Nhu cầu năng lượng xanh cho tương lai đang thôi thúc các nhà kỹ thuật-công nghệ hiện thực hóa các ý tưởng khai thác những nguồn năng lượng sạch sẵn có như gió và thủy triều…

Tuabin gió nổi

Hiện tại, trên thế giới chỉ có một số tuabin gió nổi và chưa có trang trại gió thương mại loại này. Cách đây không lâu, Bộ Năng lượng Mỹ đã cam kết chi hơn 100 triệu USD để thúc đẩy công nghệ tuabin gió nổi ngoài khơi và năm ngoái, Tập đoàn General Electric (GE) đã nhận được 3 triệu USD hỗ trợ cho một dự án kéo dài 2 năm, nhằm khởi động phát triển mô hình hóa và mô phỏng tuabin gió nổi để tạo ra một mẫu thử nghiệm, với mục đích chính là tìm giải pháp phòng ngừa sự cố lật tuabin gió.

Tập đoàn quyết định kết hợp các tuabin 12 MW và bệ nổi với các điều khiển tự động để nhà máy điện nổi có thể tự động ổn định mà không bị lật ngay cả khi có bão lớn. Với công suất cao và nền tảng nhỏ gọn, một loại nhà máy điện nổi mới có thể trở nên hiệu quả hơn về chi phí so với các mô hình cố định hiện có. Để giải quyết vấn đề này, GE có kế hoạch giảm 1/3 trọng lượng nền tảng cho nhà trạm mới so với các thiết kế hiện có, điều này sẽ giúp giảm đáng kể chi phí năng lượng cũng như chi phí.

Hiện GE đang sử dụng "nền tảng căng" sẽ được neo vào đáy biển bằng các dây cáp có thể điều chỉnh được. Hệ thống sẽ có thể phân tích sóng và gió giật theo thời gian thực và điều chỉnh độ dài của dây cáp để đảm bảo nền tảng di chuyển bền vững trơn tru theo sóng. Theo các chuyên gia, các trang trại điện gió nổi vượt trội hơn hẳn so với các tuabin gió được gắn chặt vào đáy biển. Ngoài ra, chúng có thể được bố trí bờ biển hơn nhiều, không ảnh hưởng đến địa hình đáy và không gây trở ngại cho việc đánh bắt cá, và cũng không làm gián đoạn tập quán sinh sống của các loài chim biển.

Tuabin gió trục đứng

Các trang trại gió hiện đại là một trong những giải pháp hiệu quả nhất để tạo ra năng lượng xanh. Tuy nhiên, chúng có một nhược điểm lớn - khi gió đến gần hàng tuabin phía trước, quan sát thấy nhiễu động xảy ra ở hạ lưu. Nó ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu suất của các hàng tuabin tiếp theo. Do đó, định vị các tuabin gió để có hiệu suất tối đa rất quan trọng trong thiết kế các trang trại gió.

Một nhóm nghiên cứu từ Trường Kỹ thuật Máy tính và Toán học (ECM) ở Oxford Brooks (Anh) do Giáo sư Yakovos Tsanakis dẫn đầu đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu, sử dụng hơn 11.500 giờ mô phỏng trên máy tính để chỉ ra rằng, các trang trại điện gió có thể hoạt động hiệu quả hơn nếu các tuabin gió cánh quạt trục ngang truyền thống (Horizontal-Axis Wind Turbine - HAWT) được thay thế bằng các tuabin gió trục đứng nhỏ gọn (Vertical-axis Wind Turbine - VAWT), quay quanh một trục thẳng đứng so với mặt đất.

Các thiết kế tuabin thẳng đứng hiệu quả hơn nhiều so với các thiết kế truyền thống trong các trang trại điện gió lớn. Ngoài ra, khi lắp theo cặp, năng suất của chúng cao hơn 15% so với lắp ngang. Nói cách khác, hàng tuabin trước sẽ chuyển hóa khoảng một nửa động năng của gió thành điện năng, trong khi đối với các hàng tuabin sau, con số này giảm xuống còn 25-30%. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng các VAWT nâng cao hiệu suất của nhau khi được sắp xếp trong một mạng lưới.

Tuabin thủy triều

Hầu hết các nhà máy điện xanh không đáng tin cậy do điều kiện thời tiết thay đổi và sự thay đổi của ngày và đêm. Không phải lúc nào gió cũng thổi với cường độ cần thiết, và mặt trời không chiếu suốt ngày đêm. Trong trường hợp của một nhà máy điện thủy triều, lịch trình lên xuống và dòng chảy có thể dự đoán được, vịnh càng lớn, càng chứa nhiều nước và năng lượng tích tụ càng nhiều và có thể dự đoán được.

Trên cơ sở đó, một nhà máy điện thủy triều nổi (Tidal Power Plant - TPP) không phát thải carbon đang được các nhà khoa học và kỹ thuật-công nghệ nghĩ tới và hiện thực hóa. Công ty Orbital Marine Power gần đây đã khởi động một tuabin thủy triều mạnh (2 MW), Orbital O2, ở vùng biển Scotland. Việc xây dựng một tuabin nặng 680 tấn bắt đầu vào năm 2019.

Tuabin O2 có cấu trúc phần thân dài 74 m với hai tế bào nano công suất 1 MW ở hai đầu của các đầu ra, các cánh dài 10 m và diện tích bao phủ của cánh (để thu năng lượng thủy triều hiện tại) là hơn 600 m2. Cấu trúc nổi của Orbital O2 được hỗ trợ bởi hệ thống neo bốn điểm, trong đó mỗi xích neo có khả năng nâng hơn 50 xe buýt hai tầng.

O2 đã được thiết kế để việc lắp đặt tuabin và tất cả các trạm liên quan có thể được thực hiện bởi các tàu thường với chi phí thấp và việc bảo trì có thể được thực hiện bởi các tàu nhỏ, giảm thiểu thời gian chết và giảm chi phí xây dựng cũng như vận hành. Điện được truyền từ tuabin qua cáp động và cáp tĩnh dọc đáy biển đến lưới điện trên bờ của địa phương. Khi được đưa vào vận hành và kết nối với Trung tâm Năng lượng Hàng hải Châu Âu ở Quần đảo Orkney, Orbital O2 sẽ trở thành tuabin thủy triều mạnh nhất thế giới đi vào hoạt động.

Thiết kế tuabin sử dụng các giải pháp sáng tạo: hiệu suất chuyển đổi năng lượng sóng thành năng lượng điện cao hơn 50% so với các máy phát điện tương tự của các thế hệ trước. Điều này được tạo ra bởi các cánh quạt lớn hơn hoạt động ở tốc độ thấp hơn và các cánh quạt cải tiến và bộ giảm chấn neo. Tuabin sẽ có đủ công suất để cung cấp điện cho khoảng 2.000 hộ gia đình ở Anh và bù đắp khoảng 2.200 tấn carbon dioxide mỗi năm./.