CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN SÁNG ĐÔ THỊ 1.1 Sự cần thiết của các hệ thống đèn chiếu sáng công cộng Nếu như trước đây chiếu sáng chỉ đẩy lùi bóng tối thì giờ đây với sự phát triển vượt bậc của cách mạng khoa học kỹ thuật, đời sống vật chất của con người được cải thiện đáng kể, chức năng chiếu sáng ngoài việc đảm bảo điều kiện cho sinh hoạt con người thì còn phải nâng cao giá trị thẩm mỹ công trình. Hiện nay ở Việt Nam điện năng cho chiếu sáng khoảng 35% tổng điện năng tiêu thụ. Trong đó hệ thống chiếu sáng công cộng đang là lĩnh vực cần phải tiết kiệm năng lượng do thiết kế lắp đặt thiết bị chiếu sáng chưa hiệu quả và sử dụng điện trong chiếu sáng còn lãng phí. Theo thông tin từ trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM (ECC HCMC), hiện tại các thành phố lớn của Việt Nam chủ yếu dung đèn thủy ngân cao áp cho hệ thống chiếu sáng.
Trong đó đơn của như Hà Nội 52%, Bắc Giang 65%, Hội An 60%,…Loại đèn này tiêu thụ nhiều điện năng, tuổi thọ trung bình chỉ đạt 6. Hệ thống các trạm điều khiển đèn vẫn chỉ được điều khiển bằng tủ cục bộ và hầu như điều khiển thủ Hình 1. 1 Đèn cao áp tiêu tốn nhiều năng lượng 20 Hiện nay nhà nước luôn kêu gọi tiết kiệm năng lượng điện, trong khi hệ thống chiếu sáng công cộng lại vô cùng cần thiết với chức năng đảm bảo an toàn giao thông, trật tự an ninh xã hội, làm đẹp cảnh quan đô thị. Khi hệ thống chiếu sáng công cộng được đầu tư xây dựng nghiêm túc chính là dấu hiệu để hình thành nên những khu dân cư tập trung và làm tiền đề cho sự phát triển của đô thị mới.
Thách thức cho các địa phương liên quan đến mạng lưới công cộng là phải gia tang chất lượng chiếu sáng nhưng lại giảm điện năng tiêu thụ. Do đó, đây là một bài toán cần lời giải cho chính quyền các thành phố.2 Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị Yêu cầu chung đối với hệ thống chiếu sáng đô thị hiện nay: • Đảm bảo độ chiếu sáng cho từng vị trí trên đường. • Đảm bảo an ninh cho người đi bộ, đi xe đạp, đi xe máy lưu thông trên đường. • Làm sáng rõ các biển chỉ dẫn giao thông.
• Làm đẹp cảnh quan đô thị vào ban đêm. • Với sự phát triển về kỹ thuật công nghệ các hệ thống chiếu sáng còn phải đáp ứng được các mục đích tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và có một hệ thống giám sát từ xa nhằm giúp tiết kiệm chi phí cũng như nhân công lao động cho con người. 2 Đèn chiếu sáng trong thành phố 21 1.3 Hệ thống chiếu sáng tại Việt Nam hiện nay 1.1 Những hệ thống cũ Tại Việt Nam hiện nay các hệ thống chiếu sáng hầu hết vẫn thiết kế theo mô hình điều khiển tập trung qua các tủ động lực. Một hệ thống cơ bản sẽ bao gồm một trạm biến áp, hạ áp từ nguồn điện trung thế cung cấp điện cho các tủ động lực.
Một tủ động lực sẽ điều khiển trực tiếp toàn bộ hệ thống các cột đèn trên cả một tuyết đường. 3 Trạm biến áp cấp cho tủ điều khiển Với những hệ thống chiếu sáng cổ điển và việc điều khiển hệ thống hoàn toàn theo phương thức thủ công sẽ khiến cho hệ thống khá cồng kềnh, chiếm nhiều diện tích để xây dựng trạm biến áp và tủ điều khiển. Việc giám sát và bảo dưỡng luôn được thực hiện theo chu kì với việc đi rà soát toàn bộ hệ thống để kiểm tra và khắc phục sự cố 22 Hình 1. 4 Hệ thống chiếu sáng với tủ động lực điều khiển cả hệ thống 1.2 Những hệ thống và giải pháp chiếu sáng hiện nay Theo [1], trong những năm qua, nhu cầu tiêu thụ năng lượng ở nước ta đang gia tăng mạnh mẽ, đáng chú ý là khu công nghệ xi măng và chiếu sáng công cộng.
