Tổng quan nghiên cứu

Theo ước tính, điện năng chiếu sáng chiếm khoảng 17% tổng tiêu thụ điện năng trên toàn cầu, trong đó hệ thống chiếu sáng đèn đường đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn giao thông và mỹ quan đô thị. Tuy nhiên, tại Việt Nam, các hệ thống chiếu sáng đèn đường hiện nay, đặc biệt là sử dụng bóng đèn Halogen cao áp, vẫn còn nhiều hạn chế về hiệu quả tiết kiệm năng lượng và vận hành. Vào khoảng thời gian từ 22h30 đến 5h30 sáng, khi lưu lượng phương tiện giảm mạnh, hệ thống vẫn duy trì công suất chiếu sáng như ban đêm cao điểm, gây lãng phí điện năng và làm giảm tuổi thọ bóng đèn do hiện tượng quá áp (điện áp lưới thường đạt khoảng 240V, vượt mức định mức). Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là thiết kế tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng điện cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen, nhằm tự động điều chỉnh công suất chiếu sáng phù hợp với lưu lượng giao thông và điều kiện môi trường, đồng thời bảo vệ thiết bị khỏi quá áp và tăng tuổi thọ bóng đèn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống chiếu sáng đèn đường tại một số tuyến đường ở thành phố Sơn La trong năm 2020. Việc ứng dụng tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng dự kiến sẽ giảm tiêu thụ điện năng đến 50% trong thời gian lưu lượng giao thông thấp, góp phần giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong lĩnh vực chiếu sáng công cộng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết điều khiển PID và công nghệ PLC S7-1200. Bộ điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative) là phương pháp điều khiển kinh điển, gồm ba thành phần: tỷ lệ (P), tích phân (I) và vi phân (D), giúp điều chỉnh sai số giữa giá trị đặt và giá trị thực tế nhằm đạt được hiệu suất điều khiển tối ưu. Các tham số Kp, Ti, Td được xác định theo phương pháp thực nghiệm Zeigler-Nichols để đảm bảo hệ thống ổn định, giảm sai số và hạn chế dao động. PLC S7-1200 của Siemens được sử dụng làm bộ điều khiển trung tâm với khả năng lập trình linh hoạt, tích hợp bộ điều khiển PID_Compact, hỗ trợ các tín hiệu analog và số, cùng các module mở rộng phù hợp cho ứng dụng điều khiển tự động trong hệ thống chiếu sáng. Các khái niệm chính bao gồm: bộ biến đổi AC/AC điều chỉnh điện áp, thuật toán điều khiển PID, tín hiệu analog 4-20mA, và các chế độ vận hành tủ điều khiển (tiêu chuẩn, cắt xen pha, hỗn hợp).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm. Nguồn dữ liệu chính bao gồm tài liệu chuyên ngành về đèn cao áp, lý thuyết điều khiển PID, tài liệu kỹ thuật PLC S7-1200 và số liệu thực nghiệm từ mô hình tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng. Cỡ mẫu thực nghiệm là mô hình hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen được xây dựng tại phòng thí nghiệm, với các thiết bị như bộ biến đổi AC/AC, PLC S7-1200, màn hình HMI và phần mềm điều khiển TIA Portal. Phương pháp phân tích tập trung vào đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng qua các chế độ vận hành, đo lường công suất tiêu thụ, điện áp đặt lên bóng đèn và tuổi thọ thiết bị. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2020, bao gồm giai đoạn thiết kế, lập trình, xây dựng mô hình thực nghiệm và thu thập dữ liệu kiểm chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tiết kiệm năng lượng hiệu quả: Mô hình tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng cho phép chiết giảm công suất tiêu thụ từ 50% đến 100% công suất định mức trong khoảng thời gian lưu lượng giao thông thấp (22h30 - 5h30). Thí nghiệm thực tế cho thấy công suất tiêu thụ giảm đến 60% trong chế độ chiết giảm, đồng thời vẫn đảm bảo cường độ ánh sáng phù hợp.

  2. Ổn định điện áp và bảo vệ thiết bị: Hệ thống tự động điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn về mức định mức (khoảng 220V) khi điện áp lưới vượt quá 240V, giúp chống quá áp và kéo dài tuổi thọ bóng đèn Halogen. Các chức năng bảo vệ quá dòng, quá áp, thấp áp và cảnh báo cháy bóng được tích hợp hiệu quả.

  3. Đa dạng chế độ vận hành: Tủ điều khiển có ba chế độ làm việc chính: chế độ tiêu chuẩn (đèn sáng 100% công suất), chế độ cắt xen pha (tắt luân phiên các bóng đèn, tiết kiệm đến 50% điện năng nhưng gây mất đồng đều ánh sáng), và chế độ hỗn hợp (kết hợp chiết giảm công suất và cắt xen pha). Chế độ hỗn hợp cho hiệu quả tiết kiệm năng lượng cao hơn nhưng chỉ phù hợp với tuyến đường có lưu lượng giao thông rất thấp.

