Từ cách đây 5.000 năm, loài người đã khai thác năng lượng gió để đẩy những con thuyền buồm. Khoảng 1.700 năm trước công nguyên người Iran đã có những cối xay nhờ sức gió. Từ thế kỷ thứ X người Châu Âu chế ra cối xay gió trục ngang với các bánh răng truyền động. Thế kỷ XV người Hà Lan bắt đầu công cuộc quai đê lấn biển, cần bơm nước ra ngoài đê, họ đã gắn xuống phía dưới mỗi cối xay gió một guồng nước. Tua bin gió đã giúp Hà lan mở rộng bờ cõi ra biển và trở thành tên gọi của đất nước này. Thế kỷ XIX người Mỹ phát triền các máy bơm nước bằng sức gió mà chúng ta thường thấy trong các phim miền tây… và các tua bin gió đã hoàn thiện dần qua nhiều thế kỷ.
Năm 1891 tại trường đại học Askov-Đan Mạch, giáo sư Paul LaCours đã hoàn thành thiết bị điện gió đầu tiên (Hình 1) với máy phát điện một chiều, sau khi nghiên cứu việc sử dụng năng lượng gió để phát điện.
Hình 1 (trái): Paul LaCours, Đan Mạch 1891; Hình 2 (phải): Smith-Putnam, Mỹ 1941, 1.250KW
Sau thế chiến thứ nhất các công trình tua bin gió được chú ý rất nhiều, đặc biệt việc nghiên cứu cơ bản về cơ chế hoạt động cánh quạt các máy bay quân sự và dân dụng. Năm 1920, Betz đã vận dụng “Lý thuyết bề mặt chủ động“ vào các tua bin gió và đã thu được tới 59% động năng của gió. Trên nền tảng lý thuyết tua bin mới đã xuất hiện những công trình tua bin gió hiện đại đầu tiên, ở Pháp, Đức và Nga. Từ 1931 tới 1942, có những thiết bị loại WIME-D-30 tại Krim gần Jalta có công suất khoảng 100 kW, hòa vào một mạng điện nhỏ 20.000 kW.
Những bước khởi hành ngoạn mục đã đình trệ khi thế chiến thứ II bùng nổ. Riêng tại Mỹ công nghệ điện gió vẫn tiếp tục được nghiên cứu. Cùng với nhà sản xuất thiết bị thủy điện Smith, lần đầu tiên kỹ sư Palmer C. Putnam đã hòa mạng một thiết bị điện gió cỡ lớn (công suất 1250kW, Hình 2) với sự tham gia của các nhà khoa học nổi tiếng. Thiết bị hoạt động từ 1941 tới 1945. Điện năng sản xuất theo cách này đắt hơn khoảng 50%, vì vậy dự án của Putnam đã không phổ biến rộng rãi được.
Sau thế chiến thứ II, trong việc tái thiết châu Âu, điện gió lại được quan tâm nhiều vào thập kỷ 50. Thông qua tổ chức hợp tác kinh tế châu Âu (OEEC) các chuyên gia từ Anh, Đan Mạch, Đức, Pháp v.v. đã gặp gỡ và trao đổi kinh nghiệm về điện gió.
Huetter đã theo đuổi một đề án hiện đại, cánh bằng sợi thủy tinh, điều chỉnh đầu cánh bằng thủy lực, máy phát điện đồng bộ 50 Hz (Hình 4). Thiết bị hoạt động tới năm 1968 sau nhiều lần gián đoạn.
Johannes Juul đi theo một hướng khác hẳn. Mục đích của ông là một phương án hòa mạng đơn giản và đảm bảo. Ông đã dựng nên thiết bị Gedser nổi tiếng (Hình 3), hoạt động từ 1957 tới 1962 qua nhiều giờ hòa mạng. Ý tưởng của ông là: một động cơ điện không đồng bộ được một tua bin gió làm quay, trở thành một máy phát điện không đồng bộ. Bộ cánh đơn giản bằng gỗ nguyên tấm có các thanh thép gia cường, được cấu tạo hợp lí về khí động học, khi gặp gió mạnh sẽ tự điều chỉnh để công suất phát nằm trong một giới hạn nhất định. Tấm hãm hình mái chèo có tác dụng giới hạn tốc độ quay, hạn chế lực văng cánh quạt khi gió quá mạnh.
