Bài tập lớn môn Nghiên cứu khoa học Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng (1)

BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MỞ ĐẦU Trong công đổi đất nước, song song với q trình cơng nghiệp hóa - đại hóa việc xây dựng sở hạ tầng tiến hành Quá trình nâng cấp, xây dựng hệ thống chiếu sáng khu thị khơng nằm ngồi kế hoạch Hiện nay, kinh tế nước ta phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân nâng cao cách nhanh chóng Yêu cầu họ lĩnh vực: công nghiệp dịch vụ, du lịch sinh hoạt tăng trưởng khơng ngừng Chính yêu cầu này, đòi hỏi nhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm hiểu để tạo sản phẩm nhằm đáp ứng nhu cầu họ Thiết kế hệ thống chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện việc làm khó Nó khơng địi hỏi chiếu sáng đơn mà phải đáp ứng yêu cầu kỹ thuật mức độ tiện nghi, đảm bảo khơng bị chói… Ngồi cịn phải đảm bảo u cầu thẩm mỹ có tính kinh tế cao tiết kiệm điện năng, chi phí đầu tư nhỏ, cho ánh sáng đẹp, đảm bảo mỹ quan… Để có thiết kế đòi hỏi người thiết kế ngồi kiến thức chun mơn cịn phải có hiểu biết định xã hội, môi trường đối tượng thiết kế Tránh thiết kế sai gây dư thừa lãng phí nguyên vật liệu làm tính thẩm mỹ… Với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện năng” tơi trình bày khái qt sở lý thuyết chiếu sáng vận dụng kiến thức học kỹ thuật chiếu sáng để làm đề tài BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Lý chọn đề tài Tiết kiệm lượng chương trình hành động liệt nhiều quốc gia giới nói chung Việt Nam nói riêng Lĩnh vực chiếu sáng chiếm khoảng 15-20% lượng điện tồn cầu, u cầu chiếu sáng có hiệu quả, tiết kiệm yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu dài Hiện tình hình thiếu điện diễn căng thẳng vào mùa khô, làm để thực hành tiết kiệm điện hiệu đảm bảo nhu cầu sử dụng điện phù hợp với nhu cầu phát triển kinh tế xã hội điều cần quan tâm không quan quản lý nhà nước, ngành điện mà toàn xã hội Hoạt động chiếu sáng lĩnh vực sử dụng điện chiếm tỷ trọng lớn tổng lượng điện tiêu thụ Do tiết kiệm điện chiếu sáng vấn đề cấp thiết Song thực cách nào, tắt bớt đèn hay áp dụng thành tựu tiến công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao? Với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện năng” trả lời chiếu sáng hiệu suất cao, lợi ích việc tiết kiệm điện bảo vệ môi trường, giải pháp áp dụng chiếu sáng hiệu suất cao lĩnh vực từ chiếu sáng đường phố, ngõ hẻm đến chiếu sáng nhà công sở, trườnghọc, bệnh viện Trên sở giúp cho cơng tác quản lý, định liên quan đến đầu tư, sử dụng hệ thống chiếu sáng, giúp công tác phối hợp ban ngành thực giải pháp chiếu sáng hiệu suất cao.Tài liệu góp phần hỗ trợ cho cơng tác truyền thông nâng cao nhận thức cộng đồng việc phát chủ đề liên quan đến chiếu sáng cơng cộng hiệu suất cao Tuy nói cách ngắn gọn chiếu sáng hiệu suất cao hình thức chiếu sáng bảo đảm độ sáng cao hơn, chất lượng ánh sáng tốt phù hợp với mắt nhìn quan sát sử dụng điện so với chiếu sáng thơng thường trước BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu phương pháp chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện Hầu hệ́t người sử dụng lượng công nghiệp thương mại nhận thức vấn đề tiết kiệm lượng hệ thống chiếu sáng Thơng thường tiến hành tiết kiệm lượng cách đáng kể với vốn đầu tư chút kinh nghiệm Thay loại đèn thuỷ ngân đèn nóng sáng đèn halogen kim loại đèn natri cao áp giúp giảm chi phí lượng tăng độ chiếu sáng Lắp đặt trì thiết bị điều khiển quang điện, đồng hồ hẹn hệ thống quản lý lượng đem lại hiệu tiết kiệm đặc biệt Tuy nhiên, số trường hợp, cần phải xem xét việc sửa đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng để đạt mục tiêu tiết kiệm mong đợi Cần hiểu loại đèn có hiệu suất cao khơng phải yếu tố đảm bảo hệ thống chiếu sáng hiệu - Sử dụng bóng đèn phát