Tìm hiểu lịch sử Tuabin gió được phát minh như thế nào?

Mặc dù tuabin gió còn tương đối mới, nhưng khái niệm này đã xuất hiện khá lâu. Cối xay gió đã tồn tại hàng thiên niên kỷ, và tuabin gió hiện đại dựa trên thiết kế cối xay gió truyền thống. Với những nghiên cứu tiên tiến đã đẩy năng lượng gió lên một tầm cao mới, điều quan trọng là phải tìm hiểu về các tuabin sản xuất năng lượng đầu tiên và lịch sử đằng sau sự phát triển của chúng.

Tuabin gió tạo ra điện đầu tiên được xây dựng vào năm 1887 ở Scotland và được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một ngôi nhà nhỏ. Tua bin gió quy mô lớn đầu tiên giống với tuabin hiện đại được Liên Xô chế tạo vào năm 1931 và có công suất 100 kw. Tuabin ngày nay được tạo ra bởi NASA và các nhà nghiên cứu Đan Mạch vào những năm 1970, đặt nền móng kỹ thuật cho các thiết kế đẹp và hiệu quả ngày nay.

Năng lượng gió đầu tiên

Con người đã dựa vào gió hàng ngàn năm. Từ thuyền buồm đến cối xay gió, độ tin cậy của một làn gió mạnh đã đưa nhân loại đi xa và rộng hơn. Cối xay gió đầu tiên được biết đến là một tuabin thẳng đứng được phát minh ở Ba Tư, hay Iran ngày nay, vào thế kỷ thứ 7. Chúng được sử dụng để xay ngũ cốc và bơm nước. Thiết kế này đã hoạt động tốt, đến được với Trung Quốc, Ấn Độ và cuối cùng là châu Âu.

Cối xay gió truyền thống của châu Âu trở nên phổ biến vào khoảng năm 1200. Chúng đặc biệt phổ biến ở Đan Mạch và Hà Lan, mặc dù chúng cũng phổ biến ở Anh, Đức và Tây Ban Nha. Giống như những chiếc cối xay gió thẳng đứng ở Trung Đông, chúng chủ yếu được sử dụng để xay ngũ cốc. Việc sử dụng cối xay gió đã giảm mạnh trong cuộc cách mạng công nghiệp, vì năng lượng gió đã trở nên lỗi thời trước máy móc chạy bằng than.

Tuabin gió đầu tiên

Tua bin gió tạo ra điện đầu tiên được phát minh ở Scotland vào tháng 7 năm 1887. Giáo sư James Blyth của trường Cao đẳng Anderson đã chế tạo một tuabin cao 10 mét với những cánh buồm bằng vải trong khu vườn của ngôi nhà của mình. Nó được sử dụng để cung cấp năng lượng cho một bộ tích điện, một loại pin, cung cấp ánh sáng cho ngôi nhà của ông. Anh đề nghị cung cấp thêm điện cho ngôi làng Marykirk lân cận của mình, nhưng họ đã từ chối. Tuabin của Giáo sư Blyth là tuabin Savonius trục thẳng đứng.

Chỉ vài tháng sau, Charles. F. Brush, một doanh nhân, kỹ sư và nhà phát minh, đã chế tạo một tuabin gió ở Cleveland, Ohio. Tuabin Brush là một tuabin nằm ngang, có bề ngoài tương tự như một cối xay gió truyền thống. Nó khá lớn, với một cánh quạt có đường kính 17 mét được gắn trên một tòa tháp 18 mét.

Rôto có 144 cánh và quay chậm. Nó có công suất 12 kW và được sử dụng để sạc pin cho Brush, hoặc cung cấp năng lượng cho hệ thống chiếu sáng và máy móc trong phòng thí nghiệm của anh ấy.

Năm 1891, nhà khoa học Đan Mạch Poul la Cour đã chế tạo một tuabin gió để cung cấp năng lượng chiếu sáng tại một trường trung học địa phương ở ngôi làng nhỏ Askov. Ông đã phát minh ra một bộ điều chỉnh cho tuabin để giúp cung cấp nguồn điện ổn định và sau đó sử dụng nó để cung cấp năng lượng cho toàn bộ ngôi làng.

