MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu. Năng lƣợng cùng với vấn đề biến đổi khí hậu đang trở thành mối quan tâm lớn của toàn nhân loại, trong đó vấn đề năng lƣợng đã và đang trở thành vấn đề đƣợc đặc biệt quan tâm không chỉ của riêng quốc gia nào. Do khủng hoảng năng lƣợng toàn cầu, các nguồn năng lƣợng không tái tạo nhƣ than, dầu mỏ, khí đốt đã dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm, trong khi đó tình trạng lãng phí năng lƣợng đã và đang xảy ra đáng báo động ở nhiều quốc gia.
Theo kinh nghiệm của các nƣớc phát triển, ít nhất 30% nhu cầu năng lƣợng có thể và cần phải đƣợc đáp ứng bằng biện pháp tiết kiệm [1]. Ở Việt Nam, việc tiết kiệm năng lƣợng cũng đã và đang trở thành chủ đề nóng bỏng. Theo báo cáo gần đây nhất của Bộ Công Thƣơng, dự báo đến cuối thế kỷ này, nguồn năng lƣợng 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 lƣợng trong sản xuất công nghiệp, xây dựng dân dụng, giao thông vận tải… của nƣớc ta hiện nay là rất lớn, hiệu suất sử dụng nguồn năng lƣợng còn rất thấp so với các nƣớc phát triển (hiệu suất sử dụng nguồn năng lƣợng trong các nhà máy nhiệt điện đốt than, dầu của nƣớc ta chỉ đạt đƣợc từ 28- 32%, thấp hơn so với các nƣớc 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].
Bên cạnh đó, theo số liệu của bộ Công Thƣơng, gần 40% tổng sản lƣợng điện sản xuất đƣợc dùng cho chiếu sáng[3]. Chiếu sáng chiếm tỷ lệ lớn trong sử dụng năng lƣợng, gia tăng áp lực lên sản xuất điện và đảm bảo an ninh năng lƣợng. 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 lƣợng tiết kiệm và hiệu quả hơn. Gần đây, sử dụng đèn LED với nhiều công nghệ tiên tiến đang dần trở thành xu hƣớng chiếu sáng thông minh nhờ vào các ƣu điểm nổi bật: công suất nhỏ nhƣng quang thông lớn, chỉ số hoàn màu và hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với các loại đèn thông thƣờng.
Chính đặc tính này giúp đèn LED gần gũi hơn với môi trƣờng khi sử dụng năng lƣợng ít hơn giúp kéo dài tuổi thọ hơn. Tuy nhiên, giá thành cao đang là trở ngại của các cá nhân, doanh nghiệp trong việc tiếp cận với đèn LED. Một hƣớng tiếp cận hứa hẹn sẽ phát huy hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lƣợng 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 lƣợng.
Các biện pháp tiết kiệm năng lƣợng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên chỉ bao gồm chi phí đầu tƣ ban đầu và hầu nhƣ không phát sinh chi phí trong 1 tƣơng lai so với các biện pháp khác (bởi ánh 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 lƣợng ánh sáng tự nhiên có thể tiết kiệm đƣợc 20-40%, với thời gian hoàn vốn là 2-3 năm. Tuy nhiên, trên Việt Nam và thế giới, hƣớng đi kết hợp giữa hai phƣơng án, một là sử dụng đèn LED, hai là tận dụng nguồn năng lƣợng ánh sáng tự nhiên, chƣa có những nghiên cứu cụ thể. Tại Việt Nam, bắt đầu năm 2011, nghiên cứu sinh đã cùng nhóm nghiên cứu của TS.
Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đầu tƣ 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 đƣợc 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 lƣợng chiếu sáng mà vẫn đảm bảo đủ ánh sáng chiếu trong không gian các phòng, nhà xƣởng 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 thƣớc thiết bị lớn và cồng kềnh.
Trong luận án sẽ cần phải nghiên cứu giải pháp sử dụng các phƣơng pháp điều chỉnh công suất bằng các hệ thống điều khiển điện tử, nhằm mục tiêu giảm kích thƣớc thiết bị. Giải pháp biến áp tự ngẫu không điều khiển đƣợc độ sáng đèn LED, trong khi đó đèn LED lại là xu hƣớng sử dụng hiện nay trong các hệ thống chiếu sáng. Giải pháp mới đƣa ra cần phải hoàn thiện việc điều khiển độ sáng cho đèn LED. Ngoài ra, với thiết bị tiết kiệm năng lƣợng cho hệ thống đèn chiếu sáng đã đƣợc cấp bằng sáng chế thì hệ thống chỉ sử dụng một cảm biến đơn hƣớng.
