Mô hình Solar – Acu – Led tập trung là một dạng kết hợp ở quy mô và công suất lớn, PNLMT đƣợc lắp đặt tập trung thành những khối hay vùng lớn để đồng loạt tạo ra một nguồn điện năng chung, cùng tích trữ vào hệ thống Acu (nhiều Acu đƣợc ghép nối lại với nhau) để cho một hệ thống tải lớn cùng sử dụng. Ví dụ nhƣ: hệ thống PNLMT và hệ thống Led chiếu sáng lắp đặt tại Trƣờng Sa.
1.4.1.1. Cấu trúc kết nối
Mô hình là sự kết nối giữa hệ thống PNLMT ( thông qua bộ điều khiển sạc Charge Controller: không bàn đến), Hệ thống trữ điện Acu và hệ thống tải (Led chiếu sáng).
Dạng cấu trúc nhƣ trên chủ yếu đƣợc lắp đặt ở những nơi mà nguồn điện lƣới quốc gia không đến đƣợc nhƣ ở các đảo, vùng núi, các dự án cung cấp năng lƣợng sạch hoặc đƣợc dùng để sản xuất điện năng cho hệ thống đèn chiếu sáng công cộng với quy mô lớn, Hình 1.22 minh họa mô hình này.
Hệ thống PNLMT sẽ tạo ra lƣợng điện năng rất lớn từ ánh sáng Mặt Trời, tích trữ vào hệ thống Acu thông qua bộ điều khiển sạc ( tuy nhiên chúng ta bỏ qua chi tiết này), hệ thống Acu trở thành nguồn trung gian để cung cấp điện năng cho tải sử dụng (Led) cả ngày lẫn đêm.
Solar system Battery system
system
Load Led system system
1.4.1.2. Điều kiện ứng dụng và lắp đặt
Chính vì là một hệ thống tập trung rất nhiều PNLMT nên để lắp đặt hệ thống này cần lƣợng kinh phí rất lớn, cần có diện tích rộng để có thể bố trí và lắp đặt Pin, những nơi có số giờ nắng trong ngày/trong năm cao, đặc biệt rất phù hợp ở các đảo.
Ở Việt Nam có rất nhiều nơi hội tụ đầy đủ các yếu tố để lắp đặt và vận hành mô hình này, để mang lại nguồn năng lƣợng sạch, không chỉ trong chiếu sáng mà còn phục vụ đƣợc sinh hoạt và nghiện cứu nhƣ: các tỉnh ven biển miền Trung, Nam Trung Bộ và Nam bộ.
1.4.2. Mô hình Solar – Acu – Led đơn (mini)
Đây là dạng mô hình thu gọn của mô hình tập trung (quy mô, công suất nhỏ), cấu trúc cũng tƣơng tự. Tuy nhiên, đây là dạng mô hình rất linh động đƣợc ứng dụng nhiều trong cuộc sống, nghiên cứu và học tập, đƣợc tích hợp vào nhiều thiết bị công nghệ.
GVHD: Ts. Trần Tiến Phức SVTH: Nguyễn Quang Hải
Hình 1.23 mô tả cấu trúc của mô hình Solar – Acu – Led (hay gọi là mô hình
mini), mô hình cũng gồm 3 thành phần chính là: PMLMT/Modul PNLMT, Acu/battery, tải/thiết bị sử dụng.
Đây là mô hình có kích thƣớc thu nhỏ, đƣợc lắp đặt hay tích hợp luôn vào thiết bị sử dụng, mỗi thiết bị sẽ đƣợc cung cấp bởi một nguồn năng lƣợng riêng.
1.4.2.2. Điều kiện ứng dụng
Mô hình Solar – Acu – Led đơn đƣợc ứng dụng rất nhiều trong đời sống hiện nay có thể kể đến là: trụ đèn chiếu sáng công cộng bằng PNLMT, điện thoại di động sạc bằng năng lƣợng Mặt Trời, đèn học tập sử dụng PNLMT, …
Hình 1.24 là những ứng dụng rất phổ biến của mô hình Solar – Acu – Led đơn
trong đời sống hiện nay.
