Thực tế chúng ta thu được bao nhiêu năng lượng điện từ gió?

Thực tế chúng ta thu được bao nhiêu năng lượng điện từ gió?

Chào các bạn,

Hôm nay Lâm Nguyễn xin chia sẻ với các bạn hiểu thêm về cách chúng ta thu được bao nhiêu năng lượng từ gió.

Như các bạn thấy chúng ta bị giới hạn bởi năng lượng gió mà chúng ta thu được tự thiên nhiên.

Hướng gió

Hãy tưởng tượng rằng vòng xoay chuyển động của không khí hoặc gió đi qua là 2 mét( đường kính cánh), chúng ta co thể tính toán được công suất đạt được khi di chuyển qua nó theo công thức sau:

Công suất gió = Mật độ không khí/ 2 * Diện tích vùng quét * Vận tốc gió³

Trong đó Mật độ không khí = 1.225 kgm³ so với mực nước biển, và Diện tích = Pi * R²

Nếu chúng ta muốn tính công suất tại vận tốc gió là 5 ms( 18kmh, gió trung bình trong một ngày), chúng ta có thể tính được như sau:

1.225 / 2 * 3.14 * 5³ = 240watts

hướng gió

Vậy vận tốc gió có tác dộng như thế nào đến công suất? Một điều tuyệt vời là nếu ta tăng gấp đôi vận tốc gió lên 10ms, thì chúng ta sẽ thu được công suất là 1920 watt. Đó là lý do tại sao việc biết vận tốc gió nơi bạn sống để lắp máy phát điện tuabin gió là rất quan trọng. Và cũng là lý do tại sao chúng ta phải lắp tuabin trên những trụ tháp cao để thu hoạch thêm càng nhiều công suất càng tốt. 

Quay trở lại vận tốc gió trung bình một ngày của chúng ta, 240 watt là công suất mà chúng ta thu được từ vùng quét gió ấy nhưng lượng điện mà chúng ta thực sự thu được thì lại là một vấn đề khác. 

Không khí là một dạng khí có thể nén lại được. Nếu chúng ta hứng gió với một mặt tròn đường kính 2m, sẽ có một số lực ép lên bề mặt vòng đĩa đó, nhưng không phải là toàn bộ 240 watt tác động vào. Gió sẽ chạy vòng ra xung quanh vòng đĩa, và đương nhiên công suất cũng chạy theo đường đó mà biến mất. Vậy với tuabin thì sao? Tuabin gió thu được nhiều năng lượng từ vùng quét gió ấy nhiều hơn mặt đĩa, bởi vì không khí di chuyển xuyên qua tuabin chứ không phải đi vòng quanh nó. Nhưng một ít không khí vẫn chạy ra xung quanh. Lượng không khí chạy ra xung quanh nhiều hay ít phụ thuộc vào nhiều nhân tố, chẳng hạn như thiết kế của tuabin hoặc tải của tuabin. 

Có một hạn chế mà chúng ta có thể trích xuất công suất từ vùng quét gió gọi là hệ số Betz. 

Các bạn có thể tham khảo trang http://en.wikipedia.org/wiki/Betz'_law

Betz cho chúng ta biết chúng ta có thể thu được trên 59% năng lượng từ vùng quét gió. Gió chạy ra xung quanh taubin tạo thành hình phễu là gần như vô ích, không khí sẽ tìm cách để thoát ra theo xung quanh tuabin. Hiệu suất tối đa mà một máy phát điện có thể thu được từ gió là 59%. 

Trong thực tế, Năng lượng thực sự mà chúng ta có thể thu được từ gió đều nhỏ hơn giới hạn Betz. Một máy phát điện có nhiều cánh trên một trang trại thu được hiệu suất điển hình là 15%, Và một máy phát điện gió loại lớn thu được hiệu suất gần tới 40%. 

Vậy cho nên ta lại có một công thức khác 

Công suất thực sự = Mật độ không khí/2 * Diện tích vùng quét gió * Vận tốc gió³ * Hiệu suất của tuabin gió

Trong đó Hiệu suất của tuabin dao động từ 15 đến 40 %. 

Vậy nên nếu chúng ta gắn cánh với hiệu suất trên thì sẽ thu được 96 watt từ vận tốc gió 5ms. 

Tiếp đó chúng ta sử dụng bộ cánh đó để cho củ phát chạy thì chúng ta lại chỉ thu được ít hơn lượng công suất gió thổi qua. Một củ phát tốt sẽ thu được từ 70 đến 90% hiệu suất. Vậy nên với ví dụ trên, chúng ta sẽ sử dụng củ phát có hiệu suất là 80 %. 96 watt từ hệ thống hứng gió thực thu chỉ được 77 watt điện. 

Vậy nên một tua bin cánh đường kính 2m tại vận tốc gió 5ms cho ta công suất điện là 77 watt. Vậy thêm vào công thức trên ta sẽ có: 

Công suất thực sự = Mật độ không khí/2 * Diện tích vùng quét gió * Vận tốc gió³ * Hiệu suất của tuabin gió * Hiệu suất của củ phát 

Trong đó cử phát đạt hiệu suất khoảng từ 70% tới 90%

Đường kính cánh và vận tốc gió có sự ảnh hưởng đáng kể đến lượng công suất điện ta thu được. Nếu chúng ta tăng đường kính cánh lên 3m, chúng ta có diện tích vùng quét gió là 7m vuông, gấp đôi diện tích lúc ban đầu. Công suất gió sẽ là 535 watt, qua hệ thống cánh còn lại 214 watt, và thực thu được lượng điện cuối cùng là 171 watt. 

Vậy thế còn với vận tốc gió? Quay trở lại đường kính cánh lúc ban đầu là 2m, nếu chúng ta tăng vận tốc gió lên 10ms, chúng ta sẽ thu được 1923 watt từ gió, 769 watt từ hệ thống cánh và 615 watt từ củ phát. 

Đó là lý do tại sao việc bạn cần có một chiếc máy tuabin lớn nhất có thể có và vận tốc gió lớn nhất là rất quan trọng, với một máy phát đặt trên mái nhà hoặc trong vườn nhà bạn có đường kính 1.5m thì chỉ thu được rất ít công suất điện so với một chiếc máy tuabin có đường kính 3m đặt trên một trụ tháp cao 10m. Bạn hãy dựa vào công thức trên thử tính xem. 

Hy vọng bài viết giúp các bạn có thêm cái nhìn về công suất thu được từ máy phát điện gió và khỏi thắc mắc tại sao máy của mình đặt trên mái nhà và chẳng thu được bao nhiêu điện.

Thân  !

Lâm Nguyễn