nhiều ánh sáng mà sử dụng điện, có màu sắc ánh sáng phù hợp với hoạt động mắt làm việc sinh hoạt hàng ngày - Sử dụng chao, máng đèn tập trung ánh sáng nhiều đến nơi cần chiếu sáng, hiệu sử dụng ánh sáng bóng đèn phát cao hơn, đồng thời giảm bớt độ chói bóng đèn tránh gây loá mắt - Sử dụng thiết bị điện chấn lưu, khởi động tiêu thụ điện không gây tượng nhấp nháy bóng đèn huỳnh quang - Bố trí đèn chiếu sáng kỹ thuật tạo môi trường ánh sáng hài hoà thoải mái dễ chịu cho người - Sử dụng thiết bị điều khiển để điều chỉnh độ sáng phù hợp với yêu cầu sử dụng tận dụng ánh sáng tự nhiên vào nhà Như thay bóng đèn trịn sợi đốt bóng đèn compact tiết kiệm điện cách giải pháp tổng thể chiếu sáng hiệu suất cao Tuy BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nhiên sử dụng bóng đèn compact phải nơi cách có hiệu Đới tượng phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu: mơ hình chiếu sáng cơng cộng hiệu suất cao tiết kiệm điện như: Trường học, chiếu sáng đường phố, ngõ xóm, cơng sở… Để thực chiếu sáng hiệu suất cao công sở việc cần quan tâm lựa chọn loại nguồn sáng số lượng bóng đèn sử dụng lớn tới hàng trăm chí hàng ngàn bóng tồ nhà Hiện sử dụng bóng đèn T8 36W 32W lựa chọn tốt Có thể sử dụng bóng đèn T5 có hiệu suất cao T8 chi phí đầu tư lớn Bóng đèn compác nên sử dụng khu vực cầu thang, sảnh Các phòng làm việc công sở sử dụng nhiều máy tính nên sử dụng đèn có phản xạ dạng parabôn kết hợp nan chắn giảm độ chói bóng đèn khơng tạo bóng lên hình Khơng nên sử dụng đèn để bóng trần có chụp mờ nhựa thuỷ tinh Các phịng lớn có nhiều người làm việc nên áp dụng phương án chiếu sáng chung có hệ thống công tắc điều khiển theo dãy khu vực làm việc Các phịng có cửa sổ nên bố trí cơng tắc tắt dãy đèn gần cửa sổ ánh sáng ban ngày bảo đảm đủ yêu cầu độ sáng Các văn phòng làm việc đại trang bị hệ thống điều khiển tự động sử dụng cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại điều chỉnh độ sáng theo yêu cầu cho hiệu tiết kiệm điện lớn Tuy nhiên chi phí đầu tư cho hệ thống tăng cao Các phịng làm việc cá nhân khơng cần sử dụng nhiều đèn, nên có thêm đèn bàn để bảo đảm đủ độ sáng chỗ làm việc Phạm vi nghiên cứu: từ kỹ thuật chiếu sáng truyền thống, nghiên cứu ứng dụng giải pháp tiên tiến để chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp nghiên cứu lý thuyết tham khảo tài liệu quy trình cơng nghệ rút đặc trưng giải pháp nâng cao hiệu chiếu sáng tiết kiệm điện Như vậy, tiết kiệm điện chiếu sáng cần cụ thể hóa từ ý thức tiết kiệm điện đến việc đầu tư, ứng dụng giải pháp chiếu sáng hiệu suất cao đồng khơng địi hỏi phức tạp tốn Khơng hiệu sử dụng khả tiết kiệm điện từ hệ thống chiếu sáng tiết kiệm – hiệu quả, giải pháp chiếu sáng hiệu suất cao cịn góp phần tăng nhiều lợi ích khác suất lao động, sức khỏe thị lực người sinh hoạt, làm việc môi trường sáng tiện nghi, thân thiện với môi trường Giải pháp đơn giản, hiệu thiết thực quan, doanh nghiệp việc tiết kiệm điện năng, đảm bảo nhu cầu điện “tiêu dùng thông minh” sản phẩm chiếu sáng tiết kiệm điện giải pháp chiếu sáng hiệu doanh nghiệp lớn, đơn vị tư vấn có uy tín thị trường sản xuất cung cấp Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài thể trọng tâm đề tài nghiên cứu phương pháp chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 1: Tổng quan kỹ thuật chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện 1.1 Tổng quan kỹ thuật chiếu sáng Nguồn sáng nhân tạo nến sử dụng khoảng 5000 năm trước Theo chiều dài lịch sử, kỹ thuật chiếu sáng có bước phát triển rực rỡ khởi đầu từ thời đại Ánh sáng điện Chiếu sáng kỹ thuật đa ngành, trước hết mối quan tâm kỹ sư lượng điện, nhà vật lý nghiên cứu quang quang phổ học, cán kỹ thuật doanh nghiệp cơng trình cơng cộng nhà quản lý đô thị Chiếu sáng mối quan tâm nhà kiến trúc, xây dựng giới mỹ thuật