CHƢƠNG 2
ỨNG DỤNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀO CHIẾU SÁNG CÔNG TRÌNH CÔNG CỘNG BẰNG ÁNH SÁNG LED
TẠI TRƢỜNGĐẠI HỌC NHA TRANG
Ở Chƣơng 2 sẽ trình bày về cách thức ứng dụng và trình tự thiết kế một mô hình chiếu sáng công trình công cộng bằng Led sử dụng năng lƣợng sạch (năng lƣợng Mặt Trời). Chúng ta sẽ đi sâu vào từng quá trình thực hiện và kết quả đạt đƣợc của dự án: “Cải tạo hệ thống chiếu sáng công cộng bằng LED sử dụng điện năng lượng Mặt Trời
trên tuyến đường nội bộ từ Cổng trường đến Nhà A8 của trường Đại học Nha Trang”.
Chƣơng này cũng sẽ trình bày cấu trúc của hệ thống đƣợc lắp đặt thuộc loại mô hình nào đã đƣợc trình bày ở Chƣơng 1; sự kết hợp của công nghệ năng lƣợng sạch và công nghệ điều khiển thông minh (chuyên ngành điện tử), không chỉ sử dụng cho việc điều khiển hệ thống mà còn phục vụ cho việc nghiên cứu, đánh giá cấu hình hệ thống đang sử dụng hiện tại có phù hợp; để tạo ra sự kết hợp tối ƣu nhất.
2.1. KHẢO SÁT TÌNH TRẠNG CHẤT LƢỢNG CỦA HỆ THỐNG CHIẾU SÁNG HIỆN TẠI SÁNG HIỆN TẠI
2.1.1. Vị trí khảo sát
Chúng ta sẽ tiến hành khảo sát và đánh giá chất lƣợng công trình hiện tại, tại tuyến đƣờng đôi từ cổng trƣờng Đại học Nha Trang (ĐHNT) đến Nhà A8, đây sẽ là tuyến đƣờng sẽ đƣợc tiến hành cải tạo hệ thống chiếu sáng. Hình 2.1. là vị trí của tuyến đƣờng trên mặt bằng chung toàn trƣờng
2.1. :
-
- 1
- -
- –
.
Hình 2.2. là toàn cảnh tuyến đƣờng từ Cổng trƣờng ĐHNT lên nhà A8 nhìn từ vệ
tinh (lấy từ Google maps), hƣớng chỉ của mũi tên là hƣớng của tuyến đƣờng.
Quan sát Hình 2.1 và Hình 2.2 ta thấy tuyến đƣờng này có độ dốc nhất đinh thông qua số liệu bình đồ, tuyến đƣờng gấp khúc nhiều cây cối 2 bên đƣờng che phủ và là tuyến đƣờng quan trọng dẫn đến nhà Hiệu Bộ (nơi làm việc chính của bộ máy Nhà
8
KTX K4
trƣờng). Đây là những đặc điểm đặc trƣng của tuyến đƣờng mà ta cải tạo, cần có những
lƣu ý cho thiết kế.
2.1.2. Kết quả khảo sát
2.1.2.1. Hiện trạng về trang thiết bị
Chất lƣợng của các trụ ếp tục xuống cấ
bị oxi hóa và bị ăn mòn ngay từ bên trong trụ(Hình 2.3), lớp sơn chố ị bào
Hình 2. 2: Tuyến đường từ Cổng trường ĐHNT đến nhà A8 nhìn từ vệ tinh (Google Maps)
mòn và bong dần, không còn đủ khả năng để bảo vệ ).
.
2.1.2.2. Hiện trạng chất lượng ánh sáng
Chúng ta sẽ tiến hành đo độ sáng tại các điểm đã đánh dấu nhƣ Hình 2.4, đồng hồ đo độ sáng sẽ đƣợc đặt nằm sát trên mặt đƣờng nhƣ Hình 2.5 mô tả.
