Năng lượng gió hay còn gọi là năng lượng gió là phương tiện khai thác gió và biến nó thành điện năng. Hiệu suất gió trung bình của tua bin là từ 35-45%.
Sản xuất năng lượng gió
Gió được tạo ra trong bầu khí quyển trái đất do sự khác biệt về nhiệt độ trái đất tại địa phương hoặc trên quy mô khu vực và toàn cầu. Khi ấm trở nên nóng, nó bốc lên để lại nơi có áp suất không khí thấp; không khí từ những vùng mát hơn có áp suất không khí cao hơn sẽ di chuyển vào để cân bằng áp suất không khí.
Cối xay gió và tua-bin gió tận dụng động năng hay "năng lượng chuyển động" để di chuyển không khí hoặc gió từ nơi này sang nơi khác và chuyển hóa thành điện năng. Tua bin gió được dựng ở những nơi có nhiều gió nên gió có thể làm chuyển động các cánh tua bin. Những cánh quạt này quay một động cơ và các bánh răng tăng số vòng quay đủ để tạo ra điện. Các thiết kế tuabin khác nhau phù hợp với các điều kiện khác nhau.
Hiệu suất gió và Hệ số công suất gió
Hiệu suất gió không giống với hệ số công suất gió, đây là điều được thảo luận khi mọi người nghĩ về hiệu quả năng lượng. Wind Watch giải thích sự khác biệt giữa hai hiện tượng.
Hiệu quả của gió và giới hạn của nó
Hiệu suất gió là lượng động năng trong gió được chuyển hóa thành cơ năng và điện năng. Các định luật vật lý được mô tả bởi Betz Limit cho biết giới hạn lý thuyết tối đa là 59,6%. Gió cần phần năng lượng còn lại để thổi qua các cánh quạt. Điều này thực tế là tốt. Nếu tuabin bị kẹt 100% năng lượng, gió sẽ ngừng thổi và các cánh tuabin không thể quay để tạo ra điện.
Tuy nhiên, hiện tại không có loại máy nào có thể chuyển đổi toàn bộ 59,6% động năng bị giữ lại từ gió thành điện. Có những giới hạn do cách chế tạo và thiết kế máy phát điện, điều này càng làm giảm lượng năng lượng cuối cùng được chuyển thành điện năng. Mức trung bình hiện nay là 35-45%, như đã nói ở trên. Theo Wind Watch, hiệu suất tối đa ở mức cao nhất có thể đạt tới 50%. Một tài liệu của chính phủ Úc (NSW) cũng đồng ý rằng 50% là hiệu suất gió tối đa có thể đạt được (trang 3).
Hiệu suất năng lượng không thay đổi nhiều như hệ số công suất gió, phụ thuộc rất lớn vào vị trí và điều kiện thời tiết.
Hệ số công suất gió
Hệ số công suất gió là lượng năng lượng được tạo ra bởi một máy phát điện so với những gì nó có thể tạo ra nếu nó luôn hoạt động ở công suất cao nhất, theo Green Tech Media. Hệ số công suất gió có xu hướng thay đổi theo từng nơi và vào các thời điểm khác nhau trong năm, thậm chí với cùng các tuabin, vì nó phụ thuộc vào tốc độ gió, mật độ và diện tích quét phụ thuộc vào kích thước của máy phát điện chỉ ra Open EI. Hệ số công suất gió có thể được tối ưu hóa bằng cách chọn những nơi có điều kiện gió lý tưởng chiếm ưu thế trong toàn bộ hoặc một phần lớn thời gian trong năm. Vì vậy, điều quan trọng là phải xem xét hệ số công suất gió và các điều kiện ảnh hưởng đến nó để tối đa hóa sản lượng điện.
- Tốc độ giódưới 30 dặm một giờ tạo ra rất ít năng lượng theo Wind Watch. Ngay cả những sự gia tăng nhỏ về tốc độ cũng có thể chuyển thành sự gia tăng đáng kể về năng lượng được tạo ra theo Open EI. Điện được tạo ra là lập phương của tốc độ gió, giải thích về Wind EIS.
- Mật độ không khí ở những vùng mát hơn và ở mực nước biển cao hơn ở vùng núi. Vì vậy những nơi lý tưởng có mật độ gió cao là những vùng biển có nhiệt độ lạnh hơn theo Open EI. Đây là một lý do cho việc mở rộng quy mô lớn hoạt động sản xuất gió ngoài khơi.
- Tua bin lớn hơn và cao hơn có thể tận dụng nhiều gió hơn ở trên mặt đất và nhờ khoảng cách tăng lên của các cánh quạt. Do đó, những cân nhắc về kinh tế trở nên quan trọng ở đây.
Hệ số công suất không ngừng được tăng lên cùng với công nghệ cải tiến. Theo Green Tech Media, các tua-bin gió được chế tạo vào năm 2014 đạt hệ số công suất 41,2% so với 31,2% của các tua-bin được chế tạo trong giai đoạn 2004-2011. Tuy nhiên, hệ số công suất gió không chỉ bị ảnh hưởng bởi công nghệ mà còn bởi chính khả năng sẵn có của gió. Do đó, năm 2015, hệ số công suất của tua-bin thấp hơn mức trung bình của những năm trước do "hạn hán do gió" Green Tech Media giải thích.
