Luận án tiến sĩ kĩ thuật điện tử 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 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

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 5 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. CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 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] 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 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) 7 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 điện 8 tiêu 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.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.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 thống.[25] - Tuổi thọ kéo dài hơn từ 3 đến 25 lần.1 so sánh bóng đèn sợi đốt truyền thống 60 watt (W) với bóng đèn tiết kiệm năng lượng cùng mức phát sáng [25].1: So sánh mức tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn 9 So sánh giữa bóng đèn sợi đốt, bóng halogen, bóng CFL và bóng LED Bóng Bóng đèn Bóng CFL 15W Bóng LED 12W đèn sợi Halogen đốt 43W So sánh với So sánh với So sánh với So sánh với 60W bóng sợi đốt bóng halogen bóng sợi đốt bóng halogen 60W 43W 60W 43W Tỉ lệ tiết - kiệm năng ~25% ~75% ~65% ~75% - 80% ~72% lượng (%) Tuổi thọ 1000 1000 đến 10000 giờ 25000 giờ giờ 3000 giờ Chính phủ nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam, đã thông qua các biện pháp loại bỏ dần bóng đèn sợi đốt để chuyển sang các giải pháp thay thế chiếu sáng tiết kiệm năng lượng hơn. Các quy định trên bao gồm cấm sản xuất, nhập khẩu hoặc bán bóng đèn sợi đốt, đồng thời hướng dẫn người dân sử dụng các loại bóng đèn khác hiệu quả và tiết kiệm năng lượng hơn.

Một số nước Liên minh Châu Âu như Thụy Sỹ [26], Áo [27],… đã thông qua các biện pháp này từ 2009. Đối với các nước châu Á, Hàn Quốc [28] đã thông qua các biện pháp loại bỏ đèn sợi đốt từ 2014, còn Malaysia [29] là 2010.