Ước Tính Năng Lượng của Một Cối Gió Cực Kỳ Lớn

[#video: https://www.youtube.com/embed/TgRPjCQn7Tw

Thật tuyệt vời khi chúng ta có thể có điện từ gió, và đó chính là điều xảy ra với một trang trại điện gió. Đó là một bộ sưu tập các cối gió ở một địa điểm cụ thể với gió phong phú. Và như nhiều thứ khác, lớn hơn là tốt hơn. Trang trại điện gió Hornsea, ví dụ, đang được xây dựng 75 dặm ngoại khơi bờ biển Yorkshire, Anh, và khi hoàn thành dự kiến sẽ là trang trại điện gió ngoại khơi lớn nhất thế giới. Đây là những cối gió lớn: Video liệt kê đường kính cối gió là 154 mét (hơn 500 feet).

Nhưng phần mà tôi quan tâm là ở đây. Họ tuyên bố rằng chỉ một lần quay của những cối gió cực lớn này có thể tạo ra đủ năng lượng để cung cấp điện cho một ngôi nhà trong suốt một ngày. Bạn biết điều gì sẽ đến tiếp theo đúng không? Một ước tính.

Tất nhiên, tôi không phải là một chuyên gia về năng lượng tái tạo. Tôi chỉ là một nhà vật lý bình thường. Điều này có nghĩa là tôi có thể sử dụng một số ý tưởng cơ bản vô cùng cùng với một số ước lượng sơ bộ để tính toán năng lượng từ một lần quay của cối gió. Chắc chắn, con số có thể không chính xác—nhưng đó chính là điều khiến nó trở nên thú vị.

Oh, và đừng lo. Tôi sẽ đưa vào tính toán của mình trong một đoạn mã python ở dưới. Nếu bạn không thích ước tính của tôi, bạn thậm chí có thể nhập giá trị của mình.

Tôi đoán chúng ta nên bắt đầu với những nguyên lý vật lý cơ bản tạo nên cách cối gió này tạo ra điện. Giống như hầu hết các phương pháp khác để tạo điện, nó liên quan đến việc xoay một cuộn dây trong một lĩnh vực từ trường. Khi một lĩnh vực từ trường đang thay đổi đi qua một cuộn dây, nó tạo ra dòng điện. Nhưng sau đó làm thế nào để làm cuộn đó quay? Đối với một cối gió, không khí chảy vào những lưỡi cánh lớn đẩy chúng trong một chuyển động quay.

Tất nhiên, bạn không phải sử dụng gió để quay cối gió. Bạn có thể sử dụng nước chảy bằng cách đặt một loại lưỡi cánh dựa trên quạt vào nước chảy như một dòng sông hoặc từ một đập (nhà máy điện nước làm điều này). Một lựa chọn phổ biến khác là làm nóng nước và để hơi nước quay cối gió. Đây là cách nhà máy điện than và khí tự nhiên hoạt động. Đó cũng là cách nhà máy điện hạt nhân hoạt động. Sự khác biệt duy nhất giữa sản xuất điện từ năng lượng hạt nhân và than cháy là một cái sử dụng nhiên liệu hóa thạch để làm nóng nước và cái kia sử dụng phản ứng hạt nhân. Các bộ phận của cối gió về cơ bản giống nhau. Nếu bạn nghĩ về điều đó, thật điên rồ. Thực sự, phương pháp tạo điện duy nhất khác biệt là tấm pin năng lượng mặt trời. Điều đó hoạt động theo một phương pháp khác.

Đó là tuyệt vời và tất cả, nhưng làm thế nào bạn ước tính công suất (và sau đó là năng lượng) từ một cối gió? Toàn bộ năng lượng đến từ năng lượng động của không khí di chuyển. Năng lượng động có thể được tính như sau:

Trong biểu thức này, m là khối lượng của không khí và v là tốc độ của không khí. Hãy giả sử rằng không khí đi vào cối gió với tốc độ là v₁ và sau đó rời đi với tốc độ chậm hơn là v₂. Sự giảm tốc độ này có nghĩa là giảm năng lượng động—và đó chính là năng lượng chuyển đổi thành điện. Các tốc độ có thể dễ ước lượng, nhưng còn về khối lượng của không khí thì sao?

Giả sử rằng chúng ta có một trụ lớn của không khí đi vào cối gió. Diện tích chữ quả cầu của trụ này giống như lá cánh quay và chiều dài của trụ là chỉ một giá trị—tạm gọi là L. Sơ đồ này có thể giúp.

Khối lượng của trụ khí lớn này là bao nhiêu? Nếu tôi biết mật độ của không khí (tôi biết) và thể tích của một trụ (đúng vậy), tôi có thể tính toán khối lượng của không khí. Hãy nhớ, một ước lượng tốt cho mật độ của không khí (ρ) là khoảng 1.2 kilogram mỗi mét khối.

