CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG
1.2. CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƢỢNG TRONG ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG BẰNG ĐÈN TÍN HIỆU
1.2.1. Hệ thống điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu
Hệ thống điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu ra đời vào đầu thế kỷ 20 với chức năng điều khiển giao thông ở những giao lộ có lượng phương tiện lưu thông lớn (thường là ng ba, ng tư đông xe qua lại). Đây là một hệ thống quan trọng không những đảm bảo an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm. Hệ thống đèn tín hiệu có thể hoạt động hoàn toàn tự động hay đƣợc điều khiển bằng tay.
Hệ thống đèn tín hiệu giao thông bao gồm các thành phần chính:
a. Đèn tín hiệu giao thông: Là thiết bị được lắp đặt trên các trụ tại vỉa hè trước khi vào nút giao thông, bao gồm đèn tín hiệu dành cho các phương tiện cơ giới và đèn tín hiệu cho người đi bộ.
b. Tủ điều khiển giao thông: Là thiết bị cấu hình, điều khiển hoạt động của các đèn tín hiệu giao thông theo các chương trình tự động cố định theo các khung thời gian trong ngày hoặc điều khiển bằng tay trực tiếp tại hiện trường.
Tủ điều khiển cung cấp nguồn và tín hiệu điều khiển đến các đèn tín hiệu giao thông bằng các kết nối có dây (cáp đồng, cáp quang…) hoặc kết nối không dây (wifi, RF…)
c. Các thành phần phụ trợ: Với hệ thống điều khiển giao thông hiện đại, hệ thống đèn tín hiệu giao thông còn tích hợp hệ thống điều khiển tập trung tại trung tâm nhằm thực hiện các chương trình phối hợp giữa nhiều nút tín hiệu giao thông khác
nhau. Ngoài ra, còn có các thiết bị giám sát lưu lượng giao thông khác như camera, cảm biến đếm xe…
1.2.2. Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong điều khiển giao thông sử dụng đèn LED
1.2.2.1. guy n lý hoạt đ ng của đèn LED
LED (Light Emitting Diode - Điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại, tử ngoại. Cũng giống nhƣ điốt, LED đƣợc cấu tạo từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n.
H nh 1.3. Cấu tạo đèn Led
Hoạt động của LED giống với nhiều loại điốt bán dẫn. Khối bán dẫn loại p chứa nhiều lỗ trống tự do mang điện tích dương nên khi ghép với khối bán dẫn n (chứa các electron tự do) thì các lỗ trống này có xu hướng chuyển động khuếch tán sang khối n.
Cùng lúc khối p lại nhận thêm các electron (điện tích âm) từ khối n chuyển sang. Kết quả là khối p tích điện âm (thiếu hụt lỗ trống và dƣ thừa electron) trong khi khối n tích điện dương (thiếu hụt electron và dư thừa lỗ trống).
Ở biên giới hai bên mặt tiếp giáp, một số electron bị lỗ trống thu hút và khi chúng tiến lại gần nhau, chúng có xu hướng kết hợp với nhau tạo thành các nguyên tử trung hòa. Quá trình này có thể giải phóng năng lượng dưới dạng ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).
Tùy theo mức năng lượng giải phóng cao hay thấp mà bước sóng ánh sáng phát ra khác nhau (tức màu sắc của LED sẽ khác nhau). Mức năng lƣợng (và màu sắc của LED) hoàn toàn phụ thuộc vào cấu trúc năng lƣợng của các nguyên tử chất bán dẫn.
1.2.2.2. Ứng dụng của đèn LED trong hệ thống đèn tín hiệu giao thông
Trước đây, hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng các loại đèn sợi hay đốt, Halozen. Tuy nhiên với sự ra đời và cải tiến kỹ thuật không ngừng của các thế hệ đèn LED, chúng đ nhanh chóng thay thế đèn sợi đốt, Halozen... với nhiều ƣu điểm nổi bật, đặc biệt là về phương diện tiết kiệm năng lượng.
