Hiện nay, hướng nghiên cứu ứng dụng ựèn LED trong chiếu sáng ựang ựược nhiều các nhóm nghiên cứu cũng như các nhà công nghệ quan tâm phát triển do những ưu ựiểm vượt trội của ựèn LED về hiệu suất phát quang, tuổi thọ, ựộ bền cũng như an toàn cho môi trường sống. Tuy nhiên việc chế tạo các ựèn LED có công suất lớn ựể mở rộng các ứng dụng trong thực tế hiện ựang là một thử thách cho nhà nghiên cứu khoa học và công nghệ. Do nhiệt ựộ hoạt ựộng của LED ảnh hưởng mạnh ựến hiệu suất phát quang cũng như tuổi thọ của ựèn LED, ựể chế tạo các ựèn LED có công suất lớn do tất cả các ựèn LED ựòi hỏi phải ựảm bảo ựược nhiệt ựộ hoạt ựộng thấp và ổn ựịnh trong suốt quá trình hoạt ựộng, do vậy ựèn LED ựòi hỏi phải có các hệ thống tản nhiệt tốt. để chế tạo ựèn LED công suất lớn, hương pháp chủ yếu hiện nay là ghép nhiều module ựèn LED có công suất nhỏ với nhau trên một nền diện tắch ựế tản nhiệt và giàn tỏa nhiệt ựủ lớn ựể ựảm bảo khả năng tản nhiệt cho các module LED. Bên cạnh ựó việc tìm ra các kết cấu tản nhiệt và vật liệu mới ựang ựặc biệt ựược chú trọng.
Với những kết quả ựạt ựược trong việc ứng dụng chất lỏng chứa thành phần ống nanô cácbon cho vi xử lý máy tắnh, chúng tôi tiến ựến những ứng dụng tiếp theo của chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho một số loại ựèn LED có công suất lớn.
4.2.3.1. Tản nhiệt cho ựèn LED 50 W
để ứng dụng chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho chip LED 50 W, chúng tôi sử dụng hệ thống có sơ ựồ như trên hình 4.19. Trong hệ thống này, ựế tản nhiệt bằng ựồng ựược tiếp xúc trực tiếp với chip LED 50W. Chất lỏng CNTs ựược vận chuyển tuần hoàn trong hệ thống bởi máy bơm có công suất 1,8 W. để tạo sự gọn nhẹ cho hệ thống, chúng tôi không sửa dụng bình chứa chất lỏng trong trường hợp nàỵ Kắch thước và tổng công suất của 2 quạt tản nhiệt trong hệ thống này lần lượt là 120 mm x 120 mm x 38 mm và 3,6 W. Giàn tỏa nhiệt ựược chế tạo từ vật liệu nhôm với kắch thước là 150 mm x 120 mm x 25 mm.
98
Nhiệt ựộ môi trường ựược giữ ở 20oC cho tất cả các phép ựo bằng cách sử dụng một ựiều hòa nhiệt ựộ, ựộ ẩm phòng ựược giữ cố ựịnh nhờ một máy hút ẩm hoạt ựộng liên tục. Nhiệt ựộ của chip LED ựược ựo trực tiếp bởi một sensor nhiệt gắn ngay tại ựế LED và ựược hiển thị trực tiếp trên một ựồng hồ ựo nhiệt hiện số. Hình 4.20 là ảnh chi tiết của hệ thống tản nhiệt cho chip LED sử dụng chất lỏng CNTs mà chúng tôi ựã chế tạo ựược. Ngoài ra, ựể so sánh hiệu quả tản nhiệt bằng phương pháp chất lỏng CNTs với phương pháp thông thường ựang sử dụng hiện nay cho ựèn LED, chúng tôi tiến hành khảo sát nhiệt ựộ của ựèn pha LED 50 W ựang ựược thương mại hóa trên thị trường như trên hình 4.21.
