Năng lượng gió: Có tiềm năng là cơ hội lớn nhất cho năng lượng sạch

21 minute read

Updated on Wed Mar 03 2021

Ngày nay, gió chỉ cung cấp 0,8% tổng nguồn cung năng lượng toàn cầu. Trong chương này, chúng ta sẽ xem xét những gì chúng ta có thể làm để tăng điều này. Nhưng trước đó, hãy khám phá cách hoạt động của năng lượng gió.

Quả Đất và chiếc ô

Năng lượng gió hoạt động như thế nào?

Năng lượng gió được thu giữ ở dạng nào?


Năng lượng gió đến từ các tuabin gió lớn, biến động năng của gió thành năng lượng điện.

Hầu hết các tuabin đều có hai hoặc ba cánh quạt được thiết kế để quay khi gió đập vào chúng từ một góc cụ thể. Sau đó, những cánh quạt này quay một rô-tơ cung cấp năng lượng cho máy phát điện để tạo ra điện.

Năng lượng gió tốn bao nhiêu?

Gió trên bờ (nơi có tuabin trên đất liền) là một trong những dạng năng lượng tái tạo rẻ nhất mà chúng ta có và trong một số trường hợp, nó thậm chí còn rẻ hơn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch.

Giá này dự kiến ​​sẽ còn giảm hơn nữa trong tương lai. Đến năm 2030, chi phí năng lượng gió trên bờ trung bình toàn cầu có khả năng giảm xuống còn 0,03-0,05USD mỗi kWh - giảm từ 0,06USD mỗi kWh vào năm 2018.

Điều gì khiến cho năng lượng gió rẻ hơn thế?


Khi chúng ta xây dựng nhiều tuabin hơn, chi phí xây dựng chúng sẽ giảm xuống. Điều này là do một thứ được gọi là tính kinh tế theo quy mô: nhiều chi phí xây dựng một sản phẩm (chẳng hạn như thiết kế) chỉ cần trả một lần, bất kể chúng ta xây dựng bao nhiêu đi nữa. Do đó, chúng ta sản xuất càng nhiều sản phẩm thì trung bình chúng càng trở nên rẻ hơn.

Năng lượng gió cũng ngày càng rẻ hơn vì lượng điện mà mỗi tuabin tạo ra đã tăng lên. Điều này là nhờ vào các cải tiến công nghệ.

Cải thiện tuabin gió ư?

Có hai con số quan trọng mà chúng ta cần xem:

Công suất định mức: Có phải các tuabin sẽ tạo ra nhiều công suất hơn khi gió thổi nhanh hơn không? Đúng rồi. Nhưng đến một mức, việc này sẽ dừng lại và việc gió thổi nhanh hơn sẽ không dẫn đến nhiều năng lượng hơn. Mức này được gọi là công suất định mức, và con số này cao đến bao nhiêu thì tốt đến bấy nhiêu.

Công suất định mức của các tuabin gió

Hệ số công suất: Đây là phần thời gian tuabin đang chạy ở công suất định mức. Nếu chúng ta chế tạo một tuabin ở vùng ít gió, nó sẽ hiếm khi đạt được công suất định mức. Do đó nó sẽ có hệ số công suất thấp. Hiện tại, các tuabin gió trên bờ chỉ hoạt động với hệ số công suất là 34% mà thôi.

Hệ số công suất gió trên bờ

Cho đến khi chúng ta tăng con số này, gió sẽ không thể cung cấp cho chúng ta nguồn cung cấp năng lượng ổn định, trừ khi chúng ta bỏ ra một số tiền lớn để tìm cách tích trữ năng lượng dư thừa khi gió không thổi.

Với tất cả những điều này, hãy cùng xem cách chúng ta có thể tăng từng con số này nhé!

Lớn hơn thì tốt hơn - Tăng công suất định mức

Trong những năm gần đây, tuabin gió ngày càng lớn hơn. Hình ảnh dưới đây cho thấy đường kính của các tuabin ở Mỹ đã tăng lên như thế nào trong 20 năm qua:

Đường kính tuabin ở Mỹ qua thời gian

Sự tăng trưởng này có nghĩa là trung bình các tuabin gió có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn.