Vẫn còn một điều thiếu sót—chiều dài của trụ không khí này (L). Nếu không khí di chuyển với tốc độ v₁ trong một khoảng thời gian (Δt) nào đó, thì chiều dài của trụ này sẽ là:

Điều này đến từ định nghĩa về vận tốc trong một chiều. Bây giờ thay vì ước lượng chiều dài, tôi có thể ước lượng khoảng thời gian. Hãy nhớ rằng chúng ta đang cố gắng tìm ra năng lượng từ một quay của cối gió đó. Tôi chỉ cần nhìn vào video và thấy một cối gió quay thực sự. Ước lượng của tôi là mất khoảng 4 giây để quay một vòng.

Chỉ còn một vài thứ để ước lượng nữa:

• Tốc độ khí ban đầu = 5 mét mỗi giây (11.2 mph)
• Tốc độ khí cuối cùng = 2.5 mét mỗi giây (5.6 mph)
• Hiệu suất (phần trăm năng lượng động chuyển thành năng lượng điện) = 0.25
• Công suất trung bình tiêu thụ cho một ngôi nhà = 2,000 watts.

Bây giờ là lúc tính toán. Đây là kết quả (bạn có thể thay đổi các giá trị nếu bạn không đồng ý với ước lượng của tôi). Nếu bạn muốn xem và thay đổi mã, hãy nhấp vào biểu tượng bút. Nhấp vào nút Chạy để chạy mã.

Vậy, không thành công. Sử dụng giá trị của tôi, một lần quay của cối gió tạo ra 291 watt-giờ (một đơn vị năng lượng), nhưng một ngôi nhà sử dụng khoảng 48,000 watt-giờ. Tôi cũng nên nói thêm rằng năng lượng là một ước lượng cho một ngôi nhà ở Mỹ. Ở Anh, nó thấp hơn đáng kể, khoảng 12,000 watt-giờ. Nhưng tôi vẫn chênh lệch khoảng 40 lần — đó là một con số khá lớn. Điều đó có nghĩa là bạn sẽ cần 40 cối gió (hoặc 40 lần quay) để có đủ năng lượng để vận hành một ngôi nhà trong một ngày. OK, vậy làm sao mà đã sai? Có một số lựa chọn. Rõ ràng, ước lượng của tôi có thể không chính xác. Nhưng tại sao chúng lại chệch đi nhiều đến vậy? Ngay cả khi tôi nhân đôi tốc độ gió và đặt tốc độ không khí cuối cùng ở 0 m/s, vẫn không đủ năng lượng.

Nhưng còn một cách tiếp cận khác cho vấn đề vật lý này. Công suất định mức sản xuất cho cối gió trong video là 7 MW (đó là 7 triệu watt). Khi xem xét kỹ lưỡng hơn, thời gian quay cho một lá chắn có thể gần 6 giây hơn (trước đó tôi đã nói 4), vì vậy hãy sử dụng con số đó. Nếu chúng ta lấy giá trị định mức đó và nhân nó với thời gian quay là 6 giây, bạn sẽ có một lượng năng lượng là 11.7 kilowatt-giờ. Điều này gần đúng với giá trị năng lượng cần để vận hành một ngôi nhà ở Anh trong một ngày.

Tại sao hai giá trị lại khác nhau? Câu trả lời rõ ràng nhất là ước lượng sơ bộ của tôi chỉ là ước lượng, một ước lượng thô. Tôi đã đoán về một số tham số, chẳng hạn như tốc độ gió và hiệu suất. Nhưng vật lý vẫn là chính xác — và vẫn thú vị (ít nhất là đối với tôi).

Cập nhật 19-06-2019, 3 giờ chiều EDT: Câu chuyện này đã được cập nhật để làm rõ các tính toán của tác giả và để bao gồm việc sử dụng năng lượng điển hình của một ngôi nhà ở Anh.

Những điều tuyệt vời khác từ MYTOUR

• Dự án Chiến tranh Lạnh đưa nghệ thuật khí hậu từ băng ra ngoài
• iPadOS không chỉ là một cái tên. Đó là một hướng mới cho Apple
• Mọi thứ bạn muốn—và cần—biết về người ngoài hành tinh
• Cách các nhà đầu tư VC giai đoạn sớm quyết định đầu tư ở đâu
• 4 trình quản lý mật khẩu tốt nhất để bảo vệ cuộc sống kỹ thuật số của bạn
• 🏃🏽‍♀️ Muốn có những công cụ tốt nhất để khỏe mạnh? Kiểm tra bộ chọn của đội ngũ Gear chúng tôi về các thiết bị theo dõi sức khỏe tốt nhất, đồ chạy bộ (bao gồm giày dép và tất), và tai nghe tốt nhất.
• 📩 Nhận thêm nhiều thông tin hơn với bản tin hàng tuần của chúng tôi qua bản tin Backchannel