VAWT - Một “mảnh ghép” cho năng lượng xanh ở Việt Nam

Nguồn năng lượng xanh, năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời và khí tự nhiên sớm được một số quốc gia chú trọng phát triển. Dẫn đầu xu hướng, Đan Mạch không chỉ đặt mục tiêu trở thành quốc gia không phát thải carbon vào năm 2050, nước này đã sớm phát triển nguồn năng lượng tái tạo, trở thành quốc gia đầu tiên trên thế giới xây dựng những trang trại điện gió ngoài khơi quy mô lớn, theo đó, riêng nguồn năng lượng xanh này đủ cung cấp cho toàn bộ nhu cầu sử dụng điện của người dân.

VAWT - Một “mảnh ghép” cho năng lượng xanh ở Việt Nam

Đan Mạch đang chứng minh được rằng, một tương lai không sử dụng nhiên liệu hóa thạch là hoàn toàn có thể, và họ đang từng bước hiện thực hóa điều này.

Trước tính cấp bách về nhu cầu năng lượng xanh, Việt Nam đã và đang đẩy mạnh phát triển các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó có năng lượng gió.

Các khu vực ven biển Việt Nam từ Bình Thuận, Ninh Thuận, Bến Tre và Trà Vinh được đánh giá cao về tiềm năng phát triển điện gió, một số dự án đã được thử nghiệm, triển khai và đi vào hoạt động. Bên cạnh đó, Việt Nam cũng bắt đầu triển khai các dự án điện gió ngoài khơi, tận dụng lợi thế gió mạnh ở vùng biển Đông.

Thành phần quan trọng nhất của một nhà máy điện gió là các tua-bin gió, nó quyết định hiệu quả khai thác, cũng như chất lượng của nguồn điện đầu ra.

Tua bin gió hiện nay được phát triển theo hai dòng cơ bản, tua-bin trục ngang (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine) và tua-bin trục đứng (VAWT - Vertical Axis Wind Turbine).

Cấu trúc chính của HAWT bao gồm bộ phận cánh quạt được gắn vào trục quay và được đặt ngang so với hướng gió. HAWT sử dụng lực đẩy của gió để làm quay các cánh quạt và tạo ra công suất. Thông thường, để đón được nhiều năng lượng gió nhất HAWT được chế tạo với sải cánh dài, vì thế, chúng cần được đặt trên các trụ đỡ có chiều cao lớn, thông thoáng.

Ở độ cao hàng chục, thậm chí hàng trăm mét, nơi dòng không khí lưu chuyển động ổn định thì HAWT có thể đón gió một cách thuận lợi, cho tốc độ quay cánh quạt nhanh và đều hơn. Và do tất cả các cánh của HAWT đều cùng lúc chịu tác động của gió nên công suất thu nhận được ở mức cao.

Đối với các tua-bin HAWT khổng lồ được lắp đặt ngoài khơi, công suất phát điện có thể đạt tới hàng chục MW. Do vậy, HAWT là loại phổ biến trong các nhà máy điện gió hiện nay.

Tuy nhiên, do cấu tạo phức tạp và chiều cao quá lớn, nên quá trình lắp đặt cũng như bảo trì gặp rất nhiều khó khăn. Bên cạnh đó, hệ thống hộp số và máy phát của HAWT được đặt trên tháp cao, dẫn đến độ ổn định kém. HAWT chỉ thích hợp với các vùng có gió tương đối mạnh và ổn định, chúng cũng chỉ hoạt động hiệu quả khi bề mặt làm việc của cánh thẳng góc với hướng gió.

Mặt khác, cũng chính vì có sải cánh dài nên vận tốc ở đầu mút cánh HAWT rất lớn, khi hoạt động gây ra tiếng ồn. Chính vì vậy, chúng thường được lắp đặt ở nơi cách xa khu dân cư hoặc ở ngoài biển.

Trong khi đó, VAWT được thiết kế để tiếp nhận gió bằng cánh quạt quay quanh một trục thẳng đứng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt và tận dụng gió từ mọi hướng. Khác với HAWT, VAWT có các bộ phận làm việc đều được bố trí ở chân đế, sát mặt đất, nên độ ổn định thăng bằng tốt hơn do có trọng tâm thấp. Điều này cũng giúp cho việc bảo dưỡng, sửa chữa trở nên dễ dàng và ít nguy hiểm hơn.

So với HAWT, độ ồn khi hoạt động của VAWT cũng nhỏ hơn nhiều, tạo điều kiện cho VAWT có thể lắp đặt ở bất cứ đâu, như trong khu đô thị, các hộ gia đình, nóc các tòa nhà cao tầng… công suất phát điện có thể đạt từ vài kW đến vài trăm kW.

VAWT cũng có điểm hạn chế. Do chỉ có một cánh đón gió vào mỗi thời điểm và lực tác động không đồng đều lên toàn bộ các cánh từ đó tạo nên dao động, dẫn đến nguyên nhân ổ bi đỡ chặn dễ bị phá hủy. Cũng do các cánh bị tác động ngược chiều nhau, làm ảnh hưởng đến số vòng quay và khả năng tạo mô men của tua-bin.

Ở một số nơi trên thế giới, VAWT đã được đưa vào khai thác ở các khu vực đô thị, khu công nghiệp, vùng nông thôn, vùng ven biển và ứng dụng nhỏ lẻ ở những địa điểm có vận tốc và hướng gió thường xuyên thay đổi và ưu điểm là không yêu cầu không gian rộng lớn.

Ở Việt Nam, VAWT hiện chưa được đưa vào khai thác rộng rãi. Lý do chính là hiệu suất của loại tua-bin này còn thấp, hiệu quả kinh tế mang lại chưa cao. Gần đây, đã có một số nghiên cứu và đề xuất giải pháp được đưa ra, trong đó có kết quả nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình rất khả quan của Nhóm Nghiên cứu Trường Đại học Thủy lợi.

Chúng tôi hy vọng, trong thời gian tới, “mảnh ghép” VAWT sẽ được góp phần phát triển nguồn năng lượng xanh cho đất nước, giữ gìn môi trường sống cho tất cả chúng ta.

TS. Nguyễn Văn Tuệ - Đại học Thủy Lợi