Sau khi tiến hành đo độ sáng hiện tại của 4 trụ đèn ở tuyến đƣờ
8, ta có đƣợc số liệ 2.1 và biểu đồ ở Hình 2.6. Đối chiếu biểu đồ và
số liệu với tiêu chuẩn ở Bảng 2.2 8
Hình 2. 3: Tình trạng các trụ đèn tại tuyến đường từ cổng trường đến Nhà A8
TCXDVN 333:2005 ) ta thấy chỉ có duy nhất độ sáng tại trụ số 6.9 – 7.9 Lx) là đảm bảo tiêu chuẩ
chênh lêch nhau r (0.04 – 7.9 Lx).
Bảng 2. 1 8 : Lx)
Ngang (m) Dọc (m)
Bên phải Cổng Bên trái
3 2 1 1 2 3 0 1.38 1.70 0.79 0.78 1.80 0.75 7 2.37 2.00 3.07 3.10 2.40 1.72 14 3.00 4.40 5.70 Trụ 1 3.50 3.60 3.50 21 1.30 1.90 2.70 2.30 1.70 1.11 28 1.36 0.50 0.22 0.21 0.40 0.12 35 0.61 1.10 0.86 0.85 0.80 0.10 42 2.60 3.40 3.39 Trụ 2 2.70 1.00 0.50 49 0.87 1.40 0.86 0.80 0.60 0.10 56 0.05 0.30 0.03 0.07 0.50 0.04 63 0.46 1.70 1.30 1.31 1.80 0.71 70 1.40 2.10 3.73 Trụ 3 3.80 3.40 2.40 77 0.17 1.00 0.25 0.29 1.30 0.22 84 0.44 1.20 0.50 0.30 0.80 0.43 91 2.00 4.00 2.50 2.50 4.00 1.69 98 4.40 6.90 7.80 Trụ 4 7.90 7.60 5.20 105 2.00 4.00 4.00 4.20 5.50 1.50 112 0.40 1.70 0.65 0.63 1.60 0.47
Số liệu từ Bảng 2.1 đƣợc thu thập vào lúc 7h30, ánh sáng tác động từ Mặt Trăng không đáng kể.
Bảng 2. 2 , 6 - 8 lx 4 - 6 lx 2 - 4 lx 0 - 2 lx Rộng (m) 1 2 3 4 0 1 2 3 4 Dài (m) i
2.1.3. Đánh giá hiện trạng
.
, việc thay thế và nâng cấp các trụ đèn là hoàn toàn cần thiết, để đảm bảo tiêu chuẩn chiếu sáng TCXD 333:2005 của Bộ xây dựng đã ban hành, mang lại hiệu quả kinh tế trong chiếu sáng, cũng nhƣ đảm bả
ban đêm ở tuyến đƣờ c ệu Bộ.
2.2. LỰA CHỌN MÔ HÌNH CHIẾU SÁNG
2.2.1. So sánh ƣu điểm của mô hình chiếu sáng bằng Led so với các mô hình chiếu sáng khác sáng khác
Hiệu suất:hiệu suất ánh sáng – hay nói chính xác hơn là hiệu quả ánh sáng – đƣợc tính theo đơn vị Lumen đạt đƣợc trên mỗi Watt. Đối với đèn huỳnh quang chất lƣợng tốt cũng chỉ có thể đạt đƣợc 35lm/W. Nhƣng đèn LED với một nguồn cấp năng lƣợng tốt có thể đạt mức trên 100 – 110 lm/W và các nhà nghiên cứu đang tiến hành nâng cấp hiệu suất của Led đạt đến mức 500 lm/W trong thời gian sắp tới.
Màu sắc: con ngƣời càng hiện đại thì nhu cầu về độ thẩm mỹ càng cao, do đó LED là một sự lựa chọn hoàn hảo, vì LED có thể cho ra ánh sáng với nhiều màu sắc khác nhau mà không cần sử dụng bộ lọc màu so với các loại đèn khác, nên nó hiệu quả hơn và giảm chi phí.
