Turbine Gió Trục Ngang và Trục Đứng: So Sánh

Năng lượng gió là nguồn năng lượng tái tạo và sạch có thể giảm phát thải khí nhà kính và sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Turbin gió là máy móc chuyển đổi năng lượng động của gió thành năng lượng điện. Có hai loại turbin gió chính dựa trên hướng trục của chúng: trục ngang và trục đứng.

Trục ngang turbin gió là gì?

Trục ngang turbin gió (HAWT) được định nghĩa là turbin gió có trục quay nằm ngang hoặc song song với mặt đất. HAWTs là loại turbin gió phổ biến nhất được sử dụng để sản xuất điện quy mô lớn. Chúng thường có ba cánh giống như cánh quạt máy bay, mặc dù một số có thể có hai hoặc một cánh.

Các thành phần chính của HAWT là:

• Rotor, bao gồm các cánh và hub kết nối chúng với trục.

• Nacelle chứa máy phát điện, hộp số, hệ thống phanh, hệ thống xoay và các thành phần cơ khí và điện khác.

• Tháp hỗ trợ nacelle và rotor và nâng chúng lên khỏi mặt đất để thu được nhiều gió hơn.

• Móng neo tháp vào mặt đất và chuyển tải từ turbin gió.

Nguyên lý hoạt động của HAWT dựa trên lực nâng, là lực đẩy một vật lên khi không khí chảy qua bề mặt của nó. Các cánh của HAWT có hình dạng như cánh máy bay, tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa bề mặt trên và dưới khi gió thổi. Sự chênh lệch áp suất này khiến các cánh quay xung quanh trục ngang, từ đó dẫn động trục và máy phát điện để sản xuất điện.

Mặt phẳng rotor của HAWT phải được căn chỉnh theo hướng gió để tối đa hóa hiệu quả. Do đó, HAWT có cảm biến gió và hệ thống xoay điều chỉnh hướng nacelle theo hướng gió. HAWT cũng có hệ thống góc tấn thay đổi góc tấn của các cánh để kiểm soát tốc độ quay và công suất đầu ra.

Lợi ích của HAWTs là:

• Chúng có hiệu suất cao hơn so với turbin gió trục đứng (VAWTs) vì chúng có thể thu được nhiều năng lượng gió hơn với ít ma sát hơn.

• Chúng có độ dao động lực kéo thấp hơn và ứng suất cơ học thấp hơn so với VAWTs vì chúng có ít thay đổi về lực động học trong mỗi vòng quay.

• Chúng có thể được lắp đặt ngoài khơi trên các nền tảng nổi hoặc nền cố định, nơi tốc độ gió cao hơn và ổn định hơn.

Nhược điểm của HAWTs là:

• Chúng yêu cầu tháp cao và diện tích đất lớn để tránh nhiễu loạn và can thiệp từ các cấu trúc hoặc địa hình gần đó.

• Chúng đắt đỏ và phức tạp hơn để lắp đặt và bảo dưỡng so với VAWTs vì chúng có nhiều bộ phận di chuyển và thành phần điện hơn.

• Chúng dễ bị mệt mỏi và hư hỏng do gió mạnh, bão, sét, chim, hoặc băng.

Trục đứng turbin gió là gì?

Trục đứng turbin gió (VAWT) được định nghĩa là turbin gió có trục quay đứng hoặc vuông góc với mặt đất. VAWTs ít phổ biến hơn HAWTs, nhưng chúng có một số lợi ích cho các ứng dụng quy mô nhỏ và đô thị. Chúng thường có hai hoặc ba cánh thẳng hoặc cong.

Các thành phần chính của VAWT là:

• Rotor, bao gồm các cánh và trục đứng kết nối chúng với máy phát điện.

• Máy phát điện, chuyển đổi năng lượng cơ học của rotor thành năng lượng điện.

• Đế, hỗ trợ rotor và máy phát điện và kết nối chúng với mặt đất.

Nguyên lý hoạt động của VAWT dựa trên lực cản, là lực chống lại chuyển động của một vật khi không khí chảy qua bề mặt của nó. Các cánh của VAWT đối xứng hoặc bất đối xứng, tạo ra các mức độ cản khác nhau khi chúng đối mặt hoặc ngược chiều gió. Sự chênh lệch lực cản này khiến các cánh quay xung quanh trục đứng, từ đó dẫn động máy phát điện để sản xuất điện.

Mặt phẳng rotor của VAWT không cần phải căn chỉnh theo hướng gió vì nó có thể thu gió từ mọi hướng. Do đó, VAWT không cần hệ thống xoay hoặc cảm biến gió. Tuy nhiên, VAWT có thể có hệ thống góc tấn thay đổi góc tấn của các cánh để kiểm soát tốc độ quay và công suất đầu ra.

Lợi ích của VAWTs là:

• Chúng có chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thấp hơn so với HAWTs vì chúng có ít bộ phận di chuyển và thành phần điện hơn.

• Chúng có mức độ tiếng ồn thấp hơn so với HAWTs vì chúng quay ở tốc độ chậm hơn.

• Chúng có thể được lắp đặt trên mái nhà hoặc gần các tòa nhà vì chúng có chiều cao thấp và diện tích nhỏ hơn so với HAWTs.

Nhược điểm của VAWTs là:

• Chúng có hiệu suất thấp hơn so với HAWTs vì chúng có nhiều cản và ít nâng.

• Chúng có độ dao động lực kéo cao hơn và ứng suất cơ học cao hơn so với HAWTs vì chúng có nhiều thay đổi về lực động học trong mỗi vòng quay.

• Chúng không thể được lắp đặt ngoài khơi vì chúng kém ổn định và bền vững hơn so với HAWTs.

Các loại turbin gió trục đứng

Có hai loại VAWTs chính dựa trên thiết kế cánh: Darrieus và Savonius.

Turbin Darrieus

Turbin Darrieus là VAWTs có cánh cong giống như máy đánh trứng hoặc trochoid. Chúng được phát minh bởi kỹ sư người Pháp Georges Darrieus vào năm 1931. Turbin Darrieus sử dụng cả nâng và cản để quay các cánh. Chúng có thể đạt tốc độ quay cao, nhưng chúng yêu cầu cơ chế khởi động bên ngoài, chẳng hạn như động cơ điện hoặc turbin khác, vì chúng không thể tự khởi động.

Lợi ích của turbin Darrieus là:

• Chúng có hệ số công suất cao hơn so với turbin Savonius vì chúng sử dụng cả nâng và cản.

• Chúng có tỷ lệ độ đặc thấp hơn so với turbin Savonius vì chúng có ít cánh hơn với khoảng cách lớn hơn giữa các cánh.

Nhược điểm của turbin Darrieus là:

• Chúng yêu cầu cơ chế khởi động bên ngoài vì chúng không thể tự khởi động.

• Chúng có lực ly tâm cao hơn so với turbin Savonius vì chúng quay ở tốc độ nhanh hơn.

Turbin Savonius

Turbin Savonius là VAWTs có cánh thẳng giống như hình S hoặc nửa thùng. Chúng được phát minh