Nghiên Cứu Giải Pháp Tiết Kiệm Năng Lượng Cho Thiết Bị Chiếu Sáng Sử Dụng Cắt Mức Biên Điện Áp ...

Luận án tiến sĩ kĩ thuật điện tử đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả cho thiết bị chiếu sáng qua cắt mức biên điện áp và cảm biến quay đa hướng.

• Tác giả: Hoàng Anh Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Phan Kiên
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
• Đề tài: 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
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về giải pháp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị chiếu sáng

Nghiên cứu này tập trung vào giải pháp tiết kiệm năng lượng cho thiết bị chiếu sáng thông qua hai phương pháp chính: cắt mức biên điện áp và cảm biến quay đa hướng. Với sự gia tăng nhu cầu năng lượng và sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng không tái tạo, việc tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng trong chiếu sáng trở nên cấp thiết. Công nghệ chiếu sáng hiện đại, đặc biệt là đèn LED, đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm tiêu thụ điện năng. Tuy nhiên, việc kết hợp với các hệ thống chiếu sáng thông minh và cảm biến thông minh sẽ mang lại hiệu quả cao hơn. Nghiên cứu này nhằm mục đích phát triển các giải pháp tiết kiệm điện năng hiệu quả, đặc biệt trong các môi trường như nhà xưởng, trường học và bệnh viện.

1.1. Tầm quan trọng của tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng

Chiếu sáng chiếm tỷ lệ lớn trong tổng tiêu thụ điện năng, đặc biệt tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Theo báo cáo của Bộ Công Thương, gần 40% tổng sản lượng điện được sử dụng cho chiếu sáng. Việc áp dụng các giải pháp tiết kiệm điện như cắt mức biên điện áp và cảm biến quay đa hướng không chỉ giảm chi phí năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Đèn LED với hiệu suất cao và tuổi thọ dài đang dần thay thế các loại đèn truyền thống, nhưng việc kết hợp với các công nghệ tiết kiệm năng lượng sẽ tối ưu hóa hiệu quả sử dụng.

1.2. Xu hướng phát triển công nghệ chiếu sáng

Công nghệ chiếu sáng đang phát triển theo hướng tự động hóa chiếu sáng và quản lý năng lượng thông minh. Các hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng cảm biến chuyển động và cảm biến ánh sáng để điều chỉnh cường độ ánh sáng dựa trên nhu cầu thực tế. Nghiên cứu này đề xuất việc kết hợp cắt mức biên điện áp với cảm biến quay đa hướng để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng, đặc biệt trong các môi trường có thể tận dụng ánh sáng tự nhiên.

II. Phương pháp cắt mức biên điện áp

Phương pháp cắt mức biên điện áp là một kỹ thuật điều chỉnh công suất tiêu thụ của thiết bị chiếu sáng bằng cách cắt một phần điện áp đầu vào. Kỹ thuật này giúp giảm tiêu thụ điện năng mà không ảnh hưởng đến chất lượng ánh sáng. Nghiên cứu này tập trung vào việc cải tiến phương pháp cắt biên sau để áp dụng cho các loại đèn khác nhau, đặc biệt là đèn LED và đèn phóng điện. Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp này giúp giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo độ sáng cần thiết.

2.1. Nguyên lý hoạt động của cắt mức biên điện áp

Phương pháp cắt mức biên điện áp hoạt động bằng cách cắt một phần điện áp đầu vào tại các điểm cụ thể trong chu kỳ điện áp. Điều này giúp giảm công suất tiêu thụ mà không làm giảm đáng kể độ sáng của đèn. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả với đèn LED do khả năng điều chỉnh công suất linh hoạt. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc cắt biên sau mang lại hiệu quả cao hơn so với cắt biên trước, đặc biệt trong các hệ thống chiếu sáng lớn.

2.2. Ứng dụng thực tế của cắt mức biên điện áp

Phương pháp cắt mức biên điện áp đã được áp dụng thành công trong các hệ thống chiếu sáng tại nhà xưởng và trường học. Kết quả thử nghiệm cho thấy việc sử dụng phương pháp này giúp giảm tiêu thụ điện năng lên đến 30% mà vẫn đảm bảo chất lượng ánh sáng. Đặc biệt, khi kết hợp với cảm biến quay đa hướng, hiệu quả tiết kiệm năng lượng được tối ưu hóa, đặc biệt trong các môi trường có thể tận dụng ánh sáng tự nhiên.

