Tuabin gió trục đứng – chặng đường vươn lên cạnh tranh với tuabin gió trục ngang

Sự tăng trưởng theo cấp số nhân của nhu cầu năng lượng cùng với sự cạn kiệt nhiên liệu hóa thạch và sự nóng lên toàn cầu đã tạo điều kiện cho sự phát triển của năng lượng tái tạo, trong đó có điện gió. Tổng công suất lắp đặt điện gió trên toàn thế giới đã gần đạt tới 743 GW vào năm 2020 [1]. Các trụ tuabin gió, thậm chí các trang trại tuabin gió đang xuất hiện ngày càng nhiều và trở nên quen thuộc. Những tháp tuabin gió phổ biến hiện nay hầu hết là loại có trục quay của cánh quạt nằm ngang song song với mặt đất – horizontal axis wind turbine (HAWT). Kém phổ biến hơn tuabin gió trục ngang là các tuabin gió với trục thẳng đứng – Vertical axis wind turbine (VAWT).

Hình 1. Tuabin gió trục đứng EOLE cao nhất thế giới hiện nay (110m) tại Quebec, Canada. (nguồn: wikipedia)

Trên thực tế các tuabin gió cổ xưa nhất được ghi lại là các loại tuabin gió trục đứng. Tuabin gió trục đứng là loại tuabin có trục quay của các cánh quạt gió nằm thẳng đứng, trục này sẽ được kết nối với các bộ phận quan trọng như hộp số, máy phát điện, … nằm ở gần mặt đất. Thiết kế này sẽ tạo thuận lợi trong việc xây dựng và lắp đặt so với tuabin gió trục ngang khi không cần đưa các bộ phận quan trọng với khối lượng lớn lên cao, giúp hạ trọng tâm tuabin và tạo cân bằng cơ học tốt hơn. Đồng thời với các tuabin gió nổi ngoài khơi, có trọng tâm thấp sẽ giúp tăng độ ổn định, an toàn và giảm nguy cơ bị lật.

Tuabin gió trục đứng cũng chiếm diện tích sử dụng nhỏ hơn tuabin gió trục ngang, do đó có thể bố trí nhiều tuabin gió trục đứng hơn trên cùng một diện tích. Ngoài ra, các tuabin gió trục đứng cũng hạn chế sự thất thoát năng lượng của gió khi đi qua tuabin, giúp tăng hiệu suất tổng thể của trang trại điện gió thêm từ 5-10% so với tuabin gió trục ngang.

Hình 2. Cấu tạo cơ bản của tuabin gió trục đứng và trục ngang

Tuabin gió trục đứng ngày nay chủ yếu dựa trên hai nguyên lý hoạt động: sử dụng lực cản hoặc sử dụng lực nâng của gió. Đại diện cho hai loại nguyên lý hoạt động này là tuabin gió kiểu Savonius và kiểu Darrieus. Tuabin Savonius có thiết kế đơn giản nhất và được cấu tạo bởi hai hoặc nhiều gầu bán trụ, sử dụng lực cản của gió làm quay trục thẳng đứng nối với các thiết bị phát điện. Trong khi đó tuabin gió kiểu Darrieus bao gồm một trục thẳng đứng và các cánh quạt gió có hình cánh cung, với hai đầu của cánh được gắn vào đầu và cuối của trục quay thẳng đứng. Sự chuyển động của những cánh quạt này ngược với hướng gió tạo ra một lực khí động học tác dụng lên trục, làm cho cánh quạt quay.

Hình 3. Các loại tuabin gió trục đứng [4]

Tuabin gió trục đứng kiểu Darrieus được kỹ sư hàng không người Pháp Georges Jean Marie Darrieus phát minh ra vào năm 1931. Tuabin gió kiểu Darrieus sau này đã được cải tiến, phát triển thêm về hình dạng cánh để nâng cao hiệu suất, dẫn đến sự ra đời của tuabin gió kiểu H-Rotor (hoặc H-Rotor Darrieus) với các cánh quạt thẳng đứng và kiểu Helix với các cánh quạt xoắn ốc. Tuabin gió kiểu Darrieus có hiệu suất tốt hơn so với tuabin kiểu Savonius khi đạt tốc độ quay cao hơn nhưng mô-men xoắn khởi động tuabin lại thấp hơn.

So với tuabin gió trục ngang, các tuabin gió trục đứng có thể bắt đầu hoạt động với tốc độ gió thấp hơn và không phụ thuộc vào hướng gió. Điều này giúp cho các tuabin gió trục đứng được lắp đặt phổ biến tại những nơi diện tích nhỏ, khu dân cư, trên mái các tòa nhà với công suất chỉ từ vài kW đến vài trăm kW. Trong khi đó tuabin gió trục ngang lớn với các cánh quạt vuông góc với hướng gió sẽ có hiệu suất cao hơn, tạo ra nhiều điện năng hơn với công suất từ 3 – 4 MW nhưng phải được lắp đặt trên cao và đòi hỏi diện tích sử dụng lớn hơn, tạo thành các trang trại điện gió rộng lớn. Để cạnh tranh với các tuabin gió trục ngang, các nhà nghiên cứu, công ty sản xuất đã và đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại tuabin gió trục đứng có kích thước lớn hơn và có thể hoạt động với dải công suất tương đương với các tuabin gió trục ngang lớn hiện nay.

