6. Kết cấu luận văn
1.1 Giới thiệu về trụ đèn chiếu sáng
1.1.1 Trụ đèn chiếu sáng
Trụ đèn chiếu sáng là một thành phần của hệ thống đèn chiếu sáng cơng cộng giúp các cơng trình giao thơng cơng cộng cĩ đủ độ sáng cần thiết gĩp phần đảm bảo an tồn giao thơng, trật tự an ninh xã hội. Bên cạnh đĩ, các trụ đèn cịn làm đẹp cảnh quan đơ thị, thúc đẩy các hoạt động thƣơng mại, du lịch và gián tiếp gĩp phần nâng cao chất lƣợng cuộc sống của ngƣời dân đơ thị.
Trụ đèn chiếu sáng cĩ rất nhiều kiểu dáng khác nhau phục vụ cho các mục đích khác nhau nhƣ trụ đèn cơng viên, trụ đèn sân bĩng, trụ đèn chiếu sáng đƣờng phố,… Mặc dù cĩ nhiều loại khác nhau, tuy nhiên đều cĩ kết cấu chung gồm: mĩng cột, đế cột, thân cột, phần vƣơn ra,…
Đối với trụ đèn chiếu sáng đƣờng phố cần thiết kế, chế tạo theo tiêu chuẩn tiêu chuẩn (BS 5649, tr7) chịu đƣợc sức giĩ 45 m/s, hệ số giĩ giật 1,3 (tƣơng đƣơng vùng áp lực giĩ 1,25 kN/m2). Các mối hàn trên cột đƣợc hàn dọc tự động trong mơi trƣờng khí bảo vệ CO2 đúng theo tiêu chuẩn mối hàn (TCVN 5400:1991 hoặc BS 5135 hay AWS D1.1). Thân cột là loại ống thép cơn liên tục, khơng cho phép cĩ mối hàn nối ngang thân. Mặt cắt ngang của ống bao gồm nhiều loại theo yêu cầu thiết kế. Phần đế cĩ cơ tính tƣơng đƣơng vật liệu thân cột và đƣợc tạo hình bởi cơng nghệ dập nĩng. Phần đế, phần vƣơn ra của trụ đèn chiếu sáng thƣờng đƣợc nhúng kẽm nĩng (BS 729 hoặc ASTM A 123) với chiều dày lớp mạ tối thiểu trên 1 mặt là 65 m (450 g/m2) đối với thép tấm cĩ chiều dày từ 3 – 5 mm. Tuỳ theo yêu cầu cĩ thể phủ sơn bề mặt ngồi với lớp sơn cĩ cơ tính tốt, độ bền cao và chống rỉ sét tốt.
Trên thân cột cĩ hốc cửa để phục vụ cơng việc đấu nối dây điện, dây tiếp địa, lắp đặt bảng điều khiển,… Cửa cột đƣợc thiết kế theo kiểu tháo rời hoặc lắp liền cĩ khố an tồn chống mất cắp. Ngồi ra, cĩ thể cịn cĩ thiết kế khác với mục đích trang trí hoặc đƣợc chế tạo lớn hơn/cao hơn để lắp đặt thiết bị điều khiển cho các mục đích đặc biệt.
1.1.2 Phân loại trụ đèn chiếu sáng
Trụ đèn chiếu sáng khá đa dạng về mẫu mã và kích thƣớc tuỳ theo nhu cầu sử dụng mà cĩ các loại nhƣ: trụ đèn cao áp, trụ đèn chiếu sáng giao thơng cơng cộng, trụ đèn tín hiệu giao thơng, trụ đèn trang trí.
1.1.2.1 Trụ đèn cao áp
Thƣờng sử dụng cho chiếu sáng một khu vực rộng lớn nhƣ: sân vận động, quảng trƣờng, sân bay, bến cảng, sân ga, vịng xoay giao lộ,...
Đặc điểm kỹ thuật: - Trụ cao từ 14 - 17 m.
- Trụ đƣợc chế tạo bằng thép cĩ độ dày 4 - 6 mm, đƣợc mạ nhúng kẽm nĩng. - Giàn đèn đƣợc gắn cố định trên đỉnh trụ.
Hình 1.2: Trụ đèn cao áp 1.1.2.2 Trụ đèn chiếu sáng giao thơng cơng cộng
Dùng cho chiếu sáng giao thơng cơng cộng, xung quanh nhà máy, trƣờng học,...