Bảng 1.5. Bảng thông số kỹ thu t các loại đèn
Công nghệ LED Huỳnh quang Sợi đốt
Hiệu suất phát sáng (lm/W) 200 85 16
Tuổi thọ (x1000 giờ) > 100 10 1
Thông lƣợng (lm/đèn) 1500 3400 1200
Công suất vào (W/đèn) 7.5 20 75
Chi phí /lm (USD/klm) < 2 1.5 0.4
Giá đèn (USD/đèn) < 3 5 0.5
Chất lƣợng ánh sáng (CRI) > 80 82 95
(Nguồn: Tạp chí Điện tử) a. Hiệu suất chiếu sáng
Hiệu suất chiếu sáng của một thiết bị đƣợc xác định bằng tỉ suất quang thông (công suất bức xạ của chùm ánh sáng phát ra) trên công suất tiêu thụ của thiết bị. Đơn vị lumen/W.
Hầu hết công suất của đèn sợi đốt đƣợc chuyển thành nhiệt năng, chỉ một phần nhỏ đƣợc chuyển thành quang năng vì vậy đèn sợi đốt có hiệu suất chiếu sáng rất thấp (đèn dây tóc 60-100W có hiệu suất cỡ 16 lm/W). Trong khi đó, ƣu điểm nổi bật của đèn LED là có hiệu suất chiếu sáng cao.
Với các đèn LED thế hệ mới, hiệu suất chiếu sáng lên đến 150-200lm/W. Trong thực tế, LED chiếu sáng có công suất từ 1W trở lên, dòng tiêu thụ điển hình là 350mA.
Nhƣ vậy, với cùng một công suất chiếu sáng, đèn LED tiết kiệm năng lƣợng hơn 10 lần so với đèn sợi đốt.
b. Tuổi thọ
Tuổi thọ của đèn LED lên tới 100000 giờ so với tuổi thọ chừng 1000 giờ của đèn sợi đốt. Tuy nhiên nếu hoạt động ở nhiệt độ cao và dòng tiêu thụ cao thì tuổi thọ sẽ giảm nhanh chóng. Hầu hết các nhà sản xuất đều công bố thông số cho nhiệt độ phòng 25 °C. LED ngoài trời nhƣ đèn giao thông hoặc chiếu sáng công cộng nơi có nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao có thể giảm độ sáng hoặc có thể làm hƣ hỏng LED.
c. Chỉ tiêu CRI (Color Rendering Index)
Là độ đo độ trung thực của mầu sắc mọi vật thể trước một nguồn chiếu sáng.
Ánh sáng mặt trời và một vài loại đèn nóng sáng có CRI bằng 100, còn đèn huỳnh quang khoảng 80. Với LED ở thế hệ hiện thời (thường dùng chip LED xanh + phốtpho vàng) thì CRI >80 , đạt chất lượng dùng trong nhà, đèn đường, công xưởng…
d. Kích thước, bức xạ nhiệt và khả năng hư hỏng
Đèn LED có kích thước nhỏ gọn đồng thời có lượng bức xạ nhiệt rất nhỏ, vì vậy dễ dàng bố trí thiết kế với các hình dạng và quy mô khác nhau tùy thuộc với tính chất riêng biệt của công trình. Đồng thời, đèn LED cũng ít hƣ hỏng hơn so với việc dễ bị rụng sợi tóc khi va chạm của đèn sợi đốt.
e. Khả năng điều khiển
Với khả năng đáp ứng nhanh và đa dạng các nguồn cung cấp cả DC lẫn AC, đèn LED rất phù hợp cho việc điều khiển đóng cắt bằng các vi mạch tích hợp hay kết nối với hệ thống máy tính.
f. Giá thành
Chi phí mua sắm ban đầu có đắt hơn so với các loại đèn khác là nhƣợc điểm cơ bản của đèn LED. Tuy nhiên với sự cải tiến không ngừng về kỹ thuật cũng nhƣ đa dạng hóa các nhà sản xuất, các loại đèn LED công nghiệp đang hạ giá thành nhanh chóng.
Đối với các công trình yêu cầu hoạt động liên tục thời gian dài nhiều tháng thậm chí nhiều năm nhƣ hệ thống đèn tín hiệu giao thông, chi phí tiết kiệm đƣợc thông qua việc giảm điện năng tiêu thụ là rất lớn so với chi phí mua sắm thiết bị ban đầu.