cơng trình Nghiên cứu chiếu sáng công việc bác sỹ nhãn khoa, nhà tâm sinh lý học, giáo dục thể chất học đường Trong thời gian gần đây, với đời hoàn thiện nguồn sáng hiệu suất cao, phương pháp tính tốn cơng cụ phần mềm thiết kế mới, kỹ thuật chiếu sáng chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện năng, có thểgọi giai đoạn Chiếu sáng tiện ích (Avandced Lighting Techniques) Chiếu sáng tiện ích giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa tồn kỹ thuật chiếu sáng từ việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao, sử dụng tối đa hiệu ánh sáng tự nhiên, điều chỉnh ánh sáng theo mục đích yêu cầu sử dụng, nhằm tiết kiệm điện tiêu thụ mà đảm bảo tiện nghi nhìn Kết chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiết kiệm lượng, góp phần bảo vệ mơi trường Nội dung giới thiệu thảo luận viết là: - Tổng quan Công nghệ chiếu sáng bán dẫn BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Các đèn chiếu sáng truyền thống phân thành hai nhóm lớn đèn sợi đốt đèn phóng điện Tuy nhiên thời gian gần đây, Công nghệ chiếu sáng bán dẫn -sử dụng dụng cụ chiếu sáng LED (diot bán dẫn phát quang) với ưu điểm vượt trội hiệu chiếu sáng tiết kiệm lượng, phát triển thành công nghệ tiên tiến kỹ thuật chiếu sáng đại - Một số giải pháp điều khiển kỹ thuật chiếu sáng Để kỹ thuật chiếu sáng đạt ý nghĩa tiện ích (Avandced Techniques) giải pháp điều khiển có vai trị quan trọng, vừa để đảm bảo tiện nghi nhìn, vừa đảm bảo tiết kiệm điện năng, tăng hiệu chiếu sáng 1.2 Tầm quan trọng của việc chiếu sáng Trong nghiệp cơng nghiệp hố - đại hố ngành điện chiếu sáng giữ vai trò lớn Nó khơng chiếu sáng đơn mà cịn góp phần vào cơng việc sản xuất, xây dựng, bảo vệ đất nước Đối với chiếu sáng nhà, chiếu sáng tự nhiên phải sử dụng chiếu sáng nhân tạo Hiện người ta thường dùng điện để chiếu sáng nhân tạo Sở dĩ chiếu sáng điện có nhiều ưu điểm: thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện.Ví dụ xí nghiệp dệt, độ rọi tăng lên 1,5 lần thời gian để làm thao tác chủ yếu giảm từ 8%→ 25%, suất lao động tăng 4%→ 5% Trong phân xưởng ánh sáng không đủ, công nhân phải làm việc trạng thái căng thẳng, hại mắt, sức khỏe, kết gây hàng loạt phế phẩm suất lao động giảm v.v… Ngồi cịn nhiều công việc tiến hành thiếu ánh sáng ánh sáng không gần giống với ánh sáng tự nhiên (bộ phận kiểm tra chất lượng máy, nhuộm màu v.v…) Nếu chiếu sáng trời đảm bảo cách tối đa giảm nhiều tai nạn giao thông, giúp việc giao thông thuận tiện hơn, giảm nhiều tệ nạn xã hội Mặt khác chiếu sáng thị bố trí cách hợp lý làm tăng vẻ đẹp thị cơng trình văn hố khác Vì vấn đề chiếu sáng vấn đề quan trọng nên nhà nghiên cứu ý nghiên cứu nhiều lĩnh vực chuyên sâu nguồn sáng, chiếu BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC sáng công nghiệp, nhà ở, công trình văn hố nghệ thuật, chiếu sáng sân khấu v.v… 1.3 Thành tựu của chiếu sáng Việt Nam Nhận biết tầm quan trọng chiếu sáng nhà chiếu sáng Việt Nam áp dụng nhũng thành tựu khoa học chiếu sáng giới lĩnh vực chiếu sáng nước nhà Hiện nay, hầu hết thành phố lớn, đô thị tuyến đường giao thông chiếu sáng với mức độ khác phát huy tối đa hiệu chiếu sáng giảm tai nạn giao thông, tăng vẻ đẹp đô thị, giảm tệ nạn xã hội v.v… Trong chương trình đưa điện nơng thơn điện chiếu sáng xuất nhằm phục vụ sản xuất Hiện thành phố tiến hành nâng cấp hệ thống chiếu sáng đồng thời xây dựng hệ thống chiếu sáng với công nghệ đại, thay cho việc đóng cắt tay dụng hệ thống đóng cắt tự động Tất cơng viên, vườn hoa, tuyến đường, nhà máy, xí nghiệp, trường học, bệnh viện…trong thành phố ngoại thành chiếu sáng Ánh sáng phần nhiều loại sóng điện từ bay khơng gian Những loại sóng có tần suất chiều dài, hai giá trị giúp phân biệt ánh sáng với dạng lượng khác quang phổ điện từ Ánh sáng phát từ vật thể tượng sau: Nóng