CHƯƠNG 1. Giới thiệu đề tài 1.1 Lý do chọn đề tài Ngày nay, trên thế giới vấn đề về năng lượng không còn là điều mới lạ nữa. Có rất nhiều cuộc hội thảo được tổ chức để bàn về vấn đề này. Càng ngày các nguồn năng lượng có sẵn đang cạn kiệt dần, như là: dầu thô, than.Do đó, điểm chính trong các cuộc hội thảo trên thế giới là tiết kiệm năng lượng và đồng thời tìm ra nguồn năng lượng mới nhưng phải đảm bảo nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.
Ngoài việc tìm ra nguồn năng lượng mới, tiết kiệm năng lượng thì đã có những thiết bị tiết kiệm năng lượng hay là những thiết bị tích lũy năng lượng mặt trời phục vụ cho làm việc, học tập, sinh hoạt như: pin mặt trời, hệ thống cối xoay gió lấy năng lượng từ sức gió. Và dễ thấy hơn người ta tiết kiệm năng lượng bằng việc sử dụng các cơ cấu lấy sáng như: ống lấy sáng, kệ lấy sáng, hệ thống cửa kính, rèm cửa.nhưng các cơ cấu này chỉ dừng ở mức độ bình thường, không tự động thay đổi được trạng thái hoạt động của nó. Ở Việt Nam, với công nghệ ngày càng phát triển, việc tạo ra một cơ cấu thông minh là điều cần thiết và có thể thực hiện được. Một trong những hướng đi mới trong việc tiết kiệm năng lượng là sử dụng tối đa nguồn năng lượng ánh sáng mặt trời trong việc chiếu sáng trong nhà, nhà xưởng, văn phòng thế nên nhóm sinh viên đã quyết định chọn thực hiện đề tài “Thiết kế và điều khiển tấm lấy sáng mái nhà thông minh” với mong muốn tìm hiểu và ứng dụng công nghệ mới vào việc lấy ánh sáng mặt trời một cách thông minh và hiệu quả hơn, đáp ứng được vấn đề tiết kiệt năng lượng.2 Yêu cầu và giới hạn đề tài Đề tài thực hiện: thiết kế và điều khiển tấm lấy sáng mái nhà thông minh, trong đó: -Thiết kế cơ cấu lấy sáng điều chỉnh được kích thước 400x600(mm).
-Thiết kế và chế tạo mạch điện. -Điều khiển tấm lấy sáng kết hợp với hệ thống đèn trong nhà, sao cho: Lượng ánh sáng đưa vào nhà mong muốn. Tối ưu năng lượng sử dụng.3 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu, thiết kế tấm lấy sáng mái nhà thông minh. Sau đó xây dựng chương trình trình điều khiển cho tấm lấy sáng kết hợp với hệ thống đèn trong nhà sao cho lượng ánh sáng đủ để phục vụ cho các hoạt động làm việc.4 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu a.
Mục tiêu của đề tài Thiết kế hoàn thiện phần cơ khí là mô hình tấm lấy sáng thông minh và phần mạch điện để điều khiển tấm lấy sáng, giao tiếp tấm lấy sáng - máy tính. Tìm hiểu lý thuyết, nguyên lý hoạt động của các cơ cấu lấy sáng thường gặp. Tìm hiểu về các tiêu chuẩn chiếu sáng. Tìm hiểu về các loại cảm biến liên quan tới việc đo ánh sáng.
Giải quyết được vấn đề tối ưu năng lượng sử dụng. Nhiệm vụ nghiên cứu Đồ án nghiên cứu phương pháp điều khiển Tấm lấy sáng để tiết kiệm năng lượng và tự động hóa là dựa vào nhận biết của cảm biến. Cảm biến sẽ thu những tín hiệu thay đổi liên tục từ môi trường và truyền về bộ điều khiển. Bộ điều khiển tiến hành xử lý sao cho Tấm lấy sáng luôn đạt được những góc quay mong muốn để đảm bảo nguồn sáng yêu cầu.5 Phương pháp nghiên cứu Tìm hiểu tài liệu: nhóm tìm hiểu các tài liệu liên quan đến các cơ cấu lấy sáng, thiết kế cơ khí, điện tử và phần điều khiển, tài liệu về các chuẩn chiếu sáng, tài liệu về cảm biến và datasheet của các IC được sử dụng trong đề tài.
