Bài học

Năng lượng gió và tua-bin gió

Mục tiêu bài học

Sau bài học này, em giải thích được tua-bin gió biến đổi động năng của gió thành điện năng qua máy phát điện dựa trên cảm ứng điện từ, nêu được điều kiện tự nhiên thuận lợi cho điện gió ở Việt Nam, và tính được điện năng một tua-bin gió tạo ra trong một khoảng thời gian.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở Course 8, em đã học hiện tượng cảm ứng điện từ: một cuộn dây (rotor) quay trong từ trường sẽ sinh ra dòng điện xoay chiều — đây là nguyên lý của máy phát điện xoay chiều. Bài trước cho thấy pin quang điện đi theo một con đường hoàn toàn khác, biến quang năng thành điện năng trực tiếp, không qua bất kỳ chuyển động cơ học nào. Bài này quay lại đúng nguyên lý cảm ứng điện từ của Course 8, nhưng nguồn động lực làm quay rotor bây giờ là gió.

Khởi động

Ngoài khơi Bạc Liêu, Ninh Thuận có hàng chục cột "quạt khổng lồ" quay đều, cao hơn một toà nhà 20 tầng. Chúng không quạt mát cho ai cả — vậy chúng đang làm gì với luồng gió biển thổi vào cánh quạt?

Kiến thức trọng tâm

Một tua-bin gió gồm cánh quạt (thường 3 cánh), trục quay, máy phát điện và tháp đỡ cao hàng chục mét. Khi gió thổi, luồng không khí tác dụng lực lên cánh quạt làm cánh quạt quay quanh trục. Trục quay truyền chuyển động cơ học này tới rotor của máy phát điện đặt bên trong tua-bin. Rotor quay trong từ trường của stator — đúng nguyên lý cảm ứng điện từ đã học ở Course 8 — nên sinh ra dòng điện xoay chiều, được truyền theo dây cáp xuống đất rồi hoà vào lưới điện quốc gia.

Khác với pin quang điện, tua-bin gió không cần bộ biến tần để đổi loại dòng điện, vì cảm ứng điện từ đã trực tiếp sinh ra dòng xoay chiều. Công suất phát của tua-bin phụ thuộc rất mạnh vào tốc độ gió: gió tăng thêm một chút, công suất có thể tăng lên rất nhanh, không tăng đều đặn theo từng đơn vị tốc độ (bài sau sẽ khai thác kỹ hơn bằng số liệu). Vì vậy tua-bin cần tốc độ gió đủ mạnh và ổn định mới hoạt động hiệu quả — quá yếu (dưới khoảng 3 m/s) cánh quạt gần như không quay, còn khi gió vượt ngưỡng an toàn (bão) tua-bin phải tự động dừng để tránh hư hỏng. Ven biển Nam Trung Bộ, các đảo và vùng biển nông ngoài khơi Bạc Liêu, Ninh Thuận, cùng cao nguyên Tây Nguyên là những nơi có tốc độ gió trung bình ổn định, phù hợp xây dựng các cánh đồng điện gió lớn.

Một **tua-bin gió** gồm cánh quạt (thường 3 cánh), trục quay, máy phát điện và tháp đỡ cao hàng chục mét. Khi gió thổi, luồng không khí tác dụng lực lên cánh quạt làm cánh quạt quay quanh trục. Trục quay truyền chuyển động cơ học này tới **rotor** của máy phát điện đặt bên trong tua-bin. Rotor quay trong từ trường của stator — đúng nguyên lý cảm ứng điện từ đã học ở Course 8 — nên sinh ra dòng điện xoay chiều, được truyền theo dây cáp xuống đất rồi hoà vào lưới điện quốc gia. Khác với pin quang điện, tua-bin gió không cần bộ biến tần để đổi loại dòng điện, vì cảm ứng điện từ đã trực tiếp sinh ra dòng xoay chiều. Công suất phát của tua-bin phụ thuộc rất mạnh vào tốc độ gió: gió tăng thêm một chút, công suất có thể tăng lên rất nhanh, không tăng đều đặn theo từng đơn vị tốc độ (bài sau sẽ khai thác kỹ hơn bằng số liệu). Vì vậy tua-bin cần tốc độ gió đủ mạnh và ổn định mới hoạt động hiệu quả — quá yếu (dưới khoảng 3 m/s) cánh quạt gần như không quay, còn khi gió vượt ngưỡng an toàn (bão) tua-bin phải tự động dừng để tránh hư hỏng. Ven biển Nam Trung Bộ, các đảo và vùng biển nông ngoài khơi Bạc Liêu, Ninh Thuận, cùng cao nguyên Tây Nguyên là những nơi có tốc độ gió trung bình ổn định, phù hợp xây dựng các cánh đồng điện gió lớn.

