Nếu vài thập niên trước, phong điện chưa thật sự được chú ý phát triển thì giờ đây, vì nhiều lý do, điện gió, cùng với điện mặt trời đã trở thành ưu tiên hàng đầu trong ngành năng lượng toàn cầu.
Theo dòng lịch sử
Con người biết sử dụng năng lượng gió từ thời thượng cổ. Có những bằng chứng cho thấy người Neanderthan đã sử dụng buồm bằng lá cây để vượt sông trên bè mảng. Gần đây, các nhà khoa học đã làm thí nghiệm vượt biển từ đảo Crete của Hy Lạp vào đất liền trên thuyền gỗ bằng cách chèo tay và đã thất bại, vì dòng chảy ở eo biển này rất mạnh. Họ kết luận: Cách đây hàng chục nghìn năm (tính theo niên đại của văn minh Crete), người dân đảo không thể liên lạc với đất liền nếu không có buồm để lợi dụng sức gió.
Những hình vẽ trên các vách đá hang động cũng cho thấy cách đây vài nghìn năm, con người đã biết sử dụng buồm (dĩ nhiên rất thô sơ so với ngày nay).
Máy cơ khí đầu tiên chạy bằng sức gió là do Heron Alexandria phát minh trong thế kỷ I trước CN. Tuy nhiên, phát minh của ông không phải để giải quyết các vấn đề thực tế mà chỉ phục vụ mục đích giải trí. Đó là một loại nhạc cụ, hoạt động khi bánh xe quay dưới sức gió.
Ở Trung Hoa cổ đại, việc lợi dụng sức gió đã được biết đến từ thời Xuân Thu – Chiến Quốc và phát triển rực rỡ ở thời Đông Hán (200 năm đầu Công nguyên), với những thuyền buôn hay chiến thuyền sử dụng buồm vô cùng hiệu quả.

Vào khoảng cuối thế kỷ thứ III, đầu thứ IV Công lịch, tại các đền thờ Phật giáo ở Ấn Độ xuất hiện những chong chóng chạy bằng sức gió; mỗi khi có gió, chong chóng bắt đầu quay và một hệ thống truyền động sẽ khiến những bức tượng gỗ nghiêng mình đảnh lễ Đức Phật.
Ứng dụng thực tiễn của gió cũng đã được tìm thấy trong thế kỷ IX tại Iran (theo mô tả của Abu Ishaq al-Istakhri). Đó cũng là một dạng chong chóng lớn với cánh quạt có cấu trúc lưới phủ vải và hệ thống truyền động bằng dây thừng, ròng rọc… sử dụng để dịch chuyển những khối đá lớn trong xây dựng hoặc chuyển nước từ dưới thấp lên cao. Động cơ thô sơ dạng chong chóng ở Ấn Độ và Iran đều có trục quay đặt theo phương thẳng đứng, đĩa quay đặt theo phương nằm ngang.
Từ Iran, sáng chế mới này được du nhập vào Ấn Độ và Trung Quốc. Châu Âu lúc đó đã bắt đầu chìm vào đêm trường Trung cổ nên không đoái hoài đến những phát minh sáng chế hữu ích cho đời sống và rất kỳ thị những gì mới lạ đến từ phương Đông.
Tuy vậy, dù chìm trong đêm trường tăm tối, cuộc sống vẫn có những nhu cầu cần đáp ứng. Năm 1185 các cối xay gió đầu tiên đã xuất hiện ở Yorkshire (Anh). Bộ phận tiếp nhận năng lượng gió là những chong chóng khổng lồ (theo quan niệm thời đó) với trục quay nằm ngang và đĩa xoay của chong chóng được đặt theo phương thẳng đứng (mô hình cối xay gió như thế này ngày nay chúng ta vẫn còn thấy ở Hà Lan). Như vậy, có thể thấy, từ thế kỷ XII, phương pháp tiếp cận năng lượng gió của phương tây và phương đông rất khác biệt nhau.
