Tuabin gió trục đứng hay trục ngang hiệu quả hơn?

Hiện nay, hiệu suất của tua-bin gió trục ngang ba cánh chính thống cao hơn nhiều so với tua-bin gió trục đứng.

Khoảng cách hiệu suất này là rất cơ bản. Chỉ số chính để đo lường hiệu suất là "hệ số sử dụng năng lượng gió", biểu thị lượng năng lượng mà một tuabin gió có thể thu được từ gió. Quạt trục ngang quy mô lớn hiện đại có thể đạt hiệu suất 45% - 50%, gần với giới hạn lý thuyết (59,3%, được gọi là giới hạn Bez). Ngược lại, hiệu suất của quạt trục đứng thấp hơn nhiều, thường chỉ 15% - 40%, tùy thuộc vào loại thiết kế.

Tại sao hiệu suất của quạt trục ngang lại cao như vậy?

Điều này chủ yếu là do nguyên lý hoạt động của nó:

Tất cả các cánh quạt đều đồng thời cắt gió ở góc tối ưu: cánh quạt trục ngang được thiết kế mô phỏng cánh máy bay (cánh máy bay khí động học). Khi gió thổi, nó tạo ra một lực nâng lớn, là động lực chính cho chuyển động quay của cánh quạt. Nhờ các cánh quạt luôn quay cùng một hướng, hầu hết toàn bộ cánh quạt có thể thu năng lượng gió liên tục và hiệu quả.

Tốc độ cao: Quạt trục ngang có thể đạt tốc độ rất cao, giúp điều khiển máy phát điện để tạo ra điện rất hiệu quả.

Tại sao hiệu suất của quạt trục đứng lại thấp hơn?

Chế độ hoạt động của quạt trục đứng (chủ yếu đề cập đến "loại Dario" trông giống như máy đánh trứng) thì khác nhau:

Các cánh quạt chuyển động qua lại trong gió: khi chúng xoay đến các vị trí khác nhau, góc của chúng với hướng gió liên tục thay đổi. Chỉ ở một số góc nhất định, cánh quạt mới có thể thu được năng lượng gió một cách hiệu quả; tuy nhiên, ở các vị trí khác (chẳng hạn như khi quay ngược về phía đón gió), cánh quạt sẽ tạo ra lực cản. Đặc điểm "tự cạnh tranh" này về cơ bản hạn chế hiệu quả của nó.

Hiệu suất khởi động kém: Nhiều quạt trục đứng không thể tự khởi động và cần có sự trợ giúp từ bên ngoài.

Mặc dù hiệu suất chênh lệch rất lớn, quạt trục đứng vẫn có những ưu điểm riêng. Chúng sở hữu hàng loạt tính năng độc đáo khiến chúng trở nên không thể thay thế trong một số trường hợp cụ thể.

Ưu điểm và nhược điểm của quạt trục ngang:

Thuận lợi:

Ưu điểm cốt lõi: hiệu suất cực cao và khả thi về mặt kinh tế nhất cho việc sản xuất điện quy mô lớn.

Nhược điểm:

Cần phải căn chỉnh theo hướng gió: Một "hệ thống điều chỉnh hướng" phức tạp phải được trang bị để liên tục điều chỉnh cabin cho phù hợp với hướng gió, giống như một điểm đánh dấu hướng gió.

Cấu trúc phức tạp và chi phí bảo trì cao: Máy phát điện và hộp số nặng được lắp đặt trên đỉnh tháp cao hàng chục hoặc thậm chí hàng trăm mét, khiến việc bảo trì và sửa chữa rất khó khăn và tốn kém.

Tiếng ồn lớn: Đầu lưỡi dao quay với tốc độ cao sẽ tạo ra nhiều tiếng ồn.

Yêu cầu cao về môi trường lắp đặt: cần có điều kiện gió ổn định và êm dịu, có thể không hoạt động tốt ở những thành phố có gió mạnh và dữ dội.

Ưu điểm và nhược điểm của quạt trục đứng:

Thuận lợi:

Không cần gió: gió từ mọi hướng có thể làm nó quay, loại bỏ nhu cầu sử dụng hệ thống điều hướng.

Cấu trúc đơn giản và dễ bảo trì: Các thiết bị chính như máy phát điện và hộp số được lắp đặt ở mặt đất bên dưới, nhân viên bảo trì không cần phải trèo cao, do đó chi phí bảo trì thấp.

Tiếng ồn thấp: Tốc độ thường chậm hơn và hoạt động êm hơn.

Thích ứng với điều kiện gió phức tạp: Rất phù hợp với môi trường đô thị có hướng gió và độ nhiễu loạn thay đổi, có thể lắp đặt trên mái nhà.

Tốc độ gió khởi động thấp: Một số loại (như loại S) có thể khởi động khi có gió nhẹ.

Nhược điểm:

Nhược điểm cốt lõi: Hiệu quả thấp.

Có rủi ro về mặt cấu trúc: một số thiết kế chịu ứng suất lớn ở gốc cánh trong quá trình quay ở tốc độ cao, điều này có thể dễ dàng dẫn đến sự cố.

Vậy, kết luận cuối cùng là:

Nếu bạn muốn xây dựng một trang trại gió lớn và theo đuổi mục tiêu tối đa hóa sản lượng điện và lợi ích kinh tế, thì tuabin gió trục ngang "hiệu suất cao" là lựa chọn chủ đạo duy nhất. Đó là lý do tại sao hầu hết các cối xay gió mà chúng ta thấy ngoài tự nhiên đều có trục ngang.

Nhưng nếu bạn cần một máy phát điện "không cầu kỳ, dễ sử dụng" cho các tình huống phân tán, chẳng hạn như cung cấp điện cho đèn đường, tòa nhà, trạm gốc từ xa, đặc biệt là ở các thành phố có hướng gió không ổn định, thì quạt trục đứng "hiệu suất thấp nhưng chắc chắn và bền" thực sự có thể là lựa chọn phù hợp hơn.

Tóm lại, trục ngang đại diện cho "những sinh viên hàng đầu" theo đuổi hiệu suất và quy mô, trong khi trục dọc đại diện cho "những sinh viên tài năng" thích nghi với môi trường cụ thể. Xét về hiệu suất thuần túy, quạt trục ngang vượt trội hơn hẳn.