Trong bối cảnh thế giới đang chạy đua để chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo nhằm giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, năng lượng gió đã và đang đóng vai trò ngày càng quan trọng trong cơ cấu năng lượng quốc gia của nhiều nước, trong đó có Việt Nam. Tuy nhiên, một trong những rào cản lớn hiện nay là phần lớn các thiết kế tuabin gió công suất lớn hiện có đều hướng đến khu vực có tốc độ gió cao, trong khi đó những khu vực có tốc độ gió thấp – vốn chiếm tỷ lệ lớn ở Việt Nam – lại chưa được khai thác hiệu quả. Đứng trước bài toán này, các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Năng lượng và Môi trường – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam (VAST) đã triển khai thành công một nghiên cứu mang tính đột phá: thiết kế và chế tạo mẫu cánh tuabin gió chuyên biệt cho vùng có tốc độ gió thấp.

Thực trạng và thách thức trong khai thác năng lượng gió ở Việt Nam

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng gió lớn, với đường bờ biển trải dài hơn 3.000 km, trải rộng từ Bắc tới Nam. Theo các khảo sát của Ngân hàng Thế giới, khu vực ven biển miền Trung và miền Nam có tốc độ gió trung bình từ 6-7 m/s ở độ cao 65-100m – đủ điều kiện phát triển các dự án điện gió công suất lớn. Tuy nhiên, phần lớn diện tích lãnh thổ của nước ta lại nằm trong khu vực có tốc độ gió thấp hơn, chỉ dao động trong khoảng 3-5 m/s – mức mà các thiết kế tuabin truyền thống hoạt động không hiệu quả hoặc không khả thi về mặt kinh tế.

Đây là một thực tế đáng lưu tâm bởi hiện nay, hầu hết các thiết kế tuabin gió trên thị trường quốc tế đều được tối ưu hóa để hoạt động hiệu quả ở vùng có tốc độ gió cao, khiến việc khai thác tiềm năng gió tại những vùng có tốc độ thấp bị hạn chế, thậm chí bị bỏ qua.

Nghiên cứu tiên phong từ các nhà khoa học Việt Nam

Trước nhu cầu thực tiễn và thách thức này, nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Công nghệ Năng lượng và Môi trường – VAST đã triển khai đề tài “Nghiên cứu thiết kế, mô phỏng và chế tạo mẫu cánh tuabin gió phù hợp với tốc độ gió thấp ở Việt Nam” (mã số: VAST07.01/22-23). Mục tiêu của đề tài là phát triển một mẫu cánh tuabin có thể hoạt động hiệu quả tại khu vực có tốc độ gió trung bình thấp, qua đó mở rộng khả năng khai thác năng lượng gió tại các địa phương vốn trước đây bị "bỏ rơi" trong bản đồ điện gió.

Dựa trên nền tảng mô phỏng động lực học chất lưu (CFD - Computational Fluid Dynamics), nhóm nghiên cứu đã ứng dụng các phần mềm thiết kế và phân tích hiện đại để tối ưu hóa hình dạng cánh, góc nghiêng, chiều dài và tiết diện khí động học của tuabin. Việc sử dụng mô hình mô phỏng CFD cho phép các nhà khoa học mô tả một cách chi tiết chuyển động và tương tác của không khí với bề mặt cánh tuabin trong các điều kiện gió yếu, từ đó cải thiện hiệu suất khí động một cách rõ rệt.

Thiết kế khí động học tối ưu: Chìa khóa cho hiệu quả năng lượng

Một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của tuabin gió là thiết kế khí động học của cánh tuabin. Trong điều kiện tốc độ gió thấp, dòng khí thường không đủ mạnh để tạo ra lực nâng cần thiết, khiến cánh tuabin quay chậm hoặc không quay được. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn cấu trúc khí động học kiểu "NACA low-Reynolds" – là loại hình thiết kế tiết diện cánh chuyên dùng trong điều kiện dòng chảy có độ nhớt cao và tốc độ thấp.

Thông qua các bước phân tích, thử nghiệm ảo bằng mô phỏng CFD và hiệu chỉnh nhiều tham số kỹ thuật như độ cong, tỷ lệ chiều dài cánh/chân cánh, góc tấn công tối ưu…, nhóm nghiên cứu đã đề xuất cấu hình tối ưu có thể hoạt động hiệu quả trong dải tốc độ gió từ 3 đến 5 m/s – phù hợp với điều kiện thực tế tại nhiều địa phương ở Việt Nam như Tây Nguyên, Bắc Trung Bộ, vùng ven đô các thành phố lớn.

Hình dạng mẫu cánh gốc S1010 và mẫu cánh mới VAST-EPU-S1010, một trong năm mẫu cánh do các nhà khoa học ở VAST phát triển và chế tạo. Nguồn: VAST

Chế tạo và thử nghiệm thành công mẫu cánh tuabin từ vật liệu composite

Song song với thiết kế tối ưu, việc lựa chọn vật liệu phù hợp để chế tạo cánh tuabin là bước đi quan trọng nhằm đảm bảo độ bền, nhẹ, khả năng chịu tải và thích nghi với điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa ở Việt Nam. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng vật liệu composite với thành phần chính là sợi thủy tinh gia cường nhựa epoxy – vật liệu vốn nổi tiếng về độ bền cơ học, kháng ăn mòn và trọng lượng nhẹ.

