Luận văn Nghiên cứu thuật toán điều khiển máy phát điện gió DFIG (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thuật toán điều khiển máy phát điện gió DFIG (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN- 60520202 S K C0 0 4 9 1 4 Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 TP. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LU N V N TH C S Ậ Ă Ạ Ĩ LÊ ĐOÀN THANH AN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Đoàn Thanh An Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 06-05-1982 Nơi sinh: Tp. Hồ Chí Minh Quê quán: Tp. Hồ Chí Minh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: số 40 đường 8 khu phố 1 phường Linh Xuân quận Thủ Đức thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại riêng: 091951007 E-mail:ledoanthanhan@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2000 đến 2005 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh, TP HCM Ngành học: Kỹ thuật Điện - Điện tử III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Năm 2005 đến 2008 Công ty TNHH Chăn Nuôi C.P. Nhân viên kỹ thuật Việt Nam Năm 2008 đến nay Trường CĐ Nghề Việt Nam Giáo viên Singapore i
5. LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, các tính toán kết quả mô phỏng nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 Người cam đoan Lê Đoàn Thanh An ii
6. LỜI CẢM ƠN Kết quả của sự thành công luôn gắn liền với những sự dạy dỗ của các Thầy Cô, sự ủng hộ và động viên từ gia đình, sự giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong thời gian từ khi bắt đầu đi học đến nay, em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý Thầy Cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè. Với lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý Thầy Cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, đặc biệt là sự quan tâm giúp đỡ của Thầy hướng dẫn TS. Trương Đình Nhơn đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho em thực hiện đề tài nghiên cứu này. Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của Thầy thì em nghĩ đề tài nghiên cứu này của em rất khó có thể hoàn thiện được. Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn Thầy. Bước đầu đi vào tìm hiểu về lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức của em còn nhiều hạn chế và còn nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, không tránh khỏi những thiếu sót là điều chắc chắn, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của Thầy hướng dẫn cùng quý Thầy Cô và các bạn học cùng lớp để kiến thức của em ngày được hoàn thiện hơn. TP. HCM, tháng 10 năm 2016 Học viên thực hiện Lê Đoàn Thanh An iii
7. TÓM TẮT Sản xuất điện năng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong lĩnh vực xã hội và công nghiệp hóa. Việc phát năng lượng ngày càng tăng lên để đáp ứng cho sự phát triển của các ngành công nghiệp và tải tiêu thụ các hộ gia đình. Ngoài sản xuất điện từ năng lượng không tái tạo còn có sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng hòa vào lưới điện hiện có. Hiện nay máy phát điện nguồn kép (DFIG) sử dụng ghép nối với tua bin gió được sử dụng do các tính năng ưu điểm của nó. Khi sử dụng hệ thống phát điện bằng năng lượng tái tạo tích hợp vào hệ thống điện, một trong những yêu cầu cơ bản là khả năng ôn định của hệ thống phát điện. Để hệ thống