NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

HOÀNG ANH DŨNG

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ

CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Hà Nội - 2021

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN PHAN KIÊN

TS NGUYỄN MẠNH CƯỜNG

Hà Nội – 2021

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu trong luận

án này là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố

Giáo viên hướng dẫn

TS Nguyễn Phan Kiên

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Hoàng Anh Dũng

TS Nguyễn Mạnh Cường

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới hai thầyhướng dẫn khoa học TS Nguyễn Phan Kiên và TS Nguyễn Mạnh Cường Hai thầy đãđịnh hướng cho tôi triển khai các ý tưởng khoa học, luôn tận tình hướng dẫn tôi trongsuốt thời gian thực hiện luận án

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô ở Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật YSinh đã tạo điều kiện, định hướng, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành công trìnhnghiên cứu này

Đặc biệt tôi xin cảm ơn Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin, Trường Đại học Mở HàNội đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và các góp ýđịnh hướng nghiên cứu để tôi hoàn thành tốt công trình nghiên cứu của mình

Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Viện Điện tử Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trìnhhọc tập và nghiên cứu

-Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những bạn bè, người thân, luôn độngviên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong công việc và nghiên cứukhoa học

Hà Nội, ngày tháng năm 2021

Tác giả

Hoàng Anh Dũng

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi

DANH MỤC CÔNG THỨC x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu: 1

Mục đích nghiên cứu của luận án 2

2 Phương pháp nghiên cứu của luận án 3

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 3

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án 3

5 Các đóng góp chính của luận án 5

6 Bố cục của luận án 5

CHƯƠNG 1 CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 7

1.1Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng 8

1.2Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp 9

1.3Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng 11

1.4Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam 13

1.4.1Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở Việt Nam 13

1.4.2Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên 15

1.5Kết luận chương 1 20

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG 22

2.1Mô hình, đặc tính của các đối tượng đèn 22

2.1.1Đèn LED 22

2.1.2Đèn phóng điện 23

5

2.1.3Kết luận về mô hình đặc tính của các loại đèn 26

2.2Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước 26

2.3Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau 31

2.4Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt biên sau 38

2.5Kết luận chương 2 43

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG 44

3.1Tổng quan về các loại cảm biến ánh sáng sử dụng trong hệ thống tiết kiệm năng

lượng 44

3.2Phân tích một số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng 45

3.3Xây dựng cảm biến quay ánh sáng 48

3.4Xây dựng thuật toán cho cảm biến quay đa hướng 51

3.5Kiểm tra kết quả của phương pháp 52

3.5.1Mô tả điều kiện kiểm thử 52

3.5.2Kết quả kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng 53

3.5.3Kết quả kiểm thử phát hiện hướng sáng bị chặn và nguồn sáng thay

đổi đột ngột 54

3.5.4Kết luận 55

3.6Xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng 56

3.7Nghiên cứu giải pháp nâng cấp cảm biến 57

3.8Kết quả đo sau khi nâng cấp cảm biến 62

3.8.1Cảm biến quay lấy mẫu theo 8 hướng – tham chiếu với cảm biến tĩnh63 3.8.2Cảm biến quay lấy mẫu theo 16 hướng 65

