Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật Điện tử: Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng cắt mức biên sau điện áp và cảm biến quay đa hướng cho thiết bị chiếu sáng

Chia sẻ: Dopamine Grabbi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:110

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài nhằm nghiên cứu phương pháp điều khiển sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên dùng được cho nhiều loại bóng đèn, trong đó chú trọng vào đèn LED, vì đây là đối tượng được hướng tới sử dụng trong tương lai; nghiên cứu phát triển cảm biến ánh sáng với mục tiêu đạt được hiệu quả đo lường chính xác nhất so với cảm biến ánh sáng đơn sử dụng trong thiết bị tiết kiệm điện trong hệ thống chiếu sáng đã được công bố. Mời các bạn tham khảo nội dung đề tài!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kĩ thuật Điện tử: Nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng sử dụng cắt mức biên sau điện áp và cảm biến quay đa hướng cho thiết bị chiếu sáng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Hà Nội - 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ANH DŨNG NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG CẮT MỨC BIÊN SAU ĐIỆN ÁP VÀ CẢM BIẾN QUAY ĐA HƯỚNG CHO THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG Ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN PHAN KIÊN TS. NGUYỄN MẠNH CƯỜNG Hà Nội – 2021
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu trong luận án này là trung thực và chưa từng được tác giả khác công bố. Giáo viên hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả TS. Nguyễn Phan Kiên Hoàng Anh Dũng TS. Nguyễn Mạnh Cường
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc của mình tới hai thầy hướng dẫn khoa học TS. Nguyễn Phan Kiên và TS. Nguyễn Mạnh Cường. Hai thầy đã định hướng cho tôi triển khai các ý tưởng khoa học, luôn tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn thầy cô ở Bộ môn Công nghệ Điện tử và Kỹ thuật Y Sinh đã tạo điều kiện, định hướng, giúp đỡ và động viên để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này. Đặc biệt tôi xin cảm ơn Khoa Công nghệ Điện tử Thông tin, Trường Đại học Mở Hà Nội đã giúp đỡ tôi rất nhiều về cơ sở vật chất, trang thiết bị nghiên cứu và các góp ý định hướng nghiên cứu để tôi hoàn thành tốt công trình nghiên cứu của mình. Tôi cũng xin trân trọng cảm ơn tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo và Viện Điện tử - Viễn thông trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, những bạn bè, người thân, luôn động viên về tinh thần, thời gian và vật chất để tôi có động lực trong công việc và nghiên cứu khoa học. Hà Nội, ngày tháng năm 2021 Tác giả Hoàng Anh Dũng
MỤC LỤC MỤC LỤC ................................................................................................................. i DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ................................................................ iv DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... v DANH SÁCH HÌNH ẢNH ..................................................................................... vi DANH MỤC CÔNG THỨC .................................................................................... x MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1 1. Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu: ................................................... 1 Mục đích nghiên cứu của luận án ................................................................. 2 2. Phương pháp nghiên cứu của luận án ......................................................... 3 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án ........................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ................................................. 3 5. Các đóng góp chính của luận án ................................................................. 5 6. Bố cục của luận án ...................................................................................... 5 CHƯƠNG 1. CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN ................................ 7 1.1 Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng .......... 8 1.2 Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp ...................................................................................................... 9 1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng ............... 11 1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam.......................... 13 1.4.1 Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở Việt Nam .................... 13 1.4.2 Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên .......... 15 1.5 Kết luận chương 1 ...................................................................................... 20 CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG ...................................................................................... 22 2.1 Mô hình, đặc tính của các đối tượng đèn.................................................... 22 2.1.1 Đèn LED ............................................................................................ 22 2.1.2 Đèn phóng điện .................................................................................. 23 i
