Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Điện năng là nguồn năng lượng thiết yếu phục vụ các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ, song đây không phải là nguồn tài nguyên vô hạn. Để tối ưu hóa hiệu quả sử dụng năng lượng trong các công trình hạ tầng kỹ thuật, việc thiết kế hệ thống cung cấp điện đòi hỏi phải tuân thủ các tính toán khoa học và tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt. Tại các quốc gia đang phát triển, điện năng tiêu thụ cho mục đích chiếu sáng chiếm từ 8% đến 13% tổng điện năng tiêu thụ toàn hệ thống. Hệ thống chiếu sáng đường phố và cầu đô thị không chỉ đảm bảo an toàn giao thông, an ninh trật tự cho các phương tiện lưu thông vào ban đêm mà còn góp phần nâng cao chất lượng cảnh quan, thúc đẩy hoạt động thương mại và du lịch.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện chiếu sáng cho Cầu Bính – Hải Phòng" được thực hiện nhằm giải quyết bài toán thiết kế kỹ thuật cho hệ thống chiếu sáng giao thông tại một công trình huyết mạch của thành phố Hải Phòng. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Hệ thống hóa cơ sở lý thuyết quang học và các đại lượng đo lường ánh sáng cơ bản ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng ngoài trời.
  2. Khảo sát, phân tích các phương pháp tính toán thiết kế chiếu sáng đường giao thông, bao gồm phương pháp tỷ số $R$ và phương pháp độ chói điểm.
  3. Tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng cho Cầu Bính, so sánh các phương án bố trí đèn, lựa chọn thiết bị đèn chiếu sáng, kiểm tra độ chói lóa, đồng thời tính toán lựa chọn máy biến áp và tiết diện dây dẫn cấp nguồn cho toàn bộ công trình.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các đại lượng trắc quang (quang thông, cường độ sáng, độ rọi, độ chói), hệ số sử dụng, chỉ số tiện nghi chói lóa và hệ thống thiết bị cung cấp điện hạ áp. Phạm vi không gian nghiên cứu bao gồm toàn bộ cầu Bính với tổng chiều dài thân cầu là 1.300 m, đoạn đường dẫn phía Hải Phòng dài 700 m, đoạn đường dẫn phía Thủy Nguyên dài 600 m, chiều rộng lòng đường 23,5 m, mặt đường nhựa trung bình, thuộc cấp chiếu sáng A theo tiêu chuẩn chiếu sáng đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài sử dụng khung lý thuyết trắc quang học và kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo ngoài nhà, dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:

  • Hệ thống đại lượng trắc quang: Quang thông ($\Phi$, đơn vị Lumen), Cường độ sáng ($I$, đơn vị Candela), Độ rọi ($E$, đơn vị Lux), Độ chói ($L$, đơn vị $\text{cd/m}^2$), Nhiệt độ màu ($^\circ\text{K}$) gắn liền với vùng tiện nghi thị giác trên biểu đồ Kruithof, Chỉ số hoàn màu (CRI).
  • Các hiện tượng quang học ứng dụng: Hiện tượng phản xạ (phản xạ đều, phản xạ khuếch tán theo định luật Lambert, phản xạ hỗn hợp), khúc xạ qua thấu kính lăng kính tán xạ, truyền xạ, hấp thụ và che chắn bảo vệ chóa đèn.
  • Định luật cơ bản: Định luật tỷ lệ nghịch bình phương $E = \frac{I}{r^2} \cos\alpha$ và định luật Lambert.
  • Văn bản quy chuẩn: Tiêu chuẩn Xây dựng Việt Nam TCXDVN 259:2001 về Tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng nhân tạo đường, đường phố, quảng trường đô thị; các khuyến cáo kỹ thuật của Ủy ban Chiếu sáng Quốc tế (CIE năm 1965 và 1975).