Điều gì ngăn chúng ta khỏi việc làm các tuabin gió lớn hơn nữa?


Trong khi các tuabin lớn hơn tốn nhiều chi phí xây dựng hơn, chúng cũng tạo ra nhiều năng lượng hơn nên rẻ hơn về lâu dài.

Tuy nhiên, các cánh cũng trở nên to đến mức việc vận chuyển chúng từ nhà máy trở nên khó khăn hơn rất nhiều. Điều này có nghĩa là chúng ta phải xây dựng các tuabin tại chỗ, và chúng có thể đắt hơn. Các tuabin lớn hơn cũng phải chịu lực lớn hơn từ gió, vì vậy cần phải được chế tạo từ vật liệu bền hơn, có thể khó sản xuất hơn.

Tất nhiên, việc tăng công suất định mức của tuabin không có ý nghĩa gì lớn nếu nó hiếm khi hoạt động ở công suất này vì gió quá chậm. Chúng ta có thể làm gì về điều này?

Năng lượng gió có đáng tin cậy không? Tăng hệ số công suất!

Chúng ta có thể làm thế nào để tăng hệ số công suất của tuabin gió? (Hãy nhớ: hệ số công suất mô tả tần suất nó hoạt động hết công suất. Cũng quan trọng không kém: gió đáng tin cậy hơn đồng nghĩa với nguồn điện đáng tin cậy hơn)


Nói một cách toàn diện, gió trên biển nhanh hơn và ổn định hơn trên đất liền. Vì vậy, việc xây dựng tuabin ở biển (được gọi là tuabin ngoài khơi) có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn, ổn định hơn.

Trên bờ và ngoài khơi

Gió cũng mạnh hơn và liên tục ở trên cao hơn, vì vậy việc xây dựng các tuabin cao hơn cũng có ảnh hưởng tương tự. Tuy nhiên, cũng như với các tuabin lớn hơn, điều này đòi hỏi vật liệu bền nhưng hiện đang đắt hơn.

Vậy làm cách nào khác chúng ta có thể thu hoạch nguồn năng lượng gió lớn này?

Gió trên không - đưa chúng ta đến các hệ số công suất cao hơn?

Năng lượng gió trên không là một tập hợp các công nghệ thu nhận những cơn gió rất mạnh ở trên cao trong bầu khí quyển.

Sức gió truyền thống so với tiềm năng điện của diều

Một trong những công nghệ này liên quan đến việc thả diều để thu năng lượng gió ở độ cao 70-450m. Đây là cách nó hoạt động:

  • Diều được gắn vào dây cáp dài, được quấn thành cuộn dây gắn với mặt đất.
  • Những con diều được lái để bay đi, kéo dây cáp và tháo cuộn dây để tạo ra điện năng.
  • Sau khi cuộn dây được tháo ra hoàn toàn, diều sẽ được điều chỉnh để nó có thể quấn lại vào dây cáp, sử dụng ít năng lượng hơn so với năng lượng nó tạo ra khi bay ra ngoài.
Sức mạnh của diều

Ta cần phải có thêm nhiều nghiên cứu về vấn đề này trước khi điều này trở nên khả thi về mặt thương mại, nhưng việc làm như thế này có thể tăng hệ số công suất của năng lượng gió từ khoảng 35% lên 60%.

Còn về chi phí môi trường thì sao?

Bạn nghĩ bốn mối lo ngại chính về năng lượng gió là gì?


Mối lo ngại về tuabin gió

Hãy xem xét từng cái một.

Tác động trực quan: Điều này có thể được giảm bớt bằng cách đặt các trang trại gió ở những nơi xa xôi và ngoài khơi. Nếu có thể, các nhà điều hành có thể lôi kéo cộng đồng địa phương tham gia vào việc lập kế hoạch và thậm chí sở hữu các trang trại mới.

Tiếng ồn: Việc thay đổi hình dạng của các cánh có thể làm giảm một chút âm thanh lắc lư mà chúng tạo ra. Tiếng ồn cơ học từ chính các tuabin cũng có thể được giảm bằng cách sử dụng các bánh răng êm hơn hoặc xây dựng vỏ bọc âm xung quanh các đỉnh của tuabin.