III. Cảm biến quay đa hướng trong hệ thống chiếu sáng

Cảm biến quay đa hướng là một công nghệ mới được phát triển để tối ưu hóa việc sử dụng ánh sáng tự nhiên trong các hệ thống chiếu sáng. Cảm biến này có khả năng đo lường cường độ ánh sáng từ nhiều hướng khác nhau, giúp điều chỉnh độ sáng của đèn một cách chính xác. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển và cải tiến cảm biến quay đa hướng để tăng độ chính xác và hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng.

3.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quay đa hướng

Cảm biến quay đa hướng hoạt động bằng cách quay và đo lường cường độ ánh sáng từ nhiều hướng khác nhau. Dữ liệu thu thập được sẽ được sử dụng để điều chỉnh độ sáng của đèn một cách tự động. Cảm biến này giúp giảm thiểu sai số do các yếu tố nhiễu như ánh sáng phản xạ hoặc nguồn sáng ngoài. Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc sử dụng cảm biến quay đa hướng giúp tăng hiệu quả tiết kiệm năng lượng lên đến 20% so với các cảm biến đơn hướng truyền thống.

3.2. Ứng dụng thực tế của cảm biến quay đa hướng

Cảm biến quay đa hướng đã được thử nghiệm thành công trong các hệ thống chiếu sáng tại bệnh viện và trường học. Kết quả cho thấy cảm biến này giúp giảm tiêu thụ điện năng đáng kể mà vẫn đảm bảo chất lượng ánh sáng. Đặc biệt, khi kết hợp với phương pháp cắt mức biên điện áp, hiệu quả tiết kiệm năng lượng được tối ưu hóa, đặc biệt trong các môi trường có thể tận dụng ánh sáng tự nhiên.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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 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 Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 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 Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả TS. Nguyễn Phan Kiên 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 thầy hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Phan Kiên và TS. Nguyễn Mạnh Cường. Hai thầy đã định hướng cho tôi triển khai các ý tưởng khoa học, luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt 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 Y Sinh đã tạo điều kiện, định hướng, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Đặc biệt tôi xin cảm ơn Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin, Trường Đại học Mở Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và các góp ý định 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 trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những bạn bè, người thân, luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong công việc và nghiên cứu khoa 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 . Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu: . 1 Mục đích nghiên cứu của luận án . Phương pháp nghiên cứu của luận án . Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án . Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án . Các đóng góp chính của luận án . Bố cục của luận án . CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN .1 Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng .2 Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp .3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng .4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.1 Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở Việt Nam .2 Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên .5 Kết luận chương 1 . NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG .1 Mô hình, đặc tính của các đối tượng đèn.2 Đèn phóng điện .3 Kết luận về mô hình đặc tính của các loại đèn .2 Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước .3 Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau .4 Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt biên sau .5 Kết luận chương 2 . NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG .1 Tổng quan về các loại cảm biến ánh sáng sử dụng trong hệ thống tiết kiệm năng lượng .2 Phân tích một số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng .3 Xây dựng cảm biến quay ánh sáng .4 Xây dựng thuật toán cho cảm biến quay đa hướng .5 Kiểm tra kết quả của phương pháp .1 Mô tả điều kiện kiểm thử .2 Kết quả kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng .3 Kết quả kiểm thử phát hiện hướng sáng bị chặn và nguồn sáng thay đổi đột ngột .6 Xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng .7 Nghiên cứu giải pháp nâng cấp cảm biến .8 Kết quả đo sau khi nâng cấp cảm biến .1 Cảm biến quay lấy mẫu theo 8 hướng – tham chiếu với cảm biến tĩnh 63 3.2 Cảm biến quay lấy mẫu theo 16 hướng .3 Phát hiện nguồn sáng chính .4 Phát hiện vật cản .9 Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng .10 Mô phỏng hệ điều khiển sử dụng dữ liệu đo cảm biến ánh sáng quay đa hướng.1 Mô hình hệ thống điều khiển .2 Lựa chọn phương án mô phỏng .3 Các phương án tiền xử lý .4 Đánh giá hiệu năng và kết quả mô phỏng .11 Kết luận chương 3 . 