TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN
Công nghệ LED trong chiếu sáng công cộng
Phát triển công nghệ để sử dụng hiệu quả năng lượng là trọng tâm trong chuyển đổi kinh tế và thực hiện chiến lược năng lượng bền vững Chiếu sáng đường phố, chiếm 16-19% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu, là lĩnh vực quan trọng cho đầu tư vào chương trình sử dụng năng lượng hiệu quả Đầu tư vào chiếu sáng đường phố không chỉ giúp giảm đáng kể tiêu thụ điện năng mà còn mang lại lợi ích như loại bỏ công nghệ độc hại với môi trường, giảm chi phí bảo trì và cải thiện quản lý môi trường chiếu sáng công cộng.
Ngành công nghiệp chiếu sáng đang trải qua sự chuyển đổi mạnh mẽ nhờ công nghệ LED (diode phát quang), với hiệu suất quang điện cao và tuổi thọ dài Đèn LED không chỉ bền bỉ trong các ứng dụng chiếu sáng công cộng mà còn tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí bảo trì, từ đó nâng cao lợi tức đầu tư so với hệ thống chiếu sáng truyền thống.
Ngành công nghiệp chiếu sáng đang chuyển mình mạnh mẽ sang công nghệ LED nhờ vào những ưu điểm vượt trội so với đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và các loại đèn truyền thống khác Xu hướng này đáp ứng nhu cầu về nguồn sáng tiết kiệm năng lượng, có tuổi thọ cao và chi phí bảo trì thấp, đồng thời giảm thiểu tác động đến môi trường Hệ thống chiếu sáng công cộng sử dụng đèn LED có thể tiết kiệm từ 50%-70% năng lượng so với đèn thông thường Đèn LED trắng công suất lớn đã được ứng dụng rộng rãi trong chiếu sáng công cộng, kiến trúc, và các công trình thể thao, mang lại lợi ích về tính thân thiện với môi trường cho nhiều lĩnh vực như nhà xưởng, khu công nghiệp, siêu thị và nhà thi đấu.
Đèn LED với tính năng tiết kiệm năng lượng, tuổi thọ cao và khả năng điều chỉnh độ sáng linh hoạt, là lựa chọn tối ưu cho thiết kế và cải tiến hệ thống chiếu sáng, đặc biệt là chiếu sáng công cộng Công nghệ LED không chỉ giúp giảm mức tiêu thụ năng lượng mà còn đáp ứng hiệu quả các mục tiêu bền vững trong việc sử dụng năng lượng.
Việc áp dụng hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh không chỉ giúp giảm chi phí vận hành và tiêu thụ năng lượng, mà còn đóng góp quan trọng vào việc giải quyết vấn đề biến đổi khí hậu và sử dụng hiệu quả nguồn lực Nhiều thành phố hiện nay đã triển khai giải pháp sử dụng đèn LED cho hệ thống chiếu sáng công cộng, đảm bảo tính thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng mà vẫn duy trì chất lượng ánh sáng.
Đèn LED mang lại hiệu quả năng lượng vượt trội với hiệu suất ánh sáng lên đến 80%, nghĩa là chỉ 20% năng lượng bị mất dưới dạng nhiệt, trong khi bóng đèn sợi đốt chỉ đạt khoảng 20% hiệu suất Sự hiệu quả này không chỉ giúp giảm chi phí sử dụng mà còn kéo dài tuổi thọ của đèn.
Hình 1.1 Biểu đồ so sánh mức tiêu thụ điện năng của các hệ thống chiếu sáng
Đèn LED không chỉ sáng ngay lập tức mà còn cho phép điều chỉnh độ sáng tuyến tính thông qua LED driver và các thiết bị điều khiển khác Tính năng này hỗ trợ tạo các cài đặt Dimming và quang cảnh chiếu sáng động cho đèn công cộng Với bản chất bán dẫn, đèn LED thúc đẩy quá trình chuyển đổi kỹ thuật số trong hệ thống chiếu sáng công cộng, cho phép điều khiển liền mạch bằng các mạch logic điện tử hoặc bộ xử lý, mở ra nhiều khả năng tương tác giữa thế giới kỹ thuật số và vật lý.