Theo phân tích sơ bộ, phương án của phương Đông có vẻ có nhiều ưu thế hơn so với phương Tây. Một động cơ gió thô sơ có trục quay theo chiều dọc luôn luôn có thể hoạt động, cho dù gió thổi từ bất cứ hướng nào, vì vậy người Trung Quốc, Ấn Độ và Iran có thể để mặc nó cứ việc xoay mà không cần giám sát và đi làm những việc khác. Ngoài ra, phiên bản phương Đông còn có thêm ưu thế là với diện tích cánh quạt bằng nhau so với cấu trúc của phương Tây, nó có thể bắt đầu hoạt động ngay cả khi gió yếu, còn phiên bản phương Tây thì gió phải đủ mạnh mới có thể kích hoạt và mặt đĩa xoay phải luôn hướng về phía có gió.
Nhưng mặt khác, chong chóng với trục quay nằm ngang lại có điểm mạnh riêng. Đúng là cần phải thường xuyên cân chỉnh sao cho mặt đĩa quay luôn hướng về phía có gió, nhưng cánh quạt của nó luôn luôn hứng gió chỉ ở một mặt, điều đó làm tăng hiệu suất năng lượng. Chong chóng phương Đông, ở mỗi vòng quay, cả hai cánh quạt đối diện nhau qua trục đều phải chịu lực tác động của gió, cụ thể là khi cánh bên phải chuyển động xuôi chiều gió thì cánh bên trái lại phải chuyển động ngược chiều gió (và ngược lại). Dĩ nhiên lực quán tính sẽ làm cho chong chóng trục đứng luôn quay, nhưng hiệu suất năng lượng rõ ràng là thấp. Một điều đáng chú ý nữa là trong hoạt động của chong chóng đứng, cột trục rung lắc rất mạnh, do đó triệt tiêu mất một phần của năng lượng do chong chóng sinh ra. Để giảm bớt độ rung lắc, tháp hoặc trụ đỡ trục phải có cấu trúc lớn hơn và vững chắc hơn. Kết quả là rõ ràng: động cơ gió ở phương Tây khó quản lý và điều khiển hơn, nhưng hiệu quả hơn và rẻ hơn.
Ở thời đại tiền công nghiệp, cối xay gió rất phổ biến ở châu Âu. Chúng hoạt động hầu như không cần đến nhân viên, động cơ điện và đường dây điện (điều này rất quan trọng ở khu vực nông thôn), đồng thời ít gây tiếng ồn. Nhưng đến khi xuất hiện động cơ hơi nước và sau đó là điện, cối xay gió dần dần lùi vào dĩ vãng. Tuy vậy, động cơ có cấu trúc tương tự cối xay gió hiện vẫn còn rất phổ biến trong thế giới thứ ba, nơi có hơn 1 tỉ người chưa được dùng điện. Ở đó, loại động cơ này được sử dụng chủ yếu để đưa nước từ dưới thấp lên cao phục vụ sinh hoạt và sản xuất nông nghiệp.
Việc sử dụng gió để tạo ra điện đã được thực hiện rất sớm. Động cơ điện gió đầu tiên xuất hiện ở Đan Mạch vào năm 1890. Ở phương Tây, vào đầu thế kỷ XX, cột trụ điện gió đã đạt chiều cao 25m và chiều dài của cánh quạt là 23m. Nhưng đáng tiếc, tính đỏng đảnh của gió (khi thổi khi không) đã giết chết ý tưởng điện gió trong một thời gian dài. Đặc biệt là lúc bấy giờ bắt đầu xuất hiện máy phát điện diesel, có thể tạo ra điện ngay cả khi gió không thổi (!) và được truyền tải trên những đường dây điện khá rẻ. Vì vậy, chẳng còn mấy ai nhớ và nghĩ đến động cơ điện gió nữa. Nhưng chỉ một thời gian sau, nhân loại đã phải hối hận về chuyện đó. Và giờ đây, những nỗ lực của con người đang mở ra con đường cho phong điện bước tới thời hoàng kim…
Đọc thêm
Những tiến bộ vượt bậc của phong điện
Ngày nay, trạm phong điện trục quay ngang không phụ thuộc quá nhiều vào sự thay đổi dù nhỏ nhất trong tốc độ gió. Trạm Vestas V164 của Đan Mạch, được xây dựng năm 2014, có chiều cao 220m, với các cánh quạt có chiều dài 164m (để so sánh: kim tự tháp Cheops chỉ cao 139m và một tòa nhà 50 tầng cao khoảng 150-170m). Tổng khối lượng các cánh quạt làm bằng thủy tinh carbon của nó là 100 tấn. Công suất của trạm đạt trên 9MW.