Do đó, việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả đang là một trong những việc làm hết sức cần thiết và cấp bách trong thời điểm hiện nay. Tại hội thảo tiết kiệm năng lượng gắn với kinh tế xanh trong ngành công nghiệp chiếu sáng diễn ra sáng 22/4 tại Hà Nội, các đại biểu đã tập trung thảo luận về các giải pháp tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng. Việc thiết kế một hệ thống chiếu sáng ở Việt Nam hiện nay cũng không nằm ngoài xu hướng tiết kiệm năng lượng. Sau đây là những giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiều sáng và đang được vẫn tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiều sáng và đang được vẫn hành thực tế hoặc thí điểm ở Việt Nam.
Các phương án thiết kế tiết kiệm năng lượng có thể là một hoặc kết hợp các giải pháp dưới đây: • Giải pháp 1: Sử dụng công nghệ chiếu sáng LED thay thế cho những hệ thống chiếu sáng sử dụng bóng đèn cao áp, sợi đốt, huỳnh quang với những ưu điểm vượt trội. Đèn LED có hiệu suất phát sáng cao hơn so với sợi đốt lên đến 90%.TS Dương Ngọc Huyền – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, đèn LED và chiếu sáng rắn đang được xem là lời giải cho chiếu sáng tương lai. Xét về ứng dụng, chiếu sáng LED có thể thay thế 23 tất cả các nguồn truyền thống trong vòng 10- 15 năm tới. Xét về hiệu quả kinh tế, đây là thiết bị phát sáng có hiệu suất cao nhất do con người tạo ra do đó mang lại hiệu quả cao.
Còn xét về công nghệ, đèn LED hiệu quả hơn trong việc chuyển điện thành ánh sáng, vì vậy chúng tiết kiệm năng lượng hơn và tỏa ít nhiệt hơn. Chúng cũng cho phép người sử dụng bật tắt thường xuyên hơn mà không gây ra sự suy giảm đáng kể tuổi thọ bóng đèn trong so sánh với đèn huỳnh quang. Đặc biệt, một trong những lợi ích năng lượng hiệu quả chính của đèn LED là tỷ lệ chuyển hoá năng lượng thành ánh sáng cao hơn nhiều tỷ lệ chuyển hoá thành nhiệt. Đặc biệt đèn có tuổi thọ rất cao từ 30.000 giờ lớn hơn rất nhiều so với đèn huỳnh quang và sợi đốt; rất khó bị phá hủy bởi sự va đập, không hại và thân thiện với môi trường.
Tuy nhiên một nhược điểm không thể tránh khỏi của các loại bóng đèn LED đó là phần lớn hiệu suất bóng đèn Led phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường xung quanh của môi trường hoạt động. Điều này đặc biệt quan trọng khi xem xét ô tô, ngoài trời, y tế, quân sự và các ứng dụng mà thiết bị phải hoạt động trên một phạm vi rộng lớn của nhiệt độ, và được yêu cầu phải có một tỷ lệ thất bại thấp. • Giải pháp 2: Sử dụng đèn chiếu sáng công suất: Đèn Metal Halide có ưu điểm chiếu sáng tốt hơn từ 3-5 lần so với các loại bóng đèn sợi đốt nhờ vào hỗn hợp cụ thể của Metal Halide, chúng có thể tạo ra nhiệt độ màu lên đến 5500K. Ánh sáng phát ra có chất lượng cao, sáng hơn so với các loại đèn bình thường.
