Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện gió DFIG

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:78

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 11
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung nghiên cứu của luận văn là tổng quan năng lượng gió và máy phát điện. Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG. Thiết kế bộ Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện DFIG. Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ Fuzzy-Neural điều khiển.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Ứng dụng phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện gió DFIG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH --------------------------- NGUYỄN NGỌC ĐỨC ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FUZZY-NEURAL ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH --------------------------- NGUYỄN NGỌC ĐỨC ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FUZZY-NEURAL ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM, ngày 04 tháng 03 năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: STT Họ Và Tên Chức danh hội đồng 1 TS. Nguyễn Hùng Chủ tịch 2 PGS.TS. Trương Việt Anh Phản biện 1 3 TS. Đinh Hoàng Bách Phản biện 2 4 PGS.TS. Lê Chí Kiên Ủy viên 5 TS. Đoàn Thị Bằng Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH - ĐTSĐH Độc lập - Tự do - Hạnh phúc TP. HCM, ngày..… tháng ….. năm 2016 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN NGỌC ĐỨC Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 02/07/1990 Nơi sinh:Ninh Thuận Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1441830005 I- TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN FUZZY-NEURAL ĐIỀU KHIỂN MÁY PHÁT ĐIỆN GIÓ DFIG II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan năng lượng gió và máy phát điện. Cơ sở lý thuyết của phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural Xây dựng mô hình toán máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG. Thiết kế bộ Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện DFIG. Mô hình và kết quả mô phỏng dùng bộ Fuzzy-Neural điều khiển III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Tháng 08 năm 2015 IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Tháng 1 năm 2016 V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Nguyễn Ngọc Đức
ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời học tập và nghiên cứu, làm việc khẩn trương, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy hướng dẫn TS. Trương Đình Nhơn, luận văn với đề tài “Ứng dụng phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural điều khiển máy phát điện gió DFIG ” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn TS. Trương Đình Nhơn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Khoa đào tạo Sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện Trường Đại học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như quá trình nghiên cứu thực hiện luận văn. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành bản luận văn. Tác giả luận văn Nguyễn Ngọc Đức
iii TÓM TẮT Nhu cầu tiêu thụ năng lượng điện toàn cầu đang tăng lên và có sự gia tăng ổn định. Ngoài các nguồn sản xuất điện thông thường, thì một lượng lớn nguồn phát điện từ năng lượng tái tạo được tích hợp vào hệ thống điện. Hệ thống chuyển đổi năng lượng gió (WECS) có chi phí cạnh tranh, và là nguồn năng lượng tái tạo sạch và an toàn với môi trường nhất trên thế giới. Máy phát điện cảm ứng nguồn kép (DFIG) ngày này được sử dụng rộng rãi. Luận văn này trình bày và phân tích phản ứng động của trang trại gió DFIG dựa trên việc điều khiển các lỗi từ xa sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-Neural. Mục đích luận văn là phân tích các phản ứng động của trang trại gió DFIG trong và sau khi xử lý lỗi sử dụng bộ điều khiển Fuzzy-Neural như đã đề xuất. Khảo sát sự ổn định của trang trại gió trong và sau khi xử lý các lỗi. Tính hiệu quả của bộ điều khiển Fuzzy-Neural sau đó được so sánh với một bộ điều khiển PI. Giá trị của các bộ điều khiển trong việc xử lý các lỗi và khôi phục hệ thống hoạt động bình thường sau khi xử lý các lỗi được minh họa bằng các kết quả mô phỏng thực hiện trên Simulink của phần mềm Matlab.