So sánh với các nguồn năng lượng khác
Hiệu suất năng lượng của gió tốt hơn hiệu suất năng lượng của than. Chỉ 29-37% năng lượng trong than được chuyển đổi thành điện và khí đốt có hiệu suất gần tương đương với gió vì 32-50% năng lượng trong khí đốt có thể chuyển đổi thành điện năng.
Tuy nhiên, xét về hệ số công suất, nhiên liệu hóa thạch hoạt động tốt hơn gió ở Hoa Kỳ vào năm 2016 theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA).
-
tái tạo so với nhà máy Các nhà máy than ở Mỹ đã chạy hết 52,7% công suất.
- Hệ số công suất của các nhà máy khí đốt ở Mỹ là 56%.
- Năng lượng hạt nhân có hệ số công suất là 92,5%, theo số liệu của EIA đối với nhiên liệu không hóa thạch.
- Hệ số công suất thủy điện là 38%.
- Hệ số công suất của năng lượng gió là 34,7%.
Khi so sánh công suất đầu ra từ các nguồn năng lượng khác nhau, tốt hơn hết bạn không chỉ nên xem xét hệ số công suất mà còn cả hiệu quả sử dụng năng lượng của chúng. Đây là điều làm cho việc tăng cường sản xuất điện từ gió có tính cạnh tranh và khả thi so với nhiên liệu hóa thạch vốn cũng đang gặp rắc rối bởi các vấn đề ô nhiễm mà chúng gây ra.
Tính không liên tục ảnh hưởng đến sản lượng năng lượng gió
Năng lượng gió bị gián đoạn vì gió không phải lúc nào cũng có sẵn và có thể thổi ở nhiều tốc độ khác nhau, nghĩa là năng lượng được tạo ra ở mức không nhất quán. Gián đoạn năng lượng là hiện tượng năng lượng không có liên tục do nhiều yếu tố mà con người không thể kiểm soát được. Do đó có sự khác biệt về nguồn cung.
Giải pháp cho tình trạng không liên tục
Vì việc tạo ra điện từ tua-bin gió dao động theo từng giờ, thậm chí từng giây, nên các nhà cung cấp điện cần có nguồn dự trữ năng lượng lớn hơn để đáp ứng và duy trì mức cung cấp điện ổn định, Nhà khoa học Mỹ giải thích. Sự gián đoạn không chỉ có nghĩa là thiếu hụt mà còn có nghĩa là có những giai đoạn dư thừa; điều này sau đó cũng cung cấp một giải pháp khả thi. Nhà khoa học Mỹ giải thích rằng khi số lượng nguồn năng lượng gió tăng lên, sự khác biệt về điều kiện thời tiết và gió ở từng địa phương có thể cân bằng giữa sự thiếu hụt và dư thừa.
Dự báo và lập mô hình thời tiết được cải thiện cũng giúp dễ dàng tính toán những thay đổi ngắn hạn về năng lượng gió. Sự kết hợp của các nguồn cũng cần thiết để tạo ra sự khác biệt theo ngày hoặc theo mùa trong việc sản xuất điện gió.
Bất chấp tình trạng không liên tục, các trang trại gió mới rộng khắp nước Mỹ đã thực sự giúp ổn định nguồn cung cấp điện, đặc biệt là trong thời tiết khắc nghiệt ở Texas theo Clean Technica.
Chi phí
Năm 2017, The Independent thông báo rằng việc sản xuất năng lượng từ gió rẻ hơn so với sản xuất năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch. Năm 2017, chi phí sản xuất một megawatt giờ (MWh) là 50 USD. Với công nghệ cải tiến, chi phí tiếp tục giảm, khiến nó trở nên hấp dẫn hơn các nguồn năng lượng gây ô nhiễm thông thường. Hoa Kỳ hy vọng sẽ thúc đẩy phong trào này bằng cách cung cấp các ưu đãi của chính phủ để tăng tỷ trọng năng lượng gió, vốn cung cấp 6% điện năng của nước này vào năm 2016, theo EIA.
Wind EIS lưu ý rằng 80% chi phí là chi phí vốn liên quan đến việc lắp đặt tua-bin và 20% là chi phí vận hành. Tuy nhiên, vì không có chi phí nhiên liệu và xét đến lượng điện năng được tạo ra trong toàn bộ vòng đời của nó, năng lượng gió có tính cạnh tranh.
Năng lượng không có carbon
Năng lượng gió là một trong những nguồn thay thế hiệu quả hơn cho năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch. Người ta dự đoán đến năm 2050, 139 quốc gia hiện đang sử dụng 99% năng lượng của thế giới có thể sử dụng 100% năng lượng tái tạo. Theo Báo cáo Diễn đàn Thế giới năm 2017, gió và mặt trời có thể cùng nhau cung cấp tới 97% năng lượng này. Điều này có thể giúp ngăn chặn sự nóng lên toàn cầu dưới mức 1,5C. Cho dù đó là trang trại gió trên sườn đồi hay dọc theo bờ biển, công nghệ tua-bin gió mang đến một cách hiệu quả hơn nhiều để tạo ra điện có thể sử dụng được so với các nguồn truyền thống không thể tái tạo.
