Năng lượng gió trong đời sống nhân loại (Kỳ 1)

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.

Sơ đồ động cơ gió thô sơ thời cổ đại

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 Công nguyên. 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 trước và sau 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 sau 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.

Sử dụng sức gió trong tưới tiêu nông nghiệp ở Trung Hoa cổ đại

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 để hướng mặt đĩa quay 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…

(Xem tiếp kỳ sau)