Biến đổi năng lượng gió và sự phát triển của tuabin gió

Các tuabin gió đầu tiên được sử dụng để chuyển đổi năng lượng khác như cối xay gió, được sử dụng để bơm nước, xay ngũ cốc… được xây dựng vào năm 1887 bởi Giáo sư James Blyth của trường Đại học Anderson College, Glassgow (nay là Strathclyde University). Thí nghiệm của Blyth có ba thiết kế tuabin khác nhau với trụ cao 10 mét (33 foot), cánh bằng khung gỗ bọc vải, được ông thử nghiệm lắp đặt tại khu vườn trong trang trại riêng của ông tại Marykirk một làng nhỏ thuộc Quận Kincardineshire (một quận nằm trên bờ biển phía đông bắc Scotland), và tuabin gió đầu tiên này đã hoạt động trong suốt 25 năm sau đó. Phát minh Blyth đã đánh dấu buổi bình minh của sự phát triển tuabin gió với đặc trưng là thiết kế cánh quạt gồm 144 cánh đơn làm từ gỗ tùng tuyết, cánh quạt có đường kính quay 17m và tạo ra công suất 12kW (hình 1).

Năm 1890 Poul la Cour nhà khoa học người Đan Mạch hoàn chỉnh các thiết kế của mình và tuabin gió lần đầu tiên được lắp đại trà tại Đan Mạch với 2.500 chiếc, tổng công suất ước tính tối đa đạt khoảng 30 MW. Các tuabin gió của la Cour không những chỉ dùng vào sản xuất điện mà còn được sử dụng trong việc sản xuất hydro.

Kể từ đó, tuabin gió đã được lắp đặt bởi hàng triệu người trên thế giới, đặc biệt là ở vùng Trung tây Hoa Kỳ, nơi mà những nông trại đã sử dụng các máy bơm điện để phục vụ thủy lợi và tưới tiêu. Năm 1931, tuabin gió hiện đại đầu tiên có trục quay nằm ngang đã được đưa vào sử dụng tại Yalta, Liên Xô cũ. Đó là một máy phát điện công suất lớn 100 kW được lắp đặt trên một tháp cao 30m, máy phát điện này cũng lập kỷ lục về hệ số công suất (tỷ lệ giữa công suất thực tế và công suất tối đa thiết kế) cho tuabin gió là 32% vào thời điểm đó. Năm 1941 lần đầu tiên trên thế giới một tuabin gió công suất 1.25 MW đã hòa lưới điện tại Grandpa’s Knob thuộc vùng Castleton bang Virgina Hoa Kỳ.

Tuabin gió hiện đại đầu tiên được xây dựng ở Đan Mạch khoảng giữa những năm 1950. Theo Hiệp hội Công nghiệp Gió Đan Mạch (DWIA), 200 tuabin gió hiệu Gedser công suất 200 kW (hình 2) được xây dựng vào năm 1956 bởi kỹ sư Johannes Juul của công ty Điện lực SEASS trên bờ biển Gedser ở phía nam Đan Mạch. Thiết kế ba cánh gió với cơ cấu tự động điều khiển góc đón gió của tuabin cùng máy phát điện không đồng bộ của tuabin Gedser theo một cơ quan chức năng nhận xét là một “thiết kế tiên phong cho các tuabin gió hiện đại, mặc dù cánh quạt với dây chằng trông có vẻ hơi cổ điển”. Hệ thống phanh điều tốc (stall - controlled) của tuabin mà Juul phát minh là hệ thống phanh khí động lực được lắp ở đầu chóp tâm cánh quạt nó được kích hoạt bởi lực ly tâm trong trường hợp tuabin quay quá tốc độ. Về cơ bản hệ thống của Juul giống như hệ thống điều tốc của các tuabin gió hiện đại ngày nay. Tuabin của Juul đã chạy liên tục 11 năm mà không cần bảo dưỡng.