Vào đầu thế kỷ 20, tuabin gió quy mô nhỏ đã đạt được thành công tương đối ở một số khu vực trên thế giới. Ở Đan Mạch, khoảng 2.500 trăm cối xay gió đã được đưa vào hoạt động vào năm 1900. Ở miền Trung Tây Hoa Kỳ, vài triệu cối xay gió nhỏ nằm rải rác trong cảnh quan, và được sử dụng để bơm nước và tạo ra một lượng nhỏ điện năng. Úc cũng chứng kiến ​​việc sử dụng quy mô nhỏ các tuabin gió để cung cấp năng lượng cho các trang trại và bưu điện ở xa.

Phát triển lớn hơn

Những năm 1930 chứng kiến ​​những thí nghiệm đầu tiên với tuabin gió quy mô tiện ích. Ở Yalta, thuộc Liên Xô cũ, một tuabin 100 kW đã được dựng lên vào năm 1931. Nó vẫn hoạt động trong khoảng mười năm. Tháp có thiết kế dạng lưới và cao khoảng 30 mét. Cánh quạt có đường kính 30 mét và có ba cánh, tương tự như các tuabin gió ngày nay.

Tuabin có quy mô MW đầu tiên được xây dựng ở Castleton, Vermont, vào năm 1941. Do kỹ sư Palmer Putnam chế tạo, tuabin có công suất 1,25 MW và được kết nối với hệ thống phân phối điện trên một ngọn núi gần đó. Nó vẫn hoạt động chỉ trong hơn 1.100 giờ, tức khoảng 45 ngày, trước khi bị hỏng lưỡi dao. Sự thiếu hụt vật liệu do Chiến tranh thế giới thứ hai đã ngăn cản việc sửa chữa. Sẽ không có tuabin nào cỡ này được chế tạo trong 40 năm nữa.

Cuộc khủng hoảng dầu mỏ & nghiên cứu năng lượng gió

Trong suốt phần lớn thế kỷ 20, việc phát hiện ra một số trữ lượng lớn nhiên liệu hóa thạch đã khiến năng lượng gió trở nên bùng nổ. Than và dầu đã trở thành nhiên liệu được lựa chọn cho một thế giới đang phát triển nhanh chóng. Hoa Kỳ và Trung Đông trở thành những nước sản xuất dầu lớn nhất, và việc tân trang hóa và văn hóa xe hơi đã trở thành chuẩn mực ở các nước phương Tây.

Nền kinh tế toàn cầu tăng trưởng với tốc độ chưa từng có cho đến những năm 1970, khi nền kinh tế dầu mỏ ngừng trệ. Nguồn cung dầu thiếu hụt khiến giá cả tăng vọt. Do đã trở nên phụ thuộc nhiều vào dầu mỏ, chính phủ Mỹ bắt đầu đổ tiền vào việc phát triển các nguồn nhiên liệu thay thế. Năng lượng gió một lần nữa trở thành tâm điểm chú ý.

Các thử nghiệm của NASA

Bắt đầu từ năm 1975, NASA đã dẫn đầu một cuộc thử nghiệm đa năng vào năng lượng gió với mục tiêu tạo ra cơ sở hạ tầng chạy bằng năng lượng gió quy mô tiện ích ở Hoa Kỳ. Từ năm 1975 đến năm 1996, tổng cộng có 14 tuabin đã được chế tạo và thử nghiệm ở nhiều địa điểm khác nhau trên khắp đất nước.

Một số tuabin được xây dựng trong thời kỳ này là lớn nhất cho đến nay. Trong đó lớn nhất, MOD-5B – lớn nhất thế giới khi được chế tạo vào năm 1987. Nó có đường kính cánh quạt là 100 mét và công suất 3,2 MW

Các thí nghiệm về gió của NASA đã tạo ra những kết quả có giá trị và nhiều khái niệm đang được áp dụng trong ngành công nghiệp gió ngày nay. Các kỹ sư đã thử nghiệm với tuabin có số lượng cánh khác nhau, bao gồm tuabin một và hai cánh.