Bảng 1.6. Bảng so sánh các thông số các loại đèn
Loại Bóng Bóng sợi đốt 60W Bóng LED 2W
Tuổi thọ bóng 1.000 giờ trên 60.000 giờ
Số bóng cần thiết cho 60.000 giờ thắp sáng 60 1 Tiền mua bóng dùng cho 60.000 giờ 40.20 USD (60
bóng x 67cent ) 34.95 USD
Tiêu thụ điện trong 60.000 giờ 3600 kWh 120 kWh
Tiền điện phải trả cho 60.000 giờ, với giá 10
cent/kWh 360 USD 12 USD
Tổng chi phí : sau 60.000 giờ 400 USD 46.95 USD
Số tiền tiết kiệm đƣợc: khi sử dụng bóng LED 353.25 USD cho mỗi bóng
Tiết kiệm nguồn điện quốc gia
Chỉ cần mỗi hộ dân thay một bóng nóng sáng 60 Watt bằng một bóng dùng LED, thì mỗi ngày nước Mỹ tiết
kiệm đƣợc 24.184,4 Megawat (Nguồn: Tạp chí Điện tử) 1.2.3. Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong điều khiển giao thông sử dụng hệ thống điều khiển không dây
Với hệ thống đèn tín hiệu giao thông truyền thống, dây dẫn từ tủ điều khiển vừa cung cấp nguồn điện và tín hiệu điều khiển. Trong mô hình hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng điều khiển không dây, nguồn điện của đèn tín hiệu đƣợc cung cấp tại chỗ từ hệ thống pin năng lƣợng mặt trời và tín hiệu điều khiển đƣợc cung cấp từ tủ điều khiển đến đèn thông qua các bộ thu phát không dây.
Trong một chốt đèn giao thông, để đƣa tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển trung tâm (thường là vi điều khiển hoặc PLC) đến các trụ đèn tín hiệu người ta phải dùng cáp điều khiển có 7-12 lõi (hoặc nhiều hơn tùy vào số lƣợng đèn tín hiệu nhiều hay ít)
và các cáp này thường được đặt ngầm dưới lòng đường, vỉa hè dẫn đến việc phải đào xới mặt đường làm mất mỹ quan đô thị và khó khăn trong thi công. Đặt biệt, ở một thành phố lớn như thành phố Đà Nẵng,... việc xin giấy phép đào đường rất khó khăn.
Để giải quyết vấn đề này, giải pháp đƣợc đặt ra là tại mỗi trụ đèn tín hiệu sẽ đƣợc đặt 1 bộ điều khiển phụ (CPU slave) để điều khiển đèn tín hiệu tại trụ đèn đó và các CPU slave này sẽ đƣợc điều khiển bởi bộ điều khiển trung tâm (CPU master) thông qua các loại kết nối vô tuyến không dây khác nhau.
H nh 1.4. ô h nh hệ thống đèn tín hiệu giao thông kết nối không dây 1.2.3.1. Các loại kết nối không dây thông dụng
a. Kết nối wifi: Là giao thức truyền và phát tín hiệu thông qua sóng vô tuyến ở tần số 2.4 GHz hoặc 5 GHz, đƣợc chuẩn hóa thành các phiên bản 802.11a/b/g/n/ac/ad bởi viện IEEE. Đây là chuẩn kết nối rất phổ biến trong phạm vi dưới 100 mét bởi nhiều thiết bị nhƣ máy tính, điện thoại thông minh…
b. Kết nối bằng mạng di động 3G: Các thiết bị đƣợc kết nối và truyền dữ liệu thông qua một mạng vô tuyến của một nhà cung cấp dịch vụ di động tốc độ cao WCDMA. Đối với các đèn tín hiệu giao thông nằm đơn độc tại các vị trí xa xôi hẻo lánh, hoàn toàn có thể kết nối tín hiệu về trung tâm điều khiển thông qua thuê bao (sim di động) tích hợp với bộ điều khiển đèn.
1.2.3.2. Các lợi thế của kết nối không dây cho hệ thống đèn tín hiệu giao thông - Là sự bổ sung hoàn hảo cho hệ thống tiết kiệm năng lƣợng sử dụng pin mặt trời và giảm bớt năng lƣợng suy hao do dây dẫn, đặc biệt là với các vị trí nút giao thông hẻo lánh, địa hình phức tạp, dây dẫn kéo dài. Đồng thời đảm bảo khả năng vận hành độc lập, liên tục của hệ thống khi nguồn cung cấp điện lưới bị cắt.
- Không còn phải đào xới, khoan cắt lòng đường, vỉa hè. Trong quá trình thực hiện dự án, đây luôn là một khâu với chi phí cao, thủ tục phức tạp và tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây ra tai nạn giao thông, ùn tắc giao thông.