Sự ra đời của hệ thống chiếu sáng LED đã tạo ra một chuyển đổi sâu sắc trong tương tác giữa con người và thiết bị chiếu sáng, đồng thời mở ra khả năng phát triển hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh và thành phố thông minh thông qua việc kết hợp với công nghệ điều khiển kỹ thuật số và truyền thông mạng.
Hệ thống chiếu sáng công cộng là yếu tố quan trọng trong cơ sở hạ tầng đô thị, góp phần đảm bảo an toàn và an ninh cho giao thông đường bộ Để đáp ứng nhu cầu chiếu sáng toàn diện cho hệ thống đường, cần xác định chính xác số lượng đèn cần thiết, từ đó thúc đẩy việc tìm kiếm các giải pháp chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả.
Ba sát và theo dõi giúp hiển thị chính xác và thoải mái ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu Điều này đã thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống điều khiển ánh sáng hiệu quả.
Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh kết hợp quản lý năng lượng hiệu quả, cho phép tự động hóa hoạt động của các thiết bị chiếu sáng thông qua các thuật toán dựa trên lịch thiên văn, điều khiển quang học và cảm biến chuyển động Việc triển khai hệ thống chiếu sáng này với quản lý trung tâm (CMS) qua mạng không dây và có dây mang lại nhiều lựa chọn đa dạng, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao chất lượng chiếu sáng.
Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh được phát triển dựa trên nền tảng kỹ thuật số, đáp ứng các yêu cầu về chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng Hệ thống này sử dụng IoT để kết nối mạng, tạo điều kiện cho giao tiếp và tương tác giữa các thiết bị thông minh và Internet với độ tin cậy cao Nó mang lại khả năng mở rộng, độ chắc chắn và phạm vi kết nối điểm-điểm lớn hơn Các tính năng thông minh được tích hợp thông qua điều khiển mạng với nhiều mô-đun, cho phép hệ thống thực sự thông minh và hỗ trợ trao đổi dữ liệu hai chiều.
1.2 Tình hình sử dụng LED trong hệ thống chiếu sáng công cộng
1.2.1 Hệ thống chiếu sáng công cộng trên thế giới
Tại châu Âu, ba mục tiêu chính cho bài toán năng lượng và khí hậu năm 2020 bao gồm: giảm phát thải khí nhà kính 20% so với năm 1990, sản xuất 20% năng lượng từ nguồn tái tạo và tiết kiệm 20% năng lượng so với dự báo năm 2007 Một trong những giải pháp quan trọng để nâng cao hiệu quả năng lượng là giảm nhu cầu sử dụng điện trong hệ thống chiếu sáng, lĩnh vực này hiện chiếm khoảng 16-19% tổng mức tiêu thụ năng lượng toàn cầu.
Theo đánh giá của tập đoàn Northeast Group, LLC, hiện có 317 triệu đèn đường trên toàn cầu, con số này dự kiến sẽ tăng lên 363 triệu vào năm 2027 Thị trường chiếu sáng công cộng đang trong giai đoạn chuyển đổi mạnh mẽ khi các đèn đường cũ được thay thế bằng đèn LED mới, hiệu quả hơn và công nghệ chiếu sáng tiên tiến Dự báo, đầu tư toàn cầu vào đèn LED và đèn công cộng thông minh sẽ đạt 53,6 tỷ USD vào năm 2027.
- Trên 125 quốc gia, 264 triệu đèn đường LED sẽ được thêm vào trong mười năm tới, đạt tỷ lệ thâm nhập 89% vào năm 2027;
Phân khúc thị trường đèn đường LED dự kiến sẽ đạt giá trị 36,1 tỷ đô la trong mười năm tới, với đèn đường LED công suất cao đóng góp 3,3 tỷ USD trong giai đoạn dự báo.
