Một tuabin gió hiện đại trông như chiếc quạt khổng lồ giữa biển hoặc trên đồi, quay chậm rãi nhưng đều đặn. Ẩn sau vẻ đơn giản ấy là hơn một nghìn năm thử nghiệm: con người đầu tiên dùng gió để xay hạt và bơm nước, rất lâu sau mới biến chuyển động quay thành điện. Câu chuyện tuabin gió vì thế không bắt đầu trong phòng thí nghiệm điện, mà từ những cánh buồm vải, trục gỗ và nhu cầu thực tế — để thiên nhiên làm việc thay cơ bắp.

Từ cối xay Ba Tư đến biểu tượng Hà Lan

Theo Bộ Năng lượng Mỹ, người Ba Tư đã dùng sức gió để bơm nước và xay ngũ cốc trong khoảng năm 500–900 sau Công nguyên. Các cối xay sớm ở vùng Sistan thuộc Ba Tư cổ thường có trục đứng, với những cánh hình chữ nhật bằng lau sậy hoặc vải; gió đẩy cánh quay quanh trục, truyền lực xuống cối xay hoặc bơm. Đây là giải pháp phù hợp với vùng khô, nơi nước ngầm và lương thực đều cần sức máy liên tục.

Đến khoảng thiên niên kỷ thứ hai, công nghệ gió lan lên phía bắc châu Âu. Hà Lan trở thành hình ảnh quen thuộc của cối xay gió không phải vì người Hà Lan “phát minh ra gió”, mà vì họ cải tiến và dùng cối xay vào việc sống còn: thoát nước cho vùng đất thấp, xay hạt, cưa gỗ và sản xuất. Cối xay trục ngang châu Âu có thể xoay phần chóp để đón gió, dùng cánh dài hơn và truyền động hiệu quả hơn cho nhiều công việc cơ khí. Trong nhiều thế kỷ, gió là một trong số ít nguồn năng lượng phân tán mà làng quê có thể tự sở hữu.

Khi cối xay gặp máy phát điện

Bước ngoặt đến vào cuối thế kỷ 19. Năm 1887, James Blyth ở Scotland dùng máy gió nạp pin thắp sáng nhà nghỉ của mình. Gần như cùng thời, Charles F. Brush ở Cleveland, Mỹ, xây tuabin tự vận hành lớn hơn nhiều: rô-to đường kính khoảng 17 mét, 144 cánh gỗ tuyết tùng, công suất khoảng 12 kW, cấp điện và nạp pin cho dinh thự của ông trong khoảng hai thập kỷ. Bộ Năng lượng Mỹ xem Brush là dấu mốc quan trọng của điện gió Mỹ; Endesa cũng mô tả cỗ máy 1888 của ông như tuabin hiện đại đầu tiên vận hành liên tục.

Đan Mạch là nơi điện gió được hệ thống hóa. Poul la Cour thử nghiệm khí động học, đào tạo “thợ điện gió” và tìm cách trữ năng lượng, kể cả bằng điện phân hydro. Học trò của ông, Johannes Juul, lắp tuabin Gedser năm 1957: 200 kW, rô-to 24 mét, ba cánh, trục ngang, đón gió. Gedser vận hành tin cậy tới 1967 và trở thành khuôn mẫu “thiết kế Đan Mạch”.

Tuabin gió hoạt động như thế nào?

Nguyên lý cốt lõi khá trực diện: gió làm quay rô-to; trục quay truyền tới máy phát, trực tiếp hoặc qua hộp số; máy phát biến cơ năng thành điện năng. Nhưng để một tuabin lớn sống sót ngoài trời, nó phải liên tục quyết định như một phi công tự động. Hệ thống yaw xoay khoang máy để mặt rô-to đón gió. Hệ thống pitch chỉnh góc cánh để giữ công suất ổn định khi gió mạnh và giảm tải khi bão. Bộ điều khiển theo dõi tốc độ gió, rung động, nhiệt độ và trạng thái lưới điện.

Vì vậy, tuabin lớn nhất không luôn tốt nhất cho mọi nơi. Cánh dài thu nhiều năng lượng hơn, nhưng cần vật liệu nhẹ, tháp cao, móng vững, vận chuyển đặc biệt và lưới điện đủ khỏe. Ngoài khơi, gió thường mạnh và đều hơn, song chi phí lắp đặt, ăn mòn và bảo trì lại cao. Điện gió hiện đại là cuộc đua đồng thời giữa khí động học, vật liệu composite, điện tử công suất và dự báo thời tiết.

Tác động và câu chuyện Việt Nam

Từ vài kilowatt thắp sáng một ngôi nhà, điện gió đã thành ngành công nghiệp toàn cầu với các trang trại trên bờ và ngoài khơi. Tác động lớn nhất của nó là thay đổi cách con người nghĩ về điện: nguồn phát có thể phân tán, tái tạo và gắn với địa lý địa phương. Nó cũng tạo ra những ngành phụ trợ mới — chế tạo cánh, bảo trì rô-to, dự báo gió, lưu trữ năng lượng và điều độ lưới điện thông minh.

Việt Nam có điều kiện gió biển đáng chú ý nhờ bờ biển dài và nhiều khu vực gió tốt gần trung tâm phụ tải. Các phân tích gắn với Ngân hàng Thế giới/ESMAP từng ước tính tiềm năng kỹ thuật điện gió ngoài khơi khoảng 599 GW; lộ trình điện gió ngoài khơi cũng cho thấy nguồn này có thể đóng góp đáng kể cho nhu cầu điện tương lai. Thách thức là quy hoạch biển, truyền tải, cảng, chuỗi cung ứng, đấu thầu và tích hợp lượng điện biến thiên lớn vào hệ thống.

Sự thật thú vị ít người biết

  • Tuabin của Charles Brush có tới 144 cánh gỗ, rất khác hình ảnh ba cánh mảnh mai phổ biến ngày nay.
  • Tuabin Gedser ở Đan Mạch chạy từ năm 1957 đến 1967 và được xem là nền tảng của thiết kế tuabin Đan Mạch hiện đại.
  • Poul la Cour từng dùng điện gió để điện phân tạo hydro — một ý tưởng lưu trữ năng lượng xuất hiện từ rất sớm.
  • Cối xay Ba Tư dùng trục đứng, trong khi phần lớn tuabin điện gió hiện đại dùng trục ngang và ba cánh.

Hiểu lầm thường gặp

Hiểu lầm: "Charles Brush là người đầu tiên tạo điện từ gió." Brush là người tiên phong rất quan trọng ở Mỹ, nhưng James Blyth đã tạo điện gió ở Scotland năm 1887, trước hoặc gần như đồng thời với cỗ máy Cleveland hoàn thành cuối 1887–1888. Lịch sử điện gió có nhiều điểm khởi đầu song song.

Hiểu lầm: "Cứ làm cánh tuabin càng lớn thì càng tốt." Cánh lớn thu nhiều năng lượng hơn nhưng làm tăng tải trọng, chi phí vận chuyển, yêu cầu móng và rủi ro khi gió bão. Hiệu quả còn phụ thuộc tốc độ gió tại điểm đặt, độ tin cậy, lưới điện và khả năng bảo trì trong hàng chục năm.

Nguồn tham khảo

  • U.S. Department of Energy — History of U.S. Wind Energy: https://www.energy.gov/cmei/systems/history-us-wind-energy?nrg_redirect=261389
  • Endesa — History of wind energy: https://www.endesa.com/en/the-e-face/renewable-energies/history-wind-energy
  • World Bank — Vietnam's Offshore Wind Development Roadmap Report Launch: https://www.worldbank.org/en/events/2021/06/09/vietnam-s-offshore-wind-development-roadmap-report-launch.print