Thời gian tắt mở: tốc độ đáp ứng của LED là cực kỳ cao, vào khoảng micro giây, không cần thời gian khởi động sáng và nó không có độ trễ; chính vì vậy nó không làm tổn hao nhiều điện năng khi bật tắt.
Tuổi thọ: tuổi thọ của LED thƣờng khá cao từ 35.000 – 100.000 giờ so với đèn huỳnh quang thông thƣờng chỉ từ 10.000 – 15.000 giờ ấp hơn chỉ khoảng 1000 – 2000 giờ.
Tắt mở: LED có đặc thù riêng, chúng ta có thể điều khiển độ sáng của nó thông qua xung điện, có nghĩa là bật tắt trong khoảng thời gian micro giây mà không sợ làm hỏng hay giảm tuổi thọ của LED. Nhƣng nếu chúng ta làm điều này với đèn huỳnh quang thì cần phải xem xét; riêng với đèn cao áp thì cần thời gian dài mỗi khi khởi động lại.
Độc: LED rất an toàn vì nó không có thủy ngân hay huỳnh quang (hợp chất lƣu huỳnh phát sáng).
Tia sáng tập trung: LED có ánh sáng phát ra tập trung về một hƣớng mà không cần bộ phản chiếu (thƣơng gọi là pha đèn).
Ngoài ra LED còn có thể điều chỉnh độ sáng, ánh sáng lạnh (an toàn và tốt cho mắt cũng nhƣ sức khỏe của con ngƣời), chống sốc, ánh sáng không có UV (tia cực tím) là các ƣu điểm khác của LED.
Việc sử dụng Led trong chiếu sáng sẽ đƣa lại sự tiện lợi khi ta kết hợp nó với mô hình chiếu sáng sạch Solar – Acu – Led. PNLMT tạo ra nguồn điện < 24V tích trữ vào Acu, điện áp Acu là 12V/24V tùy vào cấu hình kết nối, điện áp sử dụng của Led cũng vào tầm 12V, ta có thể kết nối để sử dụng đƣợc nguồn 24V. Nhƣ vậy, Solar – Acu – Led giống nhƣ đƣợc con ngƣời tạo ra đƣợc định trƣớc để chúng làm việc với nhau và ta có đƣợc cụm từ “chiếu sáng sạch”.
Bảng 2.3 so sánh về một số đặc tính của các loại đèn chiếu sáng: Halogen, Hơi
Natri, Led,… các so sánh đều thể hiện lên sự vƣợt trội của Led, với những ƣu điểm mà ta đang cần: hiệu suất cao, tiết kiệm điện năng. , theo Bảng 2.3
Bảng 2. 3 ạ Halogen 100W 100W 100W Natri 100W 30W (Lm/W) 18 50 - 60 50 - 90 100 - 200 200 ) 2.000 - 4.000 16.000 - 24.000 24.000 6.000 – 24.000 35.000 – 100.000 /kW -396 kW/năm. - /năm -396 kW/năm. - /năm -396 kW/năm. - /năm -396 kW/năm. - /năm - 118,8 kW/năm. - /năm
2.2.2. Kiểm tra và lựa chọn loại đèn Led
2.2.2.1. Kiểm tra chất lượng
Chúng ta sẽ tiến hành kiểm tra chất lƣợng của 2 loại đèn Led[8] (Hình 2.7), mỗi loại 4 Led, loại 20W/12V. Bố trí mô hình thí nghiệm để kiểm tra cần 1 đồng hồ đo độ sáng (đơn vị: Lx), một ống nhựa dài 0.5m, nguồn DC điều chỉnh đƣợc từ 10V – 15V, 1 đồng hồ đo áp (Volt), 1 đồng hồ đo dòng (Volt) (sử dụng đồng hồ U-A loại điện tử hiển thị để có kết quả chính xác hơn). Bố trí thì nghiệm nhƣ Hình 2.8.
