6. Bố cục của luận án
1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng
Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên, và kết quảđem lại được đều hết sức vượt trội. Năm 2011, Al-Ashwal và Budaiwi đã nghiên cứu hiệu suất năng lượng của các tòa nhà văn phòng do tích hợp ánh sáng ban ngày và ánh sáng nhân tạo ở vùng khí hậu nóng theo thiết kế cửa sổ, bao gồm diện tích cửa sổ, chiều cao và loại kính. Kết quả cho thấy rằng có thể giảm tới 35% mức tiêu thụ năng lượng chiếu sáng bằng cách sử dụng ánh sáng ban ngày và tích hợp ánh sáng nhân tạo [35]. Năm 2014, Yoo và cộng sự đã tính toán sự phân bố của ánh sáng ban ngày trong văn phòng, cũng như tỷ lệđộsáng đểđiều khiển từng đèn LED bằng cách sử dụng
12 phần mềm mô phỏng ánh sáng. Kết quả là, tiêu thụ điện năng của đèn chiếu sáng đã giảm 40-70% tùy theo mùa và điều kiện thời tiết [36].
Khi so sánh với các phương án tiết kiệm năng lượng khác, hệ thống điều khiển ánh sáng kết hợp ánh sáng tựnhiên cũng có tỷ lệ tiết kiệm điện cao hơn. Năm 2016, Gentile và cộng sự đã trình bày kết quả của một nghiên cứu giám sát theo bốn hệ thống điều khiển ánh sáng khác nhau (hệ thống sử dụng một công tắc thủ công ở cửa, hệ thống sử dụng một bộ phát hiện chuyển động, hệ thống tận dụng ánh sáng ban ngày bằng cảm biến phát hiện vắng mặt và hệ thống sử dụng một đèn LED). Kết quả, hệ thống điều khiển ánh sáng liên kết với ánh sáng tự nhiên đạt được mức tiết kiệm cao hơn so với các hệ thống khác (79%) [37].
Các thuật toán đểđánh giá, tinh chỉnh năng lượng đầu ra của hệ thống tận dụng ánh sáng tựnhiên cũng được nghiên cứu. Năm 2018, Kim, In-Tae & Kim, Yu-Sin & Nam, Hyeonggon và Hwang, Taeyon đã đưa ra nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển độ sáng bóng đèn bằng hệ thống phản hồi đáp ứng ánh sáng tự nhiên [38]. Nghiên cứu này nhằm đánh giá độ chính xác và khảnăng tiết kiệm năng lượng của hệ thống làm mờđáp ứng ánh sáng tự nhiên khi xem xét ảnh hưởng của độ rọi gián tiếp. Để cải thiện độ chính xác và tiết kiệm năng lượng của hệ thống làm mờđáp ứng ánh sáng tự nhiên, một thuật toán điều khiển độ mờ cải tiến đã được áp dụng cho của hệ thống làm mờ đáp ứng ánh sáng tự nhiên khi xem xét ảnh hưởng của độ rọi gián tiếp. Kết quảlà độ chính xác trung bình của độ rọi mục tiêu là 98,9% (tỷ lệ 0,5%) và mức tiết kiệm năng lượng chiếu sáng trung bình là 77%.
Năm2020, để giải quyết vấn đềtiêu hao năng lượng chiếu sáng ởcác nước phát triển và các nước nghèo trên thế giới, Yangping Zheng, Jia Q và Hongtao Yu đã đưa ra giải pháp sử dụng IoT kết hợp với điện toán biên để xây dựng hệ thống chiếu sáng thông minh cho các tòa nhà văn phòng. Hệ thống sử dụng IoT làm công nghệ lõi , dựa trên mô hình mạng dạng lưới (mesh topology) để thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng.Thông qua việc lấy mẫu ngoài thực tế và thực hiện các kiểm thử, sau đó đưa dữ liệu vào hệ thống để huấn luyện, hệ thống đã tiết kiệm được 30% lượng điện tiêu thụ mỗi năm, và kết quả này hết sức khả quan.