3.8.3Phát hiện nguồn sáng chính 66

3.8.4Phát hiện vật cản 68

3.9Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng 68

3.10 Mô phỏng hệ điều khiển sử dụng dữ liệu đo cảm biến ánh sáng quay đa hướng 71

3.10.1Mô hình hệ thống điều khiển 71

3.10.2Lựa chọn phương án mô phỏng 73

3.10.3Các phương án tiền xử lý 78

3.10.4Đánh giá hiệu năng và kết quả mô phỏng 82

3.11 Kết luận chương 3 85

3.12 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 87

3.13 TÀI LIỆU THAM KHẢO 88

3.14 DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

3.15

3.16

3.17 AC 3.18 Alternate Current 3.19 Dòng điện xoay chiều

3.20 ADC 3.21 Analog to Digital Conversion 3.22 Chuyển đổi tương tự -số

3.23 CCT 3.24 Correlated Color Temperature) 3.25 Chỉ số nhiệt độ màu

3.26 CFL 3.27 Compact fluorescent lamp 3.28 Đèn compact huỳnh quang

3.29 CRI 3.30 Color Rendering Index 3.31 Chỉ số hoàn màu

3.32 DC 3.33 Direct current 3.34 Dòng điện một chiều

3.35 DIA

C

3.36 Diode for Alternating Curent 3.37 Diode cho dòng xoay chiều

3.38 EMI 3.39 Electro Magnetic Interference 3.40 Nhiễu điện từ

3.41 IC 3.42 Integrated Circuit 3.43 Vi mạch

3.44 IDE 3.45 Integrated Development

Environment 3.46 Môi trường tích hợp phát triển

3.47 IGBT 3.48 Insulated Gate Bipolar

Transistor

3.49 Transistor có cực điều khiển cách ly

3.50 IoT 3.51 Internet of Things 3.52 Internet vạn vật

3.53 LED 3.54 Light Emitting Diode 3.55 Đèn diode phát quang

3.56 LQR 3.57 Linear Quadratic Regulator 3.58 Điều khiển tối ưu toàn phương

3.64 Metal - Oxide Semiconductor

Field - Effect Transistor

3.653.66 Transistor hiệu ứng trường

3.67 PID 3.68 Proportional Integral

Derivative

3.69 Điều khiển vi tích phân tỉ lệ

3.70 PWM 3.71 Pulse Width Modulation 3.72 Điều chế độ rộng xung

3.73

3.74 RMS

3.75

3.76 Root Mean Square

3.77 Căn bậc 2 của trung bình phương dòng điện xoay chiều

3.78 SMP

S

3.79 Switch mode power supply 3.80 Bộ nguồn chuyển mạch chế độ

3.81 THD 3.82 Total Harmonic Distortion 3.83 Tổng méo hài

3.90 DANH MỤC BẢNG BIỂU

3.91 Bảng 1.1: So sánh mức tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn 9

3.92 Bảng 1.2: So sánh giữa bóng đèn huỳnh quang T-5 và bóng đèn LED T-8 11

3.101 Bảng 3.5: Hàmthành viên cho biến đầu vào DeltaError bằng ngôn ngữ 75

3.102 Bảng 3.6 Tập hợp

luật Fuzzy 76

3.103 B

ảng 3.7: So sánh tỷ lệ tiết kiệm của các phương pháp điều khiển so với điềukhiển

bằng cảm biến tĩnh 85

3.104DANH SÁCH HÌNH ẢNH

3.105 H

ình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từthấp

đến cao về độ hiệu quả (ở trên là thấp nhất) 7

3.106 Hình 1.2: Nguyên lý cân bằng ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo 16

3.107 Hì

nh 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming17

Hình 1.4: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuýp 18

nh 2.6: Đồ thị tương quan giữa cường độ đỉnh dòng điện đột biến và giới hạn chịu

đựng dòng điện đột biến của đi ốt cầu 30

nh 2.8: Đồ thị dòng điện và điện áp đi qua tải bóng đèn LED đối với phương án

điều khiển điện áp cắt biên trước 31

3.116 Hình 2.9: Cắt mức năng lượng biên sau, với d là thời gian điện áp ở mức 0 32

3.117 Hình 2.10: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau

3.118

333.119 Hình 2.11: Khối bắt điểm không 33

3.120 Hình 2.12: Khối driver cho IGBT và khối cắt pha (gồm IGBT và cầu diode) 343.121 Hình 2.13: Lưu

đồ thuật toán điều khiển của thiết bị 35

3.122 Hình 2.14: Tín hiệu bắt điểm không đưa vào vi điều khiển 35

3.123 Hì

nh 2.15: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biênsau; 36

3.124 Hình 2.16: Điện áp và dòng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau;

3.125

373.126 Hì

nh 2.17: Điện áp trên đèn phóng điện khi điều chỉnh bằng phương pháp cắt biên

sau

38

3.127 Hình 2.18: Mạch điện đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ 39

3.128 Hình 2.19: Đápứng tắt dần của mạch RLC nối tiếp 40

3.129 Hình 2.20: Mạch RLC song song (Nguồn: tác giả) 40

3.130 Hình 2.21: Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt 41

3.131 Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán mới thực hiện đóng cắt 50 lần trên một nửa chu kỳ

3.132

413.133 Hì

nh

2.23: Kết quả dạng tín hiệu điều khiển và điện áp ra mô phỏng với tụ 100nF

mắc song song với tải 42

3.134 Hình 2.24: Kết quả dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đèn phóng điện 42

3.135 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng ánh sáng tự nhiên

3.136

443.137 Hì

nh 3.2: Môi trường chiếu sáng thực tế ảnh hưởng bởi nguồn sáng trực tiếp và gián

tiếp

47

3.138 Hình 3.3: Sơ

đồ cảm biến quay đa hướng 49

3.139 Hình 3.4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ 503.140 Hì

nh 3.5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c) Mạch

điều khiển 50

3.141 Hình 3.6: Thuật toán cảm biến quay đa hướng 51

3.142 Hình 3.7: Phòng thực nghiệm nhìn theo hướng từ trên xuống 53

3.143 Hình 3.8: Cám biến xoay bị vật cản chặn tạm thời hướng sáng 53

3.144 Hình 3.9: Kết quả giám sát dữ liệu cảm biến ánh sáng 54

3.147 Hình 3.12: Sơ

đồ khối cảm biến 59

3.148 Hình 3.13: Mô hình 3D của đế quay cảm biến 59

3.149 Hình 3.14: Mạch nguyên lý của cảm biến mới 60

3.150 Hình 3.15: Lưu

đồ thuật toán cải tiến của cảm biến ánh sáng 61

3.151 Hình 3.16: Hình ảnh mô phỏng cảm biến quay với số lượng góc quay khác nhau

3.152

623.153 Hì

nh 3.17: Sơ đồ phòng thí nghiệm thực hiện đo cường độ ánh sáng bằng cảm biến

quay 63

3.154 Hình 3.18: Đồ thị cường độ ánh sáng của cảm biến tĩnh và cảm biến quay 64

3.161 Hình 3.25: Sơ

đồ khối của bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID 74

3.162 Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào Error 75

3.163 Hình 3.27: Đồ

thị biểu diễn cho biến đầu vào DeltaError 76

3.164 Hình 3.28: Đồ thị hàm thành viên đầu ra 77

3.165 Hình 3.29: Đồ thị 3D minh họa giá trị đầu ra của hệ thống 78

3.32: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng

theo ngưỡng so với cảm biến tĩnh 81

3.169.Hình 3.33: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp tìm giá trị cựcđại so với cảm biến tĩnh 823.170 Hình 3.34: Kết quả mô phỏng điều khiển sử dụng đầu vào với phương pháp tiềnxử lý tìm giá trị cực đại 833.171Hình 3.35: Kết quả tính toán năng lượng tiêu thụ khi sử dụng các phương pháptiền xử lý khác nhau và cảm biến tĩnh 84

3.184Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện dưới dạng sóng vuông

3.1893.190Điện áp rơi trên chấn lưu

3.191 I (t)= Va (π -ωt) - Vin

cos(ωt+γ)

3.192a ωL 2 ωL

3.1932.4 3.194Dòng điện đi qua đèn phóng điện3.195

ic= dq = C duc3.196 dt dt

3.197

3.1982.5

3.1993.200Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện

3.2043.205Tần số Neper của mạch RLC

3.2223.223Tổng dẫn phức mạch RLC song song

3.232Quan hệ giữa góc quay và số bước của động cơ

3.234 Φs=4πIs

3.235

3.2363.3

3.237Quang thông của hệ dựa trên cường độ sáng

3.2423.243Độ rọi trên bề mặt chiếu sáng

1]

3.2533.2543.2553.6

3.2563.2573.258 Véc tơ độ rọi

3.259 �00 𝐸01𝐸02𝐸03 … … …

𝐸0(N−1)3.260 𝐸10𝐸11𝐸12𝐸13 … … …

3.2683.2693.2703.271 Ma trận tham số liên hệ giữa các hướng đo

3.2773.278 Tham số liên hệ giữa các hướng đo

3.287 Giá trị trích chọn cảm biến theo phương pháp trung bình

3.293 Giá trị trích chọn cảm biến theo phương pháp trung bình cộng theo ngưỡng

3.295 Ymax(t)= Max(E1, E2,…,

EN)