Phương pháp nghiên cứu được triển khai bao gồm:

  • Phương pháp tỷ số $R$: Sử dụng mối quan hệ thực nghiệm giữa độ rọi trung bình và độ chói trung bình ($R = E_{tb} / L_{tb}$) theo TCXDVN 259:2001 để thực hiện quy trình thiết kế sơ bộ 7 bước, xác định quang thông yêu cầu $\Phi_{tt}$, lựa chọn công suất và khoảng cách cột đèn.
  • Phương pháp độ chói điểm: Sử dụng mô hình toán học giải tích xác định độ chói tại từng điểm $P$ trên mặt đường dựa trên hệ số độ chói quy đổi $R(\beta, \gamma) = q(\beta, \gamma)\cos^3\gamma$ và ma trận lưới quan sát theo tiêu chuẩn CIE.
  • Phương pháp phân tích kỹ thuật: So sánh các phương án bố trí hình học của hệ thống cột và đèn (bố trí dải phân cách giữa so với bố trí đối diện hai bên).

Nguồn dữ liệu phục vụ nghiên cứu gồm các thông số hình học thực tế của cầu Bính, bảng tra hệ số trắc quang của nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng, bảng phân loại mặt đường $R_1 - R_4$ của CIE và quy chuẩn kỹ thuật TCXDVN 259:2001.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về chiếu sáng

Chương 1 trình bày lịch sử phát triển của kỹ thuật chiếu sáng nhân tạo từ thời kỳ đèn măng xông, phát minh đèn sợi đốt của Thomas Edison (đăng ký bản quyền năm 1878, thử nghiệm năm 1879 và đưa vào vận hành hệ thống đèn đường New York ngày 04/09/1882), cùng các mốc phát triển của ngành chiếu sáng đô thị Việt Nam (hệ thống đèn cao áp tại Quảng trường Ba Đình năm 1975, Hội nghị chiếu sáng đô thị lần 1 vào tháng 4/1992 và lần 2 vào tháng 12/1995 tại Đà Nẵng).

Nội dung trọng tâm của chương là định nghĩa và thiết lập công thức xác định các đại lượng quang học:

  • Quang thông ($\Phi$): Thể hiện năng lượng bức xạ ánh sáng, với hằng số chuyển đổi quang năng sang cảm nhận thị giác là $683\text{ lm/W}$ tại bước sóng $\lambda = 555\text{ nm}$. Nguồn sáng phát quang phổ liên tục ban ngày xác định theo công thức $\Phi = 683 \int_{380}^{780} W(\lambda)V(\lambda)d\lambda$.
  • Cường độ sáng ($I$): Đại lượng dẫn xuất xác định mật độ quang thông theo góc khối $I = d\Phi / d\Omega$ (đơn vị Candela). Với nguồn bức xạ đẳng hướng, $\Phi = 4\pi I$.
  • Độ rọi ($E$): Mật độ quang thông trên diện tích bề mặt $E = d\Phi / dS$, tuân theo định luật nghịch đảo bình phương $E = \frac{I}{r^2} \cos\alpha$.
  • Độ chói ($L$): Mật độ phân bố cường độ sáng theo hướng quan sát $L = \frac{dI}{dS \cos\alpha}$ (đơn vị $\text{cd/m}^2$).
  • Nhiệt độ màu và Biểu đồ Kruithof: Xác định vùng môi trường ánh sáng tiện nghi giữa độ rọi $E$ và nhiệt độ màu nguồn sáng nhằm tránh tổn hại thị giác.

Bên cạnh đó, tác giả tổng hợp thang phân loại chỉ số hoàn màu CRI và hệ số hấp thụ ánh sáng của các vật liệu chế tạo chóa, kính đèn:

Nhóm hoàn màu Chỉ số CRI Chất lượng nhìn màu Phạm vi ứng dụng tiêu biểu
1A $\text{CRI} \ge 90$ Cao Kiểm tra in màu, nhuộm màu, xưởng vẽ
1B $80 \le \text{CRI} < 90$ Cao Chiếu sáng trưng bày, triển lãm
2 $60 \le \text{CRI} < 80$ Trung bình Công việc cần phân biệt màu sắc tương đối
3 $40 \le \text{CRI} < 60$ Thấp Phân biệt màu sắc với độ sai lệch ít
4 $20 \le \text{CRI} < 40$ Thấp Chiếu sáng không cần phân biệt màu sắc
Loại vật liệu chóa/kính đèn Hệ số hấp thụ ánh sáng trắng (%)
Bóng pha lê trong 2 – 12
Bóng thủy tinh sáng 10 – 20
Bóng thủy tinh vàng nhạt 15 – 20
Bóng hạt mịn xanh nhạt 15 – 25
Bóng thủy tinh nhám 15 – 30
Bóng nhựa sáng 20 – 40
Bóng thủy tinh màu sữa 15 – 40
Bóng thủy tinh mờ 20 – 30
Bóng thủy tinh vàng 40 – 60
Bóng thủy tinh vàng đậm 30 – 60