Hình 4.19. Mô hình hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho chip LED 50 W
Chất lỏng sử dụng trong thắ nghiệm này là nước cất pha thêm thành phần CNTs với hàm lượng từ 0 ựến 1,0 gam/lắt. Hình 4.22 hiển thị nhiệt ựộ của LED 50W theo thời gian trong các trường hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng không có thành phần CNTs và chất lỏng có chứa thành phần CNTs. Trong cả ba trường hợp thì nhiệt ựộ ban ựầu của chắp LED ựều bằng 20oC và bằng nhiệt ựộ của môi trường. Trong trường hợp sử dụng phương pháp tản nhiệt tự nhiên thông thường, nhiệt ựộ bão hòa của
đế tản nhiệt Cu
Bơm
CNTs lỏng
Nhiệt ựộ thấp Áp suất cao
Áp suất thấp Nhiệt ựộ cao LED 50 W Tỏa nhiệt Quạt 2 Quạt 1 đồng hồ ựo nhiệt ựộ
99
chip LED ựạt ựến 66oC sau thời gian hoạt ựộng 1200 s. Trong trường hợp sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng, nhiệt ựộ bão hòa của chắp LED ựạt 34oC - 36oC sau khoảng thời gian 1200 s, như vậy phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng giúp giảm nhiệt ựộ xuống khoảng 30ồC so với việc sử dụng phương pháp tản nhiệt tự nhiên.
Hình 4.20. Hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho chip LED 50 W chế tạo ựược
100
Hình 4.22. đồ thị nhiệt ựộ của LED 50W theo thời gian trong 3 trường hợp: sử dụng phương pháp tản nhiệt thông thường, sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng nước cất
và nước cất chứa thành phần CNTs (1,0 g/lit)
Hình 4.23. đồ thị nhiệt ựộ của chắp LED 50W theo thời gian hoạt ựộng với các nồng ựộ khác nhau của CNTs trong nước cất
101
Hình 4.23 là ựồ thị so sánh chi tiết về hiệu quả tản nhiệt trong trường hợp sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs với các hàm lượng khác nhaụ Trong trường hợp sử dụng chất lỏng là nước cất thì nhiệt ựộ bão hòa của chắp LED là 36oC. Khi tăng hàm lượng của CNTs trong chất lỏng tản nhiệt thì nhiệt ựộ bão hòa của chắp LED giảm xuống và ựạt giá trị thấp nhất là 33,5oC trong trường hợp chất lỏng chứa hàm lượng 1,0 g CNTs/lắt.
Như vậy, bằng cách sử dụng CNTs với hàm lượng 1 g/lắt trong chất lỏng tản nhiệt, chúng ta có thể giảm nhiệt ựộ của chắp LED xuống khoảng 2,5oC. Với kết quả ựạt ựược, chúng tôi tiến ựến chế tạo hệ ựèn LED công suất lớn hơn bằng cách sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs như ựược trình bày trong phần sau ựâỵ
4.2.3.2. Tản nhiệt cho ựèn LED 450 W
để mở rộng hướng ứng dụng chất lỏng CNTs trong tản nhiệt cho LED, chúng tôi tiến hành xây dựng một hệ ựèn pha LED công suất 450 W. Hình 4.24 là sơ ựồ hệ thống tản nhiệt của ựèn pha LED công suất 450W mà chúng tôi ựã chế tạo ựược.
