Khi gió thổi, cánh quạt của cối xay gió và tuabin gió cũng vậy . Những cỗ máy có mái vòm khổng lồ này đã tồn tại hơn 1.000 năm, với những chiếc cối xay gió đầu tiên xuất hiện ở Ba Tư vào khoảng năm 800 CN.
Những chiếc cối xay gió ban đầu này được sử dụng đúng như tên gọi của chúng - chúng là những chiếc cối xay chạy bằng gió. Gió sẽ làm quay các cánh hoặc cánh quạt của cối xay gió, làm quay một trục ở giữa, sau đó sẽ quay một máy nghiền ngũ cốc, thường được làm bằng đá lớn, phẳng, để sản xuất bột mì và các sản phẩm ngũ cốc khác. Những chiếc cối xay gió này cũng phục vụ một mục đích quan trọng khác - bơm nước cho các thành phố và nhà ở. Thay vì quay cối xay ngũ cốc, chuyển động quay của cối xay gió có thể được sử dụng để điều khiển máy bơm.
Trong khi cối xay gió đã có từ lâu đời, tuabin gió chỉ xuất hiện từ khoảng năm 1888, khi tuabin gió đầu tiên được biết đến để sản xuất điện ở Mỹ được nhà phát minh Charles Brush chế tạo để tạo ra điện cho dinh thự của ông ở Ohio. Các tuabin gió được sử dụng để tạo ra điện từ hoạt động quay của các cánh quạt, thay vì chỉ đơn giản là chuyển đổi năng lượng quay đó thành các công việc cơ học hơn, chẳng hạn như quay một nhà máy hoặc bơm nước.
James Herzing, kỹ sư và người dẫn chương trình từng đoạt giải thưởng của kênh Unprofessional Engineering podcast cho biết: “Một tuabin gió ở Hoa Kỳ cao khoảng 85 mét, trong khi cối xay gió cũ hơn thường không cao 80 feet (24 mét) . , trong một cuộc phỏng vấn qua email. "Kích thước của cánh buồm hoặc cánh quạt là một sự khác biệt lớn khác. Cối xay gió được đo bằng đường kính bánh xe theo truyền thống và không có gì lạ khi nhìn thấy một cối xay gió dài 8 foot (2 mét), trong đó 8 foot được đo trên các cánh quạt. Mặt khác, tuabin có thể có một lưỡi duy nhất trên 100 feet (30 mét). "
Cách hoạt động của Cối xay gió
Mặc dù cối xay gió là một số cỗ máy lâu đời nhất và quan trọng nhất đối với nền văn minh và thường được sử dụng để bơm nước hoặc xay ngũ cốc, chúng có một số khác biệt về chức năng đối với công nghệ tuabin gió mới hơn nhiều.
Các cánh của cối xay gió gần mặt đất và do đó phải khai thác các dòng không khí gần mặt đất để quay. Vì các luồng gió nói chung ít ở gần bề mặt Trái đất hơn là ở các tầng khí quyển cao hơn, nên cối xay gió phải có các cánh quạt lớn hơn để đón được nhiều gió nhất có thể.
Mặc dù những chiếc cối xay gió đã có từ năm 800 CN trở lên, nhưng chúng thực sự phổ biến vào giữa những năm 1800. Được thúc đẩy bởi cuộc Cách mạng Công nghiệp trong những thập kỷ sau năm 1850, hơn 6 triệu cối xay gió cơ khí đã được lắp đặt chỉ riêng ở Hoa Kỳ để cung cấp năng lượng cho máy bơm và nhà máy cũng như phục vụ các nhu cầu năng lượng khác.
Sự phổ biến này được thúc đẩy bởi sự đơn giản của cối xay gió như máy phát năng lượng cơ học. Chỉ cần đặt một cối xay gió có nhiều cánh gạt lên, bạn có thể nhanh chóng tiếp cận với nguồn năng lượng cơ học miễn phí. Thông qua sự quay của các cánh quạt, năng lượng quay đó có thể được sử dụng để điều khiển máy móc thông qua bánh răng hoặc được sử dụng để đẩy và kéo nước từ mặt đất bằng các máy bơm hút nước đơn giản .
