Các nguồn năng lượng truyền thống dựa vào khai thác tài nguyên thiên nhiên đang dần cạn kiệt trong khi nhu cầu năng lượng trên thế giới ngày càng tăng, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch thân thiện với môi trường ngày càng được chú trọng quan tâm từ các chính phủ các quốc gia trên thế giới. Điện gió là một trong những nguồn năng lượng sạch và đầy tiềm năng, tổng công suất lắp đặt điện gió trên toàn thế giới đã đạt mức 743 MW vào năm 2020. Các trụ tua-bin gió và các trang trại tua-bin gió đang xuất hiện ngày càng nhiều và trở nên quen thuộc. Những tháp tua-bin gió phổ biến hiện nay hầu hết là loại có trục quay của cánh quạt nằm ngang song song với mặt đất - horizontal axis wind turbine (HAWT). Kém phổ biến hơn tua-bin gió trục ngang là các tua-bin gió với trục thẳng đứng - Vertical axis wind turbine (VAWT).

Tua-bin gió trục đứng có nhiều ưu điểm so với tua-bin gió trục ngang truyền thống, đặc biệt là lắp đặt trong khu dân cư. Tua-bin gió trục đứng phù hợp với loại gió không ổn định, không giống như tua-bin gió trục ngang, phải đặt ở trên tháp cao để có thể tạo ra đủ điện.

Nghiên cứu của các tác giả Joachim Toftegaard Hansen- Mahak và Iakovos Tzanakis thuộc Đại học Oxford Brookes, đăng trên tạp chí Scitechdaily  ngày 26/04/2021 chỉ ra rằng thiết kế tua-bin trục đứng hiệu quả hơn nhiều so với tua-bin truyền thống trong các trang trại gió quy mô lớn và đặc biệt khi được đặt thành cặp, các tua-bin trục đứng sẽ tăng hiệu suất của nhau lên tới 15%.
 

Hình 1. Các loại tuabin gió hiện nay.

Tua-bin gió trục đứng ngày nay chủ yếu dựa trên hai nguyên lý hoạt động: sử dụng lực cản hoặc sử dụng lực nâng của gió. Đại diện cho hai loại nguyên lý hoạt động này là tua-bin gió kiểu Savonius và kiểu Darrieus. Tua-bin Savonius có thiết kế đơn giản nhất và được cấu tạo bởi hai hoặc nhiều gầu bán trụ, sử dụng lực cản của gió làm quay trục thẳng đứng nối với các thiết bị phát điện. Trong khi đó tua-bin gió kiểu Darrieus bao gồm một trục thẳng đứng và các cánh quạt gió có hình cánh cung, với hai đầu của cánh được gắn vào đầu và cuối của trục quay thẳng đứng. Sự chuyển động của những cánh quạt này ngược với hướng gió tạo ra một lực khí động học tác dụng lên trục, làm cho cánh quạt quay.

Tua-bin gió trục đứng kiểu Darrieus được kỹ sư hàng không người Pháp Georges Jean Marie Darrieus sáng chế vào năm 1931. Tua-bin gió kiểu Darrieus sau này đã được cải tiến, phát triển thêm về hình dạng cánh để nâng cao hiệu suất, dẫn đến sự ra đời của tua-bin gió kiểu H-Rotor (hoặc H-Rotor Darrieus) với các cánh quạt thẳng đứng và kiểu Helix với các cánh quạt xoắn ốc. Tua-bin gió kiểu Darrieus có hiệu suất tốt hơn so với tua-bin kiểu Savonius khi đạt tốc độ quay cao hơn nhưng mô-men xoắn khởi động tua-bin lại thấp hơn.

So với tua-bin gió trục ngang, các tua-bin gió trục đứng có thể bắt đầu hoạt động với tốc độ gió thấp hơn và không phụ thuộc vào hướng gió. Điều này giúp cho các tua-bin gió trục đứng được lắp đặt phổ biến tại những nơi diện tích nhỏ, khu dân cư, trên mái các tòa nhà với công suất chỉ từ vài kW đến vài trăm kW. Trong khi đó tua-bin gió trục ngang lớn với các cánh quạt vuông góc với hướng gió sẽ có hiệu suất cao hơn, tạo ra nhiều điện năng hơn với công suất từ 3 - 4 MW nhưng phải được lắp đặt trên cao và đòi hỏi diện tích sử dụng lớn hơn, tạo thành các trang trại điện gió rộng lớn. Để cạnh tranh với các tua-bin gió trục ngang, các nhà nghiên cứu, công ty sản xuất đã và đang nghiên cứu và thử nghiệm các loại tua-bin gió trục đứng có kích thước lớn hơn và có thể hoạt động với dải công suất tương đương với các tua-bin gió trục ngang lớn hiện nay.

Ngoài những ưu điểm nêu trên thì tua-bin gió trục đứng cũng có những khuyết điểm mà những khuyết điểm này làm tua-bin gió trục đứng ít phổ biến hơn so với tua-bin gió trục ngang đó là: hiệu suất quay kém dẫn đến hiệu suất phát điện thấp, tốc độ gió khả dụng thấp do thường lắp đặt dưới mặt đất, thường lắp tại các khu dân cư nên các thành phần dễ bị hao mòn do bị tác động bởi môi trường xung quanh, hiệu quả chuyển đổi từ năng lượng gió thành năng lượng điện thấp hơn so với tua-bin gió trục ngang (trung bình từ 10 đến 40% so với 50%), phải có cơ chế tự khởi động do tốc độ gió thấp không dễ làm mô men quay.
      