a) b)
Hình 2. 7: Led 20W cần kiểm tra trong thí nghiệm
Lƣu ý, khi bố trí chúng ta cố định một đầu ống nhựa vào một đèn Led sao cho ánh sáng không lọt ra ngoài, đầu còn lại cố định vào cảm biến của đồng hồ đo ánh sáng sao cho á nh sáng bên ngoài không lọt vào để đảm bảo tính chính xác khi làm thí nghiệm kiểm tra. Chúng ta sẽ điều chỉnh điện áp ra khởi đầu từ 10.5V, ứng với mỗi mốc điện áp ta ghi lại giá trị U,I và độ sáng (lux); sau đó tăng dần đến khi khi nào Led đạt công suất 20W (P=U.I). Sau khi bố trí và tiến hành thí nghiệm ta có bảng số liệu sau (Bảng 2.4).
Bảng 2. 4: Số liệu đo được khi kiểm tra 2 loại Led
Loại 1 Led 1 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 I(A) 0.12 0.44 0.86 1.35 1.63 O(lx) 252.1 868.0 1592 2326 2623 Led 2 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 12.4 I(A) 0.1 0.33 0.66 1.10 1.32 1.56 O(lx) 206.6 682.0 1297 2012 2310 2581 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.05
Led 3 I(A) 0.12 0.47 0.94 1.47 1.60 O(lx) 247.8 886.0 1647 2375 2433 Led 4 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 I(A) 0.13 0.44 0.85 1.34 1.58 O(lx) 261.5 868.0 1597 2328 2625 Loại 2 Led 1 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 12.40 I(A) 0.10 0.38 0.76 1.20 1.41 1.62 O(lx) 217.5 824.0 1492 2194 2474 2725 Led 2 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 12.30 I(A) 0.10 0.38 0.76 1.21 1.41 1.59 O(lx) 227.2 825.0 1591 2317 2599 2716 Led 3 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 12.30 I(A) 0.09 0.36 0.77 1.25 1.46 1.60 O(lx) 216.1 799.0 1542 2271 2546 2650 Led 4 U(V) 10.50 11.00 11.50 12.00 12.20 12.40 I(A) 0.10 0.37 0.75 1.21 1.39 1.61 O(lx) 225.3 784.0 1479 2224 2488 2763
2.2.2.2. Lựa chọn loại Led đạt chất lượng
Dựa vào số liệu ở Bảng 2.4 ta thấy:
- Ở loại Led 1 có sự không đồng đều rõ ràng:
o Mẫu Led 2 phải ở mức điện áp 12.4V mới đạt đủ công suất, 3 mẫu còn lại chỉ 12.2V đã đạt xấp xỉ công suất 20W.
o Ứng với mức điện áp 12.00V, 12.20V cả 4 mẫu Led của loại 1 tiêu thụ dòng khác nhau và có sự chênh lệch lớn. Tại giá trị U = 12.00V, Imax = 1.47A (mẫu 3),
IMin=1.10A (mẫu 2); tại giá trị U = 12.20V, IMax = 1.63A (mẫu 1), IMin = 1.32A (mẫu 2). Sự không đồng đều đó cũng đƣợc thể hiện rõ ở độ sáng.
- Ở loại Led 2 có đƣợc sự đồng đều tƣơng đối cả về U (điện áp), I (dòng tiêu thụ), O (độ sáng), suy ra sự đồng đều về P (công suất):
o Cả 4 mẫu Led đạt đủ công suất định mức 20W ở mức điện áp U = 12.40V.
o Dòng tiêu thụ của 4 mẫu Led xấp xỉ bằng nhau, chỉ chênh lệch 0.03A (loại 1 là 0.31A ~ 0.37A) ở giá trị lớn nhất Imax = 1.62A (mẫu 1), Imin (mẫu 2)= 1.59A. Nhƣ vậy, từ những số liệu ở Bảng 2.4 và những nhận xét trên, chúng ta quyết
định lựa chọn loại Led 2 để thiết kế cho công trình, nhằm đảm bảo sự tối ƣu và độ bền cho công trình.