Tuabin gió của DAF Indal

Tuabin gió trục đứng kiểu Darrieus quy mô lớn đầu tiên được xây dựng ở Quần đảo Magladen, Canada với công suất 230 kW. Tuabin này được sản xuất bởi công ty DAF Indal và Hydro Quebec với sự hướng dẫn của Hội đồng nghiên cứu Quốc gia Canada (CNRC). Đường kính rotor là 24 m với diện tích vùng quét là 595 m2. Tuabin hai cánh quạt này được trang bị máy phát điện cảm ứng truyền động bằng dây curoa. Tuabin này đã ngừng hoạt động sau 11 năm vào năm 1988. Năm 1984, DAF Indal đã chế tạo mô hình tuabin gió với công suất 500 kW. Tuabin đầu tiên của loạt sản phẩm này thuộc sở hữu của Công ty Edison Nam California (SCE) và được lắp đặt gần Palm Springs, California. Tuabin thứ hai thuộc sở hữu của CNRC và được lắp đặt tại bãi thử gió Đại Tây Dương ở Đảo Prince Edward, Canada có đường kính cánh quạt 36 m và truyền động trực tiếp cho máy phát điện. Ngoài mô hình 500 kW, DAF Indal đã phát triển các tuabin 50 kW với độ tin cậy tương đối cao. Tuabin loại này được lắp đặt trên quần đảo Vancouver đã hoạt động được 16 năm. Tuabin được lắp đặt tại Prince Edward Island bị hỏng cánh quạt vào năm 1985, khiến việc phát triển tuabin Darrieus của DAF Indal bị dừng lại. Ngoài các vấn đề về mỏi cánh quạt và gợn mô-men xoắn, vốn là bản chất vốn có của tuabin Darrieus, tuabin DAF Indal vẫn còn rất nhiều hứa hẹn.

Hình 4. (a) Tuabin của DAF tại đạo Magdalen; (b) Mô hình tuabin 50 kW của DAF. (nguồn: Paul Gipe)

Tuabin gió của FloWind

FloWind đã xây dựng và vận hành các mô hình 17 m và 19 m dựa trên thiết kế và công nghệ của SNL. Mô hình tuabin có đường kính cánh quạt là 17m, quét qua diện tích 260 m2 với chiều cao 23 m, trong khi mô hình 19 m có diện tích quét 316 m2 với công suất định mức là 300 kW. Tốc độ gió định mức là 17 m/s và 20 m/s lần lượt đối với mẫu 17 m và 19 m, tương đối cao đối với tuabin trên bờ và thực tế là nó chưa bao giờ đạt được công suất định mức trong suốt thời gian hoạt động. Tuabin công suất 300 kW sử dụng cánh quạt định hình SNLA 2150 và hộp số trang bị thêm giúp tăng tốc độ quay của tuabin lên 60 vòng/phút. Hộp số này sau đó gây ra hỏng hóc và các nguyên mẫu tiếp theo sau đó được thay thế bằng hộp số F-19 làm giảm vòng quay tuabin xuống 52 vòng/phút. Cánh quạt cũng được thiết kế lại với thành dày hơn và đã được sử dụng trong các phiên bản thương mại của tuabin này. Hệ thống phanh của tuabin cũng được thiết kế bao gồm hai hệ thống phanh thủy lực. Một bộ phanh an toàn thứ ba cũng được tích hợp trong hệ thống. 

Việc thiết kế chế tạo các cánh quạt bằng nhôm trong các tuabin thương mại đã gây ra sự cố mỏi do ứng suất theo chu kỳ. FloWind đã giới thiệu thiết kế 3 cánh quạt mới làm bằng sợi thủy tinh thông qua phiên bản gia tăng chiều cao cánh quạt EHD. FloWind đã lắp đặt và vận hành hơn 500 tuabin tại đèo Altamont ở California. Tất cả các tuabin này của FloWind đã ngừng hoạt động vào năm 2004 và tuabin cuối cùng đã được tháo dỡ vào năm 2010.

Hình 5. Tuabin gió của FloWind. (nguồn: Paul Gipe)

Tuabin gió EOLE

EOLE được lắp đặt vào năm 1987 tại Quebec, Canada. Đây là VAWT lớn nhất từng được chế tạo với công suất định mức 3.8 MW, máy phát điện được truyền động trực tiếp và bắt đầu hoạt động ở tốc độ quay 14 vòng/phút. Tuabin được thiết kế với hai cánh quạt được làm bằng lõi thép đường kính 64m và cao tới 110m được đưa vào hoạt động từ năm 1987. Tuabin này ngừng hoạt động vào năm 1993 do hỏng hóc liên quan đến ổ trục dưới. Trong suốt 6 năm hoạt động tuabin này đã tạo ra 12 triệu kWh điện. Ngày nay tuabin này đã trở thành một điểm tham quan du lịch tại Quebec, Canada.