DFIG hoạt động ổn định khi các sự cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợp nhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển ở nhiều khâu trong hệ thống máy phát DFIG như điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơ ron (Neural) Đã có nhiều phương pháp tối ưu hóa sự ổn định của hệ thống DFIG dựa trên việc điều chỉnh các thông số trong hệ thống, phương pháp cơ bản nhất được sử dụng phổ biến trong thực tế là sử dụng các bộ ổn định PI để duy trì sự ổn định cho hệ thống. Trong phạm vi luận văn sẽ tiến hành áp dụng thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) vào khối điều khiển biến đổi phía lưới (GSC) để duy trì giá trị điện áp DC trong các khối điều khiển của DFIG. iv
8. ABSTRACT Energy production plays a very important role in society and industrialization. The demand of energy in industries and civils is increasing day by day. Besides producing electricity from fossil fuels also use renewable energy sources to produce electricity intergrating to present system. Doubly fed induction generator (DFIG) is used by many advantages. When integrating renewable generator systems into the electricity system, one of the basic requirements is the stability of DFIG system. To maintain DFIG system stable when incident faults occurred, it is common to use a combination of methods to intervene in the control algorithm in the various stages of DFIG generator system as PI controller, fuzzy controller (fuzzy control), controls the type of neuron (Neural) There have been many methods to optimize the stability of the system based on the adjustment DFIG parameters in the system, the common basic method is the use of the PI controller algorithm. In the thesis, the author will use the system control algorithm called Adaptive Neural Fuzzy Inference System (ANFIS) applying to the grid side controller (GSC) to maintain the value of the DC link voltage in DFIG controllers. v
9. MỤC LỤC Trang tựa TRANG LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi DANH SÁCH CÁC HÌNH xii Chương1: 1 TỔNG QUAN 1 1.1.Đặt vấn đề 1 1.2. Tình hình phát triển năng lượng 2 1.2.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió 3 1.2.2. Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai 7 1.2.3. Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam 11 1.3. Các vấn đề khi ghép nối hệ thống phát điện DFIG với lưới điện 13 1.4. Các nghiên cứu về máy phát điện gió DFIG đã thực hiện: 13 1.5. Mục tiêu của đề tài 14 1.6. Nhiệm vụ của đề tài 14 1.7. Phương pháp nghiên cứu: 15 Chương 2: 16 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1. Hệ thống sản xuất năng lượng gió 16 2.2. Các hệ thống tua bin gió 17 2.3. So sánh giữa các hệ thống phát bằng tua bin gió 19 vi
10. 2.4. Hệ thống máy phát điện gió nguồn kép 20 2.5. Các thành phần máy phát điện gió 22 Chương 3: 26 XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 26 3.1. Giới thiệu các hê thống phát điện gió sử dụng DFIG: 26 3.2. Mô hình toán của máy phát điện gió [17] 28 3.2.1. Chuyển đổi giữa các hệ trục tọa độ 28 3.2.2. Mô hình máy phát điện gió DFIG 29 3.2. Hệ thống lưới điện nghiên cứu trong đề tài 33 3.3. Khái niệm thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) 34 3.3.1. Khái niệm hệ mờ (Fuzzy control) 34 3.3.2. Khái niệm hệ nơ ron (Neuro) 35 3.3.3. Thuật toán điều khiển hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) 37 3.4. Sử dụng thuật toán điều khiển hệ mờ FLC vào máy phát gió DFIG 39 Chương 4: 43 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 43 4.1. Mô hình matlab: 43 4.2. Mô hình các khối trong máy phát điện gió DFIG 43 4.2.1. Mô hình khối tổng quát của hệ thống máy phát gió DFIG 43 4.2.2. Mô hình điều khiển GSC sử dụng thuật điều khiển PI 45 4.2.3. Huấn luyện mạng ANFIS 46 4.2.4. Mô hình điều khiển GSC sử dụng thuật điều khiển ANFIS bằng MATLAB 47 4.2.5. Khởi tạo bộ điều khiển ANFIS thay thế bộ điều khiển PI sử dụng MATLAB 48 4.3. Kết quả mô phỏng 50 4.3.1. Kết quả mô phỏng khi thay đổi công suất đầu vào của máy phát SG1 50 4.3.2. Kết quả mô phỏng khi xãy ra sự cố ngắn mạch ở đường dây 5-8 trong 5 chu kỳ. 52 4.3.3. Kết quả mô phỏng khi xãy ra sự cố ngắn mạch ở đường dây 5-8 trong 5 chu kỳ. 54 Chương 5: 60 KẾT LUẬN 60 vii
11. 5.1 Nội dung cơ bản đã thực hiện. 60 5.2 Hướng phát triển đề tài. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 viii
12. DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DFIG Doubly Fed Induction Generator PI Proportional Intergral ANFIS Adaptive Neural Fuzzy Inference System GSC Grid Side Converter RSC Rotor Side Converter HDI Human Development Index GNP Gross National Product NASA National Aeronautics and Space Administration IG Induction Generator DC Direct Current AC Alternate Current FLC Fuzzy Logic Controller NB Negative Big NM Negative Medium NS Negative Small ZE Zero PS Positive Small PM Positive Medium PB Positive Big Pm Công suất cơ đầu vào của tua bin gió (W). Đây là công suất lấy từ dòng không khí (gió) đi qua tua bin. r Tỉ trọng của không khí (kg/m3) Ar Diện tích cánh quạt chịu tác động của gió (m2) VW Vận tốc gió (m/s) Cp Hệ số công suất của tua bin gió Wbld Vận tốc góc của cánh quạt (rad/s) Rbld Bán kính cánh quạt (m) λ Tỉ lệ ngưỡng vận tốc b Góc quay của cánh quạt (0 độ) c1-c9 Các hệ số. [20] p Đại lượng vi phân theo thời gian (d/dt) Hh, Hg Hệ số quán tính của trục cánh quạt và trục rotor wh, wg Vận tốc góc của trục cánh quạt và trục rotor Dhg Hệ số truyền của hộp số Khg Độ cứng của lò xo θhg Góc lệch giữa hộp số và trục rotor Tm Mô men đầu vào của máy phát DFIG Te Mô men điện từ của máy phát DFIG va : Điện áp pha a (V) vb : Điện áp pha b (V) ix
13. vc : Điện áp pha c (V) vd : Điện áp trục d hệ quy chiếu dq (V) vq : Điện áp trục q hệ quy chiếu dq (V) vα : Điện áp trục α hệ quy chiếu αβ (V) vβ : Điện áp trục β hệ quy chiếu αβ (V) is : Dòng điện stator (A) ir : Dòng điện rotor (A) Rs : Điện trở stator (Ω) Ls : Điện cảm stator (H) Lr : Điện cảm rotor (H) Lm : Điện cảm từ hóa (H) Ls λ : Điện cảm rò dây quấn stator (H) Lr λ : Điện cảm rò dây quấn rotor (H) ψ ds : Từ thông trục d stator (Wb) ψ qs : Từ thông trục q stator (Wb) ψ dr : Từ thông trục d rotor (Wb) ψ qr : Từ thông trục q rotor (Wb) Lf : Điện cảm cuộn kháng lọc inverter nối lưới (H) Rf : Điện trở cuộn kháng lọc inverter nối lưới (Ω) UDC : Điện áp một chiều trung gian của converter (H) CDC : Điện dung trung gian của converter (H) mf : Tỷ số điều chế tần số ma : Tỷ số điều chế biên độ Các ký hiệu chỉ số - Chỉ số trên s : Quy về phía stator r : Quy về phía rotor ref hoặc * : Giá trị tham chiếu (giá trị đặt) - Chỉ số dưới s : Các đại lượng của stator r : Các đại lượng của rotor turb : Các đại lượng của turbine d; q : Các đại lượng quy chiếu trục d hoặc q của hệ quy chiếu dq α; β : Các đại lượng quy chiếu trục α hoặc β của hệ quy chiếu αβ a; b; c : Các đại lượng pha a; pha b; pha c tương ứng x
14. DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng TRANG Bảng 1.1 Tổng sản lượng quốc gia và thể hiện lượng tiêu thụ điện ở Hà Lan 11 Bảng 3.1 So sánh giữa mạng nơ ron và logic mờ 39 xi
15. DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình TRANG Hình 1.1 Tổng sản lượng quốc gia và thể hiện lượng tiêu thụ điện ở Hà Lan 2 Hình 1.2 Cối xay gió cổ ở đảo Anh 4 Hình 1.3 Cối xay gió cổ ở đảo Anh 5 Hình 1.4 Nông trường gió ở hệ thống năng lượng tái tạo công ty Hamish Hill 8 Hình 1.5 Biểu đồ sản suất năng lượng của thế giới 9 Hình 1.6 Kích cỡ và công suất định mức máy phát điện gió trên thị trường 10 Hình 2.1 Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện 16 Hình 2.2 Tua bin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ IG 17 Hình 2.3 Tua bin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ IG 18 Hình 2.4 Tua bin gió điều khiển tốc độ với máy phát không đồng bộ SG 18 Hình 2.5 Tua bin gió điều khiển tốc độ với máy phát nguồn kép DFIG 18 Hình 2.6 Hệ thống máy phát điện nguồn kép DFIG 20 Hình 2.7 Hướng công suất DFIG tương ứng tốc độ đồng bộ ω0 bên dưới 20 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý DFIG chuẩn 21 Hình 2.9 Các thành phần máy phát điện gió 23 Hình 2.10 Các loại cột tua bin gió 23 Hình 2.11 Tua bin gió 24 Hình 2.12 Hộp số của tua bin gió nhỏ 24 Hình 2.13 Mặt cắt máy điện 25 Hình 3.1 Quan hệ giữa hệ thống ba pha abc và hệ tọa độ αβ 29 Hình 3.2 Quan hệ giữa hệ thống ba pha αβ và hệ tọa độ dq 29 Hình 3.3 Mạch tương đương máy điện DFIG quy đổi về phía stator 30 Hình 3.4 Mạch tương đương máy điện DFIG trong hệ quy chiếu quay 31 Hình 3.5 Hệ thống khảo sát 3 máy phát 9 nút 33 Hình 3.6 Sơ đồ khối trên hệ trục d,q của máy phát trong hệ thống 34 Hình 3.7 Các khối chức năng của bộ Điều khiển mờ 34 Hình 3.8 Mô hình nơ ron đơn giản 36 Hình 3.9 Mạng nơ ron 3 lớp 36 Hình 3.10 Cấu trúc huấn luyện mạng nơ ron 37 Hình 3.11 GSC ổn định điện áp DC 39 Hình 3.12 GSC điều khiển công suất phản kháng 40 Hình 3.13 Khâu điểu chỉnh giá trị điện áp DC dùng bộ điều khiển FLC 40 Hình 3.14 Các hàm liên thuộc 41 Hình 3.15 Sơ đồ khối của bộ ổn định sử dụng FLC với ngõ vào sai số và tích phân sai số 41 Hình 3.16: sơ đồ điều khiển khối GSC 41 Hình 4.1 Hệ thống khảo sát 3 máy phát 9 nút sau khi thêm máy phát DFIG 43 Hình 4.2 Mô hình máy phát DFIG dạng khối trong phần mềm MATLAB 44 Hình 4.3 Sơ đồ khối GSC sử dụng thuật điều khiển PI 46 xii
16. Hình 4.4 Hình dạng của hàm liên thuộc 47 Hình 4.5 Sơ đồ khối GSC sử dụng thuật điều khiển ANFIS 47 Hình 4.6 Lưu đồ khởi tạo bộ điều khiển ANFIS 49 Hình 4.7 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển ANFIS 49 Hình 4.8 Kết quả mô phỏng khi thay đổi công suất đầu vào của máy phát SG1 51 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng khi ngắn mạch trên đường dây 5-8 53 Hình 4.10 Tốc độ gió thay đổi 54 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng khi tốc độ gió thay đổi 58 xiii