Việc sử dụng năng lượng điện gió được thổi một luồng sinh khí mới sau cuộc khủng hoảng dầu lửa thế giới đầu tiên vào năm 1973. Các nước như Đan Mạch, Đức, Thụy Điển, Anh và Mỹ đua nhau thiết kế các tuabin lớn hơn. Năm 1979, các kỹ sư Đan Mạch đã lắp đặt thành công 2 tuabin gió với công suất 630 kW một chiếc với hệ thống tự động điều khiển góc nghiêng cánh quạt (Pitch - controlled) và hệ thống phanh điều tốc (Stall - controlled) hiện dại. Tuy vậy, Hiệp hội Công nghiệp Gió Đan Mạch (DWIA) than thở “Mặc dù hiện đại và lớn nhất nhưng các tuan bin gió này theo nhiều cách cũng phải đối mặt với thực trạng nghiệt ngã như các người anh em của nó ở nước ngoài”, DWIA giải thích “Các tuabin trở nên cực kỳ tốn kém, và giá năng lượng quá cao của nó đã gây ra một cuộc tranh luận quan trọng về năng lượng gió”. Đã có rất nhiều thảo luận về phát triển thiết kế tuabin gió nhằm mục đích tăng hiệu quả và giảm chi phí của phong điện. Mặt khác, việc phát triển cơ sở hạ tầng của ngành cung cấp năng lượng cũng có ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng năng lượng gió. Sự phát triển của một mạng lưới điện thông minh sẽ cho phép kết hợp và điều phối mượt mà hơn giữa những nhà máy phong điện có công suất lớn nhỏ khác nhau vào mạng điện chung.

Ngày nay, tất cả thiết kế tuabin gió hiện đại vẫn tiếp tục được phân loại theo cấu hình trục quay của cánh quạt. Có hai loại là: tuabin gió trục ngang (HAWTs) và tuabin gió trục thẳng đứng (VAWTs). Hơn 90% các tuabin gió sử dụng ngày nay có thiết kế HAWTs. Theo một phó giáo sư kỹ thuật và công nghệ áp dụng Eastern Illinois University (một trường đại học nổi tiếng ở tiểu bang Charleston, bang Illinois, Hoa Kỳ), Tiến sĩ Rigoberto Chincilla, một lý do chính HAWTs hiện đại chiếm lĩnh thị trường là sự sắp xếp của các cánh quạt cho phép tuabin luôn luôn tương tác đầy đủ với gió, điều này rất quan trọng trong việc cải thiện sức mạnh và hệ số công suất của tuabin HAWTs hiện đại. Nhưng tuabin HAWTs cũng có một số nhược điểm, ông nói. Một trong những nhược điểm phổ biến là nó gây tiếng ồn lớn. Tiếng ồn với dải băng thông rộng chủ yếu có nguồn gốc từ các hiện tượng khí động học (như luồng không khí xung quanh cánh quạt, trung tâm và tháp), và bởi sự rung động của các thành phần cơ khí. Tiếng ồn do tuabin HAWTs gây ra có thể dao động trong các mức độ áp lực âm thanh khac nhau, từ 58 dBA (ngay trên tiếng ồn xung quanh) đến 108 dBA (tương đương âm thanh của một máy bay DC -8 hoặc Boeing 707 trước khi hạ cánh). Và một điều nữa khiến tuabin HAWTs bị dư luận cộng đồng phản đối là nó nhìn “chướng mắt” (“eyesores”).

Tuabin HAWTs cũng còn có những giới hạn về kỹ thuật bị chỉ trích với ba điểm quan trọng mà tiến sĩ Chinchilla đã nêu ra trong một bài viết vào tháng 1 - 2011 đăng trên Tạp chí Công nghệ Công nghiệp. Một là HAWTs không thể chịu được gió hỗn loạn như ở môi trường đô thị, hai là HAWTs không thể hoạt động trong gió mạnh vì độ cản gió của các tuabin lớn sẽ khiến nó bị nghiêng hoặc đổ do đó tuabin sẽ phải phanh hẳn lại khi tốc độ gió khoảng ra của gió và áp dụng một phanh khi tốc độ gió đạt khoảng 88,5 km/h. Tiến sĩ Chinchilla và các đồng tác giả của bài viết, Tiến sĩ Sam Guccione và Joseph Tillman, cũng cho rằng với kích thước thiết kế như hiện tại, HAWTs đã đạt tới giới hạn khả năng chịu đựng của nó. Mặc dù vậy nhiều tuabin khổng lồ lớn hơn như 5 MW-HAWTs với cánh quạt dài 122m đang được phát triển và thử nghiệm trong ống gió và việc đưa nó vào sử dụng chỉ là một sớm một chiều nhưng, nhóm Chinchilla viết: “Người ta nghi ngờ độ tin cậy của HAWTs 10 MW sẽ được xây dựng sắp tới”. Tất cả những yếu tố này góp phần vào sự quan tâm mới trong lĩnh vực phong điện dành cho mẫu tuabin VAWTs, “nhược điểm quan trọng nhất mà mẫu tuabin trục đứng cần khắc phục là hiệu suất của nó quá thấp so với HAWTs” nhóm tiến sĩ Chinchilla khẳng định.

