Năng lượng gió là một dạng chuyển tiếp của năng lượng mặt trời, bởi chính ánh nắng ban ngày đã đun nóng bầu khí quyển, tạo nên tình trạng chênh lệch nhiệt độ và áp suất giữa nhiều vùng khác nhau, và các khối không khí từ những khu vực có áp suất cao sẽ dịch chuyển nhanh đến những vùng có áp suất thấp hơn, tạo ra hiện tượng gió thổi đều khắp trên bề mặt địa cầu.
Tuy nhiên, khai thác năng lượng gió cũng không đơn giản. Hiện tượng gió thổi luôn đa dạng, vì chuyển động của các khối không khí luôn tuân theo nhiều định luật phức tạp về động lực học dòng chảy, chịu tác động của các lực vật lý phát sinh từ vận động quay của Trái đất, cũng không thể bỏ qua sự hiện diện của các mặt nước đại dương, các địa hình cao thấp khác nhau của các khối lục địa trên bề mặt địa cầu.
Từ đó, khi sử dụng sức gió, vấn đề đầu tiên phải nghĩ đến là tính chất không ổn định của nguồn năng lượng này. Những tiến bộ kỹ thuật ngày nay đã giúp ích rất nhiều trong việc nghiên cứu biểu đồ gió của những khu vực được khảo sát để xây dựng các trạm phát điện, sao cho tận dụng được một cách tối ưu nhất sức của gió, đồng thời giảm thiểu tối đa những thiệt hại vật chất do gió gây ra.
Động cơ gió: công suất thấp, chi phí lắp đặt cao
Tại những khu vực thường xuyên có gió mạnh, những cánh quạt sẽ được thiết kế theo kiểu có thể xếp gọn lại được để đối phó với các cơn bão. Mặt khác, theo như lời giải thích của Éric Dupuy, phụ trách khu vực Caribê của dự án Aérowatt về khai thác năng lượng gió, "để có thể nâng một động cơ gió ba cánh đặt lên một ống trụ rất cao, chúng tôi phải có các loại cần cẩu siêu trọng, nhưng đây lại một vấn đề nan giải đối với nhiều quốc gia đang phát triển". Vì vậy, các loại động cơ gió tháo lắp với nhiều bộ phận rời sẽ là một giải pháp tối ưu cho những nước này.
Nhưng khó khăn vẫn chưa hết. Đa số các động cơ gió sẽ được "cắm" cố định trên mặt đất với phần nền móng vững chắc và phải cần đến khoảng 180m3 bêtông. Thế là, người ta đã nghĩ ra phương pháp "neo" phần thân trụ bằng các dây chằng, như vậy sẽ chỉ tốn khoảng 15 m3 bêtông. Dù không thẩm mỹ lắm nhưng cũng tiết kiệm được kha khá! Song còn một nhược điểm nữa của động cơ gió, đó chính là công suất. Tính trung bình, các loại động cơ gió thông dụng sản xuất được khoảng 2 - 3 MW. Vậy cho nên, nếu như các nhà khoa học đã thấy được nhiều tiện ích của nguồn năng lượng thiên nhiên vô tận này, họ vẫn đang tìm kiếm nhiều giải pháp cải thiện hiệu năng phát điện của chúng, từ những dự án mang tính thực tiễn nhất cho đến những ý tưởng được xem là "điên rồ" nhất.
Động cơ gió cho thành thị
"StatoEolien" là một ví dụ. Đây là những kiểu động cơ gió trục đứng, được lắp đặt trên các mái nhà. Kỹ sư Georges Gual, người phát minh ra động cơ gió kiểu này đã giải thích: "StatoEolien rất hiệu quả, hoạt động tốt trong mọi điều kiện, ngay cả khi vận tốc gió lên đến 45 mét/giây. Ngay trong khu vực nội thị cũng có những vùng "trũng" được tạo nên từ các khối nhà, từ đó sẽ hình thành những "hành lang gió", nơi vận tốc gió thổi được tăng lên gấp đôi".
Hoá thân thành những cánh diều
Việc khai thác sức gió ngay trên mặt đất xem ra không hiệu quả bằng việc cho các động cơ gió được "bay" lên không trung, hoặc được hỗ trợ bằng những cánh diều, theo một nguyên lý đơn giản: càng lên cao, gió càng thổi mạnh và đều! Thế là, công ty Sequoia Automation của Ý đã triển khai một ý tưởng mới với cỗ máy "Kite Wind Generator", gọi tắt là "KiteGen". Đây là một kiểu máy phát điện được thiết kế theo hình dáng một chiếc đu quay của trẻ em, nhưng sẽ được kéo xoay tròn bởi những cánh diều lớn được "thả" lên độ cao đến gần ngàn mét! Chiếc đu quay khổng lồ này có thể sản xuất ra được 1 GW. Hiện nay, "KiteGen" đang trong giai đoạn thử nghiệm và hiệu chỉnh kỹ thuật trước khi đưa vào khai thác thương mại.