17. Chương1: TỔNG QUAN 1.1.Đặt vấn đề Sản xuất điện năng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong lĩnh vực xã hội và công nghiệp hóa. Việc phát năng lượng ngày càng tăng lên để đáp ứng cho sự phát triển của các ngành công nghiệp và tải tiêu thụ các hộ gia đình. Thông thường, điện năng sản xuất ở nhà máy điện được truyền tải đến các hộ nhỏ lẻ và khu công nghiệp thông qua mạng lưới truyền tải và phân phối. Nhìn chung, điện năng được sản xuất bằng cách chuyển hóa nguồn năng lượng tự nhiên thành năng lượng điện và truyền vào lưới điện. Các nguồn năng lượng tự nhiên hiện nay được chia làm hai dạng chính, đó là: • Nguồn năng lượng không tái sinh được như than đá, dầu nhiên liệu, khí đốt tự nhiên, năng lượng hạt nhân • Nguồn năng lượng tái sinh như năng lượng gió, khí hidro, năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, địa nhiệt, năng lượng từ đại dương Về lâu dài, nhu cầu phát điện không thể đáp ứng được khi chỉ sử dụng duy nhất nguồn năng lượng không tái tạo được vì trữ lượng có hạn và đang bị khai thác cạn kiệt dần do nhu cầu sửa dụng điện năng ngày càng tăng trên quy mô toàn cầu. Ngoài ra sản xuất điện từ năng lượng không tái tạo còn có các nhược điểm như làm ô nhiễm môi trường, tăng hiệu ứng nhà kính, giá thành sản xuất ngày càng tăng cao do giá nhiên liệu. Một trong những giải pháp tốt nhất khắc phục được những vấn đề trên mà vẫn đáp ứng được nhu cầu năng lượng là tích hợp sử dụng nguồn năng lượng tái tạo để sản xuất điện năng hòa vào lưới điện hiện có. Nguồn năng lượng tái tạo sử dụng phổ biến hiện nay là hệ thống máy phát điện gió với máy phát điện nguồn kép (DFIG – Doubly Fed Induction Generator) truyền động bằng các tua bin gió trong hệ thống cánh đồng gió (wind farm). 1
18. Khi sử dụng hệ thống phát điện bằng năng lượng tái tạo tích hợp vào hệ thống điện, một trong những yêu cầu cơ bản là khả năng ôn định của hệ thống phát điện.Để hệ thống DFIG hoạt động ổn định khi các sự cố xảy ra, ta thường sử dụng phối hợp nhiều biện pháp bảo vệ can thiệp vào giải thuật điều khiển ở nhiều khâu trong hệ thống máy phát DFIG như điều khiển PI, điều khiển mờ (Fuzzy control), điều khiển kiểu nơ ron (Neural) Mỗi giải thuật có những ưu điểm ứng dụng riêng của nó: điều khiển PI tối ưu cho các hệ tuyến tính, điều khiển mờ phụ thuộc vào kinh nghiệm của người thiết kế, điều khiển kiểu nơ ron có khả năng “học” từ các dữ liệu đã có. Trong những năm gần đây một trong những nghiên cứu xây dựng các giải thuật kết hợp ưu điểm của các giải thuật trước đó là giải thuật Hệ thống nơ ron mờ thích nghi (ANFIS – Adaptive Neural Fuzzy Inference System) để ổn mạch chuyển đối phía lưới (Grid Side Converter: GSC). 1.2. Tình hình phát triển năng lượng Năng lượng là dữ liệu vào cốt yếu đo lường phát triển kinh tế xã hội. Tốc độ tiêu thụ năng lượng của một Quốc gia thường phản chiếu mức thành công kinh tế mà nó đạt được. Kinh tế xã hội tốt có thể đánh giá bằng chỉ số phát triển con người HDI “Human Development Index”. Chỉ số HDI cao có lượng tiêu thụ năng lượng trên mỗi đầu người trong vùng từ 4000 đến 9000kg dầu mỗi năm [1]. Hình 1.1 là ví dụ về tăng trưởng kinh tế của quốc gia Hà Lan, khảo sát đo lường tổng thu nhập quốc gia (GNP) và lượng tiêu thụ điện đến năm 2010 [2]. Hình 1.1: Đường (chấm chấm) là tổng sản lượng quốc gia GNP và đường (nét liền) thể hiện lượng tiêu thụ điện ở Hà Lan 2