- Thành phố và tiện ích sẽ kết nối 94,8 triệu đèn đường trong mười năm tiếp theo, đạt tỷ lệ 29%
Hình 1.2 Biểu đồ dự báo sự phát triển thị trường đèn LED
Các công nghệ trong hệ thống chiếu sáng thông minh
Các thành phố lớn hiện nay chủ yếu sử dụng hệ thống chiếu sáng bằng đèn thủy ngân cao áp hoặc sodium cao áp, nhưng loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng, hiệu suất chiếu sáng thấp và tuổi thọ ngắn Tiềm năng tiết kiệm năng lượng tại TPHCM và cả nước rất lớn khi chuyển đổi sang sử dụng đèn LED Theo Trung tâm tiết kiệm năng lượng TPHCM (ECC HCMC), hệ thống chiếu sáng của thành phố tiêu thụ hơn 162 triệu kWh điện mỗi năm, trong đó chiếu sáng công cộng chiếm khoảng 90 triệu kWh, với chi phí ngân sách lên đến hơn 130 tỉ đồng mỗi năm Nếu toàn bộ hệ thống đèn hiện tại được thay thế bằng đèn LED có công suất từ 65W đến 200W, TPHCM có thể tiết kiệm hơn 55,3 triệu kWh điện mỗi năm, tương đương khoảng 88 tỉ đồng, đồng thời giảm 31 tấn khí CO2 thải ra môi trường hàng năm.
Việc áp dụng đèn LED thay thế cho đèn truyền thống trong chiếu sáng công cộng tại Việt Nam vẫn còn mới mẻ Các chuyên gia đều công nhận rằng đèn LED mang lại nhiều lợi ích và đang trở thành xu thế tất yếu Tuy nhiên, công nghệ phát triển trong nước hiện chưa đủ điều kiện để triển khai rộng rãi đèn LED, dẫn đến việc chỉ một số ít đô thị có vài tuyến đường và vài trăm bộ đèn LED được lắp đặt.
Ngày nay, đèn LED đang cách mạng hóa hệ thống chiếu sáng công cộng tại các thành phố và thị trấn trên toàn thế giới, trở thành giải pháp tối ưu thay thế cho hệ thống truyền thống Công nghệ chiếu sáng LED mang lại hiệu quả năng lượng cao hơn, chất lượng ánh sáng tốt hơn và khả năng tiết kiệm chi phí, đồng thời cải thiện dịch vụ Mặc dù công nghệ LED đang phát triển nhanh chóng với nhiều ưu điểm, việc ứng dụng rộng rãi vẫn gặp khó khăn do thiếu quy định và tiêu chuẩn quản lý cụ thể Do đó, nghiên cứu và áp dụng thiết bị chiếu sáng LED tiết kiệm năng lượng cùng với các công nghệ điều khiển hiện đại là cần thiết để đáp ứng tiêu chuẩn chiếu sáng công cộng và đảm bảo an toàn giao thông trong xu thế Thành phố thông minh.
1.3 Các công nghệ trong hệ thống chiếu sáng thông minh Để triển khai hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng công nghệ LED, cần phải nghiên cứu phát triển các công nghệ cơ bản sau:
Nghiên cứu thiết kế chế tạo driver LED thông minh công suất lớn nhằm ứng dụng cho chiếu sáng đường phố, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp giao diện giữa nguồn điện AC và đèn LED, đồng thời thực hiện chức năng chuyển đổi hiệu quả.
Nguồn điện đường dây AC 50Hz hoặc 60Hz có điện áp 220V được chuyển đổi thành dòng DC, với các tính năng cơ bản bao gồm khả năng điều chỉnh độ sáng (dimming) và giao tiếp với các cảm biến thông qua nền tảng IoT.
- Các vấn đề cần triển khai trong quá trình nghiên cứu thiết kế chế tạo LED driver thông minh:
Nghiên cứu thiết kế mạch và giải pháp điều khiển khóa bán dẫn nhằm nâng cao hiệu suất LED driver đang thu hút sự quan tâm lớn Giá trị này càng cao càng tốt, giúp giảm thiểu phát nhiệt và kéo dài tuổi thọ cho LED driver.