sáng: Các chất rắn chất lỏng phát xạ nhìn thấy chúng nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1000K Cường độ ánh sáng tăng lên màu sắc bề trở nên sáng nhiệt độ tăng Phóng điện: Khi dịng điện chạy qua chất khí, nguyên tử phân tử phát xạ với quang phổ mang đặc tính nguyên tố có mặt Phát quang điện: Ánh sáng tạo dòng điện chạy qua chất rắn định chất bán dẫn photpho BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phát sáng quang điện: Thông thường chất rắn hấp thụ xạ bước sóng phát trở lại bước sóng khác Khi xạ phát nhìn thấy được, tượng gọi phát lân quang hay phát huỳnh quang 1.4 Các đại lượng đo ánh sáng 1.4.1 Quang thông , lumen (lm) 1.4.2 Cường độ sáng I – Candela(cd) Các nguồn sáng thường xạ không không gian Để đặc trưng cho khả phát xạ nguồn sáng gắn liền với phương cho trước, người ta dùng khái niệm cường độ sáng Cường độ sáng đặc trưng khả phát xạ nguồn sáng theo phương cho trước 1.4.3 Góc khới - Ω, steradian (Sr) Góc khối khơng dùng cho phép đo ánh sáng, cần thiết cho lập luận khơng gian (là góc khơng gian) Ký hiệu Ω Góc khối định nghĩa tỷ số S bình phương bán kính:  = 1.4.4 Độ rọi (độ chiếu sáng)– E, lux, lx Độ rọi đại lượng đặc trưng cho bề mặt chiếu sáng, mật độ quang thông  bề mặt có diện tích S Khi quang thơng vng góc với bề mặt chiếu sáng độ rọi tính công thức: E = Đơn vị độ rọi lux, mật độ quang thông nguồn sáng lumen diện tích m2 Khi mặt chiếu sáng khơng độ rọi tính trung bình đại số độ rọi điểm 1.4.5 Độ chói – L (cd/m2) Để đặc trưng cho khả xạ ánh sáng nguồn bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng mắt, người ta đưa định nghĩa độ chói Là mật độ phân bố I bề mặt theo phương cho trước BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC = Nhận xét: - Độ chói bề mặt xạ phụ thuộc vào hướng quan sát bề mặt - Độ chói khơng phụ thuộc khoảng cách từ mặt đến điểm quan sát - Độ chói đóng vai trị kỹ thuật chiếu sáng, sở khái niệm tri giác tiện nghi thị giác - Độ chói phản ánh chất lượng chiếu sáng, độ rọi phản ánh số lượng chiếu sáng mà thơi - Độ chói bề mặt phản xạ ánh sáng theo phương gọi độ trưng 1.4.6 Độ trưng M, lumen/m2 (lm/ m2) Độ trưng điểm bề mặt phát xạ M quang thông phát đơn vị diện tích điểm đó, tỉ số quang thông phát nguyên tố bề mặt chứa điểm diện tích M = 1.4.7 Định luật Lambert Dù ánh sáng qua bề mặt suốt ánh sáng phản xạ bề mặt mờ ánh sáng chịu hai tượng bề mặt mờ, phần ánh sáng mặt phát lại theo hai cách sau đây, cách chiếm ưu tuỳ theo vật liệu sử dụng: - Sự phản xạ khúc xạ tuân theo định luật quang hình học hay định luật Descartes - Sự phản xạ truyền khuếch tán theo định luật Lambert Định luật Lambert: E = L Trong đó: : hệ số phản xạ bề mặt E: độ rọi nguồn 10 BÀI TẬP LỚN MƠN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC L: độ chói bề mặt Định luật Lambert có vai trị quan trọng kỹ thuật chiếu sáng cho ta quan hệ độ chói độ rọi Căn vào định luật này, người ta tính tốn kiểm tra độ rọi, độ chói tất điểm trường sáng đèn 1.5 Các định luật của quang hình học 1.5.1 Định luật phản xạ khúc xạ ánh sáng 1.5.2 Sự hấp thụ ánh sáng Khi tia sáng đập vào mặt phân giới phần lượng bị mơi trường hấp thụ Mức độ hấp thụ thay đổi phạm vi rộng phụ thuộc vào chất vật, vào cấu trúc phân tử, vào bước sóng (màu) tia tới góc tới Vì vật hấp thụ lượng tia tới có bước sóng khác với mức độ khác nhau, hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng tia tới 1.5.3 Sự phản xạ ánh sáng Các bề mặt khác phản xạ tia sáng tới với tỷ lệ phần trăm khác Có thể cải thiện việc chiếu sáng cho phịng nhỏ cách sơn màu sáng có hệ số phản xạ cao Nếu phòng rộng hay sử dụng chao đèn để tập trung ánh sáng, cho ánh sáng chiếu vào tường, trường hợp lớp sơn phủ mặt tường ảnh hưởng tới chiếu sáng chung Bề mặt màu sáng phản xạ phần lớn tia sáng chiếu vào bề mặt màu thẫm hấp thụ phần