Nói chung chiều cao của trụ đỡ càng tăng và chiều dài cánh quạt càng lớn thì công suất càng tăng và càng ít có khả năng trạm phải tạm ngưng hoạt động khi gió ngừng thổi hoặc giảm tốc độ đột ngột trong một khoảng thời gian ngắn. Hiện nay, các chuyên gia đã đưa ra đề xuất tăng chiều cao của trụ lên đến 300-400m và chiều dài cánh quạt lên đến 250-300m.
Ở trạm Enercon E-126 của mình (xây dựng năm 2012), Siemens đã tạo ra được các cánh quạt khổng lồ như vậy – chúng được tạo thành từ hai “lưỡi dao” ghép chèn vào nhau. Một số nhà sản xuất có kế hoạch đưa thêm 1 “lưỡi dao” nữa vào cấu trúc cánh quạt.
Còn có một điều quan trọng nữa, đó là càng lên cao, tốc độ gió càng tăng rõ rệt. Với cấu trúc thực sự lớn, các chuyên gia khuyên rằng, nên xây dựng các trang trại gió ở các khu vực có rừng, vì do bị cây rừng cản đường, gió sẽ bốc lên cao và gia tăng tốc độ.
Do sự gia tăng liên tục về quy mô của các trạm phong điện, giá thành điện gió đang giảm dần. Trong kỹ thuật phong điện, nếu có cùng thông số cánh quạt thì khi chiều cao của trụ đỡ tăng gấp đôi, công suất của trạm sẽ tăng gấp 4 (theo cấp số lũy thừa). Nói cách khác, khi chiều cao tăng n lần thì công suất tăng n2 (n mũ 2) lần. Như vậy, hiệu ứng kích thước thể hiện rõ nét nhất trong ngành công nghiệp điện gió.
Nhờ sử dụng hiệu ứng này, giá thành sản xuất điện từ các turbine gió ở phương Tây đã giảm từ hơn 10 cent/kWh vào năm 2012 xuống còn 4-5 cent như hiện nay. Ngay cả các trạm điện gió ở biển mà chi phí xây dựng thường đắt hơn so với trên đất liền thì hiện nay cũng đã cung cấp điện với giá 6-7 cent/kWh và tốc độ giảm giá thậm chí còn nhanh hơn phong điện trên đất liền, vì người ta có thể lắp đặt cánh quạt trên biển có chiều dài ít nhất 200m và không gian trên biển thì luôn… vô tư.
Mức hao hụt điện năng trên đường dây cao thế ngày nay chỉ còn dưới 3%, vì thế có thể truyền tải điện gió từ ngoài khơi vào sâu trong đất liền mà không lo bị hao hụt nhiều.
Nhưng có người sẽ thắc mắc: trong những khoảng thời gian lặng gió suốt nhiều tuần lễ thì sao? Xin hãy yên tâm: trên biển có những khu vực không bao giờ lặng gió hoặc gió thổi yếu. Châu Âu may mắn có được rất nhiều khu vực như thế, mà lại ở vùng biển nước nông gần bờ. Ví dụ, toàn bộ Biển Bắc là khá nông và luôn có gió mạnh. Hầu hết các vùng biển gần bờ phía đông của nước Mỹ cũng vậy. Hồi tháng 10-2017, nhà máy điện gió bán chìm đầu tiên trên thế giới với công suất hàng chục megawatts đã đi vào hoạt động ở gần bờ biển Scotland. Các trụ chong chóng của nhà máy được neo đậu vững chắc trên mặt nước ở vùng biển có độ sâu 800m. Tổng diện tích các vùng biển có độ sâu và lượng gió cao ổn định như vậy có thể đáp ứng hàng chục lần nhu cầu về điện cho cả thế giới.
Tuy nhiên, cũng không nên lý tưởng hóa phong điện, coi nó là “chiếc đũa thần” cho ngành năng lượng. Các nguồn điện khác như nhiệt điện, thủy điện, điện mặt trời, điện hạt nhân… vẫn phải tồn tại song song để bù đắp sự thiếu hụt điện trong những giờ cao điểm.