19. Dân số toàn cầu tăng mỗi ngày, sự tăng trưởng dân số ở các quốc gia đang phát triển nhanh hơn các quốc gia công nghiệp. Kết quả là dẫn đến nhu cầu năng lượng cũng tăng theo. Trong suốt 10 năm qua, năng lượng sơ cấp dùng ở các quốc gia công nghiệp tăng 1,5% mỗi năm và sự thay đổi tương ứng đó ở các quốc gia đang phát triển là 3,2% mỗi năm [2]. Nhu cầu năng lượng toàn cầu gặp nhiều thay đổi do nguồn khai thác. Năng lượng hóa thạch như (than, dầu và khí thiên nhiên) đáp ứng khoảng 80% cho nhu cầu, năng lượng hạt nhân xấp xỉ 7%, và 13% cung cấp từ năng lượng tái tạo. Ở hiện tại, năng lượng mới (gió, mặt trời v.v ) chỉ chiếm 2,2% [3]. Vì vậy nếu tiếp tục kịch bản như hiện tại, chúng ta phải dựa vào nguồn năng lượng hóa thạch để đáp ứng chủ yếu cho nhu cầu. Tuy nhiên năng lượng hóa thạch thì có hạn và chúng sẽ bị cạn kiệt trong thời gian tới. Điều này làm chúng ta phải có kế hoạch khám phá ra những nguồn năng lượng mới thay thế. Ngoài ra, môi trường cũng là đề tài mà cả thế giới hiện nay đang quan tâm, vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính do khí thải CO2 ở các nhà máy, các khu công nghiệp đã đến mức báo động. Theo đại đa số cho rằng, để giảm mức bức xạ và ô nhiễm môi trường thì phải ít nhất 10% năng lượng cung cấp cho chúng ta đến từ nguồn năng lượng sạch. 1.2.1. Lịch sử phát triển năng lượng gió Nỗ lực của con người trong việc khai thác năng lượng gió đã có từ thời cổ đại, khi họ sử dụng thuyền và tàu di chuyển bằng sức gió. Sau đó, năng lượng gió phục vụ con người làm hoạt động cối xay hạt và bơm nước. Trong suốt sự biến đổi từ những dụng cụ thô sơ và nặng nề đến những máy phức tạp và hiệu quả, kỹ thuật đã trải qua nhiều thời kỳ phát triển. Đã có những tranh luận về khái niệm nguồn gốc của việc sử dụng gió cho cơ năng. Một vài người tin rằng khái niệm này bắt nguồn từ người Babylon cổ đại. Vương triều Hammurabi của người Babylon có kế hoạch sử dụng năng lượng gió cho công trình hệ thống tưới tiêu đầy tham vọng trong suốt thế kỷ XVII trước Công 3
20. Nguyên [4]. Một số khác lại cho rằng nơi khai sinh ra cối xay gió là Ấn Độ. Trong thời đại Arthasastra, một tác phẩm cổ điển bằng tiếng Phạn viết bởi Kautiliya suốt thế kỷ thứ IV trước Công Nguyên, nguồn tham khảo được dựa trên việc nâng mặt nước bởi hệ thống được vận hành bởi gió [5]. Tuy nhiên, không có ghi chép nào chứng minh rằng những khái niệm trên biến đổi thành những thiết bị hiện nay. Bản thiết kế của người Ba Tư sử dụng cối xay gió để xay hạt được tìm thấy khoảng vào năm 200 trước Công Nguyên. Đó là những máy trục dọc có bản hứng gió được làm từ những bó lau sậy hay những tấm gỗ. Những bản hứng gió này được gắn vào cần trung tâm sử dụng thanh chống ngang. Kích thước của những bản hứng gió được quyết định bởi các vật liệu sử dụng, thường thì là dài 5m và cao 9m. Hình 1.2: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: Vào thế kỷ XIII, cối xay hạt được sử dụng hầu hết ở Âu Châu. Người Pháp thu nhập kỹ thuật này vào năm 1105 sau Công Nguyên và ở Anh vào năm 1191 trước Công Nguyên. Ngược lại với mẫu thiết kế trục dọc của người Ba Tư, cối xay của Châu Âu lại có trục ngang. Người Hà Lan, với nhà thiết kế trứ danh Jan Adriaenszoon, là những người đi tiên phong trong việc thiết kế ra những loại cối xay này. Chúng đã tạo nên sự 4