lớn ánh sáng Hệ số phản xạ  định nghĩa tỷ số quang thông phản xạ p quang thông rọi tới bề mặt s 1.5.4 Sự khúc xạ ánh sáng Khi truyền qua mơi trường có chiết suất khác tia sáng bị khúc xạ với góc khúc xạ khắc Sự khúc xạ có thề đều, khơng khúc xạ khuếch tán tùy theo chất vật liệu đặc tính bề mặt chúng Sự khúc xạ xảy tia sáng qua phẳng Ánh sáng qua bị khúc xạ hai lần, lần tới bề mặt lần rời khỏi bề mặt Nếu bề 11 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC mặt hai mặt song song phương tia tới tia rời khỏi hai mặt song song với Nếu hai mặt không song song phương tia tới tia rời khỏi bề mặt khác hay gọi khúc xạ không Sự khúc xạ không xảy ánh sáng truyền qua kính có mặt nhám Bề mặt xem gồm vơ số mặt phẳng nhỏ xếp theo đủ hướng làm cho tia khúc xạ phân bố theo đủ phương Ta thường gặp trường hợp tia sáng truyền qua kính mờ 1.5.5 Sự thấu xạ ánh sáng Sự thấu xạ ánh sáng đặc trưng hệ số thấu xạ  tỷ số quang thông xuyên qua vật thể x quang thông rọi tới bề mặt s 1.6 Một số tính thị giác 1.6.1 Khả phân biệt 1.6.2 Sự thích ứng thị giác 1.6.3 Độ tương phản Gọi Ln độ chói nền, Lv độ chói vật, ta phân biệt vật so với thỏa mãn điều kiện độ chênh lệch độ chói tương đối 1.6.4 Hiện tượng chói lóa Khi có chênh lệch mức độ chói tầm nhìn khơng tránh khỏi nguy bị lóa mắt làm cho tiện nghi nhìn bị suy giảm Ta phân biệt hai mức độ gây chói lóa: - Chói lóa bất lực tượng phụ thuộc vào độ chói nguồn góc tới tia sáng người quan sát - Chói lóa tiện nghi tượng lóa nhìn đối tượng tương phản độ chói cao, nói chung khơng làm giảm khả quan sát gây cảm giác khó chịu Mức chói lóa khơng tiện nghi giảm độ chói xung quanh cao 1.7 Màu của nguồn sáng 1.7.1 Màu sắc 12 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Màu vô sắc màu đen, trắng xám, chúng khơng có phổ ánh sáng mặt trời nên coi “khơng màu” Màu có sắc tất màu có phổ ánh sáng màu pha trộn chúng 1.7.2 Nhiệt độ màu tiện nghi môi trường sáng 1.7.3 Chỉ số truyền đạt màu (thể màu, hoàn màu, trả màu) CRI (Colour Rendering Index) 1.8 Các dụng cụ đo ánh sáng 1.8.1 Đo độ rọi Dụng cụ đo độ rọi gọi lux kế dụng cụ đo phép trắc quang Dụng cụ gồm tế bào quang điện phẳng hiệu chỉnh độ nhạy phù hợp với đường V (λ), cấu đo milivôn kế cấu thị số Để giảm sai số phép đo độ nghiêng chùm sáng, người ta sử dụng linh kiện “hiệu chỉnh cơsin”, hay cịn gọi mặt vịm khuếch tán Mặt có vai trị quan trọng đo độ rọi ngồi trời phịng có tường phản xạ mạnh Khi thực phép đo, cần đặt lux kế bề mặt cần đo độ rọi chọn thang đo thích hợp Trên mặt thị số cho kết độ rọi tính lux 1.8.2 Đo cường độ sáng Cường độ sáng nguồn sáng theo phương cho trước đo thông qua phép đo độ rọi nguồn điểm áp dụng luật độ rọi tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Phép đo thực bàn trắc quang nhờ so sánh với nguồn sáng có cường độ sáng chuẩn Phép đo cường độ sáng phải thực phòng tối để hạn chế ánh sáng ký sinh 1.8.3 Đo quang thơng 13 BÀI TẬP LỚN MƠN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đo quang thông phép đo quan trọng phép trắc quang nguồn sáng Về mặt lý thuyết, biết phân bố cường độ sáng nguồn sáng khơng gian, người ta tính tốn trực tiếp quang thơng biểu thức: = Trong I cường độ sáng nguồn sáng phát góc khối d Nếu nguồn sáng đẳng hướng thì: = = 4πI Trong thực tế, để tính tốn quang thơng phức tạp, nên người ta thường dùng phương pháp so sánh với nguồn sáng chuẩn, có quang thơng biết Cơng việc đơn giản sau: Đầu tiên, mắc đèn chuẩn có quang thơng c vào cầu tích phân, ta thu dòng quang điện Ic Thay đèn chuẩn đèn có quang thơng  cần đo, giả sử thu dịng quang điện I, ta có:  = c 14 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 2: Cơ sở lý thuyết công nghệ chiếu sáng bán dẫn 2.1 Lịch sử phát triển của công nghệ chiếu sáng Theo nguyên lý hoạt động, ta phân chia đèn thành hai nhóm đèn sợi đốt đèn