Tài liệu điều khiển định hướng từ thông máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA VÕ XUÂN HẢI ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2009 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Phạm Đình Trực ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… PGS.TS. NGUYỄN VĂN NHỜ Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Lê Minh Phương ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………………… TS. LÊ MINH PHƯƠNG Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM, ngày 28 Tháng 12 năm 2009. TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày tháng năm 2009 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Võ Xuân Hải Ngày, tháng, năm sinh: Chuyên ngành: Phái: Nam 12/01/1978 Nơi sinh: Khánh Hòa Thiết bị, Mạng và Nhà máy điện MSHV: 01807275 I- TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỊNH HƯỚNG TỪ THÔNG MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ KHÔNG ĐỒNG BỘ NGUỒN KÉP. II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Mô hình hóa máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink và so sánh kết quả với mô hình phần mềm EMTPWorks. - Mô hình hóa tuabin gió và điều khiển tốc độ máy phát. - Xây dựng mô hình Matlab Simulink điều khiển độc lập công suất thực, công suất kháng của máy phát, điều khiển tối ưu công suất phát của máy phát điện gió DFIG và các chế độ vận hành của máy. III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 15 tháng 06 năm 2009 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2009 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua. CN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH CÁN BỘ HƯỚNG DẪN TS. PHẠM ĐÌNH TRỰC CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH LỜI CẢM ƠN Tôi xin đặc biệt cảm ơn thầy TS. Phạm Đình Trực đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong học tập cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn, những ý kiến quí báu của thầy giúp tôi học tập khắc phục được nhiều thiếu sót để hoàn thành luận văn. Chân thành cảm ơn thầy, cô Khoa Điện – Điện tử Trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh đã tận tình truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khóa học tại trường. Cảm ơn bạn bè cùng chia sẻ trao dồi kiến thức trong học tập cũng như trong quá trình thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân yêu đã luôn tạo điều kiện, động viên, giúp đỡ là chỗ vựa vững chắc giúp tôi an tâm học tập vượt qua những khó khăn trong thời gian qua. Danh sách các kí hiệu sử dụng trong đề án Kí hiệu Chú giải k : Hệ số hình dạng C : Hệ số tỷ lệ z : Chiều cao cách mặt đất [m] zo : Hệ số chiều cao do bề mặt địa hình zref : Chiều cao tham khảo (thường là 10m) V : Vận tốc gió trung bình [m/s] α : Hệ số bề mặt địa hình Ek : Động năng gió trong một đơn vị thể tích [J] ρ : Mật độ không khí [kg/m3] Pv : Công suất gió xuyên qua cánh quạt tuabin [W] A : Diện tích hứng gió [m2] W : Năng lượng gió [J] Ptotal : Tổng công suất phát DFIG [W] Ps : Công suất stator máy phát [W] Pr : Công suất rotor máy phát [W] Pgrid : Công suất inverter phía lưới [W] Pm : Công suất điện từ [W] Pturb : Công suất tuabin [W] Qs : Công suất kháng stator máy phát [VAr] Qr : Công suất kháng rotor máy phát [VAr] Qg : Công suất kháng inverter lưới [VAr] s : Độ trượt của máy phát ωs : Vận tốc góc stator (lưới) [rad/s] ωr : Vận tốc