iv ABSTRACT The global electrical energy consumption is rising and there is steady increase of the demand on power generation. In addition to conventional power generation units a large number of renewable energy units are being integrated into the power system. The Wind Energy Conversion system (WECS) is the most cost competitive of all the environmentally clean and safe renewable energy sources in world. Doubly fed induction generator (DFIG) based wind farm is today the most widely used concept. This paper presents the dynamic response analysis of DFIG based wind farm under remote fault condition using the Fuzzy-Neural controllers. The goal of the work is to analyze the dynamic response of DFIG based wind farm during and after the clearance of fault using the proposed Fuzzy-Neural controller. The stability of wind farm during and after the clearance of fault is investigated. The effectiveness of the Fuzzy-Neural controller is then compared with that of a PI controller. The validity of the controllers in restoring the wind farms normal operation after the clearance of fault is illustrated by the simulation results which are carried out using MATLAB/SIMULINK.
v MỤC LỤC Lời cam đoan ............................................................................................................. i Lời cảm ơn ................................................................................................................ii Tóm tắt ................................................................................................................... iii Mục lục ..................................................................................................................... v Danh mục các từ viết tắt ....................................................................................... viii Danh mục các bảng .................................................................................................. ix Danh mục các hình ................................................................................................... x Chương 0: Mở Đầu ................................................................................................. 1 0.1. Lý do chọn đề tài ........ 1 0.2. Mục đích nghiên cứu ......................................................................................... 1 0.3. Đối tượng nghiên cứu ......................................................................................... 1 0.4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của để tài .................................................. 1 0.4.1 Ý nghĩa khoa học .......................................................................................... 1 0.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................ 2 Chương 1: Tổng Quan Về Năng Lượng Gió Và Máy Phát Điện Sức Gió ........... 3 1.1. Đôi nét về lịch sử nghiên cứu và phát triển của máy phát điện sức gió .......... 3 1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió ............................... 3 1.1.2 Đặc điểm chung của máy phát điện chạy bằng sức gió ................................. 6 1.1.3 Những lợi ích khi sử dụng gió để sản xuất điện (điện gió) ........................... 7 1.2 Năng lượng gió và thiết bị biến đổi năng lượng gió – Turbin gió........................ 9 1.2.1 Turbin gió ...................................................................................................... 9 1.2.2 Máy phát điện trong Turbin gió ................................................................... 12 1.2.3 Gió và Năng lượng....................................................................................... 12 1.3 Kết luận chương 1 ........................................................................................... 16