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 đƣợc chính xác nguồn sáng, không bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố nhiễu bên ngoài nhƣ đã đề cập ở trên. Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án tập trung vào hai vấn đề chính: Nghiên cứu phƣơng pháp điều khiển sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên dùng đƣợc cho nhiều loại bóng đèn, trong đó chú trọng vào đèn LED, vì đây là đối tƣợng đƣợc hƣớng tới sử dụng trong tƣơng lai. 2 Nghiên cứu phát triển cảm biến ánh sáng với mục tiêu đạt đƣợc hiệu quả đo lƣờng chính xác nhất so với cảm biến ánh sáng đơn sử dụng trong thiết bị tiết kiệm điện trong hệ thống chiếu sáng đã đƣợc công bố.
Phƣơng pháp nghiên cứu của luận án Nghiên cứu lý thuyết: thực hiện mô hình hóa các đối tƣợng nghiên cứu thông qua các mô hình mạch điện tử, từ đó tính toán các phƣơng pháp điều khiển phù hợp, tối ƣu. 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 lƣờng trong thực tế từ đó rút ra các kết quả phù hợp với yêu cầu nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lƣợng đề xuất. Đối tƣợng và ph m vi nghiên cứu của luận án Đối tƣợng nghiên cứu: Các đối tƣợng nghiên cứu là các loại bóng đèn dùng trong các hệ thống chiếu sáng đang đƣợc sử dụng ngoài thị trƣờng, trong đó tập trung chủ yếu vào đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ LED.
Ngoài ra, đèn phóng điện cũng là đối tƣợng đƣợc nghiên cứu, bởi hiện nay các loại đèn này vẫn đƣợc sử dụng trong một số hệ thống chiếu sáng đô thị nhƣ đèn cao áp,… Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống chiếu sáng dùng trong nhà xƣởng, trƣờng học, bệnh viện,… nơi các hệ thống chiếu sáng có thể tận dụng năng lƣợng ánh sáng tự nhiên. 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, đƣợc cụ thể hóa theo hai xu hƣớng dƣới đây: Phát triển các loại vật liệu mới có khả năng chiếu sáng đồng thời tiết kiệm năng lƣợng, ví dụ nhƣ tập trung vào phát triển các loại đèn mới có thể tiết kiệm năng lƣợng nhƣ đèn LED, chiếu sáng rắn [6] [7], các loại đèn LED [8],… Phát triển các hệ thống tiết kiệm năng lƣợng dựa trên năng lƣợng ánh sáng tự nhiên, ví dụ nhƣ các hệ thống tiết kiệm ánh sáng dựa trên phƣơng pháp điều chỉnh cƣờng 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],… 3 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 lƣợng, đang là một xu thế ở nhiều nƣớc 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 vƣợt trội so với các đèn khác. Bên cạnh đó, với tiềm năng của các hệ thống tiết kiệm năng lƣợng dựa trên năng lƣợng ánh sáng tự nhiên, việc nghiên cứu các giải pháp tận dụng năng lƣợng 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 chƣa đƣợc 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 lƣợng 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 lƣợng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên. Lấy ví dụ, nghiên cứu của Newsham, Sander và Suvagau về tiết kiệm năng lƣợng cho hệ thống chiếu sáng dùng trong văn phòng [13] chỉ ra rằng mức tiết kiệm năng lƣợng 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.
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 lƣợng trung bình hàng năm là 24%. Fritz và Kahn (2006) [15] đề nghị các phƣơng pháp giảm tiêu thụ năng lƣợng cho một trƣờng học ở Worcester, Nam Phi. Tuy nhiên, cho đến nay chƣa có những nghiên cứu về các chi phí và lợi ích về kinh tế và môi trƣờng của việc sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lƣợng ở các nƣớc đang phát triển nhƣ Việt Nam. Ở Việt Nam, theo số liệu của Bộ Công Thƣơng[2], vấn đề sử dụng năng lƣợng điện dùng trong chiếu sáng một cách hiệu quả đã và đang đƣợc đẩy mạnh.