21. phát triển trong lĩnh vực thiết kế và phát minh vài loại cối xay. Ngoài việc xay hạt, cối xay gió còn được dùng để tháo nước những vùng đầm lầy ở Hà Lan. Những cối xay gió này du nhập vào Mỹ vào khoảng giữa những năm 1700, nhờ vào thực dân Hà Lan. Loại này mô phỏng theo cối xay gió bơm nước, được cho rằng là một trong những ứng dụng thành công của năng lượng gió. Tua bin gió nhiều cánh (được gọi theo người Mỹ) xuất hiện trong lịch sử năng lượng gió vào khoảng giữa những năm 1800. Rotor tương đối nhỏ, có đường kính khoảng từ một đến vài mét, được sử dụng trong thiết kế này. Ứng dụng chủ yếu để bơm nước từ vài mét dưới mặt đất để phục vụ cho nông nghiệp. Những máy bơm nước này, với những cánh quạt bằng kim loại và thiết kế máy tốt hơn đã hoạt động khá tốt. Khoảng 6 triệu cái như vậy đã được sử dụng ở riêng Mỹ, vào khoảng năm 1850 và 1930. Hình 1.3: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm 1900. Tua bin gió hiện đại đầu tiên được thiết kế đặc biệt cho máy phát điện được xây dựng bởi người Đan Mạch trong năm 1890. Nó cung cấp điện cho vùng nông 5
22. thôn. Lần đầu tiên, hộp truyền động gia tốc được giới thiệu trong mẫu thiết kế. Hệ thống này hoạt động trong 20 năm với công suất định mức là 12 kW. Nhiều phương pháp hệ thống cũng được ứng dụng trong thiết kế kỹ thuật của tua bin trong suốt giai đoạn này. Với kết cấu vững chắc thấp và cánh quạt thiết kế theo động lực học, những hệ thống này đã hoạt động một cách ấn tượng. Năm 1910, vài trăm loại máy kiểu này đã cung cấp điện năng cho những ngôi làng ở Đan Mạch. Vào khoảng năm 1925, máy phát điện bằng sức gió đã có mặt trên thị trường Mỹ. Nhà máy năng lượng gió thực nghiệm sau đó được xây dựng ở các nước khác như Mỹ, Đan Mạch, Pháp, Đức và Anh. Một sự phát triển đáng chú ý trong hệ thống lớn này là tua bin 1250 kW thiết kế bởi Palmer C. Putman. Tua bin được đưa vào sử dụng vào năm 1941 tại Grandpa’s Knob gần Rutland, Vermont [6]. Roto 53m của nó được thiết lập trên cột cao 34m. Máy này có thể đạt vận tốc ổn định bằng cách thay đổi góc xoay (pitch) của cánh quạt và hoạt động 1100 tiếng đồng hồ trong suốt 5 năm tiếp theo, đến khi cánh quạt bị hỏng vào năm 1945. Công trình này được nhận xét là đã thành công vì nó có thể chứng minh tính khả thi về kỹ thuật của máy phát điện sức gió công suất lớn. Một vài mẫu thiết kế của tua bin gió được thực nghiệm trong giai đoạn này. Darrieus G.J.M, một kỹ sư người Pháp, đã dồn sức vào mẫu thiết kế tua bin Darrieus năm 1920, và được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1931 [7]. Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của tua bin gió xuất hiện trong những năm 1950. Ví dụ như roto nhẹ và có tốc độ cố định phát triển ở Đức vào năm 1968. Chúng có cánh làm bằng sợi thủy tinh được gắn trên cột rỗng cố định bởi các dây cáp chằng. Loại lớn nhất có đường kính 15m và công suất là 100kW. Trong những năm sau đó, nguồn sơ cấp để sản xuất ra điện khai thác từ nhiên liệu hóa thạch trở nên rẻ và tin cậy hơn. Trong khi đó, nguồn năng lượng gió khai thác từ gió tốn 12 đến 30 cent/kWh trong năm 1940, thì với sản lượng tương tự thì khai thác từ những nguồn nhiên liệu khác chỉ tốn 3 đến 6 cent/kWh vào năm 1970. Chi phí cho điện năng khai thác từ nhiên liệu hóa thạch giảm xuống thấp hơn 3 cent/kWh năm 1970. Nhiên liệu hóa thạch có ở nhiều nơi với giá khá rẻ trong thời 6