Vì sao tua-bin gió hiện đại chỉ sử dụng ba cánh quạt thay vì nhiều hơn?

Khi quan sát các cánh đồng điện gió, mọi người thường thấy các cỗ máy đều có đúng ba cánh quạt thay vì bốn, sáu hay tám cánh như trực giác suy luận.

Nguyên lý khí động học của cánh tua-bin

Trực giác thông thường cho rằng càng nhiều cánh quạt thì diện tích đón gió càng lớn, giống như việc căng thêm cánh buồm. Tuy nhiên, nguyên lý vận hành của tua-bin gió hoàn toàn khác biệt. Bộ Năng lượng Mỹ chỉ rõ cánh tua-bin hoạt động theo nguyên lý cánh bay của máy bay hoặc trực thăng thay vì hứng gió trực tiếp như cánh buồm. Khi luồng khí lướt qua bề mặt cánh có độ nghiêng thiết kế đặc biệt, sự chênh lệch áp suất tạo ra lực nâng khí động học kéo rotor quay quanh trục.

Đầu mút của cánh tua-bin có thể quay nhanh gấp 6 đến 9 lần vận tốc gió tự nhiên, đồng nghĩa với việc cánh quạt chủ yếu tự chém vào luồng không khí do chính quán tính tạo ra. Nếu nhồi nhét quá nhiều cánh quạt, cánh đi sau sẽ chém vào vùng khí xoáy của cánh đi trước, làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất tạo lực nâng.

Giới hạn vật lý và bài toán kinh tế

Theo định luật Lanchester-Betz-Joukowsky, một rotor hoàn hảo chỉ có thể trích xuất tối đa 59,3% động năng từ luồng gió. Các cánh quạt ba cánh hiện đại đã đạt hệ số công suất từ 0,45 đến 0,50, chạm tới 76% đến 84% giới hạn Betz. Khoảng trống năng lượng còn lại quá nhỏ, khiến việc lắp thêm cánh thứ tư hay thứ năm trở nên lãng phí do chi phí đúc cánh quạt rất đắt đỏ.

Hơn nữa, việc giảm bớt số lượng cánh buộc rotor phải quay nhanh hơn để thu nhận cùng một mức năng lượng. Tốc độ quay cao giúp mô-men xoắn giảm đi, cho phép hộp số và máy phát điện nhẹ hơn tới 32%, qua đó tiết kiệm đáng kể chi phí sản xuất và hạ giá thành điện năng.

Rào cản tiếng ồn và sự ổn định cơ học

Dù vậy, tốc độ quay không thể tăng vô hạn vì vấp phải rào cản tiếng ồn. Năng lượng tiếng ồn khí động học tỷ lệ thuận với lũy thừa bậc 5 của vận tốc dòng khí. Chỉ cần tăng vận tốc đầu mút từ 80 lên 100 m/s, tiếng rít đã tăng gấp ba lần, buộc các dự án trên cạn phải kìm hãm tốc độ đầu mút ở mức 75 đến 80 m/s.

Vậy tại sao ngành công nghiệp không chọn thiết kế hai cánh để tiết kiệm thêm chi phí? Cỗ máy hai cánh gặp hiện tượng bất đối xứng nghiêm trọng, chịu lực gió tầng cao mạnh hơn tầng thấp, tạo ra tải trọng mỏi uốn cong lặp đi lặp lại. Hiệu ứng con quay hồi chuyển cũng khiến rotor hai cánh lắc lư dữ dội khi đổi hướng gió, đòi hỏi hệ thống bản lề và phần mềm kiểm soát phức tạp. Ngược lại, cấu hình ba cánh tạo ra một tam giác cân bằng hoàn hảo, phân bổ tải trọng đồng đều ở mọi góc quay.

Trải qua nhiều thập kỷ phát triển và thử nghiệm các mô hình khác nhau từ NASA đến Đan Mạch, thiết kế ba cánh đã chứng minh tính ưu việt vượt trội. Thay vì tăng số lượng cánh, các nhà sản xuất hiện nay lựa chọn kéo dài kích thước cánh và cho phép chúng uốn cong theo chiều gió, xác lập vị thế là điểm giao thoa hoàn hảo giữa khí động học, sức bền vật liệu và hiệu quả kinh tế.