Hình 6. Tuabin gió EOLE. (nguồn: Paul Gipe)

Skwid – MODEC

Công ty Kỹ thuật & Phát triển Đại dương Mitsui (MODEC), một công ty công nghệ ngoài khơi chuyên về các giàn khoan dầu khí, đã phát triển tuabin gió ngoài khơi có tên Savonius Keel & Wind Turbine Darrieus (skwid). Tuabin này độc đáo ở chỗ đây là loại tuabin đầu tiên khai thác năng lượng gió và thủy triều trên cùng một thiết bị duy nhất. MODEC tuyên bố rằng đây là một giải pháp phát điện hiệu quả và tiết kiệm chi phí. Năng lượng gió được khai thác thông qua một cánh quạt H-Rotor nổi trong khi các dòng hải lưu được khai thác bởi một cánh quạt Savonius hai tầng nằm chìm dưới mặt nước. Tháp quay của rotor H-Rotor và rotor Savonius thẳng hàng và được kết nối với nhau thông qua hộp số. Rotor Savonius có thể được sử dụng để khởi động rotor H-Rotor nhằm nâng cao hiệu suất, sau đó nó tiếp tục tạo ra năng lượng như hai bộ phận độc lập. Công suất định mức của tuabin Savonius là 60 kW và công suất định mức tổng của cả hai tuabin là 500 kW. Hộp số và máy phát điện được đặt bên trong bệ nổi và được gắn vào tháp quay thông qua một cấu trúc giống như khớp nối. Thiết kế này giúp làm tăng độ ổn định của tuabin những vẫn cho phép tuabin này khai thác hiệu quả năng lượng từ thủy triều.

Mặc dù ý tưởng này rất mới lạ nhưng những lỗi nghiêm trọng trong quá trình lắp đặt tuabin ngoài khơi đảo Kabe, Nhật Bản đã khiến cho dự án bị bỏ dở.

Hình 7. (a) Mô hình tuabin Skwid; (b) Tuabin đang được vận chuyển; (c) Thiết kế tuabin Savonius. [3]

ANew Turbines

Viện nghiên cứu ANew từ Ba Lan đang tích cực phát triển các tuabin kiểu H-Rotor với sự hỗ trợ của công ty Stalprodukt SA thông qua các nguyên mẫu tuabin gió trục đứng ANEW-S1 (15kW), ANEW-M1 (200kW) và nổi bật nhất là ANEW-B1 có công suất 1.5 MW. Tuabin này đang được thử nghiệm từ năm 2017 với đường kính tuabin là 52 m và diện tích quét là 1700 m2. Theo nhà sản xuất, các cánh quạt của tuabin loại này phải được sửa chữa lại hoặc thay thế sau mỗi 10 năm do sự mỏi của cánh quạt và các lực ứng suất xen kẽ tác động lên tuabin, một đặc tính cố hữu của rôto H-Rotor.

Hình 8. (a) Tuabin ANEW-B1; (b) Tuabin ANEW-S1; (c) Máy phát điện đường kính lớn. (nguồn: ANew Institute)

Rõ ràng là hầu hết các hỏng hóc của tuabin gió trục đứng đều liên quan đến hiện tượng mỏi cánh quạt do lực khí động học thay đổi liên tục trên mỗi vòng quay. Sự xuất hiện của các loại vật liệu như sợi thủy tinh và đặc biệt là composit sẽ cung cấp một giải pháp toàn diện nhằm nâng cao tuổi thọ cánh quạt. Tuabin gió trục đứng hứa hẹn sẽ phát triển hơn nữa trong tương lai, đặc biệt là đối với các dự án tuabin gió ngoài khơi.

Tổng hợp: Phạm Đức Trung

Tài liệu tham khảo:

[1] https://www.statista.com/statistics/268363/installed-wind-power-capacity-worldwide/

[2] Palanisamy Mohan Kumar, Krishnamoorthi Sivalingam, Teik-Cheng Lim, Seeram Ramakrishna and He Wei. Review on the Evolution of Darrieus Vertical Axis Wind Turbine: Large Wind Turbines, 7/8/2019.

[3] Hybrid Floating VAWT Sinks off Japanese Coast.

https://www.windpoweroffshore.com/article/1327126/japanese-hybrid-floating-turbine-sinks

[4] Francesco Castellani, Davide Astolfi, Mauro Peppoloni, Francesco Natili, Daniele Buttà and Alexander Hirschl. Experimental Vibration Analysis of a Small Scale Vertical Wind Energy System for Residential Use, 22/05/2019.