Hình 1.3: Trụ đèn chiếu sáng giao thơng cơng cộng
Đặc điểm kỹ thuật:
- Trụ đƣợc thiết kế cĩ lực kéo đầu trụ 147 N;
- Chịu đƣợc áp lực giĩ lên đến 1,25 kN/m2 (tốc độ giĩ khoảng 45 m/s); - Thiết kế và chế tạo dựa theo tiêu chuẩn BS 5649 (tiêu chuẩn Anh) và EN 40 (tiêu chuẩn Châu Âu).
đƣợc kiểm định chất lƣợng tại các trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng.
- Đối với trụ đƣợc chế tạo liền cần khơng nối ngang thân và đƣợc hàn trên một đƣờng sinh dọc thân trụ.
- Trụ đƣợc bảo vệ chống oxy hĩa bằng lớp mạ nhúng kẽm nĩng, chiều dày lớp mạ khơng nhỏ hơn 65 µm, phù hợp tiêu chuẩn BS 729, ASTM A 123.
1.1.2.3 Trụ đèn tín hiệu giao thơng
Đƣợc dùng để điều khiển phƣơng tiện giao thơng trên các tuyến đƣờng bộ. Đặc điểm kỹ thuật:
- Vật liệu để chế tạo trụ đèn phù hợp với các TCVN (hoặc quốc tế), và phải đƣợc kiểm định chất lƣợng tại các trung tâm kỹ thuật tiêu chuẩn đo lƣờng chất lƣợng.
- Trụ đƣợc bảo vệ chống oxy hĩa bằng lớp mạ nhúng kẽm nĩng, chiều dày lớp mạ khơng nhỏ hơn 65 µm, phù hợp tiêu chuẩn BS 729, ASTM A 123.
Hình 1.4: Trụ đèn tín hiệu giao thơng 1.1.2.4 Trụ đèn trang trí
Trụ đèn trang trí đƣợc dùng trong trang trí & chiếu sáng sân vƣờn, cơng viên, đƣờng phố,… Trụ đèn trang trí đã và đang đƣợc nhiều khách hàng sử dụng cho mục đích chiếu sáng nhiều hơn bởi trụ đèn trang trí khơng chỉ dùng để chiếu sáng mà cịn mang lại giá trị trang trí cho nơi ở, sân vƣờn, đƣờng phố đơ thị ngay nay.
Trụ đèn trang trí cĩ thân bằng nhơm đúc, đế bằng nhơm hoặc gang đúc. Trên đỉnh cột đƣợc lắp các chùm đèn theo yêu cầu trang trí hoặc theo mục đích sử dụng.
Hình 1.5: Trụ đèn trang trí 1.2 Trụ đèn chiếu sáng cơng cộng
Trụ đèn chiếu sáng cơng cộng trong thực tế thƣờng sử dụng 2 dạng: trụ đèn chiếu cơng viên (trụ đèn trang trí), trụ đèn chiếu sáng phục vụ giao thơng (trụ đèn cao áp, trụ đèn chiếu sáng giao thơng cơng cộng). Để sử dụng năng lƣợng giĩ thì địi hỏi trụ đèn phải cao để đĩn giĩ và nhƣ thế sẽ khơng phù hợp cho mục đích trang trí nên chủ yếu trong phần này ta khảo cứu chủ yếu là loại trụ đèn chiếu sáng phục vụ giao thơng. Trụ đèn chiếu sáng phục vụ giao thơng thƣờng đƣợc phân loại theo dạng năng lƣợng sử dụng nhƣ: trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện lƣới quốc gia, điện mặt trời, điện giĩ hoặc hỗn hợp. Về cơ bản các loại trụ đèn này cĩ kết cấu giống nhau, sự khác biệt của chúng là ở độ cao và độ cứng vững phù hợp với dạng năng lƣợng sử dụng.
1.2.1 Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện lƣới quốc gia
Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện lƣới quốc gia là loại trụ đèn sử dụng nguồn năng lƣợng là năng lƣợng điện đƣợc lấy từ điện lƣới quốc gia. Hiện tại các tỉnh, thành phố của Việt Nam bĩng đèn trang bị cho trụ đèn này chủ yếu là đèn thủy ngân cao áp hoặc sodium cao áp. Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng, hiệu suất chiếu
sáng chƣa cao, tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6.000 - 18.000 giờ. Một vài dạng trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện lƣới quốc gia thƣờng đƣợc sử dụng trong thực tế ở các tỉnh, thành phố đƣợc giới thiệu ở hình 1.6.
a) Trụ đèn cao áp b) Trụ đèn chiếu sáng đường giao thơng
Hình 1.6: Các trụ đèn chiếu sáng cơng cộng thường sử dụng
Ƣu điểm:
- Chi phí đầu tƣ ban đầu thấp; - Lắp đặt đơn giản;
- Chi phí bảo trì, bảo dƣỡng định kỳ thấp; - Khơng gây ra tiếng ồn khi hoạt động. Hạn chế:
- Tiêu thụ nhiều điện năng, chi phí vận hành cao; - Lệ thuộc hồn tồn vào lƣới điện quốc gia.
1.2.2 Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện mặt trời
Đây là một hệ thống trụ đèn chiếu sáng sử dụng nguồn điện đƣợc chuyển đổi từ năng lƣợng mặt trời nhờ pin năng lƣợng mặt trời (solar cell) lắp cố định trên đầu cột gồm các thành phần sau:
- Giá đỡ: lắp đặt tấm pin mặt trời; - Tấm pin năng lƣợng mặt trời;
- Ắc-quy: lƣu trữ điện năng do pin mặt trời chuyển đến; - Bộ điều khiển: điều khiển quá trình lƣu trữ điện, tắt/mở đèn; - Hộp đèn và bĩng đèn.
Hình 1.7: Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện mặt trời
Ƣu điểm:
- Khơng lệ thuộc vào điện lƣới quốc gia; - Khi vận hành khơng mất chi phí điện năng; - Khơng gây ra tiếng ồn khi hoạt động. Hạn chế:
- Chi phí đầu tƣ ban đầu cao;
- Cần thiết tích trữ điện năng (ắc-quy) đủ lớn để trữ điện năng phục vụ hoạt động chiếu sáng của đèn vào ban đêm vì khi đĩ khơng cĩ nguồn điện sản sinh từ pin mặt trời;
- Tấm pin mặt trời thƣờng đƣợc lắp cố định nên chỉ thu đƣợc điện năng cao nhất khi mặt trời chiếu thẳng gĩc với tấm pin nên để cĩ đủ điện năng cần cĩ tấm pin mặt trời lớn;
- Chịu ảnh hƣởng rất lớn vào ánh sáng mặt trời trong ngày; - Phải đƣợc lắp đặt ở vị trí khơng cĩ bĩng che.
1.2.3 Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện giĩ
Là hệ thống trụ đèn chiếu sáng sử dụng nguồn điện đƣợc chuyển đổi từ năng lƣợng giĩ nhờ một tuabin giĩ phù hợp gồm các thành phần sau:
Hình 1.8: Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện giĩ
Ƣu điểm:
- Khơng lệ thuộc vào điện lƣới quốc gia; - Khi vận hành khơng mất chi phí điện năng;
- Nếu là vùng cĩ giĩ thƣờng xun, tốc độ giĩ đủ lớn thì thiết bị tích trữ điện năng khơng địi hỏi cơng suất lớn để sử dụng cho đèn vì buổi tối thƣờng cĩ giĩ nhiều hơn nên tuabin giĩ hoạt động thƣờng xuyên cấp đủ điện cho đèn chiếu sáng.
Hạn chế:
- Gây ra tiếng ồn lớn khi hoạt động, đặc biệt khi tốc độ giĩ lớn; - Hoạt động phụ thuộc vào tình hình giĩ trong ngày;
- Trụ đèn cần lớn và cứng vững hơn trụ đèn thơng thƣờng.
Hệ thống đèn chiếu sáng sử dụng nguồn năng lƣợng điện hỗn hợp giĩ - mặt trời là hệ thống kết hợp việc sử dụng các thành phần chuyển đổi năng lƣợng giĩ (tuabin giĩ) và năng lƣợng bức xạ mặt trời (pin quang điện) thành điện năng cung cấp cho đèn chiếu sáng.