Kế đến, một kiểu "cánh diều" khác sẽ xuất hiện vào trước cuối năm nay, khi một tàu hàng trọng tải 10.000 tấn của công ty Beluga Shipping (Đức) được trang bị một loại "buồm bay" có diện tích bề mặt 160m2. Giải pháp này sẽ "giúp tiết kiệm mỗi năm khoảng 10 - 15% nhiên liệu để chạy máy tàu", theo như lời giải thích từ giám đốc Stephan Wrage của công ty SkySails, nơi chế tạo cánh diều này.
(Ảnh: Laplanetebleue)
Nhưng, tại sao chiếc tàu thuỷ này lại "chơi thả diều" thay vì giương những cánh buồm theo kiểu truyền thống? Và cũng theo giám đốc Stephan Wrage, có rất nhiều lợi ích: loại "buồm - diều" này sẽ không làm choán chỗ trên boong tàu, lực kéo của diều sẽ mạnh hơn khi được "thả" bay lơ lửng lên một độ cao tối đa có thể, ngoài ra, do được cố định vào thân tàu chỉ bằng một đầu dây nối, loại buồm này sẽ không kéo tàu lắc lư khi gió mạnh.
Và chắc hẳn trong tương lai, cùng với những cánh diều, sẽ có nhiểu kiểu dáng động cơ gió được thiết kế ngoạn mục hơn. Mục đích duy nhất của các nhà khoa học ứng dụng chỉ gói gọn trong suy nghĩ: ứng dụng công nghệ mới nhằm mở rộng phạm vi sử dụng ngày càng đa dạng đối với nguồn năng lượng gió luôn dồi dào này.
Mạnh Hùng
Năng lượng gió được sử dụng khi nào? Có thể khẳng định rằng con người đã biết đến sức gió từ rất sớm, vào khoảng năm 3.500 trước Công nguyên khi làm ra những chiếc buồm để đẩy tàu thuỷ lướt trên mặt nước. Kế đến, những chiếc cối xay gió trục đứng đầu tiên đã xuất hiện vào thế kỷ thứ 2 trước Công nguyên tại xứ Ba Tư. Nhưng phải đợi đến thế kỷ 13, loại cối xay gió trục ngang mới được phổ biến ở châu Âu. Đến năm 1850, Lord Kelvin, một nhà vật lý người Anh, nảy ra ý tưởng nối một chiếc máy phát điện vào một cánh quạt gió. Từ đó, "động cơ gió" ra đời. Tuy nhiên, trong thế kỷ 20, do không cạnh tranh được với dầu mỏ, năng lượng gió gần như bị bỏ quên. Bước sang thế kỷ 21, khi con người đang đứng trước nhiều bài toán cấp bách về ô nhiễm môi trường và bắt buộc phải tìm kiếm ra những nguồn năng lượng sạch hơn và "nhiều" hơn, thì năng lượng gió lại thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học và môi trường. Những bộ cảm biến "thông minh" giúp bảo vệ động cơ gió Khi vận tốc gió quá cao, các cánh quạt sẽ được hãm lại và cho "rũ" xuống để tránh gãy đổ cả hệ thống. Trung tâm ứng dụng sợi quang học polymer (POF - AC) của Đại học Georg Simon Ohm ở Nuremberg (Đức) đã phát triển những thiết bị "cảm biến thông minh" nhằm phát hiện ra ngay các nguy cơ gây thiệt hại cơ học cho cánh quạt. Nhóm nghiên cứu của giáo sư Hans Poisel, giám đốc POF - AC, hy vọng chế tạo được những cảm biến có khả năng đo đạc và thông báo về tình trạng cơ học của các cánh quạt so với vận tốc gió lúc đó. Để thực hiện được điều này, một sợi quang học bằng chất dẻo được gắn vào cánh quạt sẽ tính toán chính xác các lực va đập lên bề mặt cánh quạt và thông báo kịp thời về trung tâm điều khiển khi nhận biết các tác động này sắp vượt quá ngưỡng cho phép. Giáo sư Poisel cũng cho biết thêm rằng, bộ cảm biến bằng sợi quang học polymer này chắc chắn sẽ rẻ hơn các bộ cảm biến hiện tại, và quan trọng hơn, chúng không sợ bị... sét đánh do không phản ứng với trường điện từ. |