3.2963.2973.12

3.298 Giá trị trích chọn cảm biến theo phương pháp giá trị cực đại

3.299 MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu:

3.300 Năng lượng cùng với vấn đề biến đổi khí hậu đang trở thành mối quan tâm lớn của toàn nhân loại, trong đó vấn đề năng lượng đã và đang trở thành vấn đề được đặc biệt quan tâm không chỉ của riêng quốc gia nào, do khủng hoảng năng lượng toàn cầu, các nguồn năng lượng không tái tạo như than, dầu

mỏ, khí đốt đã dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm, trong khi đó tình trạng lãng phí năng lượng đã và đang xảy ra đáng báo động ở nhiều quốc gia Theo kinh nghiệm của các nước phát triển, ít nhất 30% nhu cầu năng lượng có thể và cần phải được đáp ứng bằng biện pháp tiết kiệm [1]

3.301 Ở Việt Nam, việc tiết kiệm năng lượng cũng đã và đang trở thành chủ đề nóng bỏng Theo báo cáo gần đây nhất của Bộ Công Thương, dự báo đến cuối thế kỷ này, nguồn năng lượng của Việt Nam sẽ trở nên khan hiếm, các mỏ dầu và khí đốt sẽ dần cạn kiệt, trong khi đó tình trạng lãng phí năng lượng trong sản xuất công nghiệp, xây dựng dân dụng, giao thông vận tải… của nước ta hiện nay là rất lớn, hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng còn rất thấp so với các nước phát triển (hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện đốt than, dầu của nước ta chỉ đạt được từ 28-32%, thấp hơn so với các nước phát triển khoảng 10%; hiệu suất các lò hơi công nghiệp chỉ đạt khoảng 60%, thấp hơn mức trung bình của thế giới khoảng 20% [2]

3.302 Bên cạnh đó, theo số liệu của bộ Công Thương, gần 40% tổng sản lượng điện sản xuất được dùng cho chiếu sáng[3] Chiếu sáng chiếm tỷ lệ lớn trong sử dụng năng lượng, gia tăng áp lực lên sản xuất điện và đảm bảo an ninh năng lượng Một trong những giải pháp giảm thiểu áp lực này, đó là thay thế các nguồn sáng không hiệu quả bằng những nguồn sáng sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hơn Gần đây, sử dụng đèn LED với nhiều công nghệ tiên tiến đang dần trở thành xu hướng chiếu sáng thông minh nhờ vào các ưu điểm nổi bật: công suất nhỏ nhưng quang thông lớn, chỉ số hoàn màu và hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với các loại đèn thông thường Chính đặc tính này giúp đèn LED gần gũi hơn với môi trường khi sử dụng năng lượng ít hơn giúp kéo dài tuổi thọ hơn Tuy nhiên, giá thành cao đang là trở ngại của các cá nhân, doanh

21

nghiệp trong việc tiếp cận với đèn LED Một hướng tiếp cận hứa hẹn sẽ phát huy hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng là kết hợp với các giải pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên Ánh sáng ban ngày có tác động đặc biệt đến việc tiết kiệm năng lượng Các biện pháp tiết kiệm năng lượng dựa trên việc tận dụng ánh sáng

tự nhiên chỉ bao gồm chi phí đầu tư ban đầu và hầu như không phát sinh chi phí trong tương lai so với các biện pháp khác (bởi ánh

22

3.303 sáng tự nhiên là miễn phí) Theo nghiên cứu của các nhà khoa học Slovakia [4] , việc áp dụng chế độ chuyển đổi điều khiển theo thời gian dựa trên năng lượng ánh sáng tự nhiên có thể tiết kiệm được 20-40%, với thời gian hoàn vốn là 2-3 năm Tuy nhiên, trên Việt Nam và thế giới, hướng đi kết hợp giữa hai phương án, một là sử dụng đèn LED, hai là tận dụng nguồn năng lượng ánh sáng

tự nhiên, chưa có những nghiên cứu cụ thể.

3.304 Tại Việt Nam, bắt đầu năm 2011, nghiên cứu sinh đã cùng nhóm nghiên cứu của TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đầu tư nghiên cứu sản phẩm thiết bị tiết kiệm điện cho đèn chiếu sáng nhằm áp dụng tại Việt Nam Đến ngày

16 tháng 04 năm 2012, sáng chế thiết bị tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng

đã được Cục sở hữu trí tuệ cấp bằng sáng chế với tên “Thiết bị điều chỉnh mức sáng cho đèn neon” [5] Thiết bị hoạt động trên nguyên tắc tận dụng ánh sáng tự nhiên để giảm năng lượng chiếu sáng mà vẫn đảm bảo đủ ánh sáng chiếu trong không gian các phòng, nhà xưởng hay nói chung là khu vực trong nhà Tuy nhiên sản phẩm vẫn còn nhiều hạn chế mà cụ thể là:

- Vẫn sử dụng biến áp tự ngẫu để điều chỉnh điện áp cung cấp cho hệ thống bóng đèn chiếu sáng nên dẫn đến kích thước thiết bị lớn và cồng kềnh Trong luận án sẽ cần phải nghiên cứu giải pháp sử dụng các phương pháp điều chỉnh công suất bằng các hệ thống điều khiển điện tử, nhằm mục tiêu giảm kích thước thiết bị.

- Giải pháp biến áp tự ngẫu không điều khiển được độ sáng đèn LED, trong khi đó đèn LED lại là xu hướng sử dụng hiện nay trong các hệ thống chiếu sáng Giải pháp mới đưa ra cần phải hoàn thiện việc điều khiển độ sáng cho đèn LED.

3.305 Ngoài ra, với thiết bị tiết kiệm năng lượng cho hệ thống đèn chiếu sáng đã được cấp bằng sáng chế thì hệ thống chỉ sử dụng một cảm biến đơn hướng Điều này gây ra các hạn chế khi bị nhiễu nguồn sáng ngoài hoặc các bề mặt phản xạ dẫn đến thiết bị có khả năng đo sai Do đó, trong luận án này, mục tiêu nghiên cứu cần thiết thứ hai đó chính là phát triển cảm biến với mục tiêu đo được chính xác nguồn sáng, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu bên ngoài như đã đề cập ở trên.