Khi cối xay gió được phổ biến trong ngành công nghiệp hiện đại, một phát minh khác cũng đang được phát triển và hoàn thiện: máy phát điện.
Thay vì chỉ có thể sử dụng cối xay gió khi có gió thổi, máy phát điện sẽ cho phép lưu trữ năng lượng quay bằng cách chuyển nó thành điện năng. Do đó, sự phát triển của tuabin gió là bước tiếp theo trong việc hoàn thiện các thiết bị khai thác năng lượng gió.
Cách thức hoạt động của tua bin gió
Để bắt các luồng không khí mạnh hơn, tuabin gió vươn lên trời cao hàng trăm feet so với cối xay gió. Nó sử dụng các nguyên tắc chức năng tương tự như một cối xay gió - biến gió thành năng lượng quay - nhưng những gì nó làm tiếp theo thì khác. Tua bin gió có máy phát điện bên trong, thường được kết nối trực tiếp với một thanh cánh quay. Bằng cách quay máy phát điện, một dòng điện được tạo ra có thể được sử dụng để sạc pin, cấp vào lưới điện hoặc chạy trực tiếp các thiết bị điện tử. Cách tốt nhất để hiểu cách này hoạt động là xem xét một động cơ , nhưng ngược lại . Một động cơ điện sử dụng điện để tạo ra chuyển động, trong khi tuabin gió sử dụng chuyển động để tạo ra điện.
Cụ thể hơn, các cánh của tuabin gió thu nhận động năng - năng lượng được tạo ra bởi chuyển động - của gió và biến nó thành năng lượng quay. Năng lượng quay này sau đó được đưa qua một loạt các bánh răng để tăng tốc độ của máy phát điện.
Những turbine thường bắt đầu sản xuất năng lượng ở tốc độ gió từ 5 đến 10 dặm một giờ (8-16 km mỗi giờ) và tắt ở tốc độ cao gần 60 mph (96 kph) để họ không bị trục trặc hoặc hư hại bản thân, theo Hiệp hội năng lượng gió Hoa Kỳ .
Mặc dù các tuabin gió tạo ra điện nhưng về mặt kỹ thuật chúng không hiệu quả như các cối xay gió. Tua bin gió có hiệu suất tối đa là 59%, được gọi là giới hạn Betz. Điều này là do không có khả năng khai thác tất cả năng lượng của gió và sự kém hiệu quả trong việc chuyển đổi năng lượng quay thành năng lượng cơ học.
Từ công nghệ cổ đại đến năng lượng tương lai
Ngay cả với sự kém hiệu quả của chúng, tuabin gió vẫn là cách khai thác gió và tạo ra điện của tương lai. James nói rằng anh ấy "coi [các] tuabin gió là một phần không thể thiếu trong việc giảm thiểu và cuối cùng, loại bỏ sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu carbon. Một dự án gió điển hình hoàn trả lượng khí thải carbon trong vòng sáu tháng, cung cấp năng lượng không phát thải trong nhiều thập kỷ. Thực tế , một số quốc gia chẳng hạn như Scotland đã đầu tư đủ vào năng lượng gió để nó có thể sản xuất đủ năng lượng để cung cấp nhiên liệu cho hai vùng đất Scotland! "
Năm 2018, gió tạo ra khoảng 5% điện năng toàn cầu , khiến nó trở thành nguồn năng lượng tái tạo lớn thứ hai, sau thủy điện. Từ việc sử dụng đầu tiên của cối xay gió như là xương sống cơ khí của nền văn minh Ba Tư và Trung Quốc sơ khai, đến các tuabin gió khổng lồ ngày nay, công nghệ cơ bản vẫn tồn tại ở đây.
Bây giờ điều đó thật thú vị
Tua bin gió chỉ có ba cánh để giữ mômen động lượng của chúng không đổi. Với ba lưỡi, khi một hướng lên trên, hai hướng xuống dưới một góc cân bằng hoàn toàn các lực. Nếu tuabin gió có nhiều hơn ba cánh quạt, chúng sẽ không ổn định hoặc quá nặng để hoạt động hiệu quả.