phóng điện Hình 2.1 Lịch sử phát triển loại đèn 2.1 Đèn sợi đốt 15 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đèn sợi đốt (đèn dây tóc, đèn nung sáng) Thomas Edison phát minh từ năm 1879 sợi đốt cacbon, có hiệu suất quang trung bình 1,4 lm/W, tuổi thọ 40 Do có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp nên nguồn chiếu sáng kinh điển phổ biến thực tế 2.2 Đèn huỳnh quang Đèn loại đèn phát ánh sáng lạnh, phát nhiệt so với đèn sợi đốt Nó dựa nguyên tắc phóng điện điện cực tác dụng tia cực tím lên lớp bột huỳnh quang tráng bên ống đèn thuỷ tinh, làm phát ánh sáng Màu sắc ánh sáng phát từ đèn tuỳ thuộc vào thành phần lớp bột huỳnh quang bao gồm chất tungstat calci, tungstat magne 2.3 Các đèn phóng điện Các đèn phóng điện có ống hồ quang kích thước nhỏ, cường độ cao làm thạch anh vật liệu gốm suốt Các ống hồ quang chứa điện tích kim loại làm việc nhiệt độ cao chia thành loại là: - Đèn thủy ngân cao áp - Đèn halogen kim loại (Metal Halide) - Đèn Sodium (Natri) 2.4 Các nguồn sáng 2.4.1 Đèn không điện cực 2.4.2 Đèn Sulfur Đèn Sulfur loại đèn điện cực, ánh sáng phát xạ ngun tử sulfur mơi trường khí Argon bị kích thích vi sóng Đèn Sulfur khơng điện cực phát minh năm 1990 Đèn không chứa thủy ngân, bền màu, bị già hóa, thời gian khởi động ngắn, xạ hồng ngoại ít, xạ cực tím yếu, hiệu suất cao (khoảng 100 lm/W), công suất cao, sáng phân bố phổ đầy vùng nhìn thấy Đây đèn lý tưởng để chiếu sáng nhà nơi diện tích rộng nhà máy, kho hàng, nhà thi đấu phố bn bán Nó nguồn sáng lý tưởng cho chiếu sáng trời, cho chiếu sáng kiến trúc 16 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.4.3 Đèn Laser Laser hay máy phát lượng tử tên viết tắt cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (sự phát tia sáng đơn sắc dựa tượng khuếch đại ánh sáng xạ kích thích) Cấu tạo laser gồm bốn phận chính: - Mơi trường hoạt chất - Cơ cấu phản xạ - Bộ phối ghép đầu - Cơ cấu kích thích Mơi trường hoạt chất tập hợp nguyên tử, ion, phân tử xảy xạ kích thích mơi trường làm việc laser Mơi trường chất rắn, chất lỏng, chất khí bán dẫn Tên gọi laser thường lấy theo mơi trường tác dụng Ví dụ laser hồng ngọc có mơi trường tác dụng tinh thể hồng ngọc (rubi), laser CO2 có mơi trường tác dụng khí cacbonic CO2… Bước sóng phát xạ laser phụ thuộc vào chất môi trường hoạt chất, mơi trường có mức lượng xác định Khi chuyển mức lượng chúng giải phóng photon Chỉ số mức lượng sử dụng để khuếch đại xạ kích thích laser phát xạ với bước sóng định Cơ cấu phản xạ gương đầu cuối môi trường hoạt chất, sử dụng phản xạ Gương phản xạ ánh sáng dọc theo trục ống làm tia sáng xếp thẳng hàng tạo nên hốc cộng hưởng ánh sáng Để trì xạ kích thích cực đại ánh sáng phải trì với khoảng cách lớn Hình dáng gương phản xạ xác định quãng đường ánh sáng truyền qua môi trường tác dụng Gương cầu lõm sử dụng để đổi hướng tia phản xạ Bộ phối ghép đầu cấu phản xạ trì ánh sáng hốc cộng hưởng để ánh sáng điều khiển gương phản chiếu có hệ số phản xạ thay đổi tùy loại laser Laser cơng suất cao phản xạ 35%, 65% truyền qua gương thành chùm ánh sáng đầu Laser cơng suất nhỏ 17 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC cần tới 98% ánh sáng phản xạ qua gương có 2% ánh sáng Gương truyền số phần trăm ánh sáng hốc công hưởng gọi phối ghép đầu Cơ cấu kích thích thiết bị để đưa lượng vào môi trường hoạt chất Thông thường người ta sử dụng ba loại kích thích: kích thích quang, kích thích điện kích thích hóa Cơ cấu cung cấp lượng cần thiết để đưa nguyên tử, ion hay phân tử môi trường hoạt chất lên trạng thái kích thích Laser ứng dụng nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ đại Trong kỹ thuật chiếu sáng laser sử dụng chiếu sáng trang trí chiếu sáng lễ hội quảng cáo 2.4.4 Đèn LED Diod phát quang (LED) ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực Ban đầu, LED thường dùng để báo trạng thái logic đơn giản,về sau có ưu điểm vượt trội so với loại đèn báo khác, là: độ sáng cao kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ lượng thấp, hiệu suất cao, độ bền tốt, … LED ứng dụng ngày nhiều, chẳng hạn: bảng biển báo, thiết bị thị, đèn giao thơng, lĩnh vực truyền hình (các tivi LED hệ mới),… đặc biệt công nghệ LED ứng dụng tương đối rộng rãi Kỹ thuật chiếu sáng, mở hướng phát triển công nghệ -Công nghệ chiếu sáng bán dẫn (Solid-state Lighting -SSL) Để sử dụng chiếu sáng, đèn LED phải chế tạo cho đạt công suất phát sáng hiệu suấtcao Đó LED có độ sáng cao (High Brightness - HB LED), LED siêu sáng (Ultra High BrightnessLED UHB LED) Hiệu suất phát sáng cácloại LED cao 100 lm/W, cịn cao đạt mức 200 lm/W tương lai không xa Việc sử dụng LED kỹ thuật chiếu sáng có ưu điểm sau: - LED có hiệu xạ cao nên có ý nghĩa tiết kiệm lượng - LED tạo màu sắc mong muốn mà hạn chế sử dụng kính lọc màu, việc sử dụng kính lọc màu làm giảm hiệu suất chiếu sáng 18 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - Khi cần phải điều chỉnh sáng, LED không thay đổi màu sắc ánh sáng phát dòng điện chạy qua thay đổi - LED có tuổi thọ dài, khả chịu đựng va đập học cao nhiều so với bóng đèn khác đèn huỳnh quang hay đèn sợi đốt - Kích thước LED nhỏ nên dễ dàng sử dụng bo mạch in - Do LED không chứa thành phần độc tố nên giảm thiểu tác hại cho người môi trường Hiệu suất phát quangvà quang thông số loại đèn so sánh với LED chiếu sáng thời gian qua dự báo tới thể bảng Tuy nhiên, việc sử dụng LED ứng dụng tồn số hạn chế: - Chi phí đầu tư ban đầu đắt so với loại đèn truyền thống - Hoạt động LED phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ môi trường Khi nhiệt độ tăng cao dẫn đến phá hỏng LED nên đòi hỏi giải pháp tản nhiệt tốn - Trong q trình hoạt động, LED địi hỏi phải cấp dịng điện xác, ổn định nên địi hỏi phải cấp nguồn ổn dịng 19 BÀI TẬP LỚN MƠN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 3: Kỹ thuật điều khiển chiếu sáng Điều khiển chiếu sáng nhằm hai mục tiêu, mâu thuẫn nhau: - Giảm điện tiêu thụ hệ thống chiếu sáng - Đảm bảo chiếu sáng thỏa mãn điều kiện tiện nghi Để thực công nghệ chiếu sáng tiện ích vai trị điều khiển quan trọng, kết chung chiếu sáng tiện ích đạt là: - Giảm điện tiêu thụ cho tồn hệ thống; - Giảm u cầu cơng suất đỉnh, san đồ thị phụ tải hệ thống điện; - Giảm yêu cầu đầu tư thiết bị nguồn, thiết bị truyền tải phân phối, giảm chi phí vận hành; - Tạo cảnh quan môi trường Nhờ biện pháp điều khiển chiếu sáng phát triển mạnh cơng nghệ điều khiển tiết kiệm 35%, 50%; 75% điện tiêu thụ Có hai hình thức điều khiển: - Điều khiển bật -tắt (điều khiển logic); - Điều khiển quang thông liên tục (dimming) Có thể liệt kê số phương pháp điều khiển chiếu sáng sau: - Đặt cảm biến tiệm cận: loại cảm biến tiệm cận phát có mặt người khu vực chiếu sáng để điều khiển việc bật, tắt theo yêu cầu - Chiếu sáng theo chương trình: nhờ rơle thời gian, điều khiển lập trình, thực việc bật, tắt theo lịch đặt trước 20 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - Điều chỉnh điện áp cho thiết bị chiếu sáng(dimming), nguồn cung cấp có nhiều mức cơng suất làm thay đổi quang thơng làm thay đổi công suất đèn - Phối hợp với ánh sáng ban ngày cách tắt bớt số đèn ánh sáng tự nhiên từ cửa, trần, sử dụng cảm biến quang Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chiếu sáng Các phần tử hệ thống điều khiển chiếu sáng nói chung bao gồm (hình1): cảm biến, điều khiển, phần tử thực đối tượng điều khiển đèn chiếu sáng, Các cảm biến sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng là: cảm biến siêu âm,cảm biến hồng ngoại,cảm biến quang - Cảm biến tiệm cận siêu âm sử dụng tinh thể thạch anh làm nguồn phát sóng siêu âm khơng gian cảm nhận sóng phản xạ từ đối tượng Theo hiệu ứng dopple tần số sóng siêu âm phản xạ thay đổi đối tượng chuyển động, phát có mặt đối tượng vùng phủ sóng siêu âm Các siêu âm hệ thường hoạt động tần số 32Khz, phát vật có kích thước nhỏ khoảng cách 10m, điều kiện có sương mù - Cảm biến tiếp cận hồng ngoại cảm nhận lượng từ người phát ra, chúng nhậy với đối tượng chuyển động cảm nhận tia hồng ngoại có bước sóng 10µm cảm biến hồng ngoại thường chế tạo từ vật liệu có hiệu ứng nhiệt (pyroelectric) biến nhiệt lượng thành hồng ngoại 21 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Vùng phát cảm biến tiếp cận hồng ngoại hình nón mở rộng Bộ cảm biến hồng ngoại nhậy với tín hiệu diện (ON) so với bộcảm biến siêu âm Vùng phát tốt khoảng 6m Cảm biến tiện cận siêu âm hồng ngoại lắp đặt theo kiểu: lắp trần, lắp tường cao góc nhà, lắp hộp treo tường gần lối vào,đặt gần vị trí làm việc khu vực điều khiển, - Cảm biến quang: Các cảm biến quang thường sử dụng việc điều khiển hệ thống chiếu sáng kết hợp chiếu sáng tự nhiên Bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật vi điều khiển hay điều khiển khả trình PLC, đơn giản định thời (timer) Bộ vi điều khiển hay vi xử lý chuyên dụng để thực điều khiển đóng cắt điều chỉnh quang thông đèn theo yêu cầu Chẳng hạn tắt nửa số đèn vào thấp điểm mật độ tham gia giao thông giảm, hay sử dụng điều chỉnh quang thông(dimming) theo chiến lược định trước nhằm giảm công suất tiêu thụ vào ban đêm , phương án tiết kiệm đến 30% điện tiêu thụ Phần tử thực chuyển mạch sử dụng hệ thống điều khiển chiếu sáng chuyển mạch hai mức, nhiều mức, mức nối với số đèn thích hợp, sử dụng điều chỉnh quang thông (dimming) dùng cho loại đèn chiếu sáng LED 22 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện năng” đề tài có tính lý thuyết thực tiễn cao Theo đà phát triển nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, thị, khu cơng nghiệp, xa lộ, cơng trình văn hóa thể thao phát triển nhanh chóng Trên quy mơ tồn quốc 64 tỉnh thành, huyện, xã 85% hộ dân cư có lưới điện quốc gia Việc chiếu sáng cơng trình khơng mối quan tâm Công ty chiếu sáng đô thị, nhà thiết kế chiếu sáng kiến trúc mà mối quan tâm chung toàn xã hội Hiện Việt Nam với tổng số 700 đô thị đà quy hoạch xây dựng phát triển nhu cầu chiếu sáng tăng trưởng lớn Với số dân đô thị chiếm khoảng 26% dân số nước sử dụng 80% tổng điện năng, chiếu sáng sử dụng tới 27% tổng điện Việc đầu tư xây dựng nhà máy điện không theo kịp tốc độ phát triển kinh tế, tình trạng thiếu điện diễn biến lâu dài cho việc sử dụng điện hiệu tiết kiệm phải quốc sách hàng đầu Kỹ thuật chiếu sáng chuyển từ chiếu sáng tiện nghi trọng tiện nghi nhìn sang chiếu sáng tiện ích mà nội dung vừa đảm bảo tiện nghi nhìn, thỏa mãn điều kiện lao động tốt triệt để tiết kiệm điện 23 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Văn Doanh – Đặng Văn Đào, Kỹ thuật chiếu sáng tiện nghi hiệu lượng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2008 [2] Phạm Đức Nguyên, Chiếu sáng kiến trúc, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [3] GS.TS Phạm Hồng Khôi, TS Nguyễn Thị Bắc Kinh, Bài giảng “Đèn LED ứng dụng chiếu sáng chung”; Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam, 6/2010 [4] PGS.TS Phạm Văn Thứ, Bài giảng “Phương pháp nghiên cứu khoa học”; Viện sau đại học Trường đại học Hàng Hải Việt Nam, 2015 24 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MỤC LỤC Mở đầu 1 Lý chọn đề tài 2 Mục đích nghiên cứu đề tài 3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 4 Phương pháp nghiên cứu 5 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Chương 1: Tổng quan kỹ thuật chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện Chương 2: Công nghệ chiếu sáng bán dẫn 15 Chương 3: Kỹ thuật điều khiển chiếu sáng 20 Kết luận kiến nghị 23 Tài liệu tham khảo 24 25