CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 01/ 04/2012 KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG TIỆN ÍCH AVANDCED LIGHTING TECHNIQUES TS TRẦN XUÂN VIỆT; KS TRẦN VĂN HÀO Khoa Điện-ĐTTB, Trường ĐHHH Tóm tắt Trong thời gian gần với phát triển nguồn sáng hiệu suất cao, phương pháp tính tốn cơng cụ phần mềm thiết kế chiếu sáng mới, Kỹ thuật chiếu sáng chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang giai đoạn chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện - gọi Chiếu sáng tiện ích Bài viết phân tích số đặc trưng Kỹ thuật chiếu sáng tiện ích : thiết kế chiếu sáng ứng dụng phần mềm máy tính (CAD), chiếu sáng sử dụng LED, điều khiển Kỹ thuật chiếu sáng Abstract In recent times with the development of high performance lighting sources, the methodology and sortware tools to design, the lighting technology has moved from stage facilities-lighting to stage of efficiency and energy saving - called Avandced Lighting techniques This article analyzes some characteristics of Avandced Lighting Techniques: Computeraided lighting-design (CAD), SSL (Solid state Lighting), control for lighting Keyword: Lighting techniques Khái niệm Kỹ thuật chiếu sáng tiện ích 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 công 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, gọi 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 [2] Ba nội dung giới thiệu thảo luận viết : - Giới thiệu khả ứng dụng phần mềm thiết kế chiếu sáng DIALux Đã có nhiều phần mềm hỗ trợ thiết kế chiếu sáng hãng công nghiệp lớn Theo quan điểm tác giả viết DIALux phần mềm thiết kế chiếu sáng tiên tiến - Tổng quan Công nghệ chiếu sáng bán dẫn 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 Thiết kế chiếu sáng ứng dụng phần mềm máy tính (CAD) Kỹ thuật chiếu sáng đại công nghiệp thiếu việc ứng dụng phần mềm tự động hóa q trình thiết kế chiếu sáng [4] Có thể kể tới phần mềm Ulysse, Caculux Road, Lumen Micro 2000, … đặc biệt DIALux Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 30 – 4/2012 60 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 01/ 04/2012 Phần mềm ULYSSE (Turbo light) phần mềm thiết kế chiếu sáng tập đoàn Schereder, xây dựng phối hợp với Công ty Urbis lighting Anh - thành viên Schereder Phần mềm Ulysse tính tốn cho hệ thống chiếu sáng giao thông theo tiêu chuẩn quốc tế CEA 140, tiêu chuẩn châu Âu CEN tiêu chuẩn Anh BS Ulysse dễ sử dụng thực nhiều tác vụ: Tính tốn cung cấp nhiều phương án chiếu sáng cho hệ thống để người thiết kế chọn phương án tối ưu Ulysse dùng liệu phân bố ánh sáng đèn tập đoàn Schereder sản xuất chính, Ulysse tính toán với tập tin liệu nhiều nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng khác có phần mở rộng IES, CEN, CIB, PHL Phần mềm LUMEN MICRO 2000 xây dựng Lumen Micro (hãng Lighting Technology, 1630 Welton Street, Suite 400, Denver, Colorado 80202, USA) công cụ để sáng tạo mô thiết bị chiếu sáng cho ứng dụng nhà ngồi trời Khơng gian chiếu sáng nhà ngồi trời dễ dàng mơ hình hóa dùng khả thiết kế với trợ giúp máy tính Lumen Micro Giao diện thiết kế trợ giúp máy tính - Các phịng, đối tượng chiếu sáng đèn lắp đặt, dịch chuyển, copy xóa kích chuột Nhiều ảnh chiều lúc tạo khả hình dung thao tác tuyệt vời Thư viện sản phẩm - Lumen Micro có thư viện kiệu quang trắc khoảng 20.000 sản phẩm 70 nhà sản xuất Đặc biệt giới thiệu đặc tính quan trọng DIALux - phần mềm cho phép tự động hóa thiết kế chiếu sáng cho hệ thống chiếu sáng giao thơng, bãi đỗ xe, cơng trình văn hóa thể thao, chiếu sáng nội ngoại thất DIALux phần mềm nghiên cứu phát triển cung cấp cho người sử dụng sở kết hợp liệu liên quan loại đèn chiếu sáng hãng sản xuất khác Cho phép người thiết kế thực ý tưởng chiếu sáng cho cơng trình dựa kiện u cầu từ thực tế để thực mơ hình hố không gian ảo đơn giản trực quan DIALux phát triển để thiết lập dự án với tốc độ tính tốn xác cao Với 54 nhà sản xuất đèn với sản phẩm họ cung cấp số liệu tảng DIALux DIALux có kết hợp hồn hảo với liệu thiết kế xây dựng phần mềm CAD Sự hội tụ tinh tuý phát triển cộng sinh giữa: Kiến trúc công nghệ xây dựng đại DIALux phần mềm thiết kế chiếu sáng độc lập xây dựng công ty DIAL GmbH – Đức download trực tiếp từ trang web www.dialux.com Một điều lưu ý sử dụng phần mềm (cho lần đầu tiên) máy tính cần kết nối internet để cập nhật sở liệu loại đèn hãng mà DIALux có liên kết tải liệu độc lập loại đèn sử dụng thiết kế có liệu đèn tạo lập tảng mà file DIALux đọc DIALux thiết kế với thư viện liên kết động tức cho phép người dùng lựa chọn loại đèn hãng thiết kế chỉnh sửa tạo liệu loại đèn theo yêu cầu thực tế Với catalogs hãng cung cấp cho ta thông tin đầy đủ loạ đèn Chính để thiết kế dự án sử dụng phần mềm DIALux thiết cần phải download liệu loại đèn cài đặt vào thư mục DIALux\PlugIns tạo đường dẫn đến thư mục chứa loại đèn Add chúng vào project trước tiến hành thiết kế cần thiết Phần mềm thiết kế chiếu sáng DIALux bao gồm phần: + DIALux Light Wizard: DIALux Light Wizard phần riêng biệt DIALux bước trợ giúp cho người thiết kế dễ dàng nhanh chóng thiết lập dự án chiếu sáng nội thất Kết chiếu sáng nhanh chóng trình bày kết chuyển thành tập tin PDF chuyển qua dự án chiếu sáng DIALux để DIALux thiết lập thêm chi tiết DIALux Light Wizard cho ta hai lựa chọn diện tích hình dạng nhà thiết kế hình chữ nhật hình L Từ cho phép ta thay đổi: Kích thước độ rộng, độ cao, chiều dài, mức độ phản xạ ánh sáng màu sơn tường, lựa chọn loại đèn phù hợp (ở liệu loại đèn cần import vào project) hiệu chỉnh tham số liên quan đến cường độ chiếu sáng, mức độ phản xạ vật thể Tuỳ theo trường hợp cụ thể mà DIALux Light Wizard cho phép người thiết kế thiết lập dự án theo ý tưởng để mặc định phần mềm mặc định Để thay đổi loại đèn người thiết kế lựa chọn từ combox phần Luminaire (trong trường hợp liệu loại đèn Add thư viện DIALux\PlugIns) lựa chọn từ catalogs thực download liệu loại đèn hãng thông qua internet từ logo catalogs Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 30 – 4/2012 61 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 01/ 04/2012 + DIALux: DIALux thiết kế với nhiều tính hơn, đặc biệt khả mơ hình hố đối tượng thiết kế không gian ảo Rất linh hoạt liên kết dự án CAD từ 2D đến 3D Việc truy xuất cho phép người thiết kế kết hợp liệu từ thiết kế CAD với độ xác cao để xây dựng dự án chiếu sáng thiết kế xây dựng DIALux cho ta nhiều lựa chọn để thiết kế dự án, xuất nhập file CAD đơn giản, xác, đồng thời mơ khơng gian chiếu sáng dự án mơ hình 3D, ghi lại q trình quan sát góc cạnh, vị trí, khu vực thiết kế 3D video DIALux cho phép chọn dạng thiết kế bản: - Phần trợ giúp thiết kế nhanh (Wizard DIALux) cho chiếu sáng nội thất, chiếu sáng ngoại thất chiếu sáng giao thông - Interior Project: lập dự án chiếu sáng nội thất - Exterior Project: lập dự án chiếu sáng ngoại thất - Street Project: lập dự án chiếu sáng giao thông Công nghệ chiếu sáng bán dẫn (Solid-state Lighting – SSL) Diod phát quang (LED) ứng dụng ngày nhiều lĩnh vực Ban đầu, LED thường dùng để báo trạng thái logic đơn giản, 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 suất cao Đó LED có độ sáng cao (High Brightness - HB LED), LED siêu sáng (Ultra High Brightness LED - UHB LED) Hiệu suất phát sáng loại LED cao 100 lm/W, cao đạt mức 200 lm/W tương lai không xa Việc sử dụng LED kỹ thuật chiếu sáng có ưu điểm sau [1]: - 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 - 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 quang quang thông số loại đèn so sánh với LED chiếu sáng thời gian qua dự báo tới thể bảng Bảng Mục tiêu Hiệu suất phát sáng Luminous Efficacy(lm/W) Quang Thông Lamp Plux (lumens/lamp) Tuổi thọ Lifetime (hrs) LED Đèn sợi đốt Đèn huỳnh quang 2002 2007 2012 2020 20 75 150 200 16 85 25 