Hình 3 (trái): J. Juul, Đan Mạch 1957, Gedser 200 KW; Hình 4 (phải): Huetter, Đức 1958,100KW
Đầu những năm 60 thế kỷ XX dầu hỏa Trung Đông hạ giá nhiều, hành trình của điện gió lại bị gián đoạn. Do hai cơn sốt giá dầu lửa 1973 và 1978 người ta lại tìm đến điện gió. Năm 1977, những thiết bị điện gió Gedser của Juul lại được dựng lên với mục đích nghiên cứu để hòa vào mạng. Với sự hỗ trợ của nhà nước, các hãng hàng không và công nghiệp vũ trụ đã dựng lên những trạm điện gió lớn ở Mỹ, Đức, Thụy Điển và vài nước khác. Hầu hết đều ngừng hoạt động sau vài trăm giờ vì những trở ngại kỹ thuật: khởi động sớm quá, to quá và đắt quá! Trường hợp ngoại lệ là thiết bị Maglarp 300 kW, đã hoạt động được với trên 20.000 giờ hòa mạng, hoặc thiết bị TVIND 2000kW (Hình 5) tới nay vẫn hoạt động, mặc dù tác giả là một nhà sáng chế không chuyên nghiệp.
Đầu thập niên 80 các nhà tiểu sản xuất máy nông nghiệp Đan Mạch (Vestas, Bonus, Nordtank, Windworld…) đã thành công với những tua bin có đường kính 12m tới 15m theo kiểu của Juul với máy phát điện không đồng bộ. Các cánh tua bin bằng sợi thủy tinh dựa theo kiểu Huetter. Với công suất 30, 55 hoặc 75kW các thiết bị thành công về mặt kỹ thuật và kinh tế, được nhà nước hỗ trợ khi hòa mạng. Bắt đầu từ đây, điện gió trở thành một ngành công nghệ có vị trí ngày càng cao hơn trong hoạt động kinh tế của nhiều quốc gia. Sau hơn 30 năm liên tục phát triển, có nhà sản xuất đã đưa ra thị trường những tua bin điện gió với công suất tới 7,6 MW hoặc sải cánh tới 170m, điều mà trước đây các nền công nghiệp lớn chưa làm được. Tin học và kỹ thuật viễn thông cũng là những nhân tố quan trọng đưa tới sự hoàn thiện về công nghệ và khả năng điều hành các nhà máy điện gió. Những thông số kỹ thuât từ hàng trăm ngàn tua bin điện gió trên tháp cao được tự động chuyển tới các trung tâm điều hành thông qua hệ thống vệ tinh viễn thông.
Các thiết bị điện gió ngày nay (Hình 6) là thành quả của nhiều thế hệ các nhà khoa học và công nghệ thế giới trong suốt hàng trăm năm tìm tòi, thử nghiệm, cải tiến và sáng tạo. Các thiết bị cùng dựa trên nguyên lí chung về biến đổi năng lượng, nhưng cấu tạo rất khác nhau và mỗi loại thích hợp với những điều kiện cụ thể từng địa phương với các thông số khí tượng, tốc độ gió và phổ gió khác nhau. Để chọn được địa điểm tốt nhất xây dựng nhà máy điện gió cũng như chọn loại thiết bị phù hợp nhất với mỗi địa phương ở Việt Nam cần có những chuyên gia tư vấn giàu kinh nghiệm và có kiến thức sâu rộng trong lĩnh vực này.
Hình 5 (trái): TVIND 1977, 2000 KW; Hình 6 (phải): Máy điện gió hiện đại
(Nguồn: hiendaihoa.com)