Kết luận lại, phương án tận dụng ánh sáng tựnhiên đem lại hiệu quả nổi trội hơn hẳn so với những phương pháp khác. Bảng sau tóm tắt lại tỷ lệ tiết kiệm điện của mỗi giải pháp, dựa trên các nghiên cứu trên thế giới
13
Bảng 1.3: So sánh hiệu năng tiết kiệm điện giữa những giải pháp cải thiện chiếu sáng
Giải pháp tiết kiệm năng lượng Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng Nguồn
Cải thiện không gian chiếu sáng 5% (hiệu chỉnh lớp cách nhiệt tòa nhà),
20% (thay đổi hệ thống chắn nắng)
[21] [24]
Thay thếbóng đèn cũ/ hiệu suất thấp Từ 25% đến 80% (khi thay thế bóng sợi đốt), từ 10% đến 40% (khi thay thếđèn huỳnh quang) [25] [30] [31] Sử dụng các hệ thống tận dụng ánh sáng tự nhiên Từ40% đến 80% [35] [36] [37] [38] Với tỷ lệ tiết kiệm điện vượt trội, giải pháp sử dụng hệ thống chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên là giải pháp đang được ưu tiên quan tâm trên thế giới. Tuy nhiên, ở Việt Nam, các nghiên cứu về tính khả thi, những con sốcũng như một hệ thống chiếu sáng cụ thể dựa trên ánh sáng tự nhiên là không nhiều. Một trong sốđó là nghiên cứu độc quyền sáng chế của TS. Nguyễn Phan Kiên và cộng sự về hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng. Phần 1.4 sẽ phân tích một thiết bị cụ thể là thiết bị tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng của TS. Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đã nghiên cứu và phát triển.
1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam
1.4.1Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở Việt Nam
Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng - mức cho phép chiếu sáng nơi làm việc được quy định theo thông tư số 22/2016/TT-BYT, Trong quy chuẩn này, các từ ngữdưới đây được hiểu như sau:
Độ rọi hay độ chiếu sáng (illuminance): Là độ sáng của một vật được một chùm sáng chiếu vào, đơn vị là Lux. 1 Lux là độ sáng của một vật được một nguồn sáng ở cách xa 1m có quang thông bằng 1 Lumen chiếu trên diện tích bằng 1m2.
Độ rọi duy trì (Em) (maintained illuminance): Độ rọi trung bình trên bề mặt quy định không được nhỏhơn giá trị này.
Độ rọi duy trì tối thiểu với các loại hình công việc được quy định ở bảng sau (Bảng chỉ trích dẫn yêu cầu độ rọi chiếu sáng cho các khu vực nhà xưởng, văn phòng, bệnh viện, là các đối tượng tập trung nghiên cứu):
14
Bảng 1.4: Bảng yêu cầu vềđộ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc
Loại phòng, công việc hoặc các hoạt động Em (Lux)
1. Khu vực chung trong nhà
Tiền sảnh 100
Phòng đợi 200
Khu vực lưu thông và hành lang 100
Cầu thang (máy, bộ), thang cuốn 150
Căng tin 150 Phòng nghỉ 100 Phòng tập thể dục 300 Phòng gửi đồ, phòng rửa mặt, phòng tắm, nhà vệ sinh 200 Phòng cho người bệnh 500 Phòng y tế 500 Phòng đặt tủđiện 200
Phòng thư báo, bảng điện 500
Nhà kho, kho lạnh 100
Khu vực đóng gói hàng gửi đi 300
Băng tải 150
Khu vực giá để hàng hóa 150
15 Ngoài ra, thông tư QCVN 09:2013/BXD quy định hệ thống chiếu sáng cần đáp ứng các yêu cầu sau:
Hệ thống chiếu sáng cần chiếu ánh sáng đến mọi không gian, vị trí làm việc trong nhà xưởng.
Hệ thống chiếu sáng cần đảm bảo khảnăng chống lóa, chống chói mắt cho người lao động. Vì khi chói mắt sẽ gây khó chịu đến thịgiác điều này sẽảnh hưởng đến năng suất làm việc và chất lượng sản phẩm.
Trong mỗi nhà xưởng đều cần phải chiếu sáng không có hiện tượng bịbóng người lao động, máy móc che khuất.
Tiêu chuẩn về màu ánh sáng nhiệt độ màu phù hợp với từng môi trường làm việc cũng như yêu cầu khi sản xuất.
Hệ thống chiếu sáng không được có hiện tượng bị nhấp nháy gây ảnh hưởng đến thị giác của nhân công.
Thiết kế hệ thống chiếu sáng đạt chuẩn chất lượng ngay từđầu để hạn chế việc bảo dưỡng và sửa chữa. Vì khi bảo dưỡng hay sữa chữa đèn chiếu sáng sẽ gây ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất của nhà xưởng.
1.4.2Phân 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.
1.5 Kết luận chương 1
Chương 1 đã phân tích các chiến lược cải thiện hiệu năng tiết kiệm điện trong các hệ