Phát triển hệ thống thu hồi năng lượng gió thông qua bộ chuyển đổi thủy lực
Trong điều kiện tốc độ gió biến động mạnh, việc ổn định và nâng cao hiệu quả thu hồi năng lượng gió ngày càng được quan tâm trong phát triển năng lượng tái tạo. Nghiên cứu do nhóm tác giả thuộc Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh (UEH) thực hiện đã đề xuất một hệ thống thu hồi năng lượng gió sử dụng công nghệ chuyển đổi thủy lực, cho phép tích trữ và điều tiết năng lượng nhằm ổn định công suất phát điện. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống có khả năng thu hồi năng lượng hiệu quả, với hiệu suất đạt khoảng 60%, mở ra tiềm năng ứng dụng trong các hệ thống điện gió hướng tới phát triển bền vững.
Trước áp lực cắt giảm phát thải khí nhà kính và thích ứng với biến đổi khí hậu, năng lượng gió ngày càng được quan tâm và khẳng định vai trò trong hệ thống năng lượng tái tạo. Với công suất lắp đặt toàn cầu vượt 700 GW và tiếp tục gia tăng trong những năm gần đây, điện gió được xem là một trong những giải pháp hiệu quả nhằm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, đặc tính biến động tự nhiên về tốc độ và hướng gió đặt ra nhiều thách thức đối với quá trình chuyển đổi và khai thác năng lượng, đặc biệt là yêu cầu ổn định công suất và nâng cao hiệu suất phát điện. Trong các hệ thống tuabin gió truyền thống, sự thay đổi liên tục của tốc độ gió dẫn đến dao động công suất đầu ra, làm giảm hiệu quả thu hồi năng lượng và gia tăng tải trọng cơ học lên các bộ phận như hộp số, trục truyền động và máy phát điện. Những hạn chế này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất tổng thể của hệ thống mà còn làm tăng mức độ hao mòn, kéo theo chi phí bảo trì và vận hành cao trong điều kiện làm việc biến đổi liên tục. Do đó, việc tìm kiếm các giải pháp truyền động linh hoạt, có khả năng thích nghi với điều kiện gió biến động, là yêu cầu cấp thiết đối với các hệ thống điện gió hiện nay.
Trong bối cảnh đó, công nghệ chuyển đổi thủy lực được xem là một hướng tiếp cận tiềm năng nhờ khả năng hấp thụ, truyền tải và điều tiết năng lượng hiệu quả. Hệ thống thủy lực cho phép chuyển đổi động năng từ tuabin gió thành năng lượng thủy lực, tích trữ trong các bình tích năng và điều tiết công suất nhằm duy trì sự ổn định của hệ thống. Bên cạnh đó, đặc tính truyền tải năng lượng linh hoạt của công nghệ thủy lực giúp giảm tổn thất năng lượng, hạn chế tải trọng cơ học và góp phần kéo dài tuổi thọ của các thành phần quan trọng trong hệ thống tuabin gió. Khả năng tích hợp với các giải pháp lưu trữ năng lượng cũng mở ra triển vọng cải thiện độ ổn định của lưới điện, đặc biệt đối với các hệ thống điện gió ngoài khơi. Xuất phát từ những yêu cầu thực tiễn và cơ sở khoa học nêu trên, nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển hệ thống thu hồi năng lượng gió bằng cách ứng dụng công nghệ chuyển đổi thủy lực nhằm nâng cao hiệu suất và ổn định công suất đầu ra của tuabin gió. Hệ thống được đề xuất giúp giảm dao động năng lượng, giảm hao mòn cơ học và tăng tuổi thọ của các thành phần quan trọng, tạo tiền đề cho một giải pháp năng lượng tái tạo bền vững hơn. Hệ thống thu hồi năng lượng gió được đề xuất không sử dụng hộp số cơ khí truyền thống, thay vào đó ứng dụng hệ thống truyền động thủy lực để chuyển đổi và ổn định năng lượng. Trong hệ thống này, bơm thủy lực đóng vai trò chuyển đổi năng lượng cơ học từ trục quay tuabin thành áp suất thủy lực, giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng hộp số cơ khí vốn dễ bị hao mòn. Năng lượng thủy lực sau đó được tích trữ trong bình tích năng, giúp duy trì mức năng lượng ổn định ngay cả khi tốc độ gió thay đổi. Bình tích năng đóng vai trò như một bộ đệm, giảm thiểu sự dao động của công suất đầu ra và tối ưu hóa hiệu suất vận hành. Sau khi được điều tiết từ bình tích năng, năng lượng thủy lực được dẫn tới động cơ thủy lực, nơi nó được chuyển đổi trở lại thành năng lượng cơ học để truyền động cho máy phát điện. Máy phát điện cuối cùng sẽ biến đổi năng lượng cơ học này thành điện năng để cung cấp cho lưới điện hoặc lưu trữ trong hệ thống pin.