Hình 4.24. Sơ ựồ hệ thống tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs cho ựèn pha LED công suất 450W
Trong hình 4.24, ựế tản nhiệt ựược làm từ vật liệu nhôm ựược tiếp xúc trực tiếp với 9 chắp LED, các rãnh chất lỏng hình zắc-zắc bên trong ựế tản nhiệt cho phép chất lỏng chảy qua và lấy nhiệt từ các chắp LED. Chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần ống nanô cácbon ựược ựối lưu trong hệ thống này bằng một bơm mini với lưu lượng 3 cm3/s. Công suất của máy bơm trong hệ thống tản nhiệt là 2,5 W. Kắch thước và công
Khắ lạnh
Khắ nóng
Chất lỏng CNTs đế tản nhiệt bằng
nhôm cho LED
Rãnh chất lỏng
Quạt 1 Giàn tỏa nhiệt
Bơm mini
Nhiệt ựộ thấp
Nhiệt ựộ thấp Nhiệt ựộ cao
Bình chứa
102
suất của quạt tản nhiệt lần lượt là 120 x 120 x 38 mm3 và 3,6 W. Thể tắch của bình chứa chất lỏng trong hệ thống tản nhiệt là 500 ml. Giàn tỏa nhiệt ựược chế tạo từ vật liệu nhôm với kắch thước của giàn tỏa nhiệt là 150 x 120 x 25 mm. Hình 4.25 là sơ ựồ và ảnh thực của 9 chắp LED ựược gắn trực tiếp trên ựế nhôm tản nhiệt. Kắch thước của ựế nhôm tản nhiệt và của chip LED lần lượt là 210mm x 210mm x 17mm và 40mm x 40mm x 3mm. Công suất của chip LED và của cả hệ thống ựèn LED lần lượt là 50W và 450W. Loại chất lỏng ựược chúng tôi sử dụng trong nghiên cứu là dung dịch hỗn hợp nước cất với ethylene glycol theo tỷ lệ 45:55 có chứa CNTs với hàm lượng từ 0 Ờ 1,3 g/lắt. Sở dĩ chúng tôi dùng hỗn hợp nước cất với ethylene glycol vì hỗn hợp này ựược sử dụng rộng rãi làm chất lỏng tản nhiệt hiện naỵ
Hình 4.25. Sơ ựồ (a) và ảnh thực (b) ựế tản nhiệt của ựèn pha LED công suất 450W
Hình 4.26. đèn pha LED công suất 450W sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa CNTs
Nhiệt ựộ của môi trường ựược giữ ổn ựịnh ở 20oC cho tất cả các thắ nghiệm bằng cách sử dụng một ựiều hòa nhiệt ựộ, ựộ ẩm phòng ựược giữ cố ựịnh nhờ một máy hút
Chắp LED 50W
103
ẩm hoạt ựộng liên tục. Nhiệt ựộ của chip LED ựược ựo trực tiếp bằng các sensor nhiệt ựộ gắn ngay trên bề mặt ựế của chip LED.
Hình 4.27. đồ thị nhiệt ựộ của ựèn pha LED 450W theo thời gian khi sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng với các nồng ựộ khác nhau của CNTs
Hình 4.26 là ảnh của ựèn LED công suất 450W LED sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs. Kết quả thực nghiệm ựo nhiệt ựộ của ựèn LED 450W theo thời gian khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt với các nồng ựộ khác nhau của CNTs ựược thể hiện như trên hình 4.27. Nhiệt ựộ của chắp LED ở thời ựiểm ban ựầu là 20oC, sau ựó nhiệt ựộ của chip LED ựạt ựến giá trị bão hòa sau khoảng 40 phút hoạt ựộng. Khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt không chứa thành phần CNTs cho hệ thống tản nhiệt, nhiệt ựộ bão hòa của chắp LED vào khoảng 55oC. Nhiệt ựộ của chắp LED ựạt giá trị bão hòa 53,7oC, 52,5oC, 51,9oC và 50,6oC khi sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần CNTs với hàm lượng tương ứng là 0,3g/l, 0,5g/l, 0,7g/l, 1,0g/l và 1,2g/l. Những kết quả này chỉ ra rằng với hàm lượng tối ưu của CNTs là 1,2 g/l, nhiệt ựộ bão hòa của chắp LED giảm xuống 4,5oC khi so sánh với chất lỏng không chứa CNTs.
