6. Bố cục của luận án
1.4.2 Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên
Hệ thống tiết kiệm điện được phát triển bởi TS. Nguyễn Phan Kiên và cộng sự [39] là phiên bản đầu tiên của hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tựnhiên được nghiên cứu đưa ra thịtrường, được nghiên cứu để kiểm soát một sốlượng lớn các bóng đèn như 16, 30 và 50 ống để giảm chi phí cộng thêm trong mỗi ống. Yêu cầu của hệ thống là: (1) thiết bị phải có hiệu chỉnh hệ số công suất, (2) tỷ lệ tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 30% đến 50% và (3) thiết bị có thểđiều khiển một số lượng lớn đèn. Hiện thiết bị đã hoàn thiện và chạy tốt với khảnăng tiết kiệm từ30% đến 50% điện năng tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng.
Nguyên lý tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên của hệ thống được chỉ ra trong hình 1.2. Như trong hình, giả sử khu vực yêu cầu năng lượng chiếu sáng là 180 lux. Khi sử dụng các hệ thống đèn thông thường, năng lượng do ánh sáng nhân tạo tạo ra đạt 180 lux. Khi có ánh sáng bên ngoài vào, giả thuyết là thêm 50 lux thì trong khu vực chiếu sáng sẽ thừa năng lượng (230 Lux). Do đó, đểđảm bảo ánh sáng trong khu vực vẫn đạt 180 Lux thì có thể tiết giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo xuống còn 130 Lux. Như
16 vậy năng lượng trong khu vực chiếu sáng vẫn đủ 180 Lux nhưng năng lượng tiêu thụ của hệ thống bóng đèn vẫn đã được giảm.
Hình 1.2: Nguyên lý cân bằng ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo
Đầu tiên, thiết bị sẽ có hiệu chỉnh hệ số công suất; thứ hai, thiết bị sẽ hoạt động với phương pháp làm mờ (dimming). Có nghĩa là thiết bị sẽ sử dụng ánh sáng tự nhiên (từ bên ngoài chiếu vào phòng) để giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo (tạo ra từđèn) để giảm năng lượng. Sự khác biệt giữa thiết bị này và chấn lưu làm mờ là: chấn lưu mờ kết nối trực tiếp với ống nhưng thiết bị kết nối giữa đường dây điện và chấn lưu.
17
Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming
Trong sơ đồ hệ thống, dữ liệu cài đặt (năng lượng chiếu sáng của phòng) sẽ được thêm vào thiết bị thông qua bộ phận bàn phím. Điện áp và dòng điện của nguồn điện cũng được đo bằng đơn vịđo điện áp và dòng điện. Tất cả dữ liệu đo được sẽ gửi đến bộvi điều khiển (MCU, ATMEGA128) để thực hiện điều khiển. Khi thiết bị khởi động, mức độ chiếu sáng sẽđược thiết lập bằng cách sử dụng bàn phím. Mức năng lượng chiếu sáng này được coi là năng lượng chiếu sáng tiêu chuẩn. Sau khi thiết lập mức độ chiếu sáng, thiết bị sẽ được chuyển sang trạng thái đang chạy. Trường hợp có ánh sáng tự nhiên chiếu vào phòng dẫn đến năng lượng ánh sáng trong khu vực chiếu sáng cao hơn yêu cầu. Thông qua cảm biến chiếu sáng, MCU sẽđiều khiển biến áp tựđộng để giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo. Việc giảm được giới hạn bởi dòng điện tối thiểu của một đèn (khoảng 180mA) [40]. Giới hạn này cho phép tuổi thọ của bóng đèn được lâu nhất. Hệ thống sử dụng biến áp tự ngẫu đểđiều khiển điện áp bóng đèn. Hình ảnh của hệ thống được đưa ra ở hình 1.4
18
Hình 1.4: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuýp
Nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Phan Kiên đã thực hiện việc kiểm thửđể chứng minh khảnăng tiết kiệm điện của thiết bị, bằng cách so sánh các thông số khi sử dụng và không sử dụng hệ thống tiết kiệm điện đối với việc điều khiển 16 bóng đèn tuýp. Thí nghiệm được thực hiện ởphòng đo kiểm nhà máy Z181, Bộ Quốc Phòng. Bảng 1.5 đưa ra các thông số khi sử dụng và không sử dụng bộ tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuýp.