Chương 2: Các phương pháp thiết kế chiếu sáng

Chương 2 phân tích chuyên sâu hai phương pháp thiết kế chiếu sáng đường phố do CIE ban hành:

  1. Phương pháp tỷ số $R$ (CIE 1965): Tính toán dựa trên độ rọi trung bình có xét đến độ chói mặt đường qua tỷ số $R = E_{tb} / L_{tb}$. Bảng tra trị số $R$ được xác định theo loại chóa và tình trạng mặt đường:
Loại chóa đèn Mặt đường bê tông sạch Mặt đường bê tông bẩn Nhựa sáng Nhựa trung bình Nhựa tối Hè đường
Chụp sâu 11 14 14 19 25 18
Bán rộng 8 10 10 14 18 13

Quy trình thiết kế sơ bộ theo phương pháp tỷ số $R$ gồm 7 bước:

  • Bước 1: Xác định kích thước hình học, cấp chiếu sáng, loại mặt đường.
  • Bước 2: Xác định thông số lắp đặt gồm chiều cao cột $h$, độ vươn cần đèn $s$ (thường chọn 1,2 m; 1,5 m; 2,4 m; 3 m), khoảng cách mép đường $a$, góc nghiêng cần đèn $\alpha$ (tối ưu từ $5^\circ$ đến $15^\circ$).
  • Bước 3: Xác định khoảng cách cột cực đại $e_{\max}$ dựa trên tỷ số $(e/h)_{\max}$ (đèn che hoàn toàn: 3,0 – 3,5; đèn nửa che: 3,2 – 3,7).
  • Bước 4: Tính hệ số sử dụng $f_u = f_1 \pm f_2$ từ đường cong trắc quang của nhà chế tạo.
  • Bước 5: Tính quang thông yêu cầu $\Phi_{tt} = \frac{e \cdot l \cdot R \cdot L_{tc}}{f_u \cdot V \cdot \delta}$ (với $\delta = 1,7$ cho đèn phóng điện, $\delta = 1,3$ cho đèn sợi đốt; $V = V_1 \cdot V_2 = 1/d$ là hệ số suy giảm quang thông). Lựa chọn bóng đèn và hiệu chỉnh bước cột thực tế $e_{thuc} = e \cdot \frac{\Phi_d}{\Phi_{tt}}$.
  • Bước 6: Kiểm tra chỉ số chói lóa tiện nghi $G = ISL + 0,97\lg(L_{tb}) + 4,41\lg(h') - 1,46\lg(P)$ (trong đó $h' = h - 1,5\text{ m}$; $P$ là số đèn trên 1 km; $ISL$ từ 3 đến 6; yêu cầu $G \ge 4$ theo TCXDVN 259:2001, $G \ge 5$ theo CIE).
  • Bước 7: Tính toán chiếu sáng bổ sung cho vỉa hè ($E_{tb} \ge 3\text{ lx}, U_0 \ge 0,25, L_0 < 2000\text{ cd/m}^2$).
  1. Phương pháp độ chói điểm (CIE 1975): Tính toán chính xác độ chói từng điểm $P$ trong tầm nhìn của người lái xe ($60 - 170\text{ m}$, tương ứng góc nhìn $\alpha \approx 1^\circ$). Công thức độ chói điểm: $L = q(\beta, \gamma) \cdot E = R(\beta, \gamma) \frac{I}{h^2}$.

Hệ thống phân cấp 4 loại mặt đường tiêu chuẩn theo CIE được thiết lập dựa trên hệ số nhìn rõ $Q_0$ và hệ số sử dụng $S_1, S_2$:

Cấp mặt đường $S_1$ $S_2$ điển hình $Q_0$ điển hình Đặc điểm cấu tạo lớp phủ mặt đường
$R_1$ $< 0,45$ 0,25 0,10 Bê tông xi măng, đá rất sáng, bitum $< 15%$ vật liệu sáng
$R_2$ 0,45 – 0,85 0,58 0,07 Nhựa đường mới thi công, bitum $10-15%$ hạt sáng $< 10\text{ mm}$
$R_3$ 0,85 – 1,35 1,11 0,07 Bitum nguội kết cấu chắc, cốt liệu $< 10\text{ mm}$
$R_4$ $> 1,35$ 1,55 0,08 Đường nhựa sau nhiều tháng sử dụng

