trở nên ngày càng lớn trong những năm qua. Tuabin lớn nhất đang hoạt động cao gần 300 m.

Tuy nhiên, việc mở rộng các cánh quạt gió để cho sản lượng điện lớn hơn sẽ đòi hỏi phải gia cố tháp đứng, trong khi đây là việc làm rất tốn kém.

Bên cạnh đó, lưỡi tuabin quay với tốc độ hơn 100 m/giây. Với tốc độ quay cao như vậy, ngay cả những hạt mưa cũng có thể gây thiệt hại cho lưỡi tuabin khi tiếp xúc. Tiếng ồn phát ra từ những cánh quạt khổng lồ di chuyển nhanh cũng là một vấn đề.

Trong bối cảnh đó, các tuabin gió kiểu cụm được gắn trên lưới sẽ cung cấp giải pháp khả thi cho vấn đề này, vì cánh quạt của chúng được thiết kế để tạo ra năng lượng hiệu quả mà không cần quay nhanh.

Ngoài ra, việc đặt các tuabin gần nhau sẽ có tác dụng tăng hiệu quả theo cấp số nhân. Theo các nhà nghiên cứu, về lý thuyết, hệ thống nhiều tuabin có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn so với một đơn vị tuabin đơn truyền thống, có kích thước tương tự.

Về mặt lý thuyết, hệ thống nhiều tuabin có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn so với một đơn vị tuabin đơn, có kích thước tương tự. (Ảnh: Reuters).

Đại học Kyushu và Riamwind - công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Fukuoka - đã tham gia vào dự án xây dựng hệ thống thử nghiệm gồm hai tổ máy tuabin, mỗi tổ máy có đường kính 25 m vào năm 2024.

Dữ liệu từ hệ thống này sẽ được sử dụng để xây dựng hệ thống tuabin khác, bao gồm một dầm hỗ trợ 100 tuabin được sắp xếp theo định dạng 10 x 10. Với chiều cao khoảng 230m và rộng 280m, hệ thống sẽ tạo ra 20 megawatt điện.

Tuabin trong hệ thống sẽ nhỏ hơn so với tuabin gió truyền thống và có thể được sửa chữa riêng biệt. Điều này đồng nghĩa hệ thống có thể tiếp tục phát điện ngay cả khi một số tuabin bị hỏng hoặc ngừng hoạt động để bảo trì.

Cách tiếp cận này đang thu hút sự chú ý của các nhà đầu tư trên khắp thế giới. Chẳng hạn, công ty khởi nghiệp Wind Catching Systems của Na Uy có kế hoạch xây dựng tuabin gió cao 300 m bao gồm một cụm khoảng 130 tuabin, mỗi tuabin có đường kính khoảng 30 m.

Công ty này tuyên bố công nghệ nổi của họ có thể tạo ra năng lượng hàng năm lên tới 75 MW, gấp 5 lần so với các tuabin đơn lớn nhất thế giới.

Hiệu quả hơn

Công nghệ tuabin cải tiến của Riamwind có tấm che khuếch tán ở đường tròn cánh quạt để tập trung năng lượng gió. Loại tuabin mới, tương đối nhỏ này, còn được gọi là tuabin thấu kính gió, có thể tạo ra năng lượng hiệu quả hơn.

Khi gió đập vào thấu kính, nó sẽ tạo ra một dòng xoáy. Dòng xoáy này tạo thành vùng áp suất thấp hơn phía sau tuabin, tiếp tục làm tăng lưu lượng gió hút vào tuabin và tăng vận tốc gió.

Tuabin thấu kính gió tạo ra năng lượng gấp 2-3 lần so với tuabin gió thông thường có cùng đường kính cánh quạt. (Ảnh: Đại học Kyushu).

Chỉ một khác biệt nhỏ về tốc độ gió cũng có thể khiến lượng điện đầu ra gia tăng đáng kể. Theo công ty Riamwind, trong các thử nghiệm, tuabin thấu kính gió tạo ra năng lượng gấp 2-3 lần so với tuabin gió thông thường có cùng đường kính cánh quạt.

Kiểu tuabin này với đường kính vài m đã được đưa vào sử dụng thực tế. Yuji Oya, giáo sư danh dự của Đại học Kyushu và là người đứng đầu Riamwind, cho biết hiệu quả thu năng lượng trên một đơn vị diện tích quét của tuabin mới cao hơn bất cứ tuabin gió nào khác trên thế giới.

Kết quả thử nghiệm cũng xác nhận hệ thống này tạo ra ít tiếng ồn hơn so với tuabin có cùng công suất đầu ra. Các xoáy được tạo bởi những lưỡi nhỏ trong khu vực bên trong thấu kính sẽ triệt tiêu lẫn nhau, giúp giảm tiếng ồn.

Hệ thống cũng ít bị chim chóc va phải hơn do thấu kính không di chuyển được.

Tuy nhiên, một trong những vấn đề với thiết kế này là thấu kính đón gió cùng với các cánh quạt. Tuabin thấu kính gió phải chịu nhiều áp lực gió hơn so với hệ thống tuabin truyền thống. Điều này làm tăng nguy cơ thiệt hại khi nó phải đối mặt với gió cực mạnh.

Riamwind đang xem xét lắp đặt tuabin hoặc cánh quạt theo chiều ngang để giảm áp lực gió.

Một thách thức phổ biến khác đối với hệ thống điện gió kiểu cụm là chi phí cao của lưới điện hỗ trợ.

Dù vậy, trong một cuộc họp ở Sapporo vào tháng 4, bộ trưởng khí hậu, năng lượng và môi trường của G7 đã cam kết tăng tổng công suất điện gió ngoài khơi lên 150 gigawatt vào năm 2030. Việc đạt được mục tiêu đầy tham vọng này đòi hỏi phải thúc đẩy các công nghệ điện gió mới, bao gồm cả tuabin cụm.

• Video: Cận cảnh quá trình xây dựng tuabin gió khổng lồ, từ đào móng công trình đến lắp ráp bộ phận tuabin
• Nguyên lý hoạt động của tuabin gió
• Chế tạo thành công tuabin gió không cánh quạt