Mối quan hệ giữa số lượng cánh quạt, độ ổn định của tuabin và hiệu suất đã giúp tạo ra tiêu chuẩn ba cánh được sử dụng ngày nay. Các công nghệ khác do NASA tiên phong bao gồm vật liệu lưỡi composite, tháp hình ống bằng thép và thiết kế lưỡi khí động học.

Vào những năm 1980, giá dầu bắt đầu giảm và năng lượng gió trở nên không kinh tế. Các công ty hợp tác với NASA, như Boeing và GE, đã rút khỏi chương trình và chấm dứt sản xuất thương mại các tuabin của họ.

Trang trại gió đèo Altamont

Để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu mỏ, California bắt đầu đưa ra các ưu đãi về thuế để khuyến khích sự phát triển của các trang trại điện gió. Một số trang trại gió mọc lên trên khắp tiểu bang, đáng chú ý nhất là Trang trại gió đèo Altamont.

Tọa lạc tại Quận Alameda chỉ cách San Jose vài giờ, đây là một trong những ứng dụng quy mô tiện ích lớn đầu tiên của gió để cung cấp điện. Đèo Altamont từng là trang trại điện gió lớn nhất thế giới cả về quy mô và công suất, và thậm chí ngày nay, khu vực này có mật độ tuabin cao nhất thế giới.

Các tuabin đầu tiên ở đèo Altamont được xây dựng trên các tháp kiểu lưới, có tác dụng thu hút các loài chim làm tổ. Điều này đã gây tử vong cho động vật và làm nảy sinh cuộc tranh luận hiện nay xung quanh sự nguy hiểm của tuabin gió đối với loài chim.

Các tuabin cũ đã ngừng hoạt động từ lâu, mặc dù vị trí của trang trại gió trong môi trường sống chính của chim vẫn khiến nó trở thành mối đe dọa đối với động vật hoang dã địa phương.

Nghiên cứu ở Đan Mạch

Cùng thời điểm NASA đang thử nghiệm ở Mỹ, các kỹ sư Đan Mạch đang tiến hành nghiên cứu của riêng họ. Bắt đầu từ cuối những năm 1970, người Hà Lan đã xây dựng tuabin đa megawatt đầu tiên trên thế giới ở Tvind, một trường học dành cho những thanh thiếu niên gặp khó khăn. Tuabin rô tuyn đỏ trắng có công suất 2 MW và vẫn được sử dụng cho đến ngày nay.

Trong khi các kỹ sư Mỹ được thúc đẩy bởi giá dầu, thì người Hà Lan lại bị thúc đẩy bởi những lo ngại về khí hậu. Họ tập trung vào sản xuất hàng loạt tuabin để hoàn thiện hiệu quả khí động học đồng thời nâng cao công suất.

Điều này dẫn đến việc quốc gia này có một trong những ngành công nghiệp gió mạnh nhất trên thế giới. Các nhóm nghiên cứu ban đầu của Hà Lan là tiền thân trực tiếp của các công ty như Vestas và Enercon.

Vụ nổ năng lượng gió

Sau khi tạm dừng nghiên cứu tuabin gió, những lo ngại về khí hậu và các công nghệ tiên tiến đã làm nảy sinh kỷ nguyên điện gió hiện nay. Kể từ những năm 2000, năng lượng gió đã được triển khai hàng loạt trên khắp thế giới. Tua bin trở nên lớn hơn, mạnh hơn và hiệu quả hơn.

Các nhà nghiên cứu bắt đầu hoàn thiện thiết kế cánh quạt và tạo ra những cánh quạt khí động học kiểu dáng đẹp giúp chiết xuất nhiều năng lượng hơn từ gió. Các tuabin ngoài khơi hàng loạt được phát triển, trở nên phổ biến ở Anh và Hà Lan.

Trong khi các quốc gia như Trung Quốc và Mỹ dẫn đầu về tổng công suất lắp đặt, các quốc gia Bắc Âu như Đan Mạch và Thụy Điển đã vượt trội trong việc sử dụng năng lượng gió để tạo ra một tỷ lệ lớn hơn trong tổng nhu cầu năng lượng của họ.