Dựa vào bảng ựặc tắnh kỹ thuật của chắp LED do hãng sản xuất cung cấp, chúng tôi nhận thấy rằng cứ giảm nhiệt ựộ hoạt ựộng của chắp LED xuống 10oC thì thời gian
104
sống của chắp LED tăng lên gấp ựôị Vì vậy, thời gian sống của chắp LED theo ựộ giảm nhiệt ựộ hoạt ựộng có thể ước lượng bởi công thức sau:
10 0.2 t L L ∆ ≃ (4.4)
ở ựây L0, L, và ∆t lần lượt là thời gian sống cơ bản, thời gian sống khi hoạt ựộng ở chế ựộ tản nhiệt tốt hơn, và ựộ giảm nhiệt ựộ của LED. Như vậy phần trăm thời gian kéo dài tuổi thọ của chắp LED ựược xác ựịnh bởi công thức:
0 10 0 % .100% 2 1 .100% t L L L L ∆ − = = − (4.5)
Hình 4.28. Kết quả tắnh toán sự phụ thuộc của tuổi thọ ựèn LED 450W vào hàm lượng CNTs trong chất lỏng tản nhiệt
Từ công thức 2, chúng tôi ước lượng ựược phần trăm thời gian kéo dài tuổi thọ và biểu thị như trên hình 4.28. Kết quả cho thấy rằng khi thêm hàm lượng CNTs vào trong chất lỏng tản nhiệt thì thời gian kéo dài tuổi thọ của ựèn LED tăng lên. Phần trăm thời gian kéo dài tuổi thọ ựạt ựến giá trị bão hòa ở 33% với nồng ựộ 1,2 g/l. Phần trăm thời gian kéo dài tuổi thọ gần như không tăng ở hàm lượng 1,3 g/l. Vì vậy, chúng tôi nhận thấy hàm lượng tối ưu của CNTs trong chất lỏng cho ựèn LED 450 W là 1,2 g/l.
105
4.2.3.3. Tản nhiệt cho ựèn LED chiếu sáng công cộng
Xuất phát từ nhu cầu thực tế kết hợp với kết quả ựã ựạt ựược trong ứng dụng chất lỏng tản nhiệt CNTs cho ựèn LED 450 W, chúng tôi ựã ựề ra một giải pháp công nghệ ựể ứng dụng cho ựèn LED chiếu sáng công cộng. Giải pháp ựã ựược chúng tôi ựăng ký sáng chế và ựã ựược Cục sở hữu trắ tuệ chấp nhận ựơn.
Về mặt ứng dụng thực tế, theo số liệu thống kê của Tập ựoàn điện lực Việt Nam (EVN), lượng ựiện tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng trên toàn quốc chiếm khoảng 25% tổng lượng ựiện tiêu thụ. Tổng ựiện năng tiêu thụ của cả nước trong một năm là trên 100 tỉ kWh, như vậy năng lượng dùng trong chiếu sáng công cộng trên cả nước chiếm trên 20 tỉ kWh, tương ựương với khoảng 30.000 tỷ VNđ. Có nghĩa là lượng ựiện năng cấp cho hệ thống chiếu sáng chiếm tỷ trọng lớn trong tổng lượng tiêu thụ ựiện. Tiết kiệm ựiện năng (TKđN) trong hệ thống chiếu sáng nói chung, trong hệ thống chiếu sáng công cộng (HTCSCC) nói riêng, là một yêu cầu cấp bách ựặt ra cho các nhà tư vấn thiết kế chiếu sáng, các ựơn vị chủ quản, chủ ựầu tư công trình chiếu sángẦ phải quan tâm và chú trọng.