Ở Việt Nam, cho đến nay phong điện mới chập chững đi những bước đầu tiên, mặc dù được sự hỗ trợ và ưu đãi mạnh mẽ từ Chính phủ (mà gần đây nhất là Nghị định của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện gió tại việt Nam có hiệu lực từ 20 - 8 - 2011) nhưng để phát triển được, “Phong điện Việt Nam” còn phải đối mặt với rất nhiều khó khăn và thách thức.

Là một trong những nước có nguồn năng lượng gió dồi dào, nhưng đến nay sự phát triển phong điện ở Việt Nam vẫn chưa tương xứng với tiềm năng. Trên cả nước hiện mới có 42 dự án phong điện - tập trung chủ yếu tại 12 tỉnh miền Trung, Tây Nguyên và Tây Nam bộ với tổng công suất 3.906 MW. Trong đó, 1/3 số dự án có sự tham gia của nhà đầu tư nước ngoài Đức, Canada, Thụy Sĩ, Argentina, nhưng việc đầu tư còn chậm và mang tính thăm dò.

Năm 2009 khi làm tờ trình Chính phủ Nghị định khuyến khích phát triển năng lượng tái tạo, bình quân giá phong điện Việt Nam vào khoảng 0,125 usd/kWh, trong khi giá điện bình quân thời điểm đó mới chỉ khoảng 0,053 usd/kWh. Nếu tính cả lần điều chỉnh giá điện gần dây nhất (ngày 1/3/2911), giá điện bình quân mới có 1.242 đồng/kWh (tương đương 0,059 usd/kWh). Trên thực tế giá thành phát điện của phong điện vào khoảng 0,07 - 0,12 usd/kWh, khi lãi suất vay tăng thì giá thành phát điện có thể đến 0,14 usd/kWh. Như vậy, so với thủy điện, giá phong điện là rất cao. Nếu trong giá điện đạt được mức giá như trên thị trường quốc tế và giá bán than không thấp hơn giá sản xuất thì điện gió sẽ có cơ hội phát triển mạnh. Còn theo tính toán của Chủ tịch Hiệp hội Đầu tư xây dựng năng lượng Việt Nam (VECIA) Trần Viết Ngãi, do chi phí đầu tư cao (mức đầu tư cao nhất là 2,77 triệu USD/MW, thấp nhất là 1,77 triệu USD/MW, và trung bình là 2,2 triệu USD/MW, gấp đôi thủy điện) dẫn tới giá thành, giá bán điện cao. Trong khi giá bán của các nhà máy thủy điện vừa và nhỏ cho EVN dao động từ 450 đồng đến 700 đồng/kWh, giá phong điện lên tới 1.300 đồng/kWh nên người dân khó chấp nhận.

Ngoài ra, phong điện ở Việt Nam hiện đang vấp phải một số trở ngại nhất định như chưa có quy hoạch và chính sách rõ ràng, thống nhất từ trung ương đến địa phương; xã hội chưa nhận thức đầy đủ về tác động tích cực, quan trọng của phong điện. Đặc biệt, vốn đầu tư và giá thành sản xuất khá cao khiến cho phong điện và các nguồn năng lượng tái tạo rất khó cạnh tranh với các nguồn điện khác.

Hà Vũ - T/c Điện & Đời sống, số 150 - 2011, tr 35