3.306 Mục đích nghiên cứu của luận án

3.307 Luận án tập trung vào hai vấn đề chính:

- Nghiên cứu phương pháp điều khiển sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên dùng được cho nhiều loại bóng đèn, trong đó chú trọng vào đèn LED, vì đây là đối tượng được hướng tới sử dụng trong tương lai.

- Nghiên cứu phát triển cảm biến ánh sáng với mục tiêu đạt được hiệu quả đo lường chính xác nhất so với cảm biến ánh sáng đơn sử dụng trong thiết bị tiết kiệm điện trong hệ thống chiếu sáng đã được công bố.

2. Phương pháp nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu lý thuyết: thực hiện mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu thông qua các mô hình mạch điện tử, từ đó tính toán các phương pháp điều khiển phù hợp, tối ưu.

- Nghiên cứu thực nghiệm: thực hiện thiết kế chế tạo các hệ thống dựa trên các nghiên cứu lý thuyết để thực hiện việc kiểm chứng trong thực tế Thực hiện đo lường trong thực tế từ đó rút ra các kết quả phù hợp với yêu cầu nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng đề xuất.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Đối tượng nghiên cứu: Các đối tượng nghiên cứu là các loại bóng đèn dùng trong các hệ thống chiếu sáng đang được sử dụng ngoài thị trường, trong đó tập trung chủ yếu vào đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ LED Ngoài ra, đèn phóng điện cũng là đối tượng được nghiên cứu, bởi hiện nay các loại đèn này vẫn được sử dụng trong một số hệ thống chiếu sáng đô thị như đèn cao áp,…

- Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống chiếu sáng dùng trong nhà xưởng, trường học, bệnh viện,… nơi các hệ thống chiếu sáng có thể tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên.

4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

• Ý nghĩa khoa học:

- Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nghiên cứu về giải pháp tiết kiệm điện dùng trong hệ thống chiếu sáng, được cụ thể hóa theo hai xu hướng dưới đây:

- Phát triển các loại vật liệu mới có khả năng chiếu sáng đồng thời tiết kiệm năng lượng, ví dụ như tập trung vào phát triển các loại đèn mới có thể tiết kiệm năng lượng như đèn LED, chiếu sáng rắn [6] [7] , các loại đèn LED

[8] ,…

- Phát triển các hệ thống tiết kiệm năng lượng dựa trên năng lượng ánh sáng

tự nhiên, ví dụ như các hệ thống tiết kiệm ánh sáng dựa trên phương pháp điều chỉnh cường độ nguồn sáng (dimming) [8] ; hoặc các hệ thống tiết kiệm điện sử dụng cảm biến phát hiện chuyển động [8] , mạng cảm biến

[9]

[10] ,…

- Trong đó, giải pháp thay thế các loại đèn phóng điện, đèn sợi đốt, là những loại đèn có hiệu suất chiếu sáng thấp, bằng đèn sử dụng công nghệ LED tiết kiệm năng lượng, đang là một xu thế ở nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam Việc thay thế này đem đến những hiệu quả nhất định, bởi đèn LED có

tỷ lệ tiết kiệm điện vượt trội so với các đèn khác Bên cạnh đó, với tiềm năng của các hệ thống tiết kiệm năng lượng dựa trên năng lượng ánh sáng tự nhiên, việc nghiên cứu các giải pháp tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên trên các hệ thống chiếu sáng sử dụng đèn LED sẽ mang lại hiệu quả hơn so với các hệ thống chỉ sử dụng đèn LED Mặc dù vậy, các giải pháp này chưa được nghiên cứu nhiều.

- Do đó, nghiên cứu của luận án sẽ bổ sung vào các nghiên cứu mới của thế giới trong lĩnh vực tiết kiệm năng lượng chiếu sáng, cụ thể là hệ thống chiếu sáng đèn LED tận dụng ánh sáng tự nhiên.

 Ý nghĩa thực tiễn:

- Trên thế giới, đã có một số nghiên cứu về hiệu năng của tiết kiệm năng lượng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên Lấy ví dụ, nghiên cứu của Newsham, Sander và Suvagau về tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng dùng trong văn phòng [13] chỉ ra rằng mức tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên có thể đạt mức 20% đến 60%; nghiên cứu của Leslie, R.P., R Raghavan, O Howlett, và C Eaton [14] chỉ

ra rằng bằng cách sử dụng công nghệ tận dụng ánh sáng tự nhiên, chủ sở hữu các văn phòng có thể thấy mức tiết kiệm năng lượng trung bình hàng năm là 24% Fritz và Kahn (2006) [15] đề nghị các phương pháp giảm tiêu thụ năng lượng cho một trường học ở Worcester, Nam Phi Tuy nhiên, cho đến nay chưa có những nghiên cứu về các chi phí và lợi ích về kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng ở các nước đang phát triển như Việt Nam.

- Ở Việt Nam, theo số liệu của Bộ Công Thương [2] , vấn đề sử dụng năng lượng điện dùng trong chiếu sáng một cách hiệu quả đã và đang được đẩy mạnh Trên thực tế khảo sát, các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng hiện nay tập trung chủ yếu vào việc thay thế các loại đèn chiếu sáng như: dừng và giảm việc sản xuất bóng đèn sợi đốt công suất trên 60W (theo quyết

định số 51/QĐ-TTg [16] ) bắt đầu từ 01/01/2013; các dự án thay thế hệ thống chiếu sáng công cộng bằng đèn LED ở Đà Nẵng [17] , Thành phố Hồ Chí Minh

[18] ,…Mặc dù vậy, các giải pháp tiết kiệm năng lượng dựa trên tận dụng ánh sáng tự nhiên, đặc biệt là với đèn LED, chưa thực sự được nghiên cứu và phân tích cụ thể Trong khi đó, Việt Nam với yếu tố địa lý là một nước nhiệt đới gần xích đạo, việc tận dụng nguồn sáng tự nhiên từ mặt trời trong chiếu sáng là một trong những lợi thế về tiết kiệm năng lượng Do đó nghiên cứu thành công sẽ có thể áp dụng vào trong thực tiễn tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.

