Bài giảng Hệ thống cung cấp điện: Chương 11

Chương 11: Tính toán chiếu sáng

Bộ môn hệ thống điện Đại học Bách Khoa Hà nội

TS.Nguyễn Đức Tuyên tuyen.nguyenduc@hust.edu.vn

1

Chương 11: Tính toán chiếu sáng

§11.1. KHÁI NIỆM CHUNG

11.1.1. Chiếu sáng điện và phụ tải chiếu sáng điện

11.1.2. Phân loại chiếu sáng nhân tạo

§11.2. CÁC ĐẶC TRUNG QUANG HỌC VÀ CHIẾU SÁNG

11.2.1. Tóm tắt các khái niệm cơ bản

11.2.2. Các đại lượng đo ánh sáng cơ bản

§11.3. THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG

11.3.1. Bóng đèn

11.3.2. Chao đèn

§11.4. TÍNH TOÁN CHIẾU SÁNG CHUNG

11.4.1. Các yêu cầu ban đầu khi tính toán chiếu sáng chung

11.4.2. Các phương pháp tính toán chiếu sáng

2

Chiếu sáng điện và phụ tải chiếu sáng điện

 Chiếu sáng điện Các công trình được chiếu sáng bằng tự nhiên và nhân tạo Chiếu sáng ngày càng hoàn thiện chất lượng nhờ khoa học Chiếu sáng ảnh hưởng đến các chỉ tiêu KT-KT nền kinh tế: Sức khỏe, năng lực, kỹ năng, tinh thần người lao động An toàn sản xuất, kiểm tra, sửa chữa, giao thông, an ninh Mỹ quan, môi trường. Tính toán và thiết kế hệ thống chiếu sáng quan trọng.

 Đặc điểm chung của phụ tải chiếu sáng Đồ thị phụ tải chiếu sáng bằng phẳng Phụ tải chiếu sáng phụ thuộc mùa (ban ngày biến đổi với mùa) Phụ tải chiếu sáng phụ thuộc vị trí địa lý (tác động của thời tiết)

3

Phân loại chiếu sáng điện nhân tạo

 Chiếu sáng chung, cục bộ, hỗn hợp Chiếu sáng chung: tạo độ rọi đồng đều trên toàn diện tích

Đặc điểm bố trí: Đèn treo cao theo qui luật (vuông, thoi…). Phân bố đều đều hay chọn lọc phụ thuộc phân bố thiết bị. Phạm vi ứng dụng: cho nơi có diện tích rộng, qui trình công nghệ không đòi hỏi mắt phải làm việc căng thẳng.

Chiếu sáng cục bộ: tạo độ rọi lớn trong không gian hẹp

Đặc điểm bố trí: Đèn sát nơi cần quan sát trên máy công cụ hoặc cầm tay hoặc di động. Phạm vi ứng dụng: cần quan sát tỉ mỷ, chính xác, phân biệt rõ các chi tiết.

Chiếu sáng hỗn hợp: kết hợp chiếu sáng chung và cục bộ

Phạm vi ứng dụng: Nơi có đặc điểm công việc thuộc nhiều cấp chiếu sáng I (phân biệt kích thước các vật < 0,1mm), II (0,1÷0,3mm), III (0,3÷1mm).

4

Phân loại chiếu sáng điện nhân tạo

 Chiếu sáng làm việc (CSLV) và chiếu sáng sự cố (CSSC) Ngoài hệ thống CSLV, phải đặt thêm hệ thống CSSC. Độ rọi của CSSC phải lớn hơn ít nhất 10% độ rọi của CSLV. Đặc điểm chính của CSSC:

Cấp điện để công việc tiếp tục khi sửa chữa hệ thống CSLV Đảm bảo cho công nhân rời khỏi các khu vực nguy hiểm CSSC được cấp nguồn độc lập với CSLV.

 Chiếu sáng trong nhà (CSTN), ngoài trời (CSNT) Ngoài CSTN còn có CSNT cho các diện tích sân bãi, đường đi, nơi bốc dỡ hàng v.v… Chú ý tác động của thời tiết, khí hậu, mùa đối với thiết kế CSNT.