vi Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết Của Phương Pháp Điều Khiển Fuzzy-Neural .... 17 2.1. Sự kết hợp giữa Logic Mờ và Mạng Neural ...................................................... 17 2.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 17 2.1.2 Kết hợp điều khiển Fuzzy và Mạng Neural ................................................... 19 2.1.2.1 Cấu trúc chung của hệ Fuzzy-Neural ........................................................ 19 2.1.2.2 Biểu diễn luật If-Then theo cấu trúc mạng Neural .................................... 20 2.2 Fuzzy-Neural ....................................................................................................... 24 2.3 Huấn luyện mạng Fuzzy-Neural ......................................................................... 25 2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 30 Chương 3: Ứng dụng bộ điều khiển Fuzzy-Neural trong máy phát điện DFIG ... ................................................................................................................................ 31 3.1 Máy điện cảm ứng kích từ nguồn kép ................................................................. 31 3.1.1 Giới thiệu ....................................................................................................... 31 3.1.2 Vector không gian và các phép biến đổi ....................................................... 32 3.1.3 Biểu diễn công suất theo Vector không gian ................................................. 33 3.1.4Mối liên hệ giữa các hệ trục abc; dq và αβ ................................................... 34 3.1.5 Mô hình toán của máy phát điện gió DFIG ................................................... 37 3.1.6 Mô hình toán DFIG trong hệ trục tọa độ tĩnh αβ .......................................... 39 3.1.7 Mô hình toán DFIG trong hệ trục tọa độ đồng bộ dq .................................... 40 3.2 Ứng dụng phương pháp Fuzzy-Neural để điều chỉnh bộ biến đổi công suất...... 42 3.2.1 Điều khiển Rotor-Side Converter(RSC) ........................................................ 44 3.2.2 Điều khiển Grid-Side Converter(GSC) ......................................................... 46 3.3 Kết luận chương 3 ............................................................................................... 48 Chương 4: Xây dựng mô hình mô phỏng và Nhận xét ........................................ 49 4.1 Xây dựng mô hình mô phỏng.............................................................................. 49 4.1.1 Mô hình toàn hệ thống ................................................................................... 49
vii 4.1.2 Mô hình điều khiển Rotor (RSC) .................................................................. 50 4.1.3 Xây dựng bộ điều khiển Fuzzy-Neural ......................................................... 51 4.1.4 Xây dựng tập dữ liệu huấn luyện................................................................... 51 4.1.5 Cấu trúc hệ Fuzzy-Neural .............................................................................. 52 4.1.6 Huấn luyện bộ điều khiển Fuzzy-Neural ....................................................... 53 4.2 Kết quả mô phỏng ............................................................................................... 54 4.3 Nhận xét .............................................................................................................. 57 Kết luận và các đề xuất ........................................................................................... 60 Tài liệu tham khảo ................................................................................................. 61
viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Vas,Vbs, Vcs : Điện áp 3 pha a,b,c của stator Var,Vbr, Vcr : Điện áp 3 pha a,b,c của rotor Vαs,Vβs : 2 thành phần điện áp của stator trong hệ tọa độ αβ Vαr,Vβr : 2 thành phần điện áp của rotor trong hệ tọa độ αβ Vdr,Vqr : 2 thành phần điện áp của rotor trong hệ tọa độ dq Vds,Vqs : 2 thành phần điện áp của stator trong hệ tọa độ dq ias,ibs, ics : Dòng điện áp 3 pha a, b, c của stator iar,ibr, icr : Dòng điện áp 3 pha a, b, c của rotor iαs,iβs : 2 thành phần dòng điện của stator trong hệ tọa độ αβ iαr,iβr : 2 thành phần dòng điện của rotor trong hệ tọa độ αβ idr,iqr : 2 thành phần dòng điện của rotor trong hệ tọa độ dq ids,iqs : 2 thành phần dòng điện của stator trong hệ tọa độ dq ψas, ψbs, ψcs : Từ thông 3 pha a,b,c của stator ψαs, ψβs : 2 thành phần từ thông của stator trong hệ tọa độ αβ ψαr, ψβr : 2 thành phần từ thông của rotor trong hệ tọa độ αβ ψdr, ψqr : 2 thành phần dòng điện của rotor trong hệ tọa độ dq ψds, ψqs : 2 thành phần dòng điện của stator trong hệ tọa độ dq Ps, Qs : Công suất phản kháng và công suất tác dụng Tm, Te : Mô men cơ và điện β : Góc Pitch λ : Góc picht σ : Tip speed Ratio ρ : Số cập cức Cp : Hệ số hiệu suất của rotor θr,θs : Góc vị trí của stator va rotor Js : Mô men quán tính hay hệ số trượt