2.1.3 Kết luận về mô hình đặc tính của các loại đèn .................................. 26 2.2 Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước ........... 26 2.3 Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau .............. 31 2.4 Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt biên sau ................................................................................................................................ 38 2.5 Kết luận chương 2 ...................................................................................... 43 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG ... 44 3.1 Tổng quan về các loại cảm biến ánh sáng sử dụng trong hệ thống tiết kiệm năng lượng .............................................................................................................. 44 3.2 Phân tích một số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng ............................ 45 3.3 Xây dựng cảm biến quay ánh sáng ............................................................. 48 3.4 Xây dựng thuật toán cho cảm biến quay đa hướng .................................... 51 3.5 Kiểm tra kết quả của phương pháp ............................................................. 52 3.5.1 Mô tả điều kiện kiểm thử ................................................................... 52 3.5.2 Kết quả kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng ........................... 53 3.5.3 Kết quả kiểm thử phát hiện hướng sáng bị chặn và nguồn sáng thay đổi đột ngột .......................................................................................................... 54 3.5.4 Kết luận .............................................................................................. 55 3.6 Xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng ..................................................... 56 3.7 Nghiên cứu giải pháp nâng cấp cảm biến ................................................... 57 3.8 Kết quả đo sau khi nâng cấp cảm biến ....................................................... 62 3.8.1 Cảm biến quay lấy mẫu theo 8 hướng – tham chiếu với cảm biến tĩnh 63 3.8.2 Cảm biến quay lấy mẫu theo 16 hướng ............................................. 65 3.8.3 Phát hiện nguồn sáng chính ............................................................... 66 3.8.4 Phát hiện vật cản ................................................................................ 68 3.9 Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng ........................................................... 68 3.10 Mô phỏng hệ điều khiển sử dụng dữ liệu đo cảm biến ánh sáng quay đa hướng...................................................................................................................... 71 ii
3.10.1 Mô hình hệ thống điều khiển ........................................................... 71 3.10.2 Lựa chọn phương án mô phỏng ....................................................... 73 3.10.3 Các phương án tiền xử lý ................................................................. 78 3.10.4 Đánh giá hiệu năng và kết quả mô phỏng ........................................ 82 3.11 Kết luận chương 3 .................................................................................... 85 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................ 87 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 88 iii
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT AC Alternate Current Dòng điện xoay chiều ADC Analog to Digital Conversion Chuyển đổi tương tự -số CCT Correlated Color Temperature) Chỉ số nhiệt độ màu CFL Compact fluorescent lamp Đèn compact huỳnh quang CRI Color Rendering Index Chỉ số hoàn màu DC Direct current Dòng điện một chiều DIAC Diode for Alternating Curent Diode cho dòng xoay chiều EMI Electro Magnetic Interference Nhiễu điện từ IC Integrated Circuit Vi mạch IDE Integrated Development Environment Môi trường tích hợp phát triển IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly IoT Internet of Things Internet vạn vật LED Light Emitting Diode Đèn diode phát quang LQR Linear Quadratic Regulator Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính MCU Microcontroller Unit Vi điều khiển Metal - Oxide Semiconductor Field - MOSFET Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường PID Proportional Integral Derivative Điều khiển vi tích phân tỉ lệ PWM Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung Căn bậc 2 của trung bình phương dòng RMS Root Mean Square điện xoay chiều SMPS Switch mode power supply Bộ nguồn chuyển mạch chế độ THD Total Harmonic Distortion Tổng méo hài TRIAC TRIode for Alternating Current Bán dẫn ba cực cho dòng xoay chiều TVS Transient voltage suppression Bộ triệt điện áp tạm thời iv
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: So sánh mức tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn ...... 9 Bảng 1.2: So sánh giữa bóng đèn huỳnh quang T-5 và bóng đèn LED T-8 ..... 11 Bảng 1.3: So sánh hiệu năng tiết kiệm điện giữa những giải pháp cải thiện chiếu sáng.......................................................................................................................... 13 Bảng 1.4: Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc .......................................................................................................................... 14 Bảng 1.5: Thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện ................................................................................................................................. 18 Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến đơn tĩnh và mạng cảm biến .. 45 Bảng 3.2: Quan hệ giữa số lượng hướng đo cảm biến, góc quay và số lượng bước động cơ .................................................................................................................... 49 Bảng 3.3: Mô tả cảm biến quay ........................................................................ 58 Bảng 3.4: Hàm thành viên cho biến đầu vào Error bằng ngôn ngữ .................. 74 Bảng 3.5: Hàm thành viên cho biến đầu vào DeltaError bằng ngôn ngữ.......... 75 Bảng 3.6 Tập hợp luật Fuzzy............................................................................. 76 Bảng 3.7: So sánh tỷ lệ tiết kiệm của các phương pháp điều khiển so với điều khiển bằng cảm biến tĩnh ........................................................................................ 85 v
DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ thấp đến cao về độ hiệu quả (ở trên là thấp nhất) ..................................................... 7 Hình 1.2: Nguyên lý cân bằng ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo ............. 16 Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming 17 Hình 1.4: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuýp...... 18 Hình 2.1: Ví dụ mô hình bộ nguồn chuyển mạch cho LED .............................. 23 Hình 2.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện. .............................................................. 24 Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tải của TRIAC ....................................................... 27 Hình 2.4: Cắt mức năng lượng biên trước, với d là khoảng thời gian điện áp ở mức 0 ....................................................................................................................... 27 Hình 2.5: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên trước; ....................................................................................................................... 28 Hình 2.6: Đồ thị tương quan giữa cường độ đỉnh dòng điện đột biến và giới hạn chịu đựng dòng điện đột biến của đi ốt cầu ............................................................ 30 Hình 2.7: Mạch điện điều chỉnh công suất đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước ........................................................................................................................ 30 Hình 2.8: Đồ thị dòng điện và điện áp đi qua tải bóng đèn LED đối với phương án điều khiển điện áp cắt biên trước. ...................................................................... 31 Hình 2.9: Cắt mức năng lượng biên sau, với d là thời gian điện áp ở mức 0 .... 32 Hình 2.10: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau ................................................................................................................................. 33 Hình 2.11: Khối bắt điểm không ....................................................................... 33 Hình 2.12: Khối driver cho IGBT và khối cắt pha (gồm IGBT và cầu diode).. 34 Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển của thiết bị ........................................ 35 Hình 2.14: Tín hiệu bắt điểm không đưa vào vi điều khiển .............................. 35 Hình 2.15: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; .......................................................................................................................... 36 vi
Hình 2.16: Điện áp và dòng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; ................................................................................................................................. 37 Hình 2.17: Điện áp trên đèn phóng điện khi điều chỉnh bằng phương pháp cắt biên sau .................................................................................................................... 38 Hình 2.18: Mạch điện đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ ........................ 39 Hình 2.19: Đáp ứng tắt dần của mạch RLC nối tiếp ......................................... 40 Hình 2.20: Mạch RLC song song (Nguồn: tác giả) ........................................... 40 Hình 2.21: Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt .......................................................... 41 Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán mới thực hiện đóng cắt 50 lần trên một nửa chu kỳ ................................................................................................................................. 41 Hình 2.23: Kết quả dạng tín hiệu điều khiển và điện áp ra mô phỏng với tụ 100nF mắc song song với tải .............................................................................................. 42 Hình 2.24: Kết quả dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đèn phóng điện ................ 42 Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng ánh sáng tự nhiên ................................................................................................................................. 44 Hình 3.2: Môi trường chiếu sáng thực tế ảnh hưởng bởi nguồn sáng trực tiếp và gián tiếp ................................................................................................................... 47 Hình 3.3: Sơ đồ cảm biến quay đa hướng ......................................................... 49 Hình 3.4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ . 50 Hình 3.5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c) Mạch điều khiển ...................................................................................................... 50 Hình 3.6: Thuật toán cảm biến quay đa hướng ................................................. 51 Hình 3.7: Phòng thực nghiệm nhìn theo hướng từ trên xuống .......................... 53 Hình 3.8: Cám biến xoay bị vật cản chặn tạm thời hướng sáng ........................ 53 Hình 3.9: Kết quả giám sát dữ liệu cảm biến ánh sáng ..................................... 54 Hình 3.10: Phát hiện sự thay đổi đột ngột của mức ánh sáng và hướng chặn cảm biến .......................................................................................................................... 55 Hình 3.11: Hình ảnh hệ cảm biến quay mới ...................................................... 57 Hình 3.12: Sơ đồ khối cảm biến ........................................................................ 59 vii