5

Khái niệm cơ bản của quang học và chiếu sáng

Ánh sáng nhìn thấy: Những bức xạ điện từ có bước sóng 400 nm < 𝜆 < 780 nm, mắt người có thể cảm nhận trực tiếp được. Quang phổ: tập hợp các bức xạ có tần số khác nhau, sắp xếp theo chiều dài bước sóng. Quang phổ liên tục hay gián đoạn. Quang phổ của ánh sáng nhìn thấy

Tử ngoại Tím

Chàm

Xanh da trời Xanh lá cây

Vàng

Da cam

Đỏ

Hồng ngoại

Ánh sáng

<380

>780

380÷440

440÷465

465÷495

495÷570

570÷592

592÷632

632÷780

Bước sóng λ

Mầu sắc: Là do sự cảm nhận của mắt đối với một nguồn sáng. Nó phụ thuộc vào sự cấu thành phổ của ánh sáng được phát ra. Mắt người là bộ thu quang phổ rất tinh vi và nhạy cảm từ màu đỏ đến màu tím. Ánh sáng đơn sắc(một màu): Tương ứng với phổ có chiều dài bước sóng hẹp sao cho không làm thay đổi về mầu sắc.

6

Khái niệm cơ bản của quang học và chiếu sáng

Ánh sáng đồng sắc và ánh sáng khác màu: Cho chúng ta cảm nhận giống nhau và khác nhau về màu sắc. Nguồn sáng: Là một vật thể mà từ trên bề mặt của nó hay từ khối lượng của nó phát ra chùm sáng phân kỳ. Nguồn sáng sơ cấp: nơi biến đổi năng lượng khác thành ánh sáng. Nguồn sáng thứ cấp: nơi phát lại ánh sáng tới sau khi ánh sáng này bị hấp thụ một phần và bị đổi hướng do phản xạ và khúc xạ. Nguồn sáng dạng điểm: Nguồn sáng như tập trung ở 1 điểm Vật thể nóng sáng: Là nguồn sáng sơ cấp mà bức xạ phát ra của nó được suy ra từ nhiệt độ của vật thể. Sự phát quang: Các nguồn sáng sơ cấp mà sự bức xạ của chúng không hoàn toàn suy ra từ nhiệt độ của vật phát quang.

7

Đại lượng đo ánh sáng cơ bản

𝑆 𝑅2

Góc khối (góc đặc) (Ω): Ω =

𝑆 𝑅2 =

cầu. Khi đó: Ω =

 Đơn vị Steradian [Sr] Là góc trong không gian, đo bằng tỷ số giữa diện tích phần mặt cầu S có tâm đặt tại nguồn điểm, nhìn nguồn điểm dưới góc Ω với bình phương bán kính mặt cầu R2 Giá trị lớn nhất của góc khối Ω khi S là toàn bộ diện tích mặt 4𝜋.𝑅2 𝑅2 = 4𝜋 [Sr] Hiểu đơn giản: Sr là góc đặc mà dưới góc đó, một người đứng ở tâm một quả cầu có bán kính 1m nhìn thấy diện tích 1m2 trên mặt cầu này.

8

Đại lượng đo ánh sáng cơ bản

𝜆1 𝑊 𝜆 . 𝜈 𝜆 . 𝑑𝜆

Quang thông (Φ): Φ = ׬𝜆2

Đơn vị lumen [lm]. Lumen là quang thông do nguồn phát ra trong một góc đặc bằng 1 Sr. Quang thông là thông lượng của quang năng của nguồn sáng mà mắt người có thể nhận biết được. 𝑊 𝜆 : Hàm phân bố năng lượng của ánh sáng bước sóng 𝜆(𝑊). 𝜈 𝜆 : Hàm độ rõ của ánh sáng có bước sóng 𝜆 mà mắt có thể cảm nhận được. Ứng với mỗi ánh sáng có bước sóng khác nhau thì được mắt người cảm nhận với độ rõ khác nhau. 𝜆1và 𝜆2là các bước sóng giới hạn trong miền bức xạ ánh sáng mà mắt người có thể cảm nhận được.

9

Đại lượng đo ánh sáng cơ bản

Cường độ ánh sáng (I): Đơn vị Candela [Cd]

Một nguồn sáng điểm O phát ra một quang thông dΦ theo phương của điểm A là tâm của diện tích dS nhìn O dưới góc khối 𝑑Ω. Vậy, cường độ ánh sáng của nguồn sáng O được định nghĩa như sau:

𝑑Φ 𝑑Ω

[Cd] 𝐼 = lim 𝑑Ω→0

Độ rọi (E): Đơn vị Lux [Lx]

Đây là đặc trưng quang học dành cho đối tượng được chiếu sáng. Độ rọi là mật độ quang thông rơi trên một bề mặt được chiếu sáng.