5. Các đóng góp chính của luận án

- Nghiên cứu này có hai đóng góp chính là:

1 Nghiên cứu đưa ra giải pháp điều chỉnh công suất cho thiết bị tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng, tương thích được với mọi loại bóng, trong

đó tập trung chủ yếu vào đèn LED là đối tượng bóng đèn đang được hướng tới sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng Ngoài ra, nghiên cứu cũng hoàn thiện giải pháp điều chỉnh công suất cho đèn phóng điện, qua đó đưa ra được giải pháp điều chỉnh ánh sáng cho hệ thống có chứa nhiều loại thiết bị chiếu sáng khác nhau.

2 Nghiên cứu đưa ra giải pháp cảm biến quay cho hệ thống chiếu sáng, với cấu trúc nhỏ gọn tối ưu hơn, đồng thời đánh giá hiệu suất của cảm biến quay đa hướng thông qua các mô phỏng và kết quả Với cảm biến được đề xuất, hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng có thể đo mức độ ánh sáng theo các hướng khác nhau, phát hiện hướng nguồn sáng chính và xác định các hướng có ánh sáng tạm thời thay đổi.

6. Bố cục của luận án

- Bố cục của luận án gồm các phần sau:

- Chương 1: Các cơ sở nghiên cứu của luận án Mục này sẽ trình bày

tóm lược về các loại đèn chiếu sáng thông dụng trong nhà và tổng quan các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng bao gồm tình hình nghiên cứu chung của thế giới liên quan tới lĩnh vực tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng, từ đó chọn lựa định hướng nghiên cứu mà cụ thể là tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng; tình hình nghiên cứu trong nước liên quan tới

lĩnh vực tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng, cụ thể là thiết bị tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng đã được cấp bằng sáng chế.

- Chương 2: Nghiên cứu cải tiển khối điều khiển công suất thiết bị chiếu sáng Mục này sẽ giới thiệu một số các công trình nghiên cứu trên thế giới

đối với việc điều chỉnh công suất để làm cơ sở phục vụ cho các nghiên cứu về điều chỉnh công suất của các loại đối tượng đèn chiếu sáng ứng dụng trong nghiên cứu Từ đó đưa ra nghiên cứu của luận án về giải pháp cải tiến điều khiển điện áp trong thiết bị tiết kiệm điện, tập trung vào đối tượng tải đèn LED và đèn phóng điện Kết luận chương đã đưa ra được giải pháp

- điều khiển các loại đèn trên, bổ sung khả năng tương thích của hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 1 và số 3 trong danh mục các công trình đã công bố của luận án.

- Chương 3: Nghiên cứu cảm biến ánh sáng quay đa hướng Phần này

trước khi đưa ra các kết quả nghiên cứu, sẽ giới thiệu các công trình nghiên cứu trên thế giới về cảm biến ánh sáng, từ đó luận giải để chứng minh tình mới của cảm biến ánh sáng quay đa hướng mà luận án đã thực hiện cùng với các thuật toán cũng như kết quả thu được Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến quay đa hướng khắc phục được nhược điểm của cảm biến tĩnh khi xuất hiện vật cản, đồng thời phát hiện chính xác nguồn sáng hơn so với các cảm biến đơn hướng, giải quyết được các vấn đề về đo lường chính xác các nguồn năng lượng ánh sáng Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 2, số 4 và số 5 trong danh mục các công trình đã công bố của luận án.

- Phần cuối cùng là: Kết luận và kiến nghị Phần này tóm tắt lại các nghiên cứu của luận án, đưa ra kết luận chung.

Cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng

Thay thế bóng đèn/thiết bị chiếu sáng cũ

Sử dụng các hệ thống điều khiển tận dụng ánh sáng tự nhiên

- Hiện nay, tiết kiệm năng lượng là một vấn đề rất được quan tâm trên thế giới Đã có rất nhiều các công trình nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nhiều đối tượng khác nhau trên thế giới Tuy nhiên, trong lĩnh vực chiếu sáng, các phương pháp nghiên cứu tiết kiệm năng lượng thường được thực hiện theo các hướng sau:

- Tiết kiệm năng lượng điện trong tất cả các lĩnh vực sử dụng của thiết bị chiếu sáng

- Cải thiện chất lượng thông số chiếu sáng của thiết bị, ví dụ như hiệu năng chiếu sáng, tuổi thọ của thiết bị,…

- Cải thiện môi trường chiếu sáng, ví dụ như yếu tố phản xạ sáng, không gian,… Trong đó, để tiết kiệm năng lượng, một số kỹ thuật và chiến lược chiếu sáng sau đã

- được nghiên cứu:

- Sử dụng kết hợp các thiết bị chiếu sáng tiết kiệm năng lượng

- Tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên

- Xây dựng các hệ thống điều khiển chiếu sáng nội bộ, thay vì phụ thuộc vào nhà cung cấp điện.

- Cải tiến không gian chiếu sáng, chẳng hạn như phủ sơn tường và trần nhà màu trắng để tăng phản xạ ánh sáng

- Hướng dẫn nhân viên tham gia vào việc lập kế hoạch tiết kiệm năng lượng

- Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ thấp đến cao về độ hiệu quả (ở trên là thấp nhất) được chỉ ra ở hình 1.1 [19]

Hình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng,

theo thứ tự từ thấp đến cao về độ hiệu quả (ở trên là thấp nhất)

- Để làm rõ các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiếu sáng, trong phần dưới sẽ lần lượt làm rõ các chiến lược như đã chỉ ra trong hình 1.1 bao gồm:

- Chiến lược cải thiện các yếu tổ liên quan tới chiếu sáng

- Chiến lược thay thế bóng đèn cũ bằng các thiết bị chiếu sáng mới

- Chiến lược tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng tiêu thụ

1.1 Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng

- Việc cải thiện hiệu năng chiếu sáng có thể dựa trên các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng Áp dụng một số kỹ thuật cải tiến không gian chiếu sáng có thể giúp tối đa hóa việc sử dụng ánh sáng tự nhiên, qua đó giảm thiểu nhu cầu chiếu sáng bằng năng lượng điện Một số kỹ thuật có thể kể tới như: Thay đổi màu sơn bề mặt với những màu nhạt có độ phản xạ cao [3] , tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng phù hợp với chiều cao, không gian của phòng [12] [20] , cải thiện hệ thống chắn nắng [21] [22] ,…

- Sơn bề mặt (bao gồm cả trần nhà) với những màu nhạt có độ phản xạ cao cũng giúp cho việc tối đa hóa hiệu quả của thiết bị chiếu sáng Theo nghiên cứu của Ruzena Kralikova và cộng sự [3] , tường và trần nhà màu sáng có thể phản

xạ tới 80% ánh sáng tới; trong khi đó tường và trần nhà màu tối có thể phản xạ ít hơn 10% ánh sáng tới.

- Chiều cao của phòng cũng được tính tới khi thiết kế các hệ thống chiếu sáng, bởi các bóng đèn đều có chiều cao lắp đặt tiêu chuẩn, việc lắp đặt bóng đèn đúng với độ cao tiêu chuẩn sẽ tận dụng tối đa khả năng chiếu sáng của bóng đèn Cũng theo nghiên cứu của Kralikova và cộng sự [3] , với những nhà xưởng

có chiều cao từ 10m trở lên, chiều cao lắp đặt của đèn theo tiêu chuẩn từ 10-14m

sẽ đạt hiệu quả chiếu sáng tối đa, tuy nhiên trong một số trường hợp, có thể hạ chiều cao lắp đặt để tận dụng chiếu sáng mà không ảnh hưởng tới thị giác Trong một nghiên cứu của Reinhart [23] về ảnh hưởng của chiều cao không gian của một văn phòng tới khả năng chiếu sáng, Reinhart đã phát hiện ra rằng trần nhà là một yếu tố thiết kế quan trọng đối với ánh sáng ban ngày vì phần lớn ánh sáng

ban ngày sau khi đi vào phòng sẽ phản xạ trần nhà ít nhất một lần Ông cũng lưu

ý rằng việc giảm chiều cao trần nhà từ 2,74 m xuống 2,44 m sẽ cắt giảm một nửa năng lượng tiết kiệm cho chiếu sáng điện.

- Một trong những vấn đề ảnh hưởng đến hiệu suất chiếu sáng về chất lượng ánh sáng và tiết kiệm năng lượng là cách thiết kế hệ thống chắn nắng, hoặc các hệ thống cách nhiệt Một nghiên cứu được thực hiện ở Kuwait [24] đã

đề cập rằng lớp cách nhiệt trong một số điều kiện nhất định có thể cải thiện tỉ lệ tiết kiệm năng lượng và giảm lượng điệntiêu thụ: thiết kế cách nhiệt tường tăng

từ 5 cm đến 7 cm có thể giảm tiêu thụ năng lượng khoảng 5,58% Người ta đã đề cập rằng thiết kế được đề xuất [21] sử dụng hệ thống tự che nắng và che nắng thiết kế theo kiểu phong bì thư (envelope shading) đã tiết kiệm được 20,5% mức tiêu thụ năng lượng Ngoài ra, thời gian hoàn vốn của nó được xác nhận là hai năm, khoảng thời gian này ngắn hơn khi so sánh với [22] : thời gian hoàn vốn dự kiến của nó là trong khoảng 3,9 - 4,9 năm.

- Kết luận lại, có nhiều cách để cải thiện yếu tố không gian nhằm tăng cường hiệu năng chiếu sáng, bao gồm việc tăng cường độ phản xạ sáng (thay đổi màu sơn tường) hoặc tận dụng tối đa các yếu tố ảnh hưởng tới chiếu sáng (chiều cao, hệ thống che nắng, ngoại cảnh) Các giải pháp này đem lại mức tiết kiệm năng lượng từ khoảng 5% [24] tới 20%

- [21] tùy theo từng giải pháp.

- Tuy nhiên, trong định hướng nghiên cứu này, giải thiết đưa ra là chưa kèm các giải pháp cải thiện yếu tố không gian.

1.2 Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp

- Trong các chiến lược thay thế thì có nhiều chiến lược thay thế bóng đèn hiệu suất thấp bằng các bóng đèn có hiệu suất tiết kiệm cao hơn, ví dụ như thay thế bóng đèn sợi đốt bằng các bóng đèn huỳnh quang (CFL) [16] [25] , hoặc thay thế các bóng đèn huỳnh quang hiệu suất thấp bằng các bóng cùng loại có hiệu suất cao hơn [30] [31] , hoặc thay thế bằng bóng đèn LED [32] [34] ,…

- Theo như phân tích của tổ chức ENERGY SAVER ( www.energy.gov ), thì so với bóng đèn sợi đốt truyền thống, bóng đèn tiết kiệm năng lượng như bóng đèn halogen, đèn huỳnh quang compact (CFL) và diode phát quang (LED)

có những ưu điểm sau:

- Sử dụng ít hơn khoảng 25% -80% năng lượng so với các loại sợi đốt truyền t hống.[25]

- Tuổi thọ kéo dài hơn từ 3 đến 25 lần [25]

- Bảng 1.1 so sánh bóng đèn sợi đốt truyền thống 60 watt (W) với bóng đèn tiết kiệm năng lượng cùng mức phát sáng [25]

- Bảng 1.1: So sánh mức tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn

- So sánh giữa bóng đèn sợi đốt, bóng halogen, bóng CFL và bóng LED

óng đèn sợi đốt 60W

ng đèn Halogen 43W

- Bóng CFL 15W - Bóng LED 12W

sánh với bóng sợi đốt 60W

sánh với bóng

halogen 43W

sánh với bóng sợi đốt 60W

sánh với bóng

halogen 43W

pháp loại bỏ đèn sợi đốt từ 2014, còn Malaysia [29] là 2010.