Hình 1.9: Trụ đèn chiếu sáng sử dụng điện mặt trời - điện giĩ
Cấu trúc hệ thống phát điện hỗn hợp năng lƣợng giĩ - mặt trời bao gồm các thành phần sau:
- Máy phát điện tuabin giĩ (Wind Generator), gồm tuabin giĩ và dynamơ
phát điện;
- Hệ pin quang điện (Solar panel);
- Bộ điều khiển sạc hỗn hợp giữa năng lƣợng giĩ và mặt trời (Wind-solar hybrid controller);
- Cụm ắc-quy lƣu trữ điện năng (Batteries);
- Bộ nghịch lƣu (Inverter) nếu đèn chiếu sáng sử dụng nguồn AC. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống đƣợc trình bày ở hình 1.10.
Hình 1.10: Sơ đồ hệ thống phát điện hỗn hợp điện mặt trời - điện giĩ
Ƣu điểm:
- Khơng lệ thuộc vào điện lƣới quốc gia; - Khi vận hành khơng mất chi phí điện năng;
- Hệ thống này hạn chế đƣợc các yếu tố bất lợi và dung hịa các điều kiện tự nhiên của 2 nguồn năng lƣợng tái tạo tại một thời điểm: ban ngày cĩ bức xạ mặt trời nhƣng chƣa chắc cĩ giĩ, ban đêm khơng cĩ bức xạ mặt trời nhƣng thƣờng cĩ giĩ. Điều này giúp cĩ đƣợc nguồn năng lƣợng điện đều, ổn định trong cả năm.
- Sử dụng kết hợp điện mặt trời - điện giĩ sẽ cĩ phƣơng án tài chính thấp hơn so với phƣơng án xây dựng hai hệ thống năng lƣợng riêng biệt.
Hạn chế:
- Chi phí đầu tƣ ban đầu lớn;
- Nếu tốc độ giĩ nhỏ tuabin sẽ khơng hoạt động đƣợc ảnh hƣởng đến thời gian hoạt động của trụ đèn (do ắc-quy khơng trữ đủ điện);
- Tiếng ồn lớn khi giĩ mạnh (tốc độ giĩ lớn);
- Trụ đèn lớn và cứng vững hơn trụ đèn thơng thƣờng;
- Một số trƣờng hợp kiểu tuabin giĩ sử dụng cĩ thể che ánh nắng ảnh hƣởng đến hoạt động của tấm pin mặt trời.
1.3 Tuabin giĩ
Tuabin giĩ là thiết bị biến đổi động năng của khơng khí thành cơ năng, từ cơ năng biến đổi thành điện năng thơng qua máy phát điện gọi chung là máy phát điện dùng sức giĩ.
Tuabin giĩ đƣợc cấu thành từ nhiều bộ phận khác nhau, nhƣng bộ phận quan trọng nhất là cánh đĩn giĩ. Cịn lại là các bộ phận khác nhƣ: cơ cấu điều chỉnh hƣớng (cịn gọi là đuơi lái giĩ, đối với loại tuabin trục ngang), trục tuabin, bộ trữ điện (ắc- quy), dynamơ, bộ điều khiển sạc biến đổi dịng điện nạp để thích hợp với bình ắc-quy và thiết bị nghịch lƣu chuyển đổi điện DC – AC (inverter).
Với nguyên lý hoạt động quay cƣỡng bức nhờ sức giĩ, khi giĩ thổi vào bề mặt cánh tuabin gây nên sự chênh lệch áp suất tại các vị trí của cánh sinh ra lực nâng (lift force) vuơng gĩc với phƣơng giĩ thổi và lực cản (drag force) song song với phƣơng
giĩ thổi. Lực nâng làm cho cánh tuabin quay quanh trục, cịn lực cản thì cĩ xu hƣớng hạn chế chuyển động quay của cánh tuabin. Thơng qua truyền động trực tiếp hoặc qua các bộ truyền động cơ khí (bộ truyền đai, bộ truyền bánh răng) mà trục dynamơ đƣợc dẫn động quay theo và phát điện. Lƣợng điện sinh ra đƣợc sử dụng trực tiếp hoặc cĩ thể đƣợc trữ (nạp) vào ắc-quy hay nguồn pin phù hợp.
Nhìn chung, tuabin giĩ đƣợc phân ra làm hai loại cơ bản là tuabin giĩ trục ngang (HAWT - Horizontal Axis Wind Turbine) và tuabin giĩ trục đứng (VAWT -
Vertical Axis Wind Turbine).