𝑑Φ 𝑑𝑆

[Lx] 𝐸 =

10

Đại lượng đo ánh sáng cơ bản

Độ rọi (E): (tiếp)

Nếu diện tích bề mặt được chiếu dS có vector pháp tuyến lệch với phương chiếu của nguồn sáng một góc 𝛼 thì góc đặc 𝑑Ω chắn trên một hình cầu bán kính R một diện tích bằng 𝑑𝑆. 𝑐𝑜𝑠𝛼 và

𝑑𝑆.𝑐𝑜𝑠𝛼

𝑅2 =

𝑑Φ 𝐼

𝑑Φ 𝑑𝑆

𝐼.𝑐𝑜𝑠𝛼 𝑅2

𝑑Ω = → 𝐸 = =

Vậy độ rọi tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ nguồn tới tâm diện tích được chiếu sáng, ngoài ra còn phụ thuộc vào hướng tới nguồn.

11

Đại lượng đo ánh sáng cơ bản

Độ chói (L): Đơn vị [Cd/m2]

Độ chói là đại lượng đặc trưng cho sự tác động của một mặt chiếu sáng đối với mắt người. Mặt chiếu sáng có thể là mặt phát xạ ánh sáng (nguồn sơ cấp), mặt phản xạ hoặc khúc xạ ánh sáng (nguồn thứ cấp). Nếu mắt người quan sát mặt chiếu sáng có diện tích ds theo một phương lệch với vector pháp tuyến của mặt chiếu sáng đó một góc 𝛼 thì độ chói của mặt chiếu sáng đối với mắt người được định nghĩa như sau: 𝐿 =

𝑑𝐼 𝑑𝑠.𝑐𝑜𝑠𝛼

Hiệu suất phát quang 𝜂: Đơn vị [km/W]

Tỷ số giữa quang thông của nguồn sáng

và công suất điện của nó.𝜂 =

12

Φ 𝑃 Hiệu suất phát quang là một chỉ tiêu quan trọng khi lựa chọn các nguồn chiếu sáng điện.

Thiết bị chiếu sáng

 Bóng đèn Đèn sợi đốt

Nguyên tắc hoạt động: Định luật Stephan: Khi dòng điện chạy qua, sợi kim loại bị đốt nóng đạt đến nhiệt độ nhất định thì phát ra ánh sáng trong bước sóng nhìn thấy được. 4 Quang thông đèn sợi đốt: Φ = 𝐴. 𝑆. 𝑇𝑘

S: Diện tích bề mặt đốt nóng Tk: Nhiệt độ (0K) A: Hằng số (A= 5,7.10-8 W/m2 0K)

Đặc điểm cấu tạo:

Dây kim loại (dây tóc): Bóng thủy tinh: Đui đèn:

13

Thiết bị chiếu sáng

Đặc điểm cấu tạo (tiếp):

Thông số: U, P, quang thông, hiệu suất quang và tuổi thọ

oĐiện áp : cấp 12, 36, 110, 127 và 220 V oCông suất: 15÷2000W

Đặc tính phụ thuộc nhiều điện áp đặt vào đèn:

oU cao: dòng điện, nhiệt độ, quang thông và hiệu suất quang đều tăng. Nhưng dây tóc bốc hơi nhiều, tuổi thọ giảm. oĐể đảm bảo tuổi thọ thì điện áp dao động ±2,5%

Ưu: Rẻ, gọn, dễ lắp, bật sáng ngay, cos𝜑 cao. Nhược: Hiệu suất phát quang thấp (7÷20lm/W), tuổi thọ thấp (khoảng 1000 giờ), quang thông chịu tác động của điện áp.

14

Thiết bị chiếu sáng

 Bóng đèn (tiếp) Đèn Huỳnh quang-Tuýp

Đặc điểm cấu tạo Ống phóng điện Stắc-te (Starter) Chấn lưu (Ballast) Tụ điện (phụ)

Nguyên lý hoạt động: phát quang dựa trên sự phóng điện trong chất khí (Hơi thủy ngân áp suất thấp) và nguyên lý huỳnh quang (màn huỳnh quang bên bờ trong thành ống) Sự mất chất lượng và thời gian phục vụ của đèn (lão hóa) Ưu điểm: Hiệu suất cao, độ rọi lớn, tuổi thọ cao,… Nhược: phức tạp, giá cao, cos𝜑 thấp, ảo giác, …

15

Thiết bị chiếu sáng

 Bóng đèn (tiếp) Đèn Compact

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, các loại đèn cũng được cải tiến và đèn compact được tạo ra có hiệu quả phát quang cao, kích thước được thu gọn. Đó là nhờ lớp bột huỳnh quang mịn tạo nên phát xạ ra ba dải hẹp (đỏ, xanh lơ và xanh lá cây). Sự kết hợp của ba ánh sáng này tạo ra ánh sáng trắng. Đèn compact có hiệu quả phát sáng cao 80ml/W (tiêu thụ điện năng thấp), kích thước nhỏ gọn, tuổi thọ rất cao, lắp đặt đơn giản.