Bảng 1.5: Thông sốđiện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện
Số lượng bóng
Điện áp ( V ) Dòng điện (A) Cos φ Độ sáng (Lux) Độ sáng tiêu chuẩn (Lux) Không dùng TKD Sử dụng TKD Không dùng TKD Sử dụng TKD Không dùng TKD Sử dụng TKD Không dùng TKD Sử dụng TKD Bóng 1 217 217 0.4 0.2 0.71 0.91 76 75 300 2 217 217 0.7 0.4 0.72 0.93 150 149 300 3 217 217 1 0.6 0.74 0.98 234 234 300
19 4 217 217 1.4 0.8 0.73 0.9 293 291 300 5 217 217 1.7 0.9 0.73 0.92 354 301 300 6 217 217 2.1 1.1 0.73 0.97 411 302 300 7 217 217 2.5 1.2 0.73 0.84 485 301 300 8 217 217 2.8 1.2 0.72 0.77 561 303 300 9 217 217 3.1 1.3 0.71 0.78 625 344 300 10 217 217 3.4 1.5 0.73 0.76 694 375 300 11 217 217 3.7 1.6 0.72 0.77 771 406 300 12 217 217 4.1 1.7 0.71 0.78 869 447 300 13 217 217 4.4 1.8 0.72 0.76 950 516 300 14 217 217 4.8 2 0.71 0.78 1022 582 300 15 217 217 5.1 2.1 0.71 0.81 1097 634 300 16 217 217 5.4 2.2 0.7 0.8 1164 702 300
Theo số liệu trong bảng 1.5: thông sốđiện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện, tỷ lệ tiết kiệm năng lượng từ20% đến 35% trong trường hợp không đủnăng lượng chiếu sáng (3 ống đầu tiên, thiết lập độ sáng cao hơn thực tế), từ33% đến 54%. (4 đến 8 ống) ở mức độ thiết lập hệ thống chiếu sáng và khoảng 54% trong trường hợp vượt quá năng lượng chiếu sáng. Tỷ lệ năng lượng tiết kiệm vẫn còn khoảng 54% để duy trì tuổi thọ cao nhất của bóng đèn. Có nghĩa là dòng điện của mỗi đèn từ 140mA đến 200 mA, gần với dòng điện tối ưu của đèn huỳnh quang.
Về mặt kinh tế, trong trường hợp thương mại hóa, giá thiết bị khoảng 3 triệu đồng (143 USD) và thời gian sử dụng ước tính của thiết bị khoảng 8 năm. Có nghĩa là giá mỗi ống tăng thêm khoảng 185 nghìn đồng, cao hơn giá chấn lưu điện tử. So với tăng phô giảm sáng, cùng mức năng lượng tiết kiệm nhưng giá thiết bị trên 1 ống thấp hơn nên sẽ là sự lựa chọn tốt nhất cho người sử dụng. Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng từ30% đến 50% (cùng mức với chấn lưu làm mờ) nhưng nó hoạt động tự động. Giả sử hệ thống chiếu sáng hiện có sử dụng chấn lưu sắt từ làm hệ thống chiếu sáng chính chạy khoảng 10h
20 mỗi ngày, 24 ngày / tháng và 12 tháng / năm, do đó tổng năng lượng của hệ thống chiếu sáng khoảng 1843kWh (0,04kW x10h x24 ngày x12 tháng x16 ống ). Với mức năng lượng tiết kiệm được là khoảng 30% nên sẽ giảm năng lượng khoảng 552kWh. Giá điện là 2000 đồng / kWh (0,09 USD) nên một năm, một thiết bị TKD-N16 sẽ giảm được 1,1 triệu đồng (52 USD) tiền điện mỗi năm. Vốn đầu tư là 3 triệu đồng nên thời gian hoàn vốn của khoản đầu tư là gần 3 năm. Bên cạnh đó, Việt Nam nằm trên khu vực xích đạo nên ánh sáng mặt trời trong năm khá nhiều. Nó sẽ dẫn đến TKD-N16 có thể sử dụng nhiều năng lượng chiếu sáng hơn từ mặt trời. Đồng nghĩa với việc khảnăng tiết kiệm năng lượng của thiết bị sẽcao hơn khi áp dụng trong các trường phổthông và đại học.
Tuy nhiên, thiết bị vẫn còn một số mặt hạn chế:
- Kích thước và khối lượng biến áp lớn, gây khó khăn cho việc lắp đặt, thi công; giá thành thiết bị cao.
- Phương án điều chỉnh điện áp ra trên biến áp tự ngẫu không thể sử dụng cho thiết bịđèn LED.
- Cảm biến tĩnh đưa ra thông tin không chính xác khi có vật cản chắn sáng, nguồn sáng không ổn định.
Để khắc phục các nhược điểm trên, nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp sau:
- Vật liệu sử dụng cho thiết bị cần được cải thiện, cụ thể là vật liệu bán dẫn để giảm giá thành, kích thước thiết bị. Đồng thời, nghiên cứu giải pháp để thiết bị có thể điều chỉnh được điện áp của nhiều loại bóng đèn, không bị giới hạn ở đèn tuýp. Đểlàm được điều này, nghiên cứu xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau, sử dụng IGBT và mạch bán dẫn. Chương 2 sẽ trình bày nghiên cứu của luận án để cải tiến độ tương thích của thiết bị với nhiều loại bóng khác nhau.
- Đưa ra giải pháp cảm biến quay, phát hiện vật cản và nguồn sáng không ổn định. Giải pháp này sẽđược trình bày ở Chương 3.