góc điện của rotor [rad/s] ωm : Vận tốc góc cơ của rotor [rad/s] ωturb : Vận tốc rotor turbine [rad/s] R : Bán kính quạt gió turbine [m] vw : Tốc độ gió [m/s] λ : Tỉ số tốc độ Cp(λ,β) : Hiệu suất tuabin Tturb : Moment trục tuabin [N.m] Tshaft : Monmen trục thanh truyền [N.m] Te : Monmen điện từ [N.m] Jturb : Moment quán tính tuabin [kg.m2] Jgen : Moment quán tính máy phát [kg.m2] G : Tỉ số hộp số Kms : Độ cứng thanh truyền [N.m/rad] Dm : Hệ số rung [N.m/s] va : Điện áp pha a [V] vb : Điện áp pha b [V] vc : Điện áp pha c [V] vd : Điện áp trục d hệ qui chiếu dq [V] vq : Điện áp trục q hệ qui chiếu dq [V] vα : Điện trục qui chiếu α [V] vβ : Điện trục qui chiếu β [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] Lsλ : Điện cảm rò dây quấn stator [H] Lrλ : Điện cảm rò dây quấn rotor [H] Ψds : Từ thông trục d stator [Wb] Ψqs : Từ thông trục q stator [Wb] Ψdr : Từ thông trục d rotor [Wb] Ψqr : Từ thông trục q rotor [Wb] ωslip : Tốc độ trược máy phát Lf : Điện cảm cuộc kháng lọc inveter nối lưới [H] Rf : Điện trở cuộc kháng lọc inveter nối lưới [Ω] UDC : Điện áp một chiều trung gian của converter [V] CDC : Điện dung trung gian của converter [F] mf : Tỉ số điều chế tần số ma : Tỉ số điều chế biên độ Các kí hiệu chỉ số - Chỉ số trên S : Qui về phía stator r : Qui 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 tuabin d;q : Các đại lượng qui chiếu trục d hoặc q hệ qui chiếu dq α;β : Các đại lượng qui chiếu trục α hoặc β hệ qui chiếu αβ a ; b; c : Các đại lượng pha a; pha b; pha c tương ứng Mở đầu MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, năng lượng có lẽ là yếu tố quan trọng nhất tác động đến phát triển chung của xã hội. Con người đã biết đến dầu mỏ cả ngàn năm, nhưng dầu mỏ chỉ sử dụng nhiều giữa thế kỷ 19. Từ đó đến nay mới chỉ gần 200 năm nhưng con người đã dùng phần lớn năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt và than đã tích tụ cả hàng chục triệu năm mới có được. Để giảm bớt tình trạng phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người đã tiến hành khai thác thêm các nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân và các nguồn năng lượng tái tạo. Hiện nay, ở các nước phát triển như châu Âu, châu Mỹ v.v… đang đặc biệt quan tâm nghiên cứu và phát triển nguồn năng lượng tái tạo như gió, mặt trời v.v.., vì nguồn năng lượng này gần như không gây ô nhiễm đến môi trường và có trữ lượng vô hạn. Đây cũng là mục tiêu giải quyết vấn đề cạn kiệt năng lượng trong tương lai. Tuy nhiên yếu điểm lớn nhất các nguồn năng lượng tái tạo thường không tập trung, đầu tư rãi rác và phải ứng dụng khá nhiều vào kỹ thuật mới. Do đó, giá thành xản suất điện trên 1kWh tương đối cao. Theo xu hướng phát triển của thế giới, các ngành kỹ thuật cao ngày càng phát triển và ứng dụng ngày càng nhiều hơn thì giá thành của năng lượng tái tạo sẽ giảm dần trong khi giá năng lượng hóa thạch sẽ tăng dần đến một lúc nào đó giá năng lượng tái tạo sẽ ngang bằng năng lượng hóa thạch, thậm chí thấp hơn trong vài thập niên tới. Một kỹ thuật ứng dụng được giới thiệu trong đề án: Xây dựng hệ thống chuyển đổi năng lượng gió từ máy phát không đồng bộ turbine gió. Dựa vào kỹ thuật điều khiển đóng ngắt các van bán dẫn các thiết bị điện tử công suất để điều khiển công suất phát của máy phát điện gió. Nhằm tìm hiểu một cách đầy đủ hơn về nguyên lý điều khiển máy phát turbine gió, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu mô hình máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép điều khiển tốc độ và công suất máy phát bằng phương pháp điều điều khiển định hường từ thông. Với mục tiêu này cấu trúc luận văn gồm 6 chương cụ thể như sau: Mở đầu MỤC LỤC Trang Chương 1: Tổng quan năng lượng gió………………………………………… 1 1.1 Tình hình phát triển năng lượng……………………………………… 1 1.2 Lịch sử phát triển năng lượng gió………………………..