200 1000 1500 1200 3400 1000 10.000 20.000 >20.000 >100.000 >100.000 Tuy nhiên, việc sử dụng LED ứng dụng tồn số hạn chế [1]: - 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 địi hỏi giải pháp tản nhiệt tốn - Trong trình hoạt động, LED địi hỏi phải cấp dịng điện xác, ổn định nên địi hỏi phải cấp nguồn ổn dịng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 30 – 4/2012 62 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 01/ 04/2012 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 cơng nghệ chiếu sáng tiện ích vai trị điều khiển quan trọng, kết chung chiếu sáng tiện ích đạt là: - Giảm điện tiêu thụ cho toàn hệ thống, - Giảm yêu cầu công 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 công 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 thơng liên tục (dimming) Có thể liệt kê số phương pháp điều khiển chiếu sáng sau [2]: - 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 rờ le thời gian, điều khiển lập trình, thực việc bật, tắt theo lịch đặt trước - 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 Cảm biến Bộ điều khiển Phần tử thực Hệ thống đèn Kiểm soát Trạng thái Hình Sơ đồ khối hệ thống điều khiển chiếu sáng Các phần tử hệ thống điều khiển chiếu sáng nói chung bao gồm (hình 1): 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 10m cảm biến hồng ngoại thường chế tạo từ vật liệu có hiệu ứng nhiệt (pyroelectric) biến nhiệt lượng thành hồng ngoại 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 cảm 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, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 30 – 4/2012 63 CHÀO MỪNG NGÀY THÀNH LẬP TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM 01/ 04/2012 - 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 Kết luận Với phát triển nguồn sáng hiệu suất cao, phương pháp tính tốn cơng cụ phần mềm thiết kế chiếu sáng mới, Kỹ thuật chiếu sáng thực áp dụng công nghệ tiên tiến với mục tiêu chiếu sáng hiệu tiết kiệm điện - Chiếu sáng tiện ích Bài viết phân tích số đặc trưng Kỹ thuật chiếu sáng tiện ích, như: thiết kế chiếu sáng ứng dụng phần mềm máy tính (CAD), cơng nghệ chiếu sáng bán dẫn số giải pháp điều khiển Kỹ thuật chiếu sáng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dr Zainovia Lockman, “Light Emitting Diode -Design Principles” Lecture – LED1 [2] Lê Văn Doanh, , “Kỹ thuật chiếu sáng”, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà nội 2008 [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] Rüdiger Ganslandt, Harald Hofmann, “Handbook of Lighting Design”, C Fikentscher Großbuchbinderei Darmstadt, 1992 Người phản biện: PGS.TS Lưu Kim Thành TÍNH TỐN TỰ ĐỘNG BỘ TRUYỀN BÁNH RĂNG CƠN THE AUTOMATIC CALCULATING BEVEL GEARS TS ĐÀO NGỌC BIÊN Viện KHCS, Trường ĐHHH Abstract In this article are presented the establishment and the usage of the program for automatic calculating bevel gears Tóm tắt Trong báo trình bày việc xây dựng sử dụng chương trình tính tốn tự động truyền bánh côn Đặt vấn đề Bộ truyền bánh côn dùng phổ biến cấu có trục giao nhau, góc chúng thường 90 Tính tốn thiết kế truyền bánh côn công việc thường gặp ngành khí, chế tạo máy tính tốn hộp giảm tốc, công tác giảng dạy học tập Khi tính tốn truyền bánh cơn, cần thực khối lượng tính tốn lớn, đồng thời phải nhiều lần tra nội suy bảng số liệu cần thiết cho việc tính tốn Việc tính tốn thủ cơng khơng thời gian, cơng sức, gây sai sót, nhầm lẫn, khó tối ưu hóa kết tính tốn, mà cịn bất tiện ln phải mang theo tài liệu, bảng biểu để tra cứu Trong báo trình bày việc xây dựng sử dụng chương trình tính tốn tự động truyền bánh côn thẳng ngôn ngữ lập trình Delphi Trình tự tính tốn truyền bánh Lý thuyết tính tốn truyền bánh răng thẳng với ví dụ tính tốn thủ cơng trình bày kỹ lưỡng tài liệu [1, 2, 7, 8, 9, 10] Trình tự tính tốn sau: Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 30 – 4/2012 64