Sóng vô tuyến: Nông trại gió có thể làm gián đoạn sóng vô tuyến. Điều này có thể ảnh hưởng đến hệ thống định vị ra-đa của tàu thuyền và máy bay gần đó. Chúng ta cần tìm cách huấn luyện các hệ thống hiện tại của mình nhận biết tín hiệu phát ra từ tuabin và/hoặc chế tạo tuabin mới bằng vật liệu hấp thụ ra-đa.

Chim có thể bị giết do va chạm với các cánh quạt[bird4, bird5, bird6], nhưng việc tránh xây tuabin ở những khu vực có nhiều chim có thể giảm tác động này[bird4, bird7]. Các loài chim cũng có thể được bảo vệ bằng cách tạm dừng tuabin nếu có các loài quý hiếm ở gần đó[bird7]. Đối với các trang trại điện gió ngoài khơi, chiều cao tuabin có thể được điều chỉnh để giảm bớt sự chồng chéo với đường bay của chim biển[bird8].

Sử dụng đất

Tuabin gió lớn có thể tạo ra rất nhiều năng lượng, tuy nhiên chúng cũng chiếm rất nhiều không gian. Một nhà máy hạt nhân 3,4km² sẽ sản xuất nhiều năng lượng tương đương 344km² đất đầy các tuabin gió. Nói theo cách này, nếu chúng ta sử dụng không gian giữa các tuabin gió, chẳng hạn để trồng nông sản thực phẩm, chúng ta có thể giảm đến 90% diện tích đất thực tế bị "mất" vì gió đó!.

Diện tích cần thiết cho nông trại gió

Nông trại gió nổi trên đại dương

Một cách rõ ràng mà chúng ta có thể giảm diện tích sử dụng đất của các tuabin gió là xây dựng chúng ngoài khơi.

Chúng ta thấy rằng các trang trại gió ngoài khơi có thể có hệ số công suất và công suất được đánh giá cao hơn, nhưng chúng cũng tốn nhiều chi phí hơn để lắp đặt và bảo trì. Điều đó nói lên rằng, lợi thế về quy mô và nhu cầu tăng lên có thể đồng nghĩa với việc sẽ có thêm nhiều trang trại điện gió ngoài khơi xuất hiện trong tương lai.

Các tuabin gió ngoài khơi ngày nay chỉ có thể được lắp đặt gần bờ biển trên các thềm lục địa nông. Nhưng chúng chỉ chiếm 10% đại dương, điều này làm hạn chế lượng không gian có sẵn để xây dựng các trang trại gió. Ngoài ra, gió trên các thềm lục địa chậm hơn và ít liên tục hơn so với ở đại dương sâu.

Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư đang làm việc trên tuabin gió nổi. Chúng chỉ được neo vào đáy biển bằng cách sử dụng dây cáp lớn và có thể được lắp đặt ở hầu hết mọi độ sâu.

Tuabin gió nổi

Một số thử nghiệm về công nghệ này đang được tiến hành trên toàn cầu. Ví dụ, một trang trại gió nổi đã hoạt động với công suất định mức là 30MW ngoài khơi bờ biển Scotland từ năm 2017, và đã hoạt động ở hệ số công suất lên đến 65%, vẫn hoạt động dù bị cơn sóng cao đến 8,2m đánh vào! Nó thật tuyệt vời phải không?

Kết luận

Các tuabin gió lớn có thể tạo ra một lượng lớn năng lượng sạch và quan trọng là với giá thành rẻ. Điều này rất tuyệt vời, nhưng nó sẽ không hữu ích trừ khi nó tạo ra nguồn điện ổn định.

Trong chương này, chúng ta đã thấy rằng việc tăng hệ số công suất của tuabin là cơ hội tốt nhất để chúng ta tăng độ ổn định của năng lượng gió.

Điều này giúp ích cho chúng ta, nhưng đáng buồn thay, con người vẫn không thể kiểm soát thời tiết. Vì vậy, để sử dụng gió ở quy mô lớn, chúng ta cần một lượng lớn năng lượng dự trữ để bù đắp khi gió thổi không đủ nhanh.

Một nguồn năng lượng tái tạo rẻ đáng tin cậy là thủy điện - chủ đề của chương tiếp theo!

Chương tiếp theo