Hình 2: Số lượng đơn và bằng sáng chế về tua-bin gió trục đứng từ năm 2002-2020.

Xem xét trong khoảng 20 năm từ 2000-2020 tua-bin gió trục đứng ghi nhận số lượng đơn và bằng sáng chế từ 36-96 đơn và bằng sáng chế/năm từ khoảng năm 2001-2007.  Năm 2007 số lượng đơn và bằng sáng chế tua-bin gió trục đứng bắt đầu có xu hướng tăng mạnh lên 127 đơn và bằng sáng chế. Từ năm 2008- 2012 là thời điểm phát triển mạnh mẽ của các đơn và bằng sáng chế liên quan đến tua-bin gió trục đứng với số lượng đơn bằng tăng không ngừng và đạt 635 đơn và bằng sáng chế vào năm 2012. Từ năm 2013 số lượng đơn và bằng sáng chế về tua-bin gió trục đứng có xu hướng phát triển chậm lại và đang có xu hướng đi xuống.

Công ty Luvside, một công ty chế tạo tua-bin gió hàng đầu của Đức cho rằng: “Bất chấp một số nhược điểm, tua-bin gió trục đứng vẫn đáng để đầu tư và phát triển. Chắc chắn, tua-bin gió trục đứng không chỉ thiết lập được thị trường tiềm năng riêng mà còn là giải pháp thay thế cho tua-bin gió trục ngang ở những nơi tua-bin gió trục ngang không phù hợp”.

Phạm Phú Uynh là một Nhà sáng chế được đào tạo ở Đức và Việt Nam, ông đã say mê tìm tòi về các mô hình sáng chế tua-bin gió trục đứng và năm 2011 ông đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng sáng chế 9561 về thiết bị phát điện bằng năng lượng gió (viết tắt Máy phát điện gió) dạng trục đứng. Sáng chế này hoạt động theo nguyên lý trục đứng- áp dụng phương pháp cánh buồm cùng bí quyết phối hợp 4 yếu tố đồng bộ không thể tách rời nhau về hình dáng, số lượng 3 cánh, bố cục lệch tâm bao quanh trụ quay, bố cục tầng và thêm Stator.
 

Hình 3: Hình ảnh mô phỏng sáng chế của tác giả Phạm Phú Uynh

Thiết bị khai thác năng lượng gió theo sáng chế có kết cấu gồm 2 phần rotor và stator. Rotor được lắp xoay quanh trục thẳng đứng, rotor có 3 cánh được bố trí cách nhau 120 độ, lệch tâm và bao quanh trục quay. Stator gồm 4 cánh, bố trí cách nhau 90 độ và lệch tâm, bao quanh roto để hứng chịu tác động rotor. Sáng chế này theo Nhà sáng chế Phạm Phú Uynh thì có những ưu điểm như sau:

+ Tua-bin đón mọi hướng gió, gió chiều nào tua-bin cũng quay, không cần bánh lái định hướng.

+ Áp dụng nguyên lý cản cánh buồm nên hiệu suất cao, vì tua-bin đón toàn bộ lưu lượng gió tác động vào cánh.

+ Nhờ bố cục cánh lệch tâm bao quanh trục quay, nên biến gió cản thành gió tác động liên tục từ cánh này sáng cánh khác.

+ Nhờ Stator hứng gió mọi phương hướng tác động vào tua-bin, nên có khả năng tăng tốc độ gió từ cấp III lên cấp IV, cấp V lên cấp VI, cấp VII… vì vậy có thể tăng công suất lên nhiều lần.

+ Có khả năng ổn định vòng quay của rotor bằng cách sử dụng cánh cửa đóng mở tự động ở Stator. Khi nào gió quá to mở cánh đề gió vượt ra ngoài không tác động trực tiếp vào tua-bin, ổn định vòng quay.

+ Rất dễ khởi động ở gió tốc độ nhỏ, thiết kế chế tạo đơn giản vân chuyển lắp đặt dễ dàng.

Với các ưu điểm từ sáng chế của mình, nhà sáng chế Phạm Phú Uynh cho rằng đây là một sáng chế hết sức tiềm năng, có khả năng thay thế được các công nghệ về tua-bin gió trục ngang đang nhập khẩu vào Việt Nam hiện nay. Nhà sáng chế Phạm Phú Uynh cũng bày tỏ mong muốn được hợp tác với các nhà đầu tư để chế tạo mô hình thử nghiệm, qua đó chứng minh được tính hiệu quả của sáng chế trong thực tế để từ đó có thể thương mại hóa và ứng dụng sáng chế này vào thực tiễn cuộc sống./.
 

Tham khảo

1. Phạm Phú Uynh - Tường trình sáng chế 9561
2. More Compact and Efficient Vertical Turbines Could Be the Future for Wind Farms – Scitechdaily-26/04/2021
3. Turbine gió trục dọc hiệu quả hơn cánh quạt – Vnexpress.net
4. Tua-bin gió trục đứng – chặng đường vươn lên cạnh tranh với tua-bin gió trục ngang- Phạm Đức Trung- PECC2.
5. https://www.blogdiengio.com/2018/07/nen-chon-lam-loai-may-phat-ien-gio-truc.html
6. https://www.windpowerengineering.com/vertical-axis-wind-turbine-technology-continues-improve/
7. https://www.luvside.de/en/vawt-disadvantages/
8. Cơ sở dữ liệu Derwent Innovation.