ix DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng so sánh Fuzzy và Neural .................................................................. 18
x DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1Mô hình cánh quạt gió tại Trung Mỹ cuối thể kỷ 19 .................................... 3 Hình 1.2Mô hình cối xây gió xuất hiện sau TK 13 ..................................................... 4 Hình 1.3Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800. ............................................................................................................................ 4 Hình 1.4Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo ..................................... .5 Hình 1.5Máy phát Gedser, công suất 200 kw. ............................................................ 6 Hình 1.6H-Rotor. ........................................................................................................ 9 Hình 1.7Tuabin gió với tốc độ gió cố định. .............................................................. 10 Hình 1.8 Tuabin gió với tốc độ gió thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp giữa stator và rotor. .......................................................................... 11 Hình 1.9 Tuabin gió với tốc độ thay đổi sử dụng máy phát không đồng bộ nguồn kép DFIG. ............................................................ 11 Hình 1.10 Đường cong biểu diễn quan hệ giữ Cp và  Hình 1.11 Hàm xác xuất phân bố cho Rayleigh với tốc độ gió trung bình 7 m/s. ...................................................................................... 14 Hình 1.12 Đường cong công suất của Turbin gió 50 kV điều khiển theo tốc độ gió. ....................................................................................... 15 Hình 2.1 Mô hình hệ Fuzzy-Neural. ....................................................................... 18 Hình 2.2 Cấu trúc chung của hệ Fuzzy-Neural. ..................................................... 19 Hình 2.3 Rời rạc hóa hàm liên thuộc. ..................................................................... 22 Hình 2.4 Hàm liên thuộc các tập mờ vào và ra. ..................................................... 22 Hình 2.5 Mạng Neural. ........................................................................................... 24 Hình 2.6 Neural-Fuzzy AND .................................................................................. 25 Hình 2.7 Neural-Fuzzy OR ..................................................................................... 25 Hình 3.1 Cấu trúc máy phát điện không đồng bộ nguồn kép. ................................ 32 Hình 3.2 Nguyên lý vector không gian. .................................................................. 32 Hình 3.3 Mối liên hệ giữ trục tọa độ abc,αβ ........................................................... 35 Hình 3.4 Mối liên hệ giữa trục tọa độ abc,dq. ........................................................ 36
xi Hình 3.5 Mối liên hệ giữa trục tọa độ αβ,dq........................................................... 37 Hình 3.6 Cấu hình kết nối Stator và Rotor, Y-Y. ................................................... 37 Hình 3.7 Sơ đồ tương đương RL của stator và Rotor. ............................................ 38 Hình 3.8 Mạch điện tương đươn mô hình DFIG trong hệ trục αβ. ........................ 39 Hình 3.9 Sơ đồ tương đương của động cơ không đồng bộ trong hệ trục quay dq. ............................................................................. 40 Hình 3.10 Hệ thống Turbin gió và máy phát điện cảm ứng kép. ............................. 42 Hình 3.11 Dòng công suất trong Turbin gió DFIG. ................................................. 43 Hình 3.12 Sơ đồ khối điều khiển cho Rotor side control (RSC) của turbin DFIG học. .............................................................................. 