……………2 1.3 Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai……………………………. 6 1.4 Tài nguyên năng lượng gió trên lãnh thổ Việt Nam………………..... 9 1.5 Các công trình nghiên cứu liên quan…………………………………11 Chương 2: Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió………………………………13 2.1 Hệ thống sản xuất năng lượng điện.………………………………… 13 2.2 Quá trình chuyển đổi năng lượng gió………………………..……... 13 2.3 Khai thác năng lượng gió………………………………………….... 21 2.4 So sánh giữa các hệ thống phát bằng tuabin gió………………….... 24 2.5 Hệ thống máy phát điện gió nguồn kép…………………………….. 26 2.6 Các thành phần máy phát điện gió………………………………….. 28 Chương 3: Mô hình turbine gió với máy phát điện nguồn kép DFIG………. 32 3.1 Mô hình tuabin gió.…………………………………………..………32 3.2 Phương trình chuyển đổi hệ qui chiếu……………………..…...…... 34 3.3 Phương trình toán máy điện không đồng bộ nguồn kép DFIG…….. 36 3.4 Mô hình tuabin gió với máy phát nguồn kép tromg Matlab simulink.41 3.5 Mô hình máy phát DFIG trong chương trình EMTPWorks………… 46 3.6 Kết quả mô phỏng……………………………………………………48 Chương 4: Lý thuyết điều khiển vectơ từ thông máy phát điện gió không đồng bộ nguồn kép………………………………………………….…… 53 4.1 Điều khiển moment động cơ DC…………………………..….……. 53 4.2 Điều khiển moment động cơ AC…………..…...….………………... 54 Mở đầu 4.3 Phương trình điều khiển định hướng từ thông stator máy điện DFIG………………………………………………………………… 55 4.4 Điều khiển Converter phía rotor..…………………………………… 58 4.5 Điều khiển Converter phía lưới…………………………………...… 59 4.6 Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup …………… 62 4.7 Bộ biến đổi công suất back to back AC-DC-AC………………..…...64 4.8 Mô hình điều khiển tốc độ và công suất tubin gió với máy phát DFIG……………………………………………………………… 68 Chương 5: Mô hình và kết quả mô phỏng điều khiển máy phát điện gió DFIG trong Matlab Simulink………………………….………...……… 70 5.1 Mô hình điều khiển Matlab Simulink máy phát điện DFIG_22kW… 70 5.2 Kết quả mô phỏng điều khiển máy phát điện DFIG_2.3MW..….….. 92 Chương 6: Kết luận và định hướng đề tài……………………………….…… 98 6.1 Kết luận………………………………………………………………98 6.2 Hướng phát triển đề tài..….….……………………………………… 98 Tài liệu tham khảo Mở đầu Danh sách liệt kê hình minh họa và mô phỏng Hình 1.1: Đường (chấm chấm) là tổng sản lượng quốc gia GNP và đường (nét liền) thể hiện lượng tiêu thu điện ở Netherlands …………………… 1 Hình 1.2: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: http://wikipedia.org)…………… 3 Hình 1.3: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: http://wikipedia.org)…………… 4 Hình 1.4: Tuabin gió MOD OA (Công ty điện Hawaiian, nguồn http://heco.com)……………………………………………………… 6 Hình 1.5: Nông trường gió (Hệ thống năng lượng tái tạo công ty Hamish Hill, www.resltd.com)…………………………………………………… 7 Hình 1.6: Khả năng lắp đặt năng (MW) ở những vùng khác nhau …………… 8 Hình 1.7: Kích cỡ và công suất định mức máy phát điện gió phát triển trên thị trường………………………………………………………………….9 