Nghiên cứu thiết kế mạch hiệu chỉnh hệ số công suất (PFC) trong LED driver nhằm đạt được hệ số công suất gần bằng 1 Hệ số công suất của đèn LED hiện nay đã trở thành yêu cầu kỹ thuật quan trọng, với quy định rõ ràng rằng giá trị PF phải lớn hơn 0,9 cho tất cả các mức công suất của đèn LED chiếu sáng dân dụng và thương mại.
Nghiên cứu thiết kế mạch lọc sóng hài nhằm giảm thiểu độ méo dạng toàn phần (THD) là rất quan trọng, với mục tiêu THD càng thấp càng tốt THD thường đi kèm với hệ số công suất (PF) thấp do các tải điện phi tuyến như tải chỉnh lưu Do đó, các Driver LED cần phải đáp ứng các giá trị THD quy định, thường là nhỏ hơn 20%, trên toàn bộ dải điện áp đầu vào.
Nghiên cứu công nghệ dimming là yếu tố quan trọng trong hệ thống chiếu sáng thông minh, với công nghệ Dimming đóng vai trò trung tâm trong việc điều khiển ánh sáng Các chuẩn điều khiển độ sáng phổ biến hiện nay bao gồm Analog dimming 0-10V, điều chế độ rộng xung (PWM) và DALI (Giao diện chiếu sáng có địa chỉ kỹ thuật số).
Nghiên cứu giải pháp giảm thiểu độ nhấp nháy ánh sáng từ LED driver là một thách thức quan trọng trong thiết kế Mục tiêu là lọc bỏ gợn sóng và sóng hài mà không cần sử dụng tụ điện cao áp cồng kềnh, có tuổi thọ ngắn ở phía sơ cấp.
Nghiên cứu về nhiễu điện từ (EMI) và tương thích điện từ (EMC) là rất quan trọng trong thiết kế PCB Việc bố trí các đường dẫn cho dòng chuyển mạch ngắn gọn giúp hạn chế EMI và nâng cao khả năng tương thích điện từ của LED driver Điều này đảm bảo LED driver hoạt động hiệu quả trong môi trường điện từ mà không gây ra nhiễu cho thiết bị lân cận hoặc bị ảnh hưởng bởi EMI từ các thiết bị khác Ngoài ra, bất kỳ LED driver nào kết nối với nguồn điện AC đều phải tuân thủ các tiêu chuẩn phát xạ bức xạ theo IEC 61000-6-3.
Nghiên cứu các mạch bảo vệ cho driver LED bao gồm nhiều yếu tố quan trọng như: 1) Bảo vệ hở mạch và bảo vệ quá áp đầu ra (OOVP), cũng như bảo vệ quá áp đầu vào (IOVP) nhằm giảm thiểu áp lực do các hoạt động chuyển mạch, thay đổi tải, sét đánh gần hoặc trực tiếp vào hệ thống chiếu sáng và phóng điện 2) Bảo vệ ngắn mạch tại tải; 3) Bảo vệ quá nhiệt cho hệ thống LED, bao gồm bảo vệ nhiệt độ mô-đun (MTP) và bảo vệ quá nhiệt driver (DTL).
1.3.2 Light Controllers-Bộ điều khiển ánh sáng
Nghiên cứu phát triển bộ phận điều khiển đèn LED cho phép thay đổi cường độ sáng thông qua bộ vi xử lý, ASIC hoặc FPGA được lập trình để giám sát và điều khiển ánh sáng Bộ điều khiển này kết nối với bộ ghi dữ liệu, hệ thống quản lý tập trung (CMS) hoặc nền tảng IoT qua dây chuyên dụng hoặc thiết bị không dây Khi cơ sở hạ tầng chiếu sáng công cộng tích hợp IoT, các ứng dụng và tính năng thông minh hơn được bổ sung vào bộ điều khiển ánh sáng.
1.3.3 Nghiên cứu phát triển các công nghệ truyền dữ liệu trong hệ thống chiếu sáng thông minh, báo gồm cả thiết bị thu, phát dữ liệu và cơ chế truyền dữ liệu
Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu tài liệu về hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng LED tập trung vào các nghiên cứu và ấn phẩm khoa học liên quan đến LED driver và các bộ biến đổi công suất Bài viết cũng đề cập đến các giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hệ số công suất (PF), giảm nhiễu điện từ (EMI) và tổng hài (THD) trong bộ nguồn LED driver, được tham khảo từ các tạp chí khoa học, bài báo và hội nghị chuyên ngành.
Trong nghiên cứu gần đây, 11 ngành đã được công bố trên thư viện điện tử IEEE Explore và Springer, tập trung vào các giải pháp truyền thông cho hệ thống truyền dữ liệu nhằm điều khiển và giám sát hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng bao gồm thiết kế các mạch điện tử và thực hiện thử nghiệm trong điều kiện thực tế, nhằm so sánh với kết quả của các nghiên cứu lý thuyết để xác minh tính chính xác của chúng.
Kết quả đạt được của luận án
Nghiên cứu đã thành công trong việc thiết kế LED driver công suất lớn với các mức 120W, 150W và 200W, sử dụng cấu hình chuyển đổi cộng hưởng Half-Bridge LLC Giải pháp này đạt hiệu suất cao và phù hợp cho ứng dụng trong chiếu sáng công cộng.
Nghiên cứu đã thành công trong việc đề xuất giải pháp thiết kế mới cho mạch công suất, nhằm giải quyết hiệu quả các vấn đề liên quan đến giảm nhiễu EMI và nâng cao chất lượng đầu ra, đặc biệt là cải thiện hệ số công suất.
PF, giảm tổng độ méo dạng sóng hài THD [14], [15] trong bộ nguồn LED driver
Hệ thống mạng truyền dữ liệu được thiết kế dựa trên công nghệ không dây LoRaWAN, bao gồm cấu hình mạng LoRa Network và thiết kế module LoRa Network.
Hệ thống phần mềm Smart Lighting được thiết kế để điều khiển hệ thống chiếu sáng theo nhiều kịch bản khác nhau, bao gồm kiểm soát người dùng, điều khiển thời gian và tự động hóa Nó hoạt động ở các chế độ như chế độ tự động, chế độ ngắt kết nối và chế độ vận hành trực tiếp bằng tay Bên cạnh đó, phần mềm còn tích hợp các chức năng quản lý dữ liệu, bao gồm quản trị hệ thống, quản lý và điều khiển hệ thống, cùng với chức năng thống kê.
Giá trị thực tiễn của luận án
* Hiệu quả về mặt khoa học và công nghệ:
Luận án nghiên cứu và thiết kế thành công LED driver với các mức công suất 120W, 150W và 200W, đạt tiêu chuẩn chất lượng kỹ thuật cao về hiệu suất và độ nhấp nhô dòng điện Bên cạnh đó, đề xuất các giải pháp mới nhằm nâng cao hệ số công suất (PF), giảm thiểu tổng hài thứ bậc (THD) và điện từ trường nhiễu (EMI) trong bộ nguồn LED driver.
Làm chủ và ứng dụng công nghệ LoRaWAN trong hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED, chúng tôi đã thiết kế và chế tạo thành công mạch điện tử module LoRa cho từng đèn, đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống truyền dữ liệu không dây Điều này tạo ra tiềm lực lớn cho việc phát triển sản phẩm hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh.
Luận án nghiên cứu đã thành công trong việc làm chủ công nghệ "Hệ thống chiếu sáng công cộng thông minh sử dụng LED", giúp cải tiến và nâng cấp hệ thống chiếu sáng một cách chủ động Điều này không chỉ giảm thiểu sự phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu mà còn hạ giá thành, tạo điều kiện cho việc triển khai rộng rãi sản phẩm chiếu sáng công cộng thông minh Hệ thống này đóng góp vào việc phát triển sản phẩm phục vụ cho định hướng Smart City và công nghệ 4.0.