Về cơ bản, các loại tuabin giĩ thƣờng cĩ các thành phần nhƣ ở hình 1.11.
1. Chiều giĩ đến của HAWT; 2. Đường kính rotor;
3. Chiều cao của Hub; 4. Cánh rotor; 5. Hộp số; 6. Máy phát; 7. Vỏ; 8. Tháp HAWT;
9. Chiều giĩ phía sau rotor; 10. Chiều cao rotor; 11. Tháp VAWT;
12. Độ cao kính xích đạo; 13. Cánh rotor với gĩc bước
cố định; 14. Mĩng rotor
Hình 1.11: Cấu tạo cơ bản tuabin trục đứng và trục ngang [12] 1.3.1 Tuabin giĩ trục ngang (HAWT)
Tuabin giĩ trục ngang (HAWT) là tuabin cĩ trục chính nằm ngang với rotor kiểu chong chĩng. Số lƣợng cánh quạt cĩ thể thay đổi, tuy nhiên trong thực tế loại 3
cánh quạt đƣợc sử dụng nhiều nhất vì cho hiệu quả cao nhất và cánh thƣờng cĩ biên dạng NACA [1].
Ƣu điểm của tuabin giĩ trục ngang: - Hiệu suất cao;
- Hoạt động đƣợc ở nhiều cấp vận tốc giĩ khác nhau. Khuyết điểm:
- Kết cấu phức tạp, khi giĩ mạnh thƣờng sinh ra tiếng ồn lớn;
- Cánh của tuabin giĩ phải cĩ tiết diện ngang và gĩc nghiêng hợp lý thì mới cĩ thể hấp thu giĩ hiệu quả;
- Cần phải cĩ cơ cấu điều chỉnh hƣớng để đĩn giĩ (đuơi lái giĩ), nhƣng cũng chỉ điều chỉnh hƣớng giới hạn trong một phạm vi gĩc quay nhất định nên chỉ thích hợp ở những nơi cĩ hƣớng giĩ ổn định;
- Cơng suất càng lớn thì cánh càng dài và càng khĩ chế tạo, lắp đặt, khĩ đảm bảo độ cứng vững khi hoạt động.
1.3.2 Tuabin giĩ trục đứng (VAWT)
Tuabin giĩ trục đứng (VAWT) là tuabin cĩ trục chính thẳng đứng và cánh cũng đƣợc bố trí thẳng đứng. Khi hoạt động tiếng ồn phát sinh khơng lớn nên cĩ thể lắp đặt gần các khu dân cƣ, trên những nĩc nhà cao tầng (khi cơng suất tuabin nhỏ),… Loại tuabin này khơng cần thiết phải cĩ cơ cấu điều chỉnh hƣớng giĩ và cĩ thể hoạt động với bất kỳ hƣớng giĩ nào. Dịng tuabin VAWT tùy theo loại, một số loại cĩ thể khởi động ở tốc độ giĩ thấp khoảng 3 m/s nhƣ các loại: Savonius, Darrieus (Giromill, Cycloturbine), Quiet – Revolution (biến thể của Darrieus),…
1.3.2.1 Tuabin Savonius
Tuabin Savonius là loại tuabin giĩ trục đứng cĩ kết cấu đơn giản với các
cánh cĩ dạng hình bán nguyệt. Loại thơng thƣờng cĩ số lƣợng cánh chẵn, các cánh đƣợc bố trí đối xứng nhau qua trục tạo thành hình chữ S (hình 1.13). Hai cánh đối xứng nhau khơng tiếp xúc với nhau mà cĩ khe hở giữa hai cánh để khơng khí cĩ thể đi qua khơng tạo trở lực cho tuabin. Sự chuyển động của dịng khí này cĩ tác dụng vừa đẩy, vừa phản hồi áp lực giĩ thổi vào bề mặt hai cánh tạo thành ngẫu lực quay giúp tuabin cĩ thể khởi động ở vận tốc giĩ thấp. Tuy nhiên mơmen của tuabin lại khơng đồng đều theo vị trí của hai cánh. Khi hai cánh song song với hƣớng giĩ, mơmen cĩ đƣợc là tối thiểu nên tuabin khơng thể khởi động đƣợc. Để khắc phục điều này ngƣời ta gắn nhiều tuabin Savonius cĩ cánh lệch nhau xếp chồng lên nhau