- Đối với bóng đèn huỳnh quang, mặc dù đèn huỳnh quang T5 đã tồn tại được 15 năm, nhưng số liệu thống kê gần đây (của Thụy Điển) [30] chỉ ra rằng nhiều hệ thống chiếu sáng hiện tại vẫn sử dụng đèn T8 hoặc thậm chí, đèn T12

cũ hơn, có hiệu suất phát sáng thấp hơn nhiều (lm/W) Thay thế đèn T12 bằng đèn T8 có thể tiết kiệm đến 10% năng lượng tiêu thụ trong khi cho ánh sáng nhiều hơn 10% [31] Đèn T5 16 mm mới hơn thậm chí còn có hiệu suất cao hơn (90–104 lm / W), giảm 40% mức sử dụng năng lượng (so với đèn T12 60 lm / W với chấn lưu từ) nhưng những đèn này cần các bộ phận đi kèm (chấn lưu, tắc te) khác nhau [31]

- Đối với bóng LED, đây đang là giải pháp thay thế các hệ thống bóng đèn

cũ ở nhiều nước trên thế giới Ở Ấn Độ, Bộ Năng Lượng của nước này đặt mục tiêu thay thế 770 triệu đèn LED trong các hộ gia đình và 35 triệu đèn đường LED Đến tháng 8 năm 2016, 155 triệu đèn LED gia dụng và 1,2 triệu đèn đường LED đã được triển khai [32] Ở Việt Nam, các dự án thay thế hệ thống chiếu sáng công cộng bằng đèn LED ở Đà Nẵng [17] , TP Hồ Chí Minh [18] ,…

đã và đang được triển khai Tuy nhiên, theo nghiên cứu của

- Avijit Karmakar, Snehashis Das và Ayan Ghosh [33] , trong một số trường hợp, việc thay thế bóng đèn huỳnh quang bằng bóng đèn LED không thực sự đem lại hiệu quả về mặt chiếu sáng Bảng 1.2 so sánh các thông số giữa đèn LED T8 và đèn huỳnh quang T5

- Bảng 1.2: So sánh giữa bóng đèn huỳnh quang T-5 và bóng đèn LED T-8

sự [34] , những đầu tư vào hệ thống LED có thời gian hoàn vốn khoảng 5 năm, với mức tiết kiệm năng lượng có thể lên tới 60%.

- Qua phần 1.2 , có thể thấy được chiến lược thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp sẽ mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng lớn nhất khi thay thế các hệ thống đèn sợi đốt Đối với hệ thống đèn huỳnh quang, việc thay thế bằng đèn huỳnh quang hiệu suất cao hơn mang lại hiệu quả ở mức 10%

- 40% [31] , trong khi đó việc thay thế đèn huỳnh quang bằng đèn LED, mặc dù đem lại hiệu quả khá cao (khoảng 60%, tùy thuộc vào loại đèn bị thay thế), tuy nhiên thời gian hoàn vốn dài [34] , và trong nhiều trường hợp chưa thực sự mang lại hiệu quả chiếu sáng so với đèn huỳnh quang [33]

1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng

- Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp tận dụng ánh sáng tự nhiên, và kết quả đem lại được đều hết sức vượt trội Năm 2011, Al- Ashwal và Budaiwi đã nghiên cứu hiệu suất năng lượng của các tòa nhà văn phòng do tích hợp ánh sáng ban ngày và ánh sáng nhân tạo ở vùng khí hậu nóng theo thiết kế cửa sổ, bao gồm diện tích cửa sổ, chiều cao và loại kính Kết quả cho thấy rằng có thể giảm tới 35% mức tiêu thụ năng lượng chiếu sáng bằng cách sử dụng ánh sáng ban ngày và tích hợp ánh sáng nhân tạo [35] Năm 2014, Yoo và cộng sự đã tính toán sự phân bố của ánh sáng ban ngày trong văn phòng, cũng như tỷ lệ độ sáng để điều khiển từng đèn LED bằng cách sử dụngphần mềm mô phỏng ánh sáng Kết quả là, tiêu thụ điện năng của đèn chiếu sáng đã giảm 40-70% tùy theo mùa và điều kiện thời tiết [36]

- Khi so sánh với các phương án tiết kiệm năng lượng khác, hệ thống điều khiển ánh sáng kết hợp ánh sáng tự nhiên cũng có tỷ lệ tiết kiệm điện cao hơn Năm 2016, Gentile và cộng sự đã trình bày kết quả của một nghiên cứu giám sát theo bốn hệ thống điều khiển ánh sáng khác nhau (hệ thống sử dụng một công tắc thủ công ở cửa, hệ thống sử dụng một bộ phát hiện chuyển động, hệ thống tận dụng ánh sáng ban ngày bằng cảm biến phát hiện vắng mặt và hệ thống sử dụng một đèn LED) Kết quả, hệ thống điều khiển ánh sáng liên kết với ánh sáng

tự nhiên đạt được mức tiết kiệm cao hơn so với các hệ thống khác (79%) [37]

- Các thuật toán để đánh giá, tinh chỉnh năng lượng đầu ra của hệ thống

tận dụng ánh sáng tự nhiên cũng được nghiên cứu Năm 2018, Kim, In-Tae &

Kim, Yu-Sin & Nam, Hyeonggon và Hwang, Taeyon đã đưa ra nghiên cứu phát

triển thuật toán điều khiển độ sáng bóng đèn bằng hệ thống phản hồi đáp ứng

ánh sáng tự nhiên [38] Nghiên cứu này nhằm đánh giá độ chính xác và khả năng

tiết kiệm năng lượng của hệ thống làm mờ đáp ứng ánh sáng tự nhiên khi xem

xét ảnh hưởng của độ rọi gián tiếp Để cải thiện độ chính xác và tiết kiệm năng

lượng của hệ thống làm mờ đáp ứng ánh sáng tự nhiên, một thuật toán điều

khiển độ mờ cải tiến đã được áp dụng cho của hệ thống làm mờ đáp ứng ánh

sáng tự nhiên khi xem xét ảnh hưởng của độ rọi gián tiếp Kết quả là độ chính

xác trung bình của độ rọi mục tiêu là 98,9% (tỷ lệ 0,5%) và mức tiết kiệm năng

lượng chiếu sáng trung bình là 77%.