Do đó, bóng đèn này thường được sử dụng chiếu sáng ở các khu vực rộng hoặc sử dụng ở đèn chiếu các loại xe ô tô, xe máy, các khu vực nhà xưởng…. Tuy nhiên Metal Halide sử dụng công nghệ cũ cho nên không tránh khỏi những nhược điểm. Bóng đèn Metal Halide khởi động lâu hơn so với các loại bóng đèn khác trên thị trường (từ 15-20 phút). Điều nay dẫn đến người dùng phải sử dụng trong thời gian dài và không thể bật tắt theo ý muốn.
Mặt khác, độ bền của bóng không cao, tuổi thọ của bóng chỉ từ 6000 đến 15000 giờ sử dụng. Điều này dẫn đến chi phí thay mới cho người dùng cao. 24 • Giải pháp 3: Sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như: mặt trời, gió,… để cung cấp cho các đèn tiết kiệm năng lượng và đèn LED. Năng lượng tái tạo là năng lượng từ các nguồn tài nguyên được bổ sung liên tục và không thể bị cạn kiệt, chẳng hạn như năng lượng mặt trời, thủy điện, gió,.
Chúng là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm không khí, và không đóng góp vào sự nóng lên của khí hậu toàn cầu, hiệu ứng nhà kính. Vì các nguồn năng lượng này là tự nhiên nên chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp. Tuy nhiên, một hạn chế chung cho tất cả các nguồn năng lượng tái tạo là rất khó khăn để sản xuất ra một sản lượng điện lớn, đồng thời là công nghệ mới nên chi phí đầu tư ban đầu là rất lớn. • Giải pháp 4: Hệ thống điều khiển bật tắt linh hoạt, có các chế độ hoạt động điều chỉnh công suất chiếu sáng theo nhu cầu.
Xây dựng hệ thống giám sát sự cố tiết kiệm chi phí vận hành. Dựa trên những giải pháp đã được nêu, Việt Nam cũng như thế giới đã áp dụng một hoặc kết hợp các giải pháp trên để giải quyết các bài toán về tiết kiệm năng lượng phục vụ chiếu sáng. Dưới đây là những ví dụ thực tế cho điều đó. Hệ thống đèn LED chiếu sáng tại thành phố Hồ Chí Minh (giải pháp 1) Hình 1.
5 Đèn đường LED trong chiếu sáng đô thị tại TP.HCM [4] Theo [4], Trung tâm tiết kiệm năng lượng TP.HCM thay thế toàn bộ hệ thống đèn trên bằng đèn LED công suất 65-200W, TP.HCM sẽ có tiềm năng tiết kiệm được 55.699kWh/năm, tương đương khoảng 88 tỷ đồng/năm, ước tính giảm 31 tấn phát thải CO2 vào môi trường mỗi năm. 25 • Ưu điểm của phương pháp này là tiết kiệm năng lượng. Lượng điện năng tiêu thụ của đèn đường LED có thể giảm 60% lượng điện năng tiêu thụ so với các loại đèn đường truyền thống. • Nhược điểm: chi phí ban đầu cao, độ chiếu sáng cao gây nhức mắt.
Hệ thống đèn Metal Halide tuyến đường cao tốc tại Châu Âu (giải pháp 1) Hình 1. 6Bóng đèn cao áp Metal Halide trên tuyến đường cao tốc tại Châu Âu.[5] Theo [5], hệ thống đèn đường Metal Halide sản phẩm được thiết kế bởi trường Đại học Công nghệ Delft, Hà Lan. Hệ thống sử dụng đèn Metal Halide kết hợp công nghệ cảm biến chuyển động, tự đông giảm cường độ ánh sáng của đèn đường khi không có người hoặc phương tiện giao thông qua lại, giúp tiết kiệm đến 20% năng lượng. Khi có người hoặc phương tiện di chuyển vào làn đường, họ sẽ được phát hiện bởi hệ thống cảm biến của chiếc đèn đường gần nhất.
Sau đó, toàn bộ hệ thống đèn sẽ được bật lên. Ngay khi những phương tiện này đi qua, hệ thống đèn sẽ giảm cường độ ánh sáng.