Những tua-bin gió này nằm ngay cạnh căn cứ quân sự RAF Menwith Hill ở North Yorkshire, Anh (ảnh: Philip Silverman/Getty Images).
Tua-bin gió tạo ra tín hiệu phản xạ mạnh và trải rộng
Từ cuối thập niên 1970, Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) và NASA triển khai Chương trình Mod-Series nhằm phát triển và thử nghiệm các nguyên mẫu tua-bin gió quy mô lớn. Chương trình kéo dài hơn 2 thập niên, với nhiều mẫu tua-bin được phát triển, góp phần cung cấp dữ liệu và kinh nghiệm cho ngành điện gió thương mại sau này.
Theo DOE, một trong những vấn đề được chương trình và các hoạt động nghiên cứu liên quan quan tâm là ảnh hưởng của tua-bin gió đối với các hệ thống điện từ, trong đó có radar. Tuy nhiên, nhiễu radar không phải là vấn đề đã được giải quyết hoàn toàn và vẫn được các cơ quan liên bang Mỹ nghiên cứu đến nay.
Các tua-bin gió quy mô lớn ngày nay có kích thước rất lớn. Tại Mỹ, chiều cao trục quay trung bình của các tua-bin gió trên đất liền được lắp đặt trong năm 2023 là khoảng 103,4m, trong khi đường kính cánh quạt trung bình khoảng 133m. Vì vậy, đầu cánh ở vị trí cao nhất có thể vượt xa độ cao của trục quay.
Kích thước lớn khiến tua-bin có diện tích phản xạ radar đáng kể. Khi cánh quạt quay, các tín hiệu phản xạ từ cánh và tháp không đứng yên mà thay đổi theo thời gian. Đặc biệt, chuyển động của cánh tạo ra các thành phần tín hiệu trải rộng trên nhiều tần số Doppler.
Đây là vấn đề đáng chú ý đối với các loại radar sử dụng hiệu ứng Doppler để phân biệt mục tiêu đang chuyển động với nhiễu nền. Tín hiệu từ tua-bin có thể tạo ra "nhiễu" hoặc mục tiêu giả, đồng thời làm giảm khả năng phát hiện và theo dõi mục tiêu thực.
Tốc độ chuyển động của đầu cánh cũng rất lớn. Trong điều kiện vận hành, tốc độ đầu cánh của nhiều tua-bin có thể vượt 100 dặm/giờ, tương đương khoảng 161kmh. Ttốc độ này thay đổi theo kích thước cánh và tốc độ quay của từng loại tua-bin.
Với các trang trại điện gió có nhiều tua-bin, nhiều nguồn phản xạ có thể xuất hiện trong vùng quan sát của radar, khiến việc phân biệt tín hiệu của tua-bin với mục tiêu cần theo dõi trở nên phức tạp hơn.
Phòng thí nghiệm Lincoln của MIT tìm cách giảm nhiễu
Các nhân viên và kỹ sư của Phòng thí nghiệm Lincoln thuộc MIT đang làm việc bên hệ thống radar quân sự tại Trạm Không quân Hải quân Patuxent River ở bang Maryland, Mỹ (ảnh: Phòng thí nghiệm Lincoln).
Một nghiên cứu đáng chú ý được thực hiện bởi Phòng thí nghiệm Lincoln thuộc Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) theo đề nghị của Hải quân Mỹ.
Nhóm nghiên cứu tập trung vào Hệ thống Đo đạc Động lực học Máy bay Tiên tiến (ADAMS) tại Trạm Không quân Hải quân Patuxent River, bang Maryland. Đây là một hệ thống thử nghiệm dùngradar để đo đặc tính phản xạ của máy bay.
ADAMS sử dụng nhiều dạng sóng và hoạt động trên các dải tần từ 150MHz đến 35GHz. Tua-bin gió là nguồn gây nhiễu đáng chú ý đối với hệ thống này do yêu cầu đo đạc mục tiêu có độ chính xác cao.
Các nhà nghiên cứu của Lincoln Laboratory thử nghiệm một chiến lược giảm nhiễu gồm 3 hướng chính.
Thứ nhất, nhóm cải thiện độ phân giải cự ly của radar. Bằng kỹ thuật nén xung, kích thước các "ô cự ly" được thu nhỏ, qua đó giảm khả năng tín hiệu phản xạ từ tua-bin và mục tiêu cùng nằm trong một ô và chồng lấn lên nhau.
Thứ hai, nhóm khai thác sự khác biệt về vị trí và hướng giữa mục tiêu cần theo dõi với nguồn nhiễu. Khi tua-bin và mục tiêu nằm ở các hướng khác nhau, hệ thống có thể sử dụng thông tin không gian để giảm thành phần tín hiệu gây nhiễu.
Thứ ba, nhóm nghiên cứu thay đổi dạng sóng phát của radar. Một nghiên cứu sau đó của Lincoln Laboratory cho thấy việc tạo ra sự đa dạng giữa các xung phát có thể giúp thiết kế bộ lọc để giảm cả nhiễu từ tua-bin gió và nhiễu nền.
Thử nghiệm trên hệ thống radar thực tế
Tháng 8/2015, nhóm Lincoln Laboratory đưa nguyên mẫu phần cứng vào thử nghiệm trên hệ thống radar băng tần X của ADAMS.
Các máy bay trực thăng, máy bay cánh quạt và máy bay phản lực được sử dụng làm mục tiêu thử nghiệm. Để mô phỏng tín hiệu nhiễu do tua-bin gió tạo ra, nhóm nghiên cứu sử dụng một thiết bị lặp tín hiệu đồng bộ do Lincoln Laboratory phát triển và đặt trên một tàu tại Vịnh Chesapeake.
Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp này có tiềm năng giảm đáng kể nhiễu do tua-bin gió trên dải tần X. Tuy nhiên, đây mới là thử nghiệm trên một dải tần và cần tiếp tục đánh giá trước khi có thể áp dụng trên toàn bộ các dải tần của hệ thống ADAMS.
Đây cũng là một trong những khó khăn lớn của bài toán: các giải pháp giảm nhiễu thường có tính đặc thù theo tần số, trong khi một hệ thống radar có thể hoạt động trên nhiều dải tần khác nhau.
Theo DOE, tua-bin gió có thể gây nhiễu radar khi nằm trong tầm nhìn trực tiếp của hệ thống. Tuy nhiên, vấn đề không xảy ra với mọi dự án và mọi hệ thống radar.
Việc lựa chọn vị trí, bố trí khoảng cách giữa các tua-bin, thay đổi độ cao hoặc vị trí tua-bin và sử dụng các giải pháp phần cứng, phần mềm cho radar đều có thể giúp giảm ảnh hưởng. Cơ quan liên bang Mỹ cũng có quy trình đánh giá nguy cơ nhiễu radar đối với các dự án điện gió.
Do đó, bài toán hiện nay không đơn thuần là loại bỏ tua-bin để tránh nhiễu mà hướng tới việc kết hợp quy hoạch vị trí với các công nghệ giảm nhiễu và phát triển những thế hệ radar có khả năng chống nhiễu tốt hơn.
Một số thiết kế tua-bin không sử dụng cánh quay cũng đang được nghiên cứu trên thế giới, nhưng chưa có cơ sở để khẳng định đây là giải pháp đã được chứng minh nhằm giải quyết vấn đề nhiễu radar.
