Hoàng Khang
Writer
Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Scotland vừa sử dụng các mô phỏng máy tính để tìm ra thiết kế tối ưu cho turbine gió không cánh, hứa hẹn khả năng sản xuất điện năng lên tới 1.000 watt. Phát hiện này có thể mở đường cho một thế hệ turbine gió an toàn, yên tĩnh và hiệu quả hơn trong tương lai.
Turbine gió truyền thống, với những cánh quạt khổng lồ, từ lâu đã là lựa chọn chính để chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Tuy nhiên, chúng cũng có nhiều nhược điểm: gây ra tiếng ồn, chiếm dụng nhiều diện tích, đòi hỏi bảo trì phức tạp và đặc biệt là gây nguy hiểm cho các loài động vật biết bay như chim.
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu một loại turbine hoàn toàn khác: turbine gió không cánh quạt (Bladeless Wind Turbine - BWT). Thay vì dùng cánh quạt, BWT thường có dạng một cột trụ cao, mảnh, được thiết kế để đung đưa trong gió.
BWT hoạt động dựa trên một nguyên lý vật lý có tên là dao động do xoáy (VIV). Khi gió thổi qua một vật thể hình trụ, nó sẽ tạo ra các luồng xoáy không khí ở phía sau. Những luồng xoáy này làm cho toàn bộ cấu trúc dao động qua lại. Khi tần số của sự dao động này khớp với tần số dao động tự nhiên của cấu trúc, một hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra, làm cho chuyển động được khuếch đại lên đáng kể. Chính chuyển động cơ học được khuếch đại này sau đó sẽ được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng.
Tuy nhiên, việc tìm ra một thiết kế vừa có thể tối đa hóa sản lượng điện, vừa đảm bảo độ bền kết cấu trong điều kiện gió mạnh là một thách thức lớn. Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do tiến sĩ Wrik Mallik tại Đại học Glasgow dẫn đầu đã sử dụng các mô phỏng máy tính để giải quyết bài toán này. Công trình của họ vừa được công bố trên tạp chí Renewable Energy.
Bằng cách mô phỏng hàng nghìn biến thể thiết kế khác nhau, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một điểm cân bằng lý tưởng. Họ chỉ ra rằng một thiết kế cột trụ cao 80 cm và có đường kính 65 cm là tối ưu nhất. Với thiết kế này, một chiếc turbine có thể sản xuất ra một công suất đáng kể là 460 watt, vượt trội hơn rất nhiều so với các nguyên mẫu thực tế hiện nay vốn chỉ đạt khoảng 100 watt.
Phát hiện này đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo an toàn kết cấu khi đối mặt với gió mạnh, từ 32 đến 112 km/h. Quan trọng hơn, nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp mô phỏng của họ cho phép dễ dàng mở rộng quy mô của BWT. Dựa trên các tính toán, họ tin rằng công nghệ này hoàn toàn có thể được áp dụng để sản xuất các turbine có công suất 1.000 watt (1 kilowatt) hoặc hơn.
Đột phá này không chỉ cung cấp một cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa một công nghệ năng lượng sạch đầy hứa hẹn, mà còn mở đường cho việc phát triển các phiên bản turbine gió không cánh hiệu quả và mạnh mẽ hơn, góp phần đa dạng hóa các giải pháp năng lượng tái tạo trong tương lai.
Vượt qua giới hạn của turbine gió truyền thống
Turbine gió truyền thống, với những cánh quạt khổng lồ, từ lâu đã là lựa chọn chính để chuyển đổi năng lượng gió thành điện năng. Tuy nhiên, chúng cũng có nhiều nhược điểm: gây ra tiếng ồn, chiếm dụng nhiều diện tích, đòi hỏi bảo trì phức tạp và đặc biệt là gây nguy hiểm cho các loài động vật biết bay như chim.
Để giải quyết những vấn đề này, các nhà khoa học đã và đang nghiên cứu một loại turbine hoàn toàn khác: turbine gió không cánh quạt (Bladeless Wind Turbine - BWT). Thay vì dùng cánh quạt, BWT thường có dạng một cột trụ cao, mảnh, được thiết kế để đung đưa trong gió.
Nguyên lý hoạt động độc đáo và nghiên cứu đột phá
BWT hoạt động dựa trên một nguyên lý vật lý có tên là dao động do xoáy (VIV). Khi gió thổi qua một vật thể hình trụ, nó sẽ tạo ra các luồng xoáy không khí ở phía sau. Những luồng xoáy này làm cho toàn bộ cấu trúc dao động qua lại. Khi tần số của sự dao động này khớp với tần số dao động tự nhiên của cấu trúc, một hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra, làm cho chuyển động được khuếch đại lên đáng kể. Chính chuyển động cơ học được khuếch đại này sau đó sẽ được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng.
Tuy nhiên, việc tìm ra một thiết kế vừa có thể tối đa hóa sản lượng điện, vừa đảm bảo độ bền kết cấu trong điều kiện gió mạnh là một thách thức lớn. Mới đây, một nhóm các nhà nghiên cứu do tiến sĩ Wrik Mallik tại Đại học Glasgow dẫn đầu đã sử dụng các mô phỏng máy tính để giải quyết bài toán này. Công trình của họ vừa được công bố trên tạp chí Renewable Energy.
Thiết kế tối ưu và tiềm năng sản xuất 1.000 watt điện
Bằng cách mô phỏng hàng nghìn biến thể thiết kế khác nhau, nhóm nghiên cứu đã tìm ra một điểm cân bằng lý tưởng. Họ chỉ ra rằng một thiết kế cột trụ cao 80 cm và có đường kính 65 cm là tối ưu nhất. Với thiết kế này, một chiếc turbine có thể sản xuất ra một công suất đáng kể là 460 watt, vượt trội hơn rất nhiều so với các nguyên mẫu thực tế hiện nay vốn chỉ đạt khoảng 100 watt.
Phát hiện này đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo an toàn kết cấu khi đối mặt với gió mạnh, từ 32 đến 112 km/h. Quan trọng hơn, nhóm nghiên cứu cho biết phương pháp mô phỏng của họ cho phép dễ dàng mở rộng quy mô của BWT. Dựa trên các tính toán, họ tin rằng công nghệ này hoàn toàn có thể được áp dụng để sản xuất các turbine có công suất 1.000 watt (1 kilowatt) hoặc hơn.
Đột phá này không chỉ cung cấp một cái nhìn sâu sắc về cách tối ưu hóa một công nghệ năng lượng sạch đầy hứa hẹn, mà còn mở đường cho việc phát triển các phiên bản turbine gió không cánh hiệu quả và mạnh mẽ hơn, góp phần đa dạng hóa các giải pháp năng lượng tái tạo trong tương lai.