  4. Tính linh hoạt và tiện lợi trong vận hành: Hệ thống cho phép điều khiển và cài đặt tham số tại chỗ qua màn hình cảm ứng HMI hoặc từ xa qua mạng Wifi, giúp giám sát và điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu quả tiết kiệm năng lượng là việc ứng dụng thuật toán điều khiển PID trong PLC S7-1200 để điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn một cách chính xác và tự động theo thời gian thực. So với các giải pháp truyền thống như tắt xen kẽ bóng đèn hoặc sử dụng máy biến áp tự ngẫu, giải pháp này vừa giảm được tổn hao năng lượng, vừa đảm bảo chất lượng chiếu sáng và tăng tuổi thọ thiết bị. Kết quả thực nghiệm được minh họa qua biểu đồ công suất tiêu thụ theo thời gian, cho thấy sự giảm rõ rệt trong các khoảng thời gian lưu lượng giao thông thấp. So sánh với các nghiên cứu trước đây về điều khiển chiếu sáng thông minh sử dụng GSM hoặc năng lượng mặt trời, giải pháp này tận dụng hạ tầng hiện có, giảm chi phí đầu tư và dễ dàng triển khai thực tế. Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp một phương án điều khiển chiếu sáng đèn đường tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường và phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng tại các tuyến đường đô thị: Ưu tiên các tuyến đường có lưu lượng giao thông giảm mạnh vào ban đêm để tiết kiệm điện năng từ 40-60% trong vòng 1 năm đầu. Chủ thể thực hiện là các đơn vị quản lý đô thị và điện lực địa phương.

  2. Tích hợp hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Sử dụng mạng Wifi hoặc các giải pháp truyền thông công nghiệp để vận hành và điều chỉnh tủ điều khiển linh hoạt, giảm chi phí nhân công vận hành. Thời gian triển khai trong 6 tháng.

  3. Đào tạo kỹ thuật viên vận hành và bảo trì: Tổ chức các khóa đào tạo về lập trình PLC, vận hành tủ điều khiển và xử lý sự cố nhằm đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả lâu dài.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại đèn LED cao áp: Phát triển và điều chỉnh thuật toán điều khiển phù hợp với đặc tính kỹ thuật của đèn LED để nâng cao hiệu quả tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ thiết bị.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các kỹ sư và chuyên gia ngành điện: Nghiên cứu cung cấp kiến thức chuyên sâu về thiết kế hệ thống điều khiển chiếu sáng tiết kiệm năng lượng, ứng dụng PLC và thuật toán PID trong thực tế.

  2. Đơn vị quản lý đô thị và điện lực: Tham khảo để áp dụng giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng công cộng, giảm chi phí vận hành và nâng cao hiệu quả sử dụng điện.

  3. Sinh viên và giảng viên ngành kỹ thuật điện: Là tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu và phát triển các đề tài liên quan đến điều khiển tự động và tiết kiệm năng lượng.

  4. Nhà sản xuất và cung cấp thiết bị chiếu sáng: Hiểu rõ hơn về yêu cầu kỹ thuật và giải pháp điều khiển để phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu thị trường và tiêu chuẩn tiết kiệm năng lượng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng hoạt động như thế nào?
    Tủ điều khiển sử dụng bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200 để tự động điều chỉnh điện áp đặt lên bóng đèn Halogen, giảm công suất tiêu thụ vào thời gian lưu lượng giao thông thấp mà vẫn đảm bảo cường độ ánh sáng phù hợp.

  2. Giải pháp này tiết kiệm được bao nhiêu điện năng?
    Thí nghiệm thực tế cho thấy có thể tiết kiệm từ 50% đến 60% điện năng trong khoảng thời gian ban đêm khi lưu lượng giao thông giảm, so với vận hành thông thường.

  3. Có ảnh hưởng đến tuổi thọ bóng đèn không?
    Việc ổn định điện áp và chống quá áp giúp kéo dài tuổi thọ bóng đèn Halogen, giảm thiểu hư hỏng do điện áp cao gây ra.

  4. Hệ thống có thể điều khiển từ xa không?
    Có, tủ điều khiển hỗ trợ vận hành và cài đặt tham số từ xa qua mạng Wifi hoặc truyền thông có dây, giúp giám sát và điều chỉnh linh hoạt.

  5. Giải pháp này có phù hợp với các loại đèn khác không?
    Hiện tại nghiên cứu tập trung vào bóng đèn Halogen cao áp, tuy nhiên phương pháp điều khiển có thể được điều chỉnh để áp dụng cho đèn LED hoặc các loại đèn cao áp khác trong tương lai.

Kết luận

  • Đã thiết kế thành công tủ điều khiển tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng đèn đường bóng Halogen, ứng dụng bộ điều khiển PID trong PLC S7-1200.
  • Mô hình thực nghiệm chứng minh khả năng tiết kiệm điện năng từ 50% đến 60% trong thời gian lưu lượng giao thông thấp, đồng thời bảo vệ thiết bị khỏi quá áp.
  • Hệ thống có ba chế độ vận hành linh hoạt: tiêu chuẩn, cắt xen pha và hỗn hợp, phù hợp với nhiều điều kiện thực tế.
  • Giải pháp tận dụng được hạ tầng chiếu sáng hiện có, giảm chi phí đầu tư và dễ dàng triển khai tại các đô thị Việt Nam.
  • Đề xuất triển khai thí điểm tại các tuyến đường thành phố Sơn La trong năm 2021 và mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho đèn LED cao áp.

Hãy bắt đầu áp dụng giải pháp điều khiển tiết kiệm năng lượng này để nâng cao hiệu quả sử dụng điện và bảo vệ môi trường đô thị ngay hôm nay!