Năm mẫu cánh tuabin gió đã được chế tạo thành công trong khuôn khổ đề tài. Các mẫu này sau đó được thử nghiệm trong điều kiện thực tế, tại các khu vực gió yếu nhằm đánh giá khả năng vận hành, độ bền và hiệu suất phát điện.

Kết quả công bố quốc tế – Ghi nhận bước tiến khoa học Việt Nam

Những kết quả tích cực từ đề tài đã được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín như Energies (thuộc danh mục Scopus, Q2 ngành Năng lượng), Proceedings of the Institution of Civil Engineers, và GMSARN International Journal. Các công bố tập trung vào việc trình bày chi tiết phương pháp thiết kế khí động học, mô phỏng CFD, thử nghiệm hiệu suất và đánh giá độ bền vật liệu composite trong môi trường thực tế.

Việc các công trình khoa học này được quốc tế công nhận không chỉ khẳng định năng lực nghiên cứu trong nước mà còn mở ra tiềm năng thương mại hóa thiết kế tuabin cho vùng gió thấp – một thị trường ngách đầy hứa hẹn mà hiện vẫn còn ít được quan tâm bởi các nhà sản xuất lớn trên thế giới.

Ý nghĩa thực tiễn và tầm nhìn phát triển năng lượng xanh

Thành công của đề tài mang nhiều ý nghĩa thực tiễn quan trọng:

Khai thác hiệu quả tiềm năng năng lượng gió nội địa: Với thiết kế phù hợp cho vùng gió yếu, hàng triệu hécta đất ở vùng trung du, đồng bằng, ven đô thị – vốn không đủ điều kiện lắp đặt tuabin gió công suất lớn – nay có thể được tận dụng để sản xuất điện xanh.

Góp phần thúc đẩy chương trình chuyển đổi năng lượng quốc gia: Phù hợp với định hướng giảm phát thải khí nhà kính, phát triển năng lượng tái tạo theo Chiến lược phát triển năng lượng quốc gia đến năm 2030, tầm nhìn 2050.

Thúc đẩy đổi mới sáng tạo và phát triển công nghiệp nội địa: Việc tự thiết kế, chế tạo được mẫu cánh tuabin gió cho điều kiện khí hậu, địa hình trong nước sẽ giúp giảm phụ thuộc vào công nghệ nhập khẩu, đồng thời tạo tiền đề cho ngành công nghiệp phụ trợ phát triển.

Khả năng mở rộng thương mại hóa: Thiết kế tuabin gió cho vùng tốc độ gió thấp là giải pháp tiềm năng cho nhiều quốc gia đang phát triển có điều kiện tương tự Việt Nam ở Đông Nam Á, Nam Á, Châu Phi.

Hướng đi tương lai: Hợp tác – Đào tạo – Chuyển giao công nghệ

Để tận dụng tối đa kết quả nghiên cứu, các nhà khoa học đề xuất mở rộng hướng đi theo các trục chính sau:

Phối hợp với doanh nghiệp để chuyển giao công nghệ chế tạo cánh tuabin cho vùng gió yếu, sản xuất thử nghiệm và thương mại hóa sản phẩm.

Đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật cao về mô phỏng CFD, thiết kế tuabin, vật liệu composite tại các trường đại học kỹ thuật – qua đó hình thành hệ sinh thái nghiên cứu và sản xuất đồng bộ trong nước.

Hợp tác quốc tế với các đơn vị nghiên cứu về năng lượng tái tạo, các tổ chức tài chính hỗ trợ đổi mới sáng tạo để mở rộng quy mô ứng dụng.

Đề xuất chính sách ưu đãi đầu tư cho các dự án điện gió quy mô nhỏ, sử dụng công nghệ tuabin gió cho vùng tốc độ thấp tại các địa phương.

Nghiên cứu tối ưu hóa thiết kế và chế tạo mẫu cánh tuabin gió cho vùng tốc độ gió thấp của Viện Khoa học và Công nghệ Năng lượng và Môi trường – VAST là minh chứng sống động cho vai trò của khoa học công nghệ trong giải quyết các bài toán thực tiễn, phục vụ phát triển bền vững và chuyển đổi năng lượng tại Việt Nam.

Bằng việc tận dụng hiệu quả công cụ mô phỏng CFD, kết hợp với vật liệu tiên tiến và quy trình nghiên cứu bài bản, đề tài không chỉ mở ra hướng đi mới cho ngành điện gió mà còn thể hiện tinh thần đổi mới sáng tạo của các nhà khoa học Việt Nam trong việc chinh phục thách thức vì một tương lai xanh hơn, sạch hơn và bền vững hơn.

Nguồn: Tổng hợp