- Là tiền đề để xây dựng các thiết bị đèn tín hiệu giao thông di động, mở rộng sự linh hoạt của hệ thống điều khiển giao thông tập trung, tăng cường khả năng xử lý trong các tình huống giao thông khẩn cấp nhƣ lễ hội, phân luồng thi công hạ tầng…
1.2.4. Giải pháp tiết kiệm năng lƣợng trong điều khiển giao thông sử dụng các mức năng lƣợng khi nguồn cung cấp suy giảm
1.2.4.1. Cấu trúc đèn trong m t hệ thống đèn tín hiệu giao thông a. Bố trí bộ đèn trên một trụ đèn tín hiệu giao thông
Thông thường tại một trụ đèn tín hiệu giao thông cơ bản, có các loại đèn tín hiệu giao thông sau:
- Đèn tín hiệu xanh – vàng – đỏ cho các phương tiện tại thân trụ.
- Đèn tín hiệu giao thông xanh – đỏ (gồm cả phía đối diện) dành cho người đi bộ - Đèn tín hiệu đỏ chữ thập lắp đặt sau lƣng đèn xanh – vàng – đỏ.
- Đèn tín hiệu đếm lùi - Đèn chỉ hướng
Ngoài ra, tùy theo độ rộng của làn đường, còn có thể lắp đặt thêm 01 hoặc nhiều bộ đèn tín hiệu giao thông xanh – vàng – đỏ trên cần vươn, đèn nhắc lại xanh – vàng – đỏ, đèn đếm lùi và các loại đèn chỉ hướng khác.
H nh 1.5. Bố trí các loại đèn tín hiệu tr n trụ
c. Bố trí LED trên một bộ đèn tín hiệu giao thông
Theo Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia về báo hiệu đường bộ QCVN 41:2016/BGTVT, kích thước bóng đèn xanh – vàng – đỏ có đường kính từ 100 mm đến 300 m.
H nh 1.6. Đèn THGT ba màu 3x300 Các đèn cùng chức năng đƣợc đấu song song.
Thông thường với đường kính 300 mm, sẽ gồm 100 – 130 LED (tùy theo màu sắc của đèn). Điện áp sử dụng có thể xoay chiều hay một chiều.
1.2.4.2. Các mức năng lượng sử dụng trong hệ thống đèn tín hiệu giao thông Thiết kế đấu nối nhiều nhóm trong một module đèn LED, trong một module đèn các LED đấu nối tiếp sau đó đấu song song tùy theo màu sắc, điện áp hay chức năng làm việc trong một trụ đèn đƣa ra khả năng về việc điều khiển đóng ngắt một số thành phần đèn cho từng thời gian hoạt động hay nhằm giảm bớt lƣợng năng lƣợng tiêu thụ khi công suất nguồn cung cấp giảm sút mà vẫn đảm bảo tương đối hiệu quả điều kiển giao thông của đèn tín hiệu. Điều này đặc biệt quan trọng trong hệ thống đèn tín hiệu giao thông sử dụng năng lƣợng mặt trời có công suất lệ thuộc vào điều kiện thời tiết.
Các cảm biến dòng tại bộ điều khiển sạc của ắc quy sẽ cung cấp thông tin về công suất nguồn cung cấp từ năng lƣợng mặt trời tới thành phần xử lý tích hợp tại tủ điều khiển chính. Khi nguồn cung cấp giảm sút tới một mức năng lƣợng nhất định, tủ điều khiển sẽ đưa ra chế độ đóng cắt các bộ đèn và đèn LED tương ứng.
Chế đ 1: Ngắt hoạt động của một số bộ đèn trên một trụ
H nh 1.7. ô phỏng chế đ tiết kiệm điện tr n đèn tín hiệu
Chế đ 2: Ngắt hoạt động của một số lƣợng LED trên một bộ đèn
H nh 1.8. Cấu tạo mạch đèn Led trong h p đèn tín hiệu
Tùy theo đặc điểm hạ tầng giao thông tại trụ đèn tín hiệu, cần tính toán bộ đèn và số đèn LED bị đóng ngắt mà vẫn đảm bảo cường độ sáng, độ rọi tối thiểu để các phương tiện tham gia giao thông quan sát rõ ràng trạng thái đèn.