Hình 2.1: Sản xuất năng lượng điện từ năng lượng đốt và hạt nhân……………13 Hình 2.2: Các dạng năng lượng thành năng lượng điện……………………… 14 Hình 2.3: (a) Phân bố xác suất Weibull và (b) Phân bố mật độ công suất…… 15 Hình 2.4: (a) Mật độ xác phân bố Rayleigh tương ứng vận tốc trung bình…….17 Hình 2.5: Đường cong hiệu suất rotor theo lý thuyết………………………… 18 Hình 2.6: Đường cong công suất lý tưởng tuabin gió………………………… 19 Hình 2.7: Đường cong hiệu suất tuabin gió…………………………………… 20 Hình 2.8: Chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện………………… 21 Hình 2.9: Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ IG…………22 Hình 2.10: Tuabin gió tốc độ cố định với máy phát không đồng bộ IG……… 23 Hình 2.11: Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát không đồng bộ SG…… 23 Hình 2.12: Tuabin gió điều khiển tốc độ với máy phát nguồn kép DFIG……… 24 Hình 2.13: Hướng công suất DFIG tương ứng tốc độ đồng bộ ω0 bên dưới… 26 Hình 2.14: Sơ đồ nguyên lý DFIG chuẩn……………………………………… 27 Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý máy phát gép cascaded CDFG…………………… 27 Hình 2.16: Sơ đồ nguyên lý máy phát BFDG……………………………………28 Mở đầu Hình 2.17: Các thành phần máy phát điện gió……………………………… 29 Hình 2.18: Các loại cột tuabin gió……………………………………………… 29 Hình 2.19: (a) tuabin gió trục thẳng đứng, (b) tuabin gió trục nằm ngang……… 30 Hình 2.20: Hộp số của tuabin gió nhỏ…………………… …………………… 30 Hình 2.21: Mặt cắt máy điện…………………………………………………… 31 Hình 3.1: Tuabin gió với máy phát điện nguồn kép DFIG…………………… 32 Hình 3.2: Mô hình tuabin gió………………………………………………… 33 Hình 3.3: Nguyên lý vectơ không gian…………………………………………34 Hình 3.4: Quan hệ giữa hệ qui chiếu αβ và dq…………………………………35 Hình 3.5: Mạch tương đương máy điện DFIG qui đổi về phía stator………… 38 Hình 3.6: Mạch tương đương máy điện DFIG trong hệ qui chiếu quay……… 38 Hình 3.7: Mô hình tuabin gió với máy phát điện DFIG (chưa xét đến hệ thống điều khiển)……………………………………………………………41 Hình 3.8: Mô hình tuabin gió với máy phát điện DFIG……………………… 41 Hình 3.9: Mô hình trục truyền động………………………………………… 42 Hình 3.10: Mô hình máy phát DFIG…………………………………………… 42 Hình 3.11: Mô hình abc2dq…………………………………………………… 43 Hình 3.12: Mô hình 2dqabc…………………………………………………… 44 Hình 3.13: Mô hình phương trình máy phát điện DFIG……………………… 45 Hình 3.14: Mô hình tính toán từ thông………………………………………… 46 Hình 3.15: Mô hình EMTP-RV………………………………………………… 46 Hình 3.16: Kết quả mô phỏng mô hình DFIG chưa xét tuabin gió………………50 Hình 3.17: Kết quả mô phỏng DFIG ngắn mạch 3 pha tại đầu cực stator, thời điểm t = 3s………………………………………………………………… 50 Hình 3.18: Kết quả mô phỏng mô hình máy phát điện DFIG với tuabin gió…… 52 Hình 4.1: Hướng từ thông kích từ và dòng phần ứng trong máy điện DC…… 53 Hình 4.2: Điều khiển vectơ trong định hướng từ thông stator……………… Hình 4.3: Quan hệ giữa hệ qui chiếu tĩnh và hệ chiếu quay dq……………… 56 54 Mở đầu Hình 4.4: Điều khiển định hướng từ thông stator cho hệ thống DFIG………… 59 Hình 4.5: Điều khiển Converter phía lưới………………………………………60 Hình 4.6: Mô hình Converter cầu 3 pha đầy đủ phía lưới………………………61 Hình 4.7: Bộ hiệu chỉnh PID Setpoint weighting và Anti-Windup…………… 62 Hình 4.8: Bộ nghịch lưu áp ba pha…………………………………………… 65 Hình 4.9: Giản đồ xung kích phương pháp PWM…………………………… 67 Hình 4.10: Sơ đồ điều khiển góc pitch………………………………………… 68 Hình 4.11: Sơ đồ tổng thể điều