45 Hình 3.13 Sơ đồ khối điều khiển cho RSC với hệ thống suy diễn Fuzzy-Neural. ........................................................................... 46 Hình 3.14 Sơ đồ khối điều khiển cho Grid side control (GSC) của turbin DFIG học. ...................................................................................... 47 Hình 3.15 Sơ đồ khối điều khiển cho GSC với hệ thống suy diễn Fuzzy-Neural. ........................................................................... 47 Hình 4.1 Mô hình toàn hệ thống với tốc độ gió thay đổi........................................ 49 Hình 4.2 Mô hình điều khiển phía Rotor sử dụng PI. ............................................ 50 Hình 4.3 Mô hình điều khiển phía Rotor sử dụng Fuzzy-Neural. .......................... 51 Hình 4.4 Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-Neural. ........................................... 52 Hình 4.5 Hàm liên thuộc đầu vào của bộ điều khiển Fuzzy-Neural sau khi huấn luyên. .................................................................................. 53 Hình 4.6 Dữ liệu vào ra của ANFIS sau huấn luyện. ............................................. 53 Hình 4.7 Phản ứng quá độ của hệ thống Fuzzy-Neural so với PI dưới sự sụt điện áp trên lưới 120 KW t = 1s. ...................................... 54 Hình 4.8 Phản ứng quá độ của hệ thống Fuzzy-Neural so với PI dưới sự cố ngắn mạch 3 pha tại thời điểm t = 1s. ............................... 58
1 PHẦN MỞ ĐẦU 1. Lý do chon đề tài Nước ta là một nước có khí hậu nhiệt đới, vị trí địa lý đặc trưng, phía đông là bờ biển kéo dài trên 3000 km, phía tây là dãy Trường Sơn đồi núi cao. Với vị trí địa lý như vậy đã gây không ít khó khăn cho việc phát triển kinh tế, tuy nhiên bên cạnh đó mang lại nhiều thuận lợi cho việc phát triển thủy điện, năng lượng mặt trời, năng lượng gió. Nên việc xây dựng hệ thống năng lượng gió là một đáp án khả thi cho việc khủng hoảng năng lượng trong tương lai. Do đó việc nghiên cứu năng lượng gió là một biện pháp rất cần thiết nhằm ngày càng hoàn thiện hơn việc chuyển đổi năng lượng gió thành năng lượng điện. Việc thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống máy phát điện gió theo phương pháp kinh điển phụ thuộc vào mô hình toán học của hệ. Do việc xây dựng mô hình toán học chính xác của hệ thống rất khó khi không biết trước sự thay đổi của công suất gió, thông số của hệ thống,… với thông tin đầu vào của hệ thống điều khiển là đại lượng phi tuyến (không rõ ràng). Để đơn giản hóa cho việc điều khiển, hệ thống làm việc ổn định, tính bền vững cao, trong khuôn khổ luận văn tác giả nghiên cứu đề tài: “Ứng Dụng Phƣơng Pháp Điều Khiển Fuzzy-Neural Điều Khiển Máy Phát Điện Gió DFIG”. 2. Mục đích nghiên cứu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu bộ điều khiển Fuzzy-Neural và ứng dụng chúng để điều khiển máy phát điện DFIG trong turbin gió nhằm mục đích nâng cao hiệu suất. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Điều khiển máy phát điện gió DFIG theo phương pháp điều khiển Fuzzy-Neural. 4. Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của đề tài  Ý nghĩa khoa học Hệ thống Fuzzy-Neural đang được nổi lên như một công cụ điều khiển các hệ thống phi tuyến với các thông số chưa xác định. Việc kết hợp giữa phươn pháp Neural
2 và phương pháp Fuzzy đem lại khả năng tuyệt vời cho sự linh hoạt và học theo thao tác của con người. Điều này có ý nghĩa rất lớn về mặt khoa học trong việc điều khiển các đối tượng phi tuyến. Đề tài này sẽ đề cập đến ứng dụng của Fuzzy-Neural tron việc điều khiển đối tượng phi tuyến đặc biệt là điều khiển máy phát điện gió DFIG.  Ý nghĩa thực tiễn Việc nâng cao hiệu suất chuyển động năng của gió thành điện năng để giảm giá thành là vấn đề rất quan trọng trong quá trình sử dụng nguồn năng lượng sạch ở hiện tại và trong tương lai. Để nâng cao được hiệu suất sử dụng năng lượng gió thì cần phải có các thiết bị chuyển đổi với các bộ điều khiển hợp lý. Chính vì vậy, việc nghiên cứu bộ điều khiển Fuzzy-Neural và ứng dụng chúng để điều khiển máy phát điện DFIG trong turbin gió nhằm mục đích nâng cao hiệu suất.