Tham khảo từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm: các đồ án, các thiết kế mạch có liên quan đã được thi công đưa vào sử dụng ổn định, tham vấn trực tiếp của các anh, chị khóa trước và đặc biệt là giảng viên chuyên ngành thuộc Bộ môn Cơ điện tử. Phương pháp thực nghiệm, thử và sửa sai: qua những lần thử nghiệm với nguồn sáng từ ánh sáng mặt trời, từ bóng đèn kết hợp với tính toán giải tích mạch để rút ra giải pháp mạch điện tốt nhất. Quy trình tính toán chọn cường độ sáng, chọn số đèn cần cho việc chiếu sáng cũng dựa trên cơ sở lý thuyết và qua thực nghiệm. Các công trình nghiên cứu có liên quan 1.1 Các công trình nghiên cứu ở nước ngoài Hiện nay vấn đề để làm sao tiết kiệm được năng lượng và làm thế nào để sử dụng nguồn năng lượng sạch và có sẵn thay cho các nguồn năng lượng đang bị cạn kiệt một cách hiệu quả.
Vì thế đã có rất nhiều công trình nghiên cứu đã và đang thực hiện điển hình như sau: Màn trượt ngang skylight [6] Hệ thống màn trượt ngang tự động chuyên dùng để che và lấy ánh sáng từ các giếng trời và mái kính từ các tòa nhà, văn phòng, trung tâm mua sắm. -2- do an Đặc điểm : Có sử dụng động cơ để điều khiển bán tự động bằng bộ điều khiển. Chi phí cao, không tự động được hoàn toàn.1: Hình ảnh công trình nghiên cứu đưa vào sử dụng thực tế. Tấm lợp lấy sáng Ampelite[6] Tấm lợp lấy sáng này được thiết kế giống như những miếng tôn, nhưng có khả năng lấy ánh sáng được, có độ truyền ánh sáng cao.
Được sử dụng trong việc thiết kế hệ thống chiếu sáng trong các nhà xưởng, xưởng may. Đặc điểm: Khi dùng tấm lợp sáng thì không cần dùng điện để chiếu sáng. Giảm nguy cơ cháy nổ do chập điện. Nhược điểm: phụ thuộc hoàn toàn vào ánh sáng tự nhiên, lắp ráp cố định, không tự động được.
-3- do an Hình 1.2: Tấm lợp lấy sáng Ampelite( tập đoàn Ampelite của Úc). Mái gấp FCS BLINDS[19] Mái gấp này được thiết kế giống như cái rèm cửa, có khả năng lấy sáng được và đóng lại khi trời đổ mưa, điều khiển bằng bộ điều khiển hoặc kéo bằng tay.3: Mái gấp FCS BLINDS.2 Các công trình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, nói đến vấn đề lấy ánh sáng có sẵn đưa vào sử dụng thì vẫn chưa phổ biến, vẫn đang phụ thuộc rất nhiều vào các thiết bị điện. Các cơ cấu và thiết bị lấy sáng vẫn chưa được tự động hoàn toàn, cũng chỉ ở mức bán tự động hoặc thủ công điển hỉnh như sau: Rèm cửa tự động [20] -4- do an Đây là loại rèm cửa điều khiển các chế độ bằng remote thông qua việc điều khiển động cơ được thiết kế trong rèm cửa. Có thể đóng mở rèm cửa theo sự mong muốn của người sử dụng.
Đặc điểm: Điều khiển tự động theo mong muốn, dễ lắp đặt, dễ sử dụng. Nhược điểm: chỗ nào gắn thì mới có thể nhận ánh sáng được, vẫn phải mất công điều chỉnh chế độ mình mong muốn, chưa tự động hoàn toàn.4 : Hình ảnh rèm cửa tự động[4]. Giếng trời tự động[21] Cũng giống như rèm cửa tự động. Thiết kế của giếng trời trong đó cũng có động cơ và được điều khiển bằng điều khiển từ xa, thường lắp đặt trên mái nhà hoặc trên tường nơi mà muốn nhận ánh sáng.
