Vì sao tua-bin gió không có sáu hoặc tám cánh để đón nhiều gió hơn?

Nhiều người lầm tưởng lắp càng nhiều cánh thì cỗ máy gió càng đón nhiều năng lượng, thế nhưng thực tế chỉ dừng lại ở con số ba. Bí mật nằm ở định luật khí động học, bài toán chi phí kinh tế do tiếng ồn và sự cân bằng triệt tiêu dao động cơ học.

Khi đi qua những cánh đồng điện gió trải dài ngút ngàn, một chi tiết quen thuộc đập vào mắt người quan sát: tất cả các cỗ máy đều đứng sừng sững với đúng ba cánh quạt, không bao giờ xuất hiện mẫu máy bốn cánh, sáu cánh hay tám cánh.

Trực giác thông thường khiến chúng ta dễ suy luận rằng càng nhiều cánh quạt thì diện tích đón gió càng lớn, tương tự như việc căng một cánh buồm rộng gấp đôi sẽ hứng trọn vẹn lực đẩy gấp đôi của thiên nhiên.

Thế nhưng, thế giới cơ khí chính xác và khí động học lại vận hành theo những quy luật hoàn toàn trái ngược với trực giác đó.

Sự nhầm lẫn đầu tiên nằm ở chính bản chất chuyển động của cánh quạt. Bộ Năng lượng Mỹ chỉ rõ rằng cánh tua-bin gió hoàn toàn không hứng gió như cánh buồm, mà hoạt động chính xác theo nguyên lý cánh bay của máy bay hoặc cánh quạt trực thăng. Khi luồng khí lướt qua hai mặt cánh có độ nghiêng thiết kế đặc biệt, sự chênh lệch áp suất tạo ra lực nâng khí động học mạnh mẽ, kéo toàn bộ rotor quay tròn quanh trục.

Đáng chú ý, đầu mút của một cánh tua-bin khổng lồ quay nhanh gấp 6 đến 9 lần vận tốc của luồng gió tự nhiên. Điều này có nghĩa là cánh quạt chủ yếu tự chém vào luồng không khí do chính quán tính của nó tạo ra.

Một cánh buồm cần chặn dòng khí lại để lấy lực đẩy, nhưng một cánh bay lại đòi hỏi bầu không khí sạch sẽ, thông thoáng và không bị nhiễu động. Việc nhồi nhét quá nhiều cánh quạt vào một vòng quay sẽ khiến cánh đi sau lập tức chém vào vùng khí xoáy hỗn loạn của cánh đi trước, làm suy giảm nghiêm trọng hiệu suất tạo lực nâng.

Giới hạn vật lý của tự nhiên cũng đặt ra một trần mức khắt khe. Theo định luật Lanchester-Betz-Joukowsky được các nhà khoa học độc lập tìm ra từ hơn một thế kỷ trước, một rotor dù hoàn hảo đến đâu cũng chỉ có thể trích xuất tối đa 59,3% động năng từ luồng gió. Nếu cố tình hãm gió nhiều hơn, luồng không khí phía sau sẽ bị ứ nghẽn và biến cỗ máy thành một bức tường cản gió vô dụng.

Tạp chí Biomimetics chỉ ra rằng các cánh quạt ba cánh hiện đại đã đạt hệ số công suất thực tế từ 0,45 đến 0,50, tức là đã chạm tới 76% đến 84% trần giới hạn Betz. Khoảng trống năng lượng còn lại quá nhỏ bé, khiến việc gắn thêm cánh thứ tư hay thứ năm trở nên hoàn toàn vô nghĩa về mặt kinh tế khi chi phí đúc thêm một cánh quạt dài cả trăm mét là vô cùng đắt đỏ.

Bài toán kinh tế học càng thúc đẩy các kỹ sư hướng tới việc sử dụng ít cánh hơn. Một nghiên cứu của Đại học Bách khoa Milano và Đại học Perugia cho thấy khi giảm bớt cánh, rotor buộc phải quay nhanh hơn để thu nhận cùng một mức năng lượng.