khiển máy phát DFIG………………………… 69 Hình 5.1: Mô hình tổng thể điều khiển máy phát điện DFIG 22kW……… 70 Hình 5.2: Mô hình điều khiển coverter phía rotor máy phát và lưới………… 71 Hình 5.3: Mô hình điều khiển converter phía rotor…………………………… 71 Hình 5.4: Khối “estimate ims” tính toán vị trí rotor và dòng từ hóa………… 72 Hình 5.5: Khối chuyển abc sang αβ…………………………………………… 72 Hình 5.6: Khối “Decoupling voltage” tính điện áp điều chỉnh rotor………… 73 Hình 5.7: Mô hình điều khiển converter phía lưới………………………… Hình 5.8: Khối DC-link1 điều khiển điện áp DC……………………………… 74 Hình 5.9: Khối điều khiển góc pitch……………………………………………74 73 Hình 5.10: Mô hình bộ nghịch lưu áp……………………………………………74 Hình 5.11: Khối tín hiệu tạo xung kích………………………………………… 75 Hình 5.12: Kết quả điều khiển idr của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 76 Hình 5.13: Kết quả điều khiển iqr của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 77 Hình 5.14: Kết quả điều khiển tốc độ DFIG_22kW 1650 – 1350 vòng/phút……79 Hình 5.15: Mô hình điều khiển độc lập công suất tác dụng và công suất kháng 80 Hình 5.16: Kết quả điều khiển Ps của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 82 Hình 5.17: Kết quả điều khiển Qs của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức… 85 Hình 5.18: Kết quả điều khiển tốc độ của DFIG_22kW khi tốc độ gió định mức 86 Hình 5.19: Mô hình điều khiển độc lập công suất thực và công suất kháng, trường hợp tốc độ gió thay đổi………………………………………… 88 Mở đầu Hình 5.20: Kết quả điều khiển Ps của DFIG_22kW khi tốc độ gió thay đổi…… 89 Hình 5.21: Mô hình điều khiển phát công suất tối ưu……………………………90 Hình 5.22: Đường cong cong suất tối ưu của tuabin gió DFIG_22kW………… 90 Hình 5.23: Kết quả điều khiển tối ưu công suất máy điện DFIG_22kW……… 92 Hình 5.24: Kết quả điều khiển Ps máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió định mức……………………………………………………………… 93 Hình 5.25: Kết quả điều khiển Qs máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió định mức………………………………………………………………… 94 Hình 5.26: Kết quả điều khiển P máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió thay đổi…………………………………………………………………… 96 Hình 5.27: Kết quả điều khiển Q máy điện DFIG_2.3MW khi tốc độ gió thay đổi…………………………………………………………………… 97 Danh sách liệt kê bảng biểu Bảng 1.1: Những quốc gia dẫn đầu máy điện gió……………………………… 8 Bảng 1.2: Tỉ số Wzi/ W10……………………………………………………… 10 Bảng 2.1: Giá trị điển hình chiều cao z0 và thành phần α theo từng loại địa hình………………………………………………………………… 16 Bảng 2.2 Lợi ích và bất lợi của các hệ thống phát điện tuabin gió…………… 25 Bảng 3.1 Các thông số cơ bản………………………………………………… 40 Chương 1 Tổng quan năng lượng gió CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NĂNG LƯỢNG GIÓ 1.1 Tổng quan về 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 trong suốt 60 năm qua [2]. Hình 1.1: Đường (chấm chấm) là tổng sản lượng quốc gia GNP và đường (nét liền) thể hiện lượng tiêu thu điện ở Hà Lan 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 1 Chương 1 Tổng quan năng lượng gió 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 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 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 xây 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. 