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO . 88 iii DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AC Alternate Current Dòng điện xoay chiều ADC Analog to Digital Conversion Chuyển đổi tương tự -số CCT Correlated Color Temperature) Chỉ số nhiệt độ màu CFL Compact fluorescent lamp Đèn compact huỳnh quang CRI Color Rendering Index Chỉ số hoàn màu DC Direct current Dòng điện một chiều DIAC Diode for Alternating Curent Diode cho dòng xoay chiều EMI Electro Magnetic Interference Nhiễu điện từ IC Integrated Circuit Vi mạch IDE Integrated Development Environment Môi trường tích hợp phát triển IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly IoT Internet of Things Internet vạn vật LED Light Emitting Diode Đèn diode phát quang LQR Linear Quadratic Regulator Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính MCU Microcontroller Unit Vi điều khiển Metal - Oxide Semiconductor Field - MOSFET Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường PID Proportional Integral Derivative Điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Căn bậc 2 của trung bình phương dòng RMS Root Mean Square điện xoay chiều SMPS Switch mode power supply Bộ nguồn chuyển mạch chế độ THD Total Harmonic Distortion Tổng méo hài TRIAC TRIode for Alternating Current Bán dẫn ba cực cho dòng xoay chiều TVS Transient voltage suppression Bộ triệt điện áp tạm thời iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh mức tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn .2: So sánh giữa bóng đèn huỳnh quang T-5 và bóng đèn LED T-8 .3: So sánh hiệu năng tiết kiệm điện giữa những giải pháp cải thiện chiếu sáng.4: Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc .5: Thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện .1: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến đơn tĩnh và mạng cảm biến .2: Quan hệ giữa số lượng hướng đo cảm biến, góc quay và số lượng bước động cơ .3: Mô tả cảm biến quay .4: Hàm thành viên cho biến đầu vào Error bằng ngôn ngữ .5: Hàm thành viên cho biến đầu vào DeltaError bằng ngôn ngữ.6 Tập hợp luật Fuzzy.7: So sánh tỷ lệ tiết kiệm của các phương pháp điều khiển so với điều khiển bằng cảm biến tĩnh . 85 v DANH SÁCH HÌNH ẢNH 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) .2: Nguyên lý cân bằng ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo .3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming 17 Hình 1.4: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuýp.1: Ví dụ mô hình bộ nguồn chuyển mạch cho LED .2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện.3: Sơ đồ điều khiển tải của TRIAC .4: Cắt mức năng lượng biên trước, với d là khoảng thời gian điện áp ở mức 0 .5: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên trước; .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 .7: Mạch điện điều chỉnh công suất đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước .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.9: Cắt mức năng lượng biên sau, với d là thời gian điện áp ở mức 0 .10: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau .11: Khối bắt điểm không .12: Khối driver cho IGBT và khối cắt pha (gồm IGBT và cầu diode).13: Lưu đồ thuật toán điều khiển của thiết bị .14: Tín hiệu bắt điểm không đưa vào vi điều khiển .15: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; .16: Điện áp và dòng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; .17: Điện áp trên đèn phóng điện khi điều chỉnh bằng phương pháp cắt biên sau .18: Mạch điện đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ .19: Đáp ứng tắt dần của mạch RLC nối tiếp .20: Mạch RLC song song (Nguồn: tác giả) .21: Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt .22: Lưu đồ thuật toán mới thực hiện đóng cắt 50 lần trên một nửa chu kỳ .23: Kết quả dạng tín hiệu điều khiển và điện áp ra mô phỏng với tụ 100nF mắc song song với tải .24: Kết quả dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đèn phóng điện .1: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng ánh sáng tự nhiên .2: Môi trường chiếu sáng thực tế ảnh hưởng bởi nguồn sáng trực tiếp và gián tiếp .3: Sơ đồ cảm biến quay đa hướng .4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ .5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c) Mạch điều khiển .6: Thuật toán cảm biến quay đa hướng .7: Phòng thực nghiệm nhìn theo hướng từ trên xuống .8: Cám biến xoay bị vật cản chặn tạm thời hướng sáng .9: Kết quả giám sát dữ liệu cảm biến ánh sáng .10: Phát hiện sự thay đổi đột ngột của mức ánh sáng và hướng chặn cảm biến .11: Hình ảnh hệ cảm biến quay mới .12: Sơ đồ khối cảm biến .13: Mô hình 3D của đế quay cảm biến .14: Mạch nguyên lý của cảm biến mới.15: Lưu đồ thuật toán cải tiến của cảm biến ánh sáng.16: Hình ảnh mô phỏng cảm biến quay với số lượng góc quay khác nhau .17: Sơ đồ phòng thí nghiệm thực hiện đo cường độ ánh sáng bằng cảm biến quay .18: Đồ thị cường độ ánh sáng của cảm biến tĩnh và cảm biến quay .