Tốc độ quay cao hơn giúp mô-men xoắn truyền vào trục giảm đi, cho phép hộp số và máy phát điện phía sau nhẹ hơn tới 32% và giảm được một phần ba chi phí sản xuất, hạ giá thành điện năng trọn đời của cả dự án.

Tuy nhiên, tốc độ quay không thể tăng lên vô hạn do vấp phải rào cản tiếng ồn. Báo cáo từ phòng thí nghiệm NLR tại Hà Lan khẳng định năng lượng tiếng ồn khí động học phát ra từ mép sau cánh quạt 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 xé gió đã tăng gấp ba lần, khiến các dự án trên đất liền bắt buộc phải kìm hãm tốc độ đầu mút ở ngưỡng 75 đến 80 m/s để không gây ảnh hưởng đến khu dân cư lân cận.

Khi tốc độ quay bị giới hạn bởi tiếng ồn, câu hỏi đặt ra là tại sao ngành công nghiệp không chọn phương án hai cánh để tiết kiệm thêm một phần ba chi phí cánh quạt? Câu trả lời nằm ở hiện tượng dao động và xung đột cơ học.

Một cỗ máy hai cánh có tính bất đối xứng nghiêm trọng: khi nằm dọc, nó phải chịu hiện tượng trượt gió với lực gió tầng cao xé mạnh hơn tầng thấp, tạo ra tải trọng mỏi uốn cong lặp đi lặp lại hai lần trong mỗi vòng quay lên trục và thân tháp.

Thêm vào đó, hiệu ứng con quay hồi chuyển khiến rotor hai cánh lắc lư dữ dội khoảng 3 độ mỗi khi cabin xoay chuyển góc để bám theo hướng gió. Để giải quyết hiện tượng này, các kỹ sư phải chế tạo các khớp trục bản lề bập bênh phức tạp và phần mềm kiểm soát tải trọng tốn kém.

Ngược lại, cấu hình ba cánh tạo ra một tam giác cân bằng hoàn hảo về mặt cơ học, phân bổ tải trọng đồng đều ở mọi góc quay mà không tạo ra xung lực phá hủy cấu trúc thân tháp.

Lịch sử phát triển năng lượng gió cũng ghi nhận sự phân định rõ ràng giữa hai trường phái. Trong khi cơ quan hàng không vũ trụ NASA của Mỹ từng đổ hàng triệu USD vào các mẫu tua-bin thử nghiệm hai cánh khổng lồ như Mod-0 và Mod-1 vào thập niên 1970 rồi gặp nhiều trục trặc cơ học, thì các xưởng cơ khí thực dụng tại Đan Mạch lại kiên trì với di sản ba cánh của kỹ sư Johannes Juul từ cỗ máy Gedser.

Thiết kế ba cánh đón gió đơn giản, bền bỉ và vận hành êm ái của Đan Mạch đã chứng minh tính ưu việt vượt trội trong thực tế, dần chiếm lĩnh thị trường và trở thành tiêu chuẩn công nghiệp toàn cầu từ thập niên 1990 cho đến nay.

Kể từ giai đoạn 1998 đến nay, diện tích quét cánh của một tua-bin gió mới tại Mỹ đã tăng trưởng tới 670%, nhưng con số cánh quạt vẫn giữ nguyên vẹn ở số ba. Thay vì bổ sung thêm cánh quạt, các nhà sản xuất lựa chọn kéo dài kích thước cánh và cho phép cánh tự do uốn cong theo chiều gió để giảm tải trọng lên trụ đỡ.

Cùng với thời gian hoàn vốn năng lượng thần tốc chỉ mất từ 5 đến 6 tháng trong vòng đời kéo dài hơn 20 năm, cấu hình ba cánh đã xác lập vị thế là điểm giao thoa hoàn hảo nhất giữa định luật khí động học, sức bền vật liệu và bài toán hiệu quả kinh tế của nhân loại.