2 Chương 1 Tổng quan năng lượng gió Hình 1.2: Cối xay gió cổ ở đảo Anh (nguồn: http://wikipedia.org) 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 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. Tuabin gió nhiều cánh (được gọi theo người Mỹ) xuất hiện trong lịch sử năng lượng gió vào khoảng giữa những năm 1800. Roto 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 3 Chương 1 Tổng quan năng lượng gió 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: http://wikipedia.org) Kỷ nguyên của máy phát điện dùng sức gió bắt đầu vào cận những năm 1900. Tuabin 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 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 tuabin 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 tuabin 1250 kW thiết kế bởi Palmer C. Putman. Tuabin được đưa 4 Chương 1 Tổng quan năng lượng gió 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 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 tuabin gió được thực nghiệm trong giai đoạn này. Darrieus G.J.M, một kỹ sư người Pháp, đã dồn sức vào mẫu thiết kế tuabin Darrieus năm 1920, và được cấp bằng sáng chế ở Mỹ năm 1931 [7]. Nghiên cứu tập trung về nguyên lý hoạt động của tuabin 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 điểm đó. Một vài dự án năng lượng hạt nhân cũng được bắt tay vào thực hiện, và được tin tưởng rằng nó sẽ là nguồn năng lượng cuối cùng cho nhu cầu năng lượng trong tương lai. Do đó mối quan tâm về năng lượng gió giảm từ từ, đặc biệt trong năm 1970. Tuy nhiên khủng hoảng dầu năm 1973 đã buộc các nhà khoa học, kỹ sư và những nhà hoạch định chính sách phải suy nghĩ kỹ lại về việc dựa vào nhiên liệu hóa thạch. Họ nhận ra rằng sự xáo trộn về chính sách sẽ hạn chế và giá cả leo thang. Hơn nữa, người ta còn nhận thấy rằng nguồn dự trữ nhiên liệu hóa thạch sớm hay muộn sẽ bị cạn kiệt. Năng lượng hạt nhân thì không được chấp nhận vì nhiều lý do về sự an toàn. Những nhân tố trên đã làm sống lại mối quan tâm về năng lượng gió. Nghiên cứu về sự phân tích nguồn năng lượng, sự phát triển của thiết bị và các kỹ thuật giảm hao phí đã được tăng cường. Mỹ đã giao phó cho Cơ quan hàng không 5 Chương 1 Tổng quan năng lượng gió và không gian Hoa kỳ (NASA) việc phát triển tuabin gió cỡ lớn. Kết quả là một loạt tuabin trục ngang với tên gọi là MOD-0, MOD-1, MOD-2 và MOD-5 ra đời. Những dự án trên đã ngưng vào giữa thập niên 1980 vì nhiều lý do khác nhau. Trong cùng thời điểm trên, những nhà khoa học ở phòng thí nghiệm Sandia đã tập trung nghiên cứu mẫu thiết kế và phát triển tuabin Darrieus. Họ sản xuất vài mẫu Darrieus với kích cỡ khác nhau trong thập niên 1980. Việc nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được trở nên mạnh mẽ trong những năm sau đó. Một vài sáng kiến mới như tuabin xoáy, kiểu tăng cường máy khuếch tán, roto Musgrove… cũng đã được đề nghị trong giai đoạn đó. Nguyên mẫu của các loại tuabin này đã được chế tạo và thử nghiệm. Tuy nhiên, mẫu thiết kế với cánh quạt trục ngang đã nổi bật trên thị trường tiêu dùng. Hình 1.4: Tuabin gió MOD OA (Công ty điện Hawaiian, nguồn http://heco.com) 1.3 Tình hình hiện tại và triển vọng tương lai Dựa vào lời cam kết của chúng ta về việc giảm thiểu tác động môi trường và cung cấp đầy đủ năng lượng để phát triển thế giới, đã có nhiều nỗ lực trong việc cung cấp năng lượng dựa trên nguồn tài nguyên có thể phục hồi. Một vài quốc gia đã đưa ra những khuôn khổ về chính sách đảm bảo rằng nguồn tài nguyên có thể 6