Với cơ chế truyền động thủy lực, hệ thống có khả năng tách rời cánh quạt gió khỏi hộp số cơ khí, giúp giảm tải trọng, hạn chế hư hỏng cơ học và kéo dài tuổi thọ của hệ thống. Đây là một lợi thế lớn so với các tuabin gió truyền thống, nơi hộp số cơ khí thường xuyên chịu áp lực cao, gây ra hao mòn và yêu cầu bảo trì thường xuyên.
Thiết kế bộ chuyển đổi thủy lực
Để đánh giá khả năng làm việc và hiệu suất của hệ thống thu hồi năng lượng gió sử dụng bộ chuyển đổi thủy lực trong điều kiện vận hành thực tế, nghiên cứu đã xây dựng mô hình mô phỏng dựa trên sự kết hợp giữa hai nền tảng AMESim và MATLAB/Simulink. Cách tiếp cận mô phỏng đa miền cho phép tích hợp các đặc tính khí động học của tuabin gió, động học cơ học và các quá trình thủy lực, đồng thời mô tả chính xác quá trình chuyển đổi và điều tiết năng lượng trong toàn bộ hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống đạt hiệu suất khoảng 60%, cao hơn so với một số hệ thống truyền thống nhờ vào việc giảm tổn thất cơ khí trong quá trình truyền động. Điều này có được nhờ khả năng tích trữ năng lượng trong bình tích năng, giúp duy trì dòng năng lượng ổn định và giảm thiểu tác động của sự thay đổi vận tốc gió. Phần năng lượng còn lại (40%) bị mất mát, có thể do các nguyên nhân như tổn thất trong chuyển đổi thủy lực, tổn thất ma sát. Kết quả này cho thấy hiệu suất của hệ thống là tương đối tốt, nhưng vẫn có tiềm năng cải thiện để tối đa hóa lượng năng lượng thu hồi.
Ngoài ra, dữ liệu từ mô phỏng cho thấy một trong những điểm nổi bật của hệ thống là điện áp đầu ra được duy trì ổn định, với biên độ dao động thấp ngay cả khi tốc độ gió có sự biến động lớn. Điều này giúp cải thiện khả năng kết nối với lưới điện và tối ưu hóa quá trình phát điện. Bên cạnh đó, lưu lượng năng lượng thủy lực có thể được điều chỉnh linh hoạt, giúp hệ thống phản ứng nhanh hơn với sự thay đổi của môi trường gió, nâng cao hiệu suất thu hồi năng lượng. Hơn nữa, công suất đầu ra của hệ thống có độ ổn định cao hơn so với các hệ thống truyền động cơ khí truyền thống. Nhờ vào bình tích năng, hệ thống có thể làm mượt dao động công suất, giảm tải trọng lên các bộ phận cơ khí và hạn chế nguy cơ hỏng hóc do thay đổi tốc độ đột ngột. Điều này không chỉ giúp kéo dài tuổi thọ của hệ thống mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và vận hành trong dài hạn.
Từ những kết quả đạt được, có thể thấy hệ thống thu hồi năng lượng gió thông qua bộ chuyển đổi thủy lực không chỉ chứng minh hiệu quả về mặt kỹ thuật mà còn thể hiện tiềm năng ứng dụng rõ rệt trong thực tiễn. Khả năng duy trì sự ổn định của các thông số thủy lực, điện và lưu trữ năng lượng trong điều kiện gió biến động cho thấy đây là một giải pháp phù hợp với các khu vực có nguồn gió không ổn định. Với hiệu suất thu hồi năng lượng đạt khoảng 60%, hệ thống góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng gió, giảm áp lực lên các cơ cấu cơ khí truyền thống và tăng độ tin cậy trong vận hành. Những kết quả này mở ra tiềm năng ứng dụng của hệ thống trong các hệ thống điện gió, hướng tới phát triển các giải pháp năng lượng tái tạo bền vững, hiệu quả và thân thiện với môi trường trong tương lai.
Tác giả: TS. Đỗ Trí Cường, TS. Đặng Trí Dũng - Đại học Kinh tế Thành phố Hồ Chí Minh
Đây là bài viết nằm trong chuỗi bài lan tỏa nghiên cứu và kiến thức ứng dụng với thông điệp “Research Contribution For All – Nghiên Cứu Vì Cộng Đồng” do UEH phối hợp cùng Báo và Phát thanh, Truyền hình Khánh Hòa thực hiện nhằm mục tiêu đồng hành cùng sự phát triển bền vững của tỉnh Khánh Hòa. UEH trân trọng kính mời Quý độc giả cùng đón xem bản tin Tri thức khoa học tiếp theo.