3 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG GIÓ VÀ MÁY PHÁT ĐIỆN SỨC GIÓ 1.1 Đôi Nét Về Lịch Sử Nghiên Cứu Và Phát Triển Của Máy Phát Điện Sức Gió 1.1.1 Lịch sử phát triển của máy phát điện chạy bằng sức gió. Vào cuối những năm 1970, cuộc khủng hoảng về dầu mỏ đã buộc con người phải tìm các nguồn năng lượng mới thay thế, một trong số đó là năng lượng gió. Những năm về sau, rất nhiều các chương trình nghiên cứu và phát triển năng lượng gió được thực hiện với nguồn tài trợ từ các Chính phủ, bên cạnh các dự án nghiên cứu do các cá nhân, tổ chức tự đứng ra thực hiện. Lịch sử phát triển của thế giới loài người đã chứng kiến những ứng dụng của năng lượng gió vào cuộc sống từ rất sớm. Gió giúp quay các cối xay bột, gió giúp các thiết bị bơm nước hoạt động, và gió thổi vào cánh buồm giúp đưa các con thuyền đi xa. Theo những tài liệu cổ còn giữ lại được thì bản thiết kế đầu tiên của chiếc cối xay hoạt động nhờ vào sức gió là vào khoảng thời gian những năm 500 - 900 sau CN tại Ba Tư (Irac ngày nay). Đặc điểm nổi bật của thiết bị này đó là các cánh đón gió được bố trí xung quanh một trục đứng, minh hoạ một mô hình cánh gió được lắp tại Trung Mỹ vào cuối thế kỷ 19, mô hình này cũng có cấu tạo cánh đón gió quay theo trục đứng. Hình 1.1 Mô hình cánh gió tại Trung Mỹ, cuối TK 19
4 Muộn hơn nữa, kể từ sau thế kỷ 13, các cối xay gió xuất hiện tại châu Âu (Tây Âu) với cấu trúc có các cánh đón gió quay theo phương ngang, chúng phức tạp hơn mô hình thiết kế tại Ba Tư. Cải tiến cơ bản của thiết kế này là đã tận dụng được lực nâng khí động học tác dụng vào cánh gió do đó sẽ làm hiệu suất biến đổi năng lượng gió của cối xay gió thời kỳ này cao hơn nhiều so với mô hình thiết kế từ những năm 500 - 900 tại Ba Tư. Hình 1.2 Mô hình cối xay gió xuất hiện sau TK 13 Trong suốt những năm tiếp theo, các thiết kế của thiết bị chạy bằng sức gió càng ngày được hoàn thiện và được sử dụng rộng rãi trong khá nhiều các lĩnh vực ứng dụng: chế tạo các máy bơm nước, hệ thống tưới tiêu trong nông nghiệp, các thiết bị xay xát, xẻ gỗ, nhuộm vải… Cho đến đầu thế kỷ 19, cùng với sự xuất hiện của máy hơi nước, thiết bị chạy bằng sức gió dần dần bị thay thế. Lịch sử con người đã bước sang thời kỳ mới với những công cụ mới: máy chạy hơi nước. Hình 1.3 Chiếc máy bơm nước chạy bằng sức gió, phía Tây nước Mỹ những năm 1800
5 Năm 1888, Charles F. Brush đã chế tạo chiếc máy phát điện chạy sức gió đầu tiên, và đặt tại Cleveland, Ohio. Nó có đặc điểm: * Cánh được ghép thành xuyến tròn, đường kính vòng ngoài 17m; * Sử dụng hộp số (tỉ số truyền 50:1) ghép giữa cánh tuabin với trục máy phát; * Tốc độ định mức của máy phát là 500 vòng/phút; * Công suất phát định mức là 12kW. Hình 1.4 Máy phát điện sức gió do Charles F.Brush chế tạo Trong những năm tiếp sau, một số mẫu thiết kế khác đã được thực hiện tuy nhiên vẫn không đem lại bước đột phát đáng kể. Ví dụ mẫu thiết kế của Dane Poul La Cour năm 1891. Cho đến đầu những năm 1910, đã có nhiều máy phát điện chạy bằng sức gió công suất 25kW được lắp đặt tại Đan Mạch nhưng giá thành điện năng do chúng sản xuất ra không cạnh tranh được với giá thành của các nhà máy nhiệt điện sử dụng nhiên liệu hoá thạch. Mặc dù gặp khó khăn do không có thị trường, những thế hệ máy phát điện chạy bằng sức gió vẫn tiếp tục được thiết kế và lắp đặt. Ví dụ như các máy phát công suất từ 1 đến 3 kW được lắp đặt tại vùng nông thôn của Đồng bằng lớn, Mỹ, vào những năm 1925 hay máy phát Balaclava công suất 100kW lắp đặt tại Nga năm 1931 hay máy phát Gedser công suất 200kW, lắp đặt tại đảo Gedser, đông nam Đan Mạch.