Hình 3.13: Mô hình 3D của đế quay cảm biến .................................................. 59 Hình 3.14: Mạch nguyên lý của cảm biến mới................................................. 60 Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán cải tiến của cảm biến ánh sáng........................... 61 Hình 3.16: Hình ảnh mô phỏng cảm biến quay với số lượng góc quay khác nhau ................................................................................................................................. 62 Hình 3.17: Sơ đồ phòng thí nghiệm thực hiện đo cường độ ánh sáng bằng cảm biến quay ................................................................................................................. 63 Hình 3.18: Đồ thị cường độ ánh sáng của cảm biến tĩnh và cảm biến quay ..... 64 Hình 3.19: Ảnh chụp nhanh theo dõi dữ liệu cảm biến ánh sáng trên trang web Ubidots. ................................................................................................................... 65 Hình 3.20:Biểu đồ radar của dữ liệu cảm biến ánh sáng trên các hướng chiếu sáng khác nhau ........................................................................................................ 67 Hình 3.21: Đồ thị cường độ ánh sáng khi vật cản đặt trước cảm biến .............. 68 Hình 3.22: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển tự động. .................. 72 Hình 3.23: Mô hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến tĩnh và bộ điều khiển Fuzzy. ...................................................................................................................... 72 Hình 3.24: Cấu trúc một hệ điều khiển lai (hybrid) Fuzzy-LQR ..................... 73 Hình 3.25: Sơ đồ khối của bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID ...................... 74 Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào Error ......................................... 75 Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào DeltaError ................................. 76 Hình 3.28: Đồ thị hàm thành viên đầu ra. ......................................................... 77 Hình 3.29: Đồ thị 3D minh họa giá trị đầu ra của hệ thống .............................. 78 Hình 3.30: Mô hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến quay và bộ điều khiển Fuzzy ....................................................................................................................... 79 Hình 3.31: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng so với cảm biến tĩnh. ............................................................................................... 80 Hình 3.32: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng theo ngưỡng so với cảm biến tĩnh. .......................................................................... 81 viii
Hình 3.33: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp tìm giá trị cực đại so với cảm biến tĩnh. ......................................................................................... 82 Hình 3.34: Kết quả mô phỏng điều khiển sử dụng đầu vào với phương pháp tiền xử lý tìm giá trị cực đại ........................................................................................... 83 Hình 3.35: Kết quả tính toán năng lượng tiêu thụ khi sử dụng các phương pháp tiền xử lý khác nhau và cảm biến tĩnh..................................................................... 84 ix
DANH MỤC CÔNG THỨC Công thức Thứ tự Ghi chú Vin (t)=Vin sin (ωt+φ) 2.1 Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện 4Va 1 Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện Va (t)= ∑n=odd sin n ωt 2.2 π n dưới dạng sóng vuông dia VL =L = vin (t)-va (t) 2.3 Điện áp rơi trên chấn lưu dt Va π Vin Ia (t)= ( -ωt) - cos(ωt+γ) 2.4 Dòng điện đi qua đèn phóng điện ωL 2 ωL dq duc ic = =C 2.5 Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện dt dt R Α= 2.6 Tần số Neper của mạch RLC 2L 1 ω0 = 2.7 Tần số góc cộng hưởng của mạch RLC √LC A ζ= 2.8 Hệ số suy giảm của mạch RLC ω0 R C ζ= √ 2.9 Hệ số suy giảm của mạch RLC 2 L 1 1 1 1 1 1 = + + = +jωC+ 2.10 Tổng dẫn phức mạch RLC song song Z ZL ZC ZR jωL R ETi =EDi + ∑nj=1 Eij 3.1 Cường độ sáng của phòng (𝐸𝑇𝑖 ) tại vị trí i Quan hệ giữa góc quay và số bước của a=i*360/2048 3.2 động cơ Quang thông của hệ dựa trên cường độ Φs =4πIs 3.3 sáng Φs cosθ E= 3.4 Độ rọi trên bề mặt chiếu sáng A x
∆Φs cosθ ∆E= 3.5 Thay đổi độ rọi trên bề mặt chiếu sáng A E0 E1 . E= 3.6 Véc tơ độ rọi . . [EN-1 ] 𝑃00 𝑃01 𝑃02 𝑃03 … … … 𝑃0(N−1) 𝑃10 𝑃11 𝑃12 𝑃13 … … … 𝑃1(N−1) . 𝑃= 3.7 Ma trận tham số liên hệ giữa các hướng đo . . [ 𝑃(𝑁−1)0 … … … . . 𝑃(𝑁−1)(N−1) ] Ej Pij = 3.8 Tham số liên hệ giữa các hướng đo Ei Ei= EJ . PJi 3.9 Giá trị độ rọi phụ thuộc theo hướng Giá trị trích chọn cảm biến theo phương Y(t)=(∑N i=1 Ei (t))/N 3.10 pháp trung bình Giá trị trích chọn cảm biến theo phương Yavgmax(t)=∑N N i=1 ωi (t).Ei (t) /∑i=1 ωi (t) 3.11 pháp trung bình cộng theo ngưỡng Giá trị trích chọn cảm biến theo phương Ymax(t)= Max(E1, E2,…, EN) 3.12 pháp giá trị cực đại xi
MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài, mục đích nghiên cứu: Năng lượng cùng với vấn đề biến đổi khí hậu đang trở thành mối quan tâm lớn của toàn nhân loại, trong đó vấn đề năng lượng đã và đang trở thành vấn đề được đặc biệt quan tâm không chỉ của riêng quốc gia nào, do khủng hoảng năng lượng toàn cầu, các nguồn năng lượng không tái tạo như than, dầu mỏ, khí đốt đã dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm, trong khi đó tình trạng lãng phí năng lượng đã và đang xảy ra đáng báo động ở nhiều quốc gia. Theo kinh nghiệm của các nước phát triển, ít nhất 30% nhu cầu năng lượng có thể và cần phải được đáp ứng bằng biện pháp tiết kiệm [1]. Ở Việt Nam, việc tiết kiệm năng lượng cũng đã và đang trở thành chủ đề nóng bỏng. Theo báo cáo gần đây nhất của Bộ Công Thương, dự báo đến cuối thế kỷ này, nguồn năng lượng 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 lượng trong sản xuất công nghiệp, xây dựng dân dụng, giao thông vận tải… của nước ta hiện nay là rất lớn, hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng còn rất thấp so với các nước phát triển (hiệu suất sử dụng nguồn năng lượng trong các nhà máy nhiệt điện đốt than, dầu của nước ta chỉ đạt được từ 28-32%, thấp hơn so với các nước 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 Thương, gần 40% tổng sản lượng điện sản xuất được dùng cho chiếu sáng[3]. Chiếu sáng chiếm tỷ lệ lớn trong sử dụng năng