- Năm 2020, để giải quyết vấn đề tiêu hao năng lượng chiếu sáng ở các

nước phát triển và các nước nghèo trên thế giới, Yangping Zheng, Jia Q và

Hongtao Yu đã đưa ra giải pháp sử dụng IoT kết hợp với điện toán biên để xây

dựng hệ thống chiếu sáng thông minh cho các tòa nhà văn phòng Hệ thống sử

dụng IoT làm công nghệ lõi , dựa trên mô hình mạng dạng lưới (mesh topology)

để thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng.Thông qua việc lấy mẫu

ngoài thực tế và thực hiện các kiểm thử, sau đó đưa dữ liệu vào hệ thống để huấn

luyện, hệ thống đã tiết kiệm được 30% lượng điện tiêu thụ mỗi năm, và kết quả

này hết sức khả quan.

- Kết luận lại, phương án tận dụng ánh sáng tự nhiên đem lại hiệu quả nổi

trội hơn hẳn so với những phương pháp khác Bảng sau tóm tắt lại tỷ lệ tiết kiệm

điện của mỗi giải pháp, dựa trên các nghiên cứu trên thế giới

- Bảng 1.3: So sánh hiệu năng tiết kiệm điện giữa những giải pháp cải thiện chiếu sáng

và cộng sự về hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng Phần 1.4 sẽ phân tích một thiết bị cụ thể là thiết bị tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng của TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đã nghiên cứu và phát triển.

1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam

1.4.1Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở Việt Nam

- Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng - mức cho phép chiếu sáng nơi làm việc được quy định theo thông tư số 22/2016/TT-BYT, Trong quy chuẩn này, các từ ngữ dưới đây được hiểu như sau:

- Độ rọi hay độ chiếu sáng (illuminance): Là độ sáng của một vật được một chùm sáng chiếu vào, đơn vị là Lux 1 Lux là độ sáng của một vật được một nguồn sáng ở cách xa 1m có quang thông bằng 1 Lumen chiếu trên diện tích bằng 1m2.

- Độ rọi duy trì (Em) (maintained illuminance): Độ rọi trung bình trên bề mặt quy định không được nhỏ hơn giá trị này.

- Độ rọi duy trì tối thiểu với các loại hình công việc được quy định ở bảng sau (Bảng chỉ trích dẫn yêu cầu độ rọi chiếu sáng cho các khu vực nhà xưởng, văn phòng, bệnh viện, là các đối tượng tập trung nghiên cứu):

- Bảng 1.4: Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc

- Cầu thang (máy, bộ), thang cuốn - 150

- Ngoài ra, thông tư QCVN 09:2013/BXD quy định hệ thống chiếu sáng cần đáp ứng các yêu cầu sau:

• Hệ thống chiếu sáng cần chiếu ánh sáng đến mọi không gian, vị trí làm việc trong nhà xưởng.

• Hệ thống chiếu sáng cần đảm bảo khả năng chống lóa, chống chói mắt cho người lao động Vì khi chói mắt sẽ gây khó chịu đến thị giác điều này sẽ ảnh hưởng đến năng suất làm việc và chất lượng sản phẩm.

• Trong mỗi nhà xưởng đều cần phải chiếu sáng không có hiện tượng bị bóng người lao động, máy móc che khuất.

• Tiêu chuẩn về màu ánh sáng nhiệt độ màu phù hợp với từng môi trường làm việc cũng như yêu cầu khi sản xuất.

• Hệ thống chiếu sáng không được có hiện tượng bị nhấp nháy gây ảnh hưởng đến thị giác của nhân công.

• Thiết kế hệ thống chiếu sáng đạt chuẩn chất lượng ngay từ đầu để hạn chế việc bảo dưỡng và sửa chữa Vì khi bảo dưỡng hay sữa chữa đèn chiếu sáng sẽ gây ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất của nhà xưởng.

1.4.2Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên

- Hệ thống tiết kiệm điện được phát triển bởi TS Nguyễn Phan Kiên và cộng sự [39] là phiên bản đầu tiên của hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng

tự nhiên được nghiên cứu đưa ra thị trường, được nghiên cứu để kiểm soát một

số lượng lớn các bóng đèn như 16, 30 và 50 ống để giảm chi phí cộng thêm trong mỗi ống Yêu cầu của hệ thống là: (1) thiết bị phải có hiệu chỉnh hệ số công suất, (2) tỷ lệ tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 30% đến 50% và (3) thiết bị

có thể điều khiển một số lượng lớn đèn Hiện thiết bị đã hoàn thiện và chạy tốt với khả năng tiết kiệm từ 30% đến 50% điện năng tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng.

- Nguyên lý tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên của hệ thống được chỉ

ra trong hình 1.2 Như trong hình, giả sử khu vực yêu cầu năng lượng chiếu sáng

là 180 lux Khi sử dụng các hệ thống đèn thông thường, năng lượng do ánh sáng nhân tạo tạo ra đạt 180 lux Khi có ánh sáng bên ngoài vào, giả thuyết là thêm 50

lux thì trong khu vực chiếu sáng sẽ thừa năng lượng (230 Lux) Do đó, để đảm bảo ánh sáng trong khu vực vẫn đạt 180 Lux thì có thể tiết giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo xuống còn 130 Lux Như

- vậy năng lượng trong khu vực chiếu sáng vẫn đủ 180 Lux nhưng năng lượng tiêu thụ của hệ thống bóng đèn vẫn đã được giảm

Hình 1.2: Nguyên lý cân bằng ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo

- Đầu tiên, thiết bị sẽ có hiệu chỉnh hệ số công suất; thứ hai, thiết bị sẽ hoạt động với phương pháp làm mờ (dimming) Có nghĩa là thiết bị sẽ sử dụng ánh sáng tự nhiên (từ bên ngoài chiếu vào phòng) để giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo (tạo ra từ đèn) để giảm năng lượng Sự khác biệt giữa thiết bị này

và chấn lưu làm mờ là: chấn lưu mờ kết nối trực tiếp với ống nhưng thiết bị kết nối giữa đường dây điện và chấn lưu.

- Sơ đồ khối của hệ thống được chỉ ra ở hình 1.3