Các turbine gió hiện đại ngày càng tiết kiệm chi phí và đáng tin cậy hơn, và đã tăng quy mô công suất lên nhiều megawatt (MW). Kể từ năm 1999, công suất turbine trung bình đã tăng lên đáng kể, các turbine được lắp đặt trong năm 2016 có công suất trung bình là 2,15 MW. Nghiên cứu của Văn phòng công nghệ năng lượng gió Mỹ (WETO) đã góp phần cải tiến quá trình này thông qua việc phát triển các cánh quạt dài hơn, nhẹ hơn, tháp cao hơn, hệ thống truyền động đáng tin cậy hơn và các hệ thống điều khiển tối ưu hóa hiệu năng.

Trong hai thập kỷ qua, văn phòng này đã nỗ lực làm việc để phát triển một số công nghệ mẫu, rất nhiều trong số đó đã trở thành sản phẩm thương mại khả thi. Một ví dụ là dự án turbine gió GE Wind Energy 1,5 MW. Kể từ đầu những năm 1990, WETO đã làm việc với GE và những người tiền nhiệm để thử nghiệm các bộ phận như cánh quạt, máy phát và hệ thống điều khiển trên các mẫu thiết kế turbin và dẫn đến mô hình turbine GE 1,5 MW, mẫu thiết kế này chiếm hơn một nửa lượng máy tạo năng lượng gió được thương mại hóa tại Mỹ và là đối thủ cạnh tranh chính trên thị trường [turbine gió] toàn cầu.

Phát triển bộ phận

WETO đã làm việc với các đối tác công nghệ để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các bộ phận trong hệ thống. Bộ phận sản xuất cánh quạt của Knight và Carver ở thành phố California đã làm việc với các nhà nghiên cứu ở Bộ phận năng lượng thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Sandia để cải tiến cánh quạt, kết quả đã làm tăng hiệu quả thu năng lượng gió lên đến 12%. Đặc điểm nổi bật nhất của cánh quạt Sweep Twist Adaptive Rotor (STAR) là một đầu hơi cong, không giống như phần lớn cánh quạt khác đang sử dụng, mà được thiết kế đặc biệt để tận dụng tối đa mọi tốc độ gió, kể cả trong trường hợp tốc độ gió chậm.

Gần đây, để cải tiến mức độ khả dụng của hộp số, WETO đã làm việc với một số công ty để thiết kế và thử nghiệm các hệ thống truyền động sáng tạo. Bằng khoản tài trợ 47 triệu USD của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, một cơ sở thử nghiệm năng lượng gió tiên tiến nhất của quốc gia được mở tại Đại học Clemson để giúp đẩy nhanh công nghệ năng lượng gió của thế hệ mới, giảm chi phí cho các nhà sản xuất và nâng cao khả năng cạnh tranh cho các công ty Mỹ.

Đổi mới trong thiết kế và sản xuất các thành phần phát điện gió tiếp tục là yếu tố quan trọng để đạt được mục tiêu quốc gia. Theo kết quả của dự án này, Văn phòng Công nghệ Năng lượng gió của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ và Văn phòng Sản xuất Tiên tiến đang hợp tác với các tổ chức công và tư để sản xuất các thiết bị, thường là sử dụng máy in 3D, để sản xuất cánh quạt. Phương pháp truyền thống để thiết kế bộ phận này là cần phải tạo ra các đầu nối, hoặc một mẫu kích thước đầy đủ của cánh quạt, được sử dụng để làm khuôn. Tạo đầu nối là một trong những quy trình tốn nhiều thời gian và công sức nhất trong việc chế tạo cánh quạt gió, vì vậy việc tạo ra máy in 3D đã giúp tiết kiệm được đáng kể.

Nghiên cứu tiện ích của turbine

Trung tâm Công nghệ gió Quốc gia của Phòng thí nghiệm năng lượng tái tạo quốc gia (NWTC) đã tiên phong cải tiến các thành phần, hệ thống và phương pháp mô hình turbin và đã thúc đẩy nhanh chóng ngành công nghiệp này. Cơ sở này cung cấp nhiều trang web thử nghiệm, một số máy đo năng lượng, tài nguyên sản xuất tại chỗ và khả năng xác nhận cấu trúc.

Nghiên cứu được thực hiện tại NWTC đã bổ sung cho sáng kiến của bầu khí quyển electron (A2e) của DOE, nhằm giảm đáng kể chi phí sử dụng năng lượng gió thông qua cải thiện về mức độ điều chỉnh lưu lượng gió vào và thông qua các cánh đồng gió. Nghiên cứu năng lượng gió thế hệ mới tại NWTC, trong đó sử dụng động lực học chất lỏng để phát triển mô phỏng cho ứng dụng cánh đồng gió và các công cụ mô hình hóa và điều khiển khác, giúp các nhà khai thác giảm thiểu tác động của hiệu ứng turbin bằng cách nghiên cứu hiệu suất của nhà máy trong phạm vi đầy đủ các điều kiện khí quyển.