Tài liệu Nghiên cứu thuật toán điều khiển máy phát điện gió dfig

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 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 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 Hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016 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:[email protected] 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 Công việc đảm nhiệm Nơi công tác 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 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 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 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 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 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 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 5.1 Nội dung cơ bản đã thực hiện. ..................................................................... 60 5.2 Hướng phát triển đề tài................................................................................. 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 62 viii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DFIG PI ANFIS GSC RSC HDI GNP NASA IG DC AC FLC NB NM NS ZE PS PM PB Pm r Ar VW Cp Wbld Rbld λ b c1-c9 p Hh, Hg wh, wg Dhg Khg θhg Tm Te va : vb : Doubly Fed Induction Generator Proportional Intergral Adaptive Neural Fuzzy Inference System Grid Side Converter Rotor Side Converter Human Development Index Gross National Product National Aeronautics and Space Administration Induction Generator Direct Current Alternate Current Fuzzy Logic Controller Negative Big Negative Medium Negative Small Zero Positive Small Positive Medium Positive Big Công suất cơ đầu vào của tua bin gió (W). Đây là công suất lấy từ dòng không khí (gió) đi qua tua bin. Tỉ trọng của không khí (kg/m3) Diện tích cánh quạt chịu tác động của gió (m2) Vận tốc gió (m/s) Hệ số công suất của tua bin gió Vận tốc góc của cánh quạt (rad/s) Bán kính cánh quạt (m) Tỉ lệ ngưỡng vận tốc Góc quay của cánh quạt (0 độ) Các hệ số. [20] Đại lượng vi phân theo thời gian (d/dt) Hệ số quán tính của trục cánh quạt và trục rotor Vận tốc góc của trục cánh quạt và trục rotor Hệ số truyền của hộp số Độ cứng của lò xo Góc lệch giữa hộp số và trục rotor Mô men đầu vào của máy phát DFIG Mô men điện từ của máy phát DFIG Điện áp pha a (V) Điện áp pha b (V) ix vc : vd : vq : vα : vβ : is : ir : Rs : Ls : Lr : Lm : Ls λ : Lr λ : ψ ds : ψ qs : ψ dr : ψ qr : Lf : Rf : UDC : CDC : mf : ma : Các ký hiệu chỉ số - Chỉ số trên s: r: ref hoặc * : - Chỉ số dưới s: r: turb : d; q : α; β : a; b; c : Điện áp pha c (V) Điện áp trục d hệ quy chiếu dq (V) Điện áp trục q hệ quy chiếu dq (V) Điện áp trục α hệ quy chiếu αβ (V) Điện áp trục β hệ quy chiếu αβ (V) Dòng điện stator (A) Dòng điện rotor (A) Điện trở stator (Ω) Điện cảm stator (H) Điện cảm rotor (H) Điện cảm từ hóa (H) Điện cảm rò dây quấn stator (H) Điện cảm rò dây quấn rotor (H) Từ thông trục d stator (Wb) Từ thông trục q stator (Wb) Từ thông trục d rotor (Wb) Từ thông trục q rotor (Wb) Điện cảm cuộn kháng lọc inverter nối lưới (H) Điện trở cuộn kháng lọc inverter nối lưới (Ω) Điện áp một chiều trung gian của converter (H) Điện dung trung gian của converter (H) Tỷ số điều chế tần số Tỷ số điều chế biên độ Quy về phía stator Quy về phía rotor Giá trị tham chiếu (giá trị đặt) Các đại lượng của stator Các đại lượng của rotor Các đại lượng của turbine Các đại lượng quy chiếu trục d hoặc q của hệ quy chiếu dq Các đại lượng quy chiếu trục α hoặc β của hệ quy chiếu αβ Các đại lượng pha a; pha b; pha c tương ứng x 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 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 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 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 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 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 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: 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 4