Bóng ựèn LED có hiệu suất cao hơn từ 5 - 10 lần so với bóng ựèn sợi ựốt, gắp khoảng 2 lần so với bóng ựèn compact, như vậy nếu thay thế ựược toàn bộ bóng ựèn hiện nay bằng bóng ựèn LED sẽ giúp tiết kiệm hàng nghìn tỷ ựồng mỗi năm. Do vậy việc ứng dụng ựèn LED trong chiếu sáng công cộng là vấn ựề ựang rất ựược quan tâm hiện naỵ Tuy nhiên ựể ựảm bảo khả năng hoạt ựộng ổn ựịnh, ựảm bảo tuổi thọ và ựộ bền cho ựèn LED thì cần phải có hệ thống tản nhiệt tốt, trong khi các vỏ ựèn chiếu sáng công cộng cũ hiện nay không ựáp ứng ựược yêu cầu nàỵ Do vậy mà ựèn LED dùng trong chiếu sáng công cộng hiện nay có kết cấu hoàn toàn mới cùng với bộ phận tản nhiệt gắn trên vỏ ựèn. Việc cải tiến các vỏ ựèn chiếu sáng công cộng cũ ựể lắp thêm bộ phận tản nhiệt cũng phức tạp, ựòi hỏi nhiều khâu gia công cơ khắ dẫn ựến tốn kém trong khi hiệu quả lại không thực sự caọ điều này dẫn tới hệ quả là muốn dùng ựèn LED trong chiếu sáng công cộng thì phải bỏ ựi cơ sở hạ tầng của ựèn chiếu sáng công cộng cũ (bao gồm cả vỏ ựèn và bóng ựèn), dẫn tới sự lãng phắ và tốn kém về mặt kinh phắ. Hơn nữa, hiện nay giá thành chip LED khá ựắt, lại cần phải có một vỏ ựèn có khả năng tản nhiệt tốt cho chip LED, do vậy giá thành của ựèn LED trong chiếu sáng công cộng là khá cao và không phù hợp với nền kinh tế hiện nay của Việt Nam. Và với lãng phắ cũng như tốn kém như vậy cho nên giải pháp ựược sử dụng chủ yếu hiện nay
106
(không chỉ ở Việt Nam mà còn ở nhiều nước khác trên thế giới) ựó là chỉ lắp mới ựèn LED ở những công trình mới, và hạn chế việc thay thế ựèn LED ở những nơi ựã có bóng ựèn chiếu sáng công cộng cũ. điều này cho thấy việc thay thế toàn bộ bóng ựèn chiếu sáng công cộng hiện nay bằng ựèn LED là mục tiêu rất khó thực hiện.
Giải pháp chúng tôi ựề ra nhằm giải quyết những vấn ựề ựược nêu ở trên, ựảm bảo thay thế ựược ựèn LED nhưng vẫn giữ lại ựược cơ ở hạ tầng chiếu sáng công cộng cũ dựa trên cách tiếp cận: xây dựng môựun LED mà có thể lắp vào các hệ hệ thống ựèn chiếu sáng công cộng cũ một cách tiện lợi, môựun LED này sử dụng phương pháp tản nhiệt bằng chất lỏng chứa thành phần CNTs ựể ựảm bảo khả năng ựưa toàn bộ nhiệt lượng từ Chip LED ra ựế tỏa nhiệt ngoài môi trường, giúp nâng cao tuổi thọ và hiệu suất phát quang cho ựèn LED. Loại bơm sử dụng trong sáng chế là bơm thông thường hoặc bơm piezọ Với bơm piezo, hoạt ựộng dựa trên hiệu ứng áp ựiện với công suất cực nhỏ, kắch thước nhỏ gọn, không có ựộng cơ, không có trục quay do vậy bơm có ựộ bền rất cao và phù hợp với tuổi thọ ựèn LED. Ngoài loại bơm piezo cũng có thể sử dụng các loại bơm thông thường hoạt ựộng bằng ựộng cơ ựiện, những ựộng cơ này có tuổi thọ có thể lên ựến 150.000 giờ nên hoàn toàn ựáp ứng ựược thời gian hoạt ựộng của ựèn LED. Việc sử dụng chất lỏng tản nhiệt chứa thành phần vật liệu nanô sẽ giúp nâng cao ựộ dẫn nhiệt và tăng cường hiệu quả tản nhiệt cho ựèn LED.
Sơ ựồ của môựun ựèn LED tản nhiệt bằng chất lỏng ựược lắp vào hộp ựèn chiếu sáng công cộng ựược mô tả như trên hình 4.29. đui ựực 1 là loại ựui xoáy hoặc ựui cài với kắch thước phù hợp ựể có thể gắn vào ựui cái 2 trên vỏ bóng ựèn chiếu sáng công cộng, ựồng thời ựui ựực 1 ựược gắn với ựế LED 3 thông qua hệ thống ốc vắt 4. Hệ