Ví dụ

Tính điện năng của một tua-bin gió trong một ngày

1
Một tua-bin gió có công suất định mức 2MW hoạt động ở công suất định mức trung bình 8 giờ mỗi ngày (do gió không phải lúc nào cũng đủ mạnh). Tính điện năng tua-bin tạo ra trong một ngày, theo đơn vị kWh.
2
Đổi công suất sang kW: $P = 2\,\text{MW} = 2000\,\text{kW}$ . Áp dụng $A = P.t$ với $t = 8\,\text{h}$ .
Đổi công suất sang kW: $P = 2\,\text{MW} = 2000\,\text{kW}$. Áp dụng $A = P.t$ với $t = 8\,\text{h}$.
3
$A = 2000 \times 8 = 16\,000\,\text{kWh}$ .
$A = 2000 \times 8 = 16\,000\,\text{kWh}$.
4
Vậy tua-bin tạo ra 16.000 kWh (16 MWh) điện mỗi ngày khi hoạt động đúng như đề bài — lớn hơn nhiều so với một tấm pin mặt trời hộ gia đình, vì quy mô công suất định mức của tua-bin gió công nghiệp lớn hơn hẳn.

Ví dụ

Bài toán dạng thi: cánh đồng điện gió ngoài khơi cấp điện cho bao nhiêu hộ dân

1
Cánh đồng điện gió ngoài khơi Bạc Liêu có 50 tua-bin, mỗi tua-bin công suất định mức 3MW, hoạt động ở công suất định mức trung bình 7 giờ mỗi ngày. a) Tính tổng điện năng cánh đồng tạo ra trong một ngày. b) Biết một hộ gia đình tiêu thụ trung bình 12 kWh/ngày, sản lượng đó đủ cấp điện cho khoảng bao nhiêu hộ gia đình?
2
Tổng công suất định mức của 50 tua-bin: $P = 50 \times 3\,\text{MW} = 150\,\text{MW} = 150\,000\,\text{kW}$ .
Tổng công suất định mức của 50 tua-bin: $P = 50 \times 3\,\text{MW} = 150\,\text{MW} = 150\,000\,\text{kW}$.
3
Áp dụng $A = P.t$ với $t = 7\,\text{h}$ : $A = 150\,000 \times 7 = 1\,050\,000\,\text{kWh}$ . (1)
Áp dụng $A = P.t$ với $t = 7\,\text{h}$: $A = 150\,000 \times 7 = 1\,050\,000\,\text{kWh}$. (1)
4
Mỗi hộ tiêu thụ 12 kWh/ngày. (2) Số hộ $= \dfrac{1\,050\,000}{12} = 87\,500$ hộ.
Mỗi hộ tiêu thụ 12 kWh/ngày. (2) Số hộ $= \dfrac{1\,050\,000}{12} = 87\,500$ hộ.
5
Vậy cánh đồng điện gió Bạc Liêu đủ cấp điện cho khoảng 87.500 hộ gia đình mỗi ngày nếu vận hành đúng như trên — minh hoạ quy mô lớn của điện gió công nghiệp.

Sai lầm thường gặp

Một số bạn nghĩ tua-bin gió cũng chuyển hoá năng lượng theo cách "trực tiếp" giống pin quang điện, hoặc không cần cảm ứng điện từ. Thực chất tua-bin gió sinh điện đúng theo nguyên lý cảm ứng điện từ của Course 8 (rotor quay trong từ trường), khác hẳn cơ chế trực tiếp không qua cơ học của pin mặt trời.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Tua-bin gió biến động năng của gió thành chuyển động quay của cánh quạt và rotor, rotor quay trong từ trường sinh ra dòng điện xoay chiều theo đúng nguyên lý cảm ứng điện từ Course 8. Công suất phát phụ thuộc mạnh vào tốc độ gió; địa điểm cần gió đủ mạnh và ổn định. Vẫn dùng $A = P.t$ để tính điện năng.

Cầu nối

Bài sau khai thác kỹ hơn mối quan hệ giữa tốc độ gió và công suất bằng số liệu thực tế, để em thấy vì sao chỉ một chênh lệch nhỏ về tốc độ gió lại tạo ra chênh lệch sản lượng điện rất lớn.