Đặc điểm: Điều khiển được từ xa một cách dễ dàng thông qua bộ điều khiển. Có hệ thống lưu điện(UPS) trong vòng 48h nếu mất điện thì vẫn hoạt động bình thường. Nhược điểm: giá thành cao, cũng chỉ lấy sáng được trong một phạm vi nhất định. -5- do an Hình ảnh 1.5 : Hình ảnh giếng trời thực tế.
-6- do an CHƯƠNG 2.1 Cơ sở chiếu sáng 2.1 Một số khái niệm cơ sở liên quan về ánh sáng[23] Ánh sáng chỉ là một phần của rất nhiều loại sóng điện từ bay trong không gian. Những loại sóng này có cả tần suất và chiều dài, hai giá trị này giúp phân biệt ánh sáng với những dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ. Ánh sáng được phát ra từ vật thể là do những hiện tượng sau: Nóng sáng. Phóng điện.
Phát quang điện. Phát sáng quang điện. Lumen: Đơn vị của quang thông; thông lượng được phát ra trong phạm vi một đơn vị góc chất rắn bởi một nguồn điểm với cường độ sáng đều nhau là một Candela. Một lux là một lumen trên mỗi mét vuông.
Hiệu suất tải lắp đặt: Đây là độ chiếu sáng duy trì trung bình được cung cấp trên một mặt phẳng làm việc ngang trên mỗi Oát công suất với độ chiếu sáng nội thất chung được thể hiện bằng lux/W/m². Hệ số hiệu suất tải lắp đặt: Đây là tỷ số của hiệu suất tải mục tiêu và tải lắp đặt. Nguồn phát sáng: Bộ đèn là một đơn vị phát sáng hoàn chỉnh, bao gồm một hoặc nhiều đèn cùng với các bộ phận được thiết kế để phân phối ánh sáng, định vị và bảo vệ đèn, và nối đèn với nguồn điện. Lux: Đây là đơn vị đo theo hệ mét cho độ chiếu sáng của một bề mặt.
Độ chiếu sáng duy trì trung bình là các mức lux trung bình đo được tại các điểm khác nhau của một khu vực xác định. Một lux bằng một lumen trên mỗi mét vuông. Độ cao lắp đặt: Độ cao của đồ vật hay đèn so với mặt phẳng làm việc. Hiệu suất phát sáng danh nghĩa: Tỷ số giữa công suất lumen danh nghĩa của đèn và tiêu thụ điện danh nghĩa, được thể hiện bằng lumen trên oát.
Chỉ số phòng: Đây là một hệ số thiết lập quan hệ giữa các kích thước dự kiến của cả căn phòng và độ cao giữa bề mặt làm việc và bề mặt của đồ đạc. Hiệu suất tải mục tiêu: Giá trị của hiệu suất tải lắp đặt được xem là có thể đạt được với hiệu suất cao nhất, được thể hiện bằng lux/W/m². Hệ số sử dụng (UF): Đây là tỷ lệ của quang thông do đèn phát ra tới mặt phẳng làm việc. Đây là đơn vị đo thể hiện tính hiệu quả của sự phối hợp chiếu sáng.
-7- do an Quang thông và cường độ sáng: Đơn vị quốc tế của cường độ sáng I là Candela (cd). Một lumen bằng quang thông chiếu sáng trên mỗi mét vuông (m2) của một hình cầu có bán kính một mét (1m) khi một nguồn ánh sáng đẳng hướng 1 Candela (nguồn phát ra bức xạ đều nhau tại mọi hướng) có vị trí tại tâm của hình cầu. Vậy quang thông do một nguồn ánh sáng đẳng hướng có cường độ I sẽ được tính theo công thức: Quang thông (lm) = 4π × cường độ sáng(cd) .2 Hệ thống chiếu sáng tự nhiên Chiếu sáng tự nhiên nghĩa là việc đặt cửa sổ hay các cơ cấu khác để hứng ánh sáng mặt trời cung cấp cho ánh sáng nội bộ bên trong hiệu quả.