2.2.3. Tính toán công suất tiêu thụ của tải và lựa chọn cấu hình Acu, Solar
2.2.3.1. Tính toán công suất tiêu thụ của tải
Tải đƣợc sử dụng trong hệ thống chính là đèn Led dùng cho chiếu sáng. Các trụ đèn là trụ đèn kép (2 nhánh, do đây là tuyến đƣờng đôi), nên sẽ có 2 pha đèn dành cho 2 phần đƣờng, ở mỗi pha cũng sẽ đƣợc lắp đặt kép 2 Led (mỗi pha có 2 Led); nhƣ vậy trên 1 trụ đèn sẽ có đến 4 Led đƣợc mắc song song nhau, trên tuyến đƣờng có tổng là 4 trụ đèn ứng với 16 Led. Ngoài ra, hệ thống còn có một bộ mạch điều khiển (đóng vai trò kiểm soát và điều khiển toàn bộ tải), một bộ sạc SolarV.
Sau khi xác định đƣợc các loại tải sẽ sử dụng nguồn điện từ Acu ta tiến hành tính toán công suất tiêu thụ:
Dựa vào Bảng 2.4 ta có dòng tiêu thụ trung bình của mỗi Led là Itb = 1.6A, ta có 16 Led: Itb16Led = 1.6 x 16 = 25.6A.
Bộ mạch điều khiển tiêu thụ khoảng 1.8A, bộ sạc SolarV tiêu thụ khoảng 2A.
Nhƣ vậy, tính dòng tiêu thụ tổng sẽ là: Led + bộ điều khiển + bộ sạc solarV = 25.6 + 1.8 + 2 = 29.4A.
Thời gian hoạt động của hệ thống sẽ phụ thuộc vào độ dài của ban đêm (giữa các mùa sẽ có sự khác nhau về thời gian ban đêm). Vào mùa Đông là khoảng thời gian mà đêm kéo dài hơn ngày, cho rằng bắt đầu vào khoảng 5h00 chiều thì hệ thống sẽ bật và đến sáng hôm sau khoảng 6h00 thì hệ thống sẽ tắt; nhƣ vậy, hệ thống sẽ hoạt động trong suốt 13h với dòng tiêu thụ là: 29.4 x 13 = 382.2A.
2.2.3.2. Tính toán lựa chọn cấu hình Acu
Dựa vào kết quả tính toán ở trên, để Acu đủ công suất nuôi tải trong suốt 13h thì cấu hình hệ thống Acu cần đạt khoảng 382.2Ah; ta sẽ chọn 2 bình Acu có dung lƣợng 200Ah[9], 2 bình là 400Ah.
Kết luận: Sau khi tính toán ta quyết định sử dụng 2 bình Acu với tổng dung lƣợng là 400Ah để đảm bảo đủ công suất nuôi toàn bộ tải hoạt động.
2.2.3.3. Tính toánlựa chọn cấu hình Solar
Chúng ta sẽ lựa chọn bộ sạc SolarV loại 12V/20A, mỗi Acu 200Ah sẽ đƣợc nạp bằng một bộ SolarV. Nhƣ vậy, để nạp đầy Acu ta cần 10h nạp trong một ngày (khoảng từ 7h00 sáng – 5h00 chiều).
Vậy để đáp ứng việc sạc đầy cấu hình Acu 400Ah chúng ta cần cấu hình Solar có thể sản sinh ra dòng điện ít nhất 40A, suy ra tổng công suất của cấu hình Solar là: 40 x 12 = 480W, sau khi tìm hiểu trên thị trƣờng, chúng ta chọn 4 tấm Solar loại 120W. Mỗi Acu (200Ah) sẽ đƣợc nạp bằng 2 tấm Solar 120W (tổng 240W) thông qua bộ sạc 12V/20A.
2.2.4. Kết luận
Nhƣ vậy, sau khi thực hiện quá trình kiểm tra Led, tính toán tải và lựa chọn cấu