Đèn LED

 Light Emitting Diode: từ một khối bán dẫn loại p ghép với một khối bán dẫn loại n. Chủ yếu chiếu sáng dân dụng

16

Thiết bị chiếu sáng

 Chao đèn Chao đèn là bộ phận bao bọc bên ngoài của bóng đèn. Các chức năng chính của chao đèn gồm:

Phân phối lại quang thông của bóng đèn một cách hợp lý theo yêu cầu nhất định. Bảo vệ cho mắt khỏi bị chói. Bảo vệ cho bóng đèn không bị va đập, bám bụi, phá hủy với các khí ăn mòn... Tăng thẩm mỹ với hệ thống chiếu sáng.

17

Các yêu cầu ban đầu tính toán chiếu sáng chung

 Yêu cầu chiếu sáng Không bị chói mắt đối với cả ánh sáng sơ cấp lẫn thứ cấp: để mắt phân biệt các chi tiết cần thiết một cách dễ dàng và không bị mỏi. Không có bóng tối: sao cho mặt người cảm nhận được hình ảnh rõ ràng về hình dáng và chung quanh của mục tiêu. Phải tạo được độ rọi đồng đều trên bề mặt được chiếu sáng: quan hệ về độ rọi cực đại và độ rọi cực tiểu không vượt quá một giới hạn nhất định. Phải tạo được ánh sáng thích hợp với lao động đang tiến hành. Có hệ thống đèn an toàn phòng trường hợp sự cố khẩn cấp

18

Các yêu cầu ban đầu tính toán chiếu sáng chung

 Các loại hình tính toán chiếu sáng Chiếu sáng trong nhà:

Nơi làm việc: chiếu sáng chung, cục bộ hay tổ hợp. Công nghệ luyện kim, gia công chi tiết trên máy công cụ. Cho nhà máy điện và trạm biến áp Trong công nghiệp: hóa chất, dệt, nghệ thuật, họa hình, in ấn, thực phẩm Cho văn phòng; Cho trường học; Cho bệnh viện Ở phòng chụp ảnh và kỹ thuật in nắng; Khách sạn Nhà công nghiệp

Chiếu sáng ngoài trời: công trường; chiếu sáng mặt ngoài hay mặt trước; bảng và biển; công viên; sân bay; chỗ thể thao.

19

Các yêu cầu ban đầu tính toán chiếu sáng chung

 Bố trí thiết bị chiếu sáng (đèn) Bố trí trên mặt bằng: Để tạo được độ rọi đồng đều, đèn được bố trí theo những quy luật nhất định như hình vuông, hình thoi  L: Khoảng cách nhỏ nhất giữa các đèn.

Bố trí trên mặt đứng

hlv: Khoảng cách từ mặt nền đến mặt công tác. Khoảng cách này thường được cho trước trong số liệu ban đầu. hc: Khoảng cách từ đèn đến trần. hc= h - H – hlv với h: Khoảng cách từ sàn đến trần của không gian cần chiếu sáng. H: Khoảng cách giữa đèn và mặt công tác. Khoảng cách này phụ thuộc loại đèn, số lượng đèn, khoảng cách giữa các đèn và các yêu cầu về chiếu sáng. Trong sổ tay kỹ thuật có thể tra nhanh các quan hệ giữa các đại lượng trên tùy theo loại đèn, nơi cần chiếu sáng.

20

Các yêu cầu ban đầu tính toán chiếu sáng chung

 Bố trí thiết bị chiếu sáng (đèn)

21

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

 Phương pháp hệ số sử dụng Phương pháp này dùng để tính toán chiếu sáng chung

𝐸.𝑆.𝑘𝑑𝑡.𝑍 𝑛.𝑘𝑠𝑑 Φ: Quang thông của một đèn [lm] E: Độ rọi của đối tượng [lx]. Thường đây là yêu cầu độ rọi tối thiểu Emin. S: Diện tích cần chiếu sáng [m2].

Φ =

𝐸𝑡𝑏 𝐸𝑚𝑖𝑛

: Hệ số qui đổi phụ thuộc loại đèn và tỷ số L/H. 𝑍 =

Thường lấy Z = 1÷1,4. kdt: Hệ số dự trữ tính đến sự suy thoái quang thông của đèn sau một thời gian sử dụng (kdt =1,2÷1,4).