Mạng lưới tính toán độ chói điểm được xác định trên ô lưới hình chữ nhật giữa hai cột đèn liên tiếp: bề rộng ô lưới dọc theo đường lấy từ 3 m đến 5 m (hoặc chia $e/3, e/6, e/9$ tùy theo bước cột $e$), bề rộng ô lưới ngang bằng $1/3$ chiều rộng làn xe; vị trí quan sát đặt cách cột đèn đầu tiên 60 m và cách mép đường $1/4$ chiều rộng lòng đường.

Chương 3: Thiết kế chiếu sáng Cầu Bính – Hải Phòng

Chương 3 trình bày việc áp dụng các phương pháp tính toán kỹ thuật vào mặt bằng Cầu Bính – Hải Phòng:

  • Các thông số mặt bằng kỹ thuật:

    • Chiều rộng lòng đường mặt cầu: $l = 23,5\text{ m}$.
    • Chiều dài phần thân cầu: $1.300\text{ m}$.
    • Chiều dài đường dẫn phía Hải Phòng: $700\text{ m}$.
    • Chiều dài đường dẫn phía Thủy Nguyên: $600\text{ m}$.
    • Lớp phủ bề mặt: Đường nhựa trung bình.
    • Cấp chiếu sáng yêu cầu: Cấp A.

  • Phân tích hai phương án bố trí hệ thống đèn:

    • Phương án 1: Lắp đặt đèn trên dải phân cách trung tâm (cột cần đôi). Phương án này có ưu điểm tính dẫn hướng cao, hệ số sử dụng quang thông lớn, tiết kiệm chi phí xây lắp ban đầu, điều kiện đảm bảo độ rọi đồng đều là $l \le h$.
    • Phương án 2: Lắp đặt đèn đối diện hai bên thành cầu/mép đường. Phương án này phù hợp cho lòng đường rộng ($l > 1,5h$), tạo điều kiện dẫn hướng và chiếu sáng đồng đều kết hợp vỉa hè, nhưng chi phí cột và đường dây cao hơn.

  • Nội dung tính toán hệ thống điện: Xác định công suất chiếu sáng tổng thể, tính toán phụ tải trạm biến áp cấp nguồn, lựa chọn máy biến áp và kiểm tra tiết diện cáp dẫn điện hạ áp cấp nguồn cho toàn tuyến cầu đảm bảo tổn thất điện áp nằm trong giới hạn cho phép.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả cụ thể sau:

  • Hệ thống hóa toàn diện cơ sở dữ liệu tính toán quang học ứng dụng cho công trình giao thông đô thị, thiết lập các bảng tra cứu hệ số trắc quang, hệ số hấp thụ vật liệu và chỉ số tiện nghi chói lóa.
  • Xây dựng quy trình tính toán kỹ thuật chuẩn hóa 7 bước theo phương pháp tỷ số $R$, đồng thời tích hợp thuật toán phân chia ô lưới và tọa độ điểm quan sát theo phương pháp độ chói điểm CIE 1975 để phục vụ kiểm tra chất lượng chiếu sáng.
  • Xác định đầy đủ các thông số đầu vào phục vụ thiết kế hệ thống chiếu sáng Cầu Bính (chiều rộng $23,5\text{ m}$, tổng chiều dài toàn tuyến bao gồm đường dẫn $2.600\text{ m}$, cấp chiếu sáng A).
  • So sánh định tính và định lượng giữa phương án bố trí đèn trên dải phân cách trung tâm và phương án bố trí hai bên đối diện, tạo cơ sở kỹ thuật cho việc lựa chọn công suất bóng đèn cao áp (Sodium/Metal Halide), lựa chọn trạm biến áp và mạng lưới cấp điện hạ áp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Phương pháp tính toán độ chói điểm trên ma trận lưới lớn đòi hỏi khối lượng phép tính đồ sộ; trong phạm vi tính toán thủ công của đồ án, việc kiểm tra độ chói điểm chủ yếu dừng lại ở mô hình giải tích mẫu và công thức giải thuật mà chưa xuất toàn bộ bảng số liệu ma trận cho mọi điểm trên chiều dài 2.600 m cầu và đường dẫn.
  • Hướng nghiên cứu tiếp: Ứng dụng các phần mềm mô phỏng chiếu sáng chuyên dụng (như Dialux, Calculux) để số hóa toàn bộ mô hình cầu Bính, tự động hóa việc tính toán phân bố độ chói và độ rọi; mở rộng nghiên cứu giải pháp điều khiển chiếu sáng thông minh (Smart Lighting) theo khung giờ và mật độ giao thông nhằm nâng cao hiệu quả tiết kiệm điện năng.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên các ngành Kỹ thuật Điện, Điện Tự động công nghiệp, Hệ thống điện, Kỹ thuật Chiếu sáng và Công trình Hạ tầng Đô thị. Các nội dung có giá trị sử dụng trực tiếp bao gồm:

  • Hệ thống bảng tra cứu tỷ số $R$ theo đặc tính mặt đường và chóa đèn.
  • Bảng phân cấp 4 nhóm mặt đường $R_1 - R_4$ theo tiêu chuẩn CIE.
  • Thuật toán 7 bước tính toán quang thông và hiệu chỉnh khoảng cách cột đèn.
  • Phương pháp xác định tọa độ vị trí quan sát và phân chia mắt lưới tính toán độ chói điểm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Bản chất của phương pháp tỷ số $R$ là gì và tại sao vẫn cần phương pháp độ chói điểm để kiểm tra? Phương pháp tỷ số $R$ về bản chất là phương pháp tính theo độ rọi trung bình ($E_{tb} = R \cdot L_{tb}$), cho phép thiết kế sơ bộ xác định công suất, quang thông và bố trí bước cột mà không cần số liệu chi tiết của bộ đèn. Tuy nhiên, phương pháp này chưa tính đến độ chói thực tế tại từng điểm trong tầm nhìn của người lái xe, do đó cần phương pháp độ chói điểm (CIE 1975) để kiểm tra độ đồng đều dọc trục và độ đồng đều chung.

  2. Chỉ số chói lóa tiện nghi $G$ được xác định theo công thức nào và tiêu chuẩn quy định mức bao nhiêu? Chỉ số $G$ được xác định theo công thức $G = ISL + 0,97\lg(L_{tb}) + 4,41\lg(h') - 1,46\lg(P)$ (với $h' = h - 1,5\text{ m}$, $P$ là số đèn/km, $ISL$ từ 3 đến 6). Theo quy chuẩn TCXDVN 259:2001, đường giao thông yêu cầu $G \ge 4$; theo tiêu chuẩn CIE, yêu cầu $G \ge 5$.

  3. Tiêu chuẩn CIE phân loại 4 cấp mặt đường $R_1, R_2, R_3, R_4$ dựa trên những chỉ tiêu nào? Phân cấp $R_1 - R_4$ dựa trên hệ số nhìn rõ $Q_0$ (đặc trưng cho khả năng phản xạ trung bình, dao động từ 0,05 đến 0,11) và các hệ số sử dụng $S_1, S_2$ (tỷ số độ chói tại điểm cách hình chiếu đèn 2 lần chiều cao so với tại hình chiếu đèn).

  4. Các thông số hình học chính của mặt bằng Cầu Bính – Hải Phòng trong đồ án được xác định là bao nhiêu? Mặt bằng thiết kế có chiều rộng lòng đường $l = 23,5\text{ m}$, chiều dài thân cầu $1.300\text{ m}$, đường dẫn phía Hải Phòng $700\text{ m}$, đường dẫn phía Thủy Nguyên $600\text{ m}$, lớp phủ mặt đường nhựa trung bình và cấp chiếu sáng A.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế cung cấp điện chiếu sáng cho Cầu Bính – Hải Phòng" đã giải quyết bài toán thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng cho một công trình cầu giao thông đô thị quy mô lớn. Tác giả đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết trắc quang học, phân tích chi tiết quy trình tính toán 7 bước theo phương pháp tỷ số $R$ và phương pháp độ chói điểm CIE 1975. Các kết quả tính toán và phương án kỹ thuật đề xuất đáp ứng đúng yêu cầu của tiêu chuẩn TCXDVN 259:2001, phục vụ thiết thực cho công tác thiết kế hệ thống điện và chiếu sáng công trình giao thông.