Vì sao tua bin gió không thể lấy hết động năng của dòng khí đi qua?
Vật lý 10 • Khám phá mở rộng
Tua bin gió trong mô hình dòng mở không thể lấy hết công suất động năng tham chiếu của gió, vì việc lấy năng lượng cũng làm thay đổi dòng khí đi qua rotor. Giới hạn Betz mô tả một giới hạn của mô hình khí động lý tưởng, trước cả những tổn hao của máy thật. [1][2]
Gió phải tiếp tục đi qua thiết bị
Rotor lấy năng lượng từ dòng khí nên không khí phía sau chậm hơn phía trước. Nhưng nếu hình dung toàn bộ dòng qua rotor bị dừng hoàn toàn, ta đã làm mất điều kiện một dòng ổn định tiếp tục chảy qua hệ. Không thể vừa chặn hẳn dòng vừa giữ nguyên lượng gió đi vào như trước. [2]
Khi dòng chậm lại, tiết diện của dòng cũng thay đổi để đáp ứng bảo toàn khối lượng. Vì thế, câu chuyện không chỉ là “mỗi phần khí mất bao nhiêu động năng”. Còn phải theo dõi bao nhiêu khí thực sự đi qua rotor trong một khoảng thời gian.
Hệ số công suất đang so với nguồn nào?
Hệ số công suất so công suất rotor thu được với công suất gió tham chiếu dựa trên tốc độ dòng tự do và diện tích quét của rotor. Trong mô hình đĩa tác dụng lý tưởng thích hợp, giá trị cực đại thường gọi là giới hạn Betz, xấp xỉ 59%. [1]
Đây không phải hiệu suất riêng của máy phát điện. Máy phát có thể chuyển phần cơ năng nhận được sang điện khá tốt mà rotor vẫn chỉ thu một phần công suất gió tham chiếu. Hai tỉ số nằm ở hai khâu của chuỗi năng lượng.
Không đem một con số dùng cho mọi cách gom gió
Nếu một hệ có thêm cấu trúc gom dòng, diện tích rotor nhỏ không nhất thiết đại diện cho toàn vùng dòng khí được thu. So công suất với một diện tích khác có thể tạo tỉ số khác, nên tuyên bố “vượt giới hạn” cần nói rõ mô hình và mẫu số. [2]
Máy thật còn chịu ma sát, tổn hao và điều kiện gió không đều. Không nên lấy giới hạn lý tưởng làm lời hứa sản lượng điện cụ thể.
Điều giúp nhớ là lấy năng lượng làm thay đổi chính dòng cấp năng lượng. Bảo toàn năng lượng không đủ nếu ta bỏ qua bảo toàn khối lượng, động lượng và điều kiện của dòng.
Kết nối với bài học
Đọc thêm: Tua bin gió phát điện phụ thuộc điều kiện gió ra sao.
Chương trình Vật lý 10 · Trợ lý AI Ước Mơ Lớn.