22

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

Φ𝑠𝑑 ΦΣ

 Phương pháp hệ số sử dụng (tiếp)

ksd: Hệ số sử dụng của đèn. 𝑘𝑠𝑑 = trong đó Φ𝑠𝑑:Quang thông hữu ích đối với đối tượng cần được chiếu sáng. ΦΣ: Tổng lượng quang thông sinh ra của nguồn sáng. ksd phụ thuộc vào loại đèn, hệ số phản xạ của trần 𝜌𝑡𝑟và tường 𝜌𝑡𝑔, chỉ số phòng 𝜑.

Chỉ số phòng: 𝜑 =

𝑎.𝑏 𝐻.(𝑎+𝑏)

a và b là các kích thước (chiều dài và rộng) của phòng. Từ loại đèn, hệ số phản xạ của trần 𝜌𝑡𝑟và tường 𝜌𝑡𝑔, chỉ số phòng 𝜑, ta tra sổ tay được ksd

23

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

 Phương pháp hệ số sử dụng (tiếp) Thủ tục thiết kế

Bước 1: Tìm thông số ban đầu: Emin, loại đèn, kdt, hlv, a, b Bước 2: Chọn H. Thường chọn H = 3m. Từ đặc điểm đối tượng cần chiếu sáng và loại đèn, tra L/H trong sổ tay tùy thuộc loại đèn và số dãy và tính L. Bước 3: Xác định chỉ số phòng 𝜑 và sau đó xác định ksd Bước 4: Dựa vào a, b, L chọn cách bố trí đèn và xác định số đèn n. Chú ý khoảng cách giữa tường và đèn nên lấy trong phạm vi l = (0,3÷0,5)L Bước 5: Tính quang thông Φ. Lựa chọn công suất Pđ và quang thông tiêu chuẩn Φtc của từng đèn. Bước 6: Tính công suất tính toán của chiếu sáng Pcs = Pđ.n

24

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

 Phương pháp hệ số sử dụng (tiếp) Ví dụ: Một phân xưởng có a = 32m, b = 16m, cao 4,5m, hlv = 0,8m. Điện áp 220V. Loại đèn sử dụng là đèn sợi đốt vạn năng, kdt = 1,3. 𝜌𝑡𝑟= 30% 𝜌𝑡𝑔= 50%. Yêu cầu độ rọi tối thiểu Emin = 30[lx]. Xác định công suất đèn Pđ và bố trí đèn. Giải

Diện tích chiếu sáng: S = a.b = 32×16 = 512m Chọn chiều cao H = 3m ⇒hc = 4,5 - 3 – 0,8 = 0,7m Với phân xưởng dùng đèn vạn năng, chọn L/H = 1,8. Vậy L = 1,8.H = 5,4 m Bố trí đèn theo quy luật hình vuông, cạnh 5,4m, cách tường ngang 2,5m, tường dọc 2,6m Số bóng đèn là n = 18 bóng Chọn Z = 1,2.

25

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

 Phương pháp hệ số sử dụng (tiếp)

Giải: (tiếp)

𝑎.𝑏 𝐻.(𝑎+𝑏)

32.16 3.(32+16)

Xác định chỉ số phòng: 𝜑 = = = 3,56

Với loại đèn sợi đốt vạn năng, từ 𝜑, 𝜌𝑡𝑟, 𝜌𝑡𝑔tra bảng rút ra ksd = 0,46.

30.512.1,3.1,2 18.0,46

𝐸.𝑆.𝑘𝑑𝑡.𝑍 𝑛.𝑘𝑠𝑑

Quang thông: Φ = = = 2893 [𝑙𝑚]

Chọn đèn sợi đốt vạn năng có Pđ = 200W có Φtc=3000 [lm].

26

Các phương pháp tính toán chiếu sáng

 Phương pháp gần đúng Phương pháp này thường áp dụng để tính chiếu sáng cho các phòng nhỏ hoặc chỉ số phòng nhỏ hơn 0,5 và yêu cầu tính toán không cần chính xác lắm. Tính toán gần đúng theo hai cách: Cách thứ nhất dựa trên việc tra suất chiếu sáng wo trong sổ tay để tính toán chiếu sáng. Thủ tục thiết kế theo cách thứ nhất như sau Bước 1: Thu thập số liệu về không gian cần chiếu sáng: a,b,h, hlv, 𝜌𝑡𝑟, 𝜌𝑡𝑔. Bước 2: Với đối tượng cần thiết kế chiếu sáng, tra sổ tay, xác định suất chiếu sáng wo yêu cầu. Từ đó xác định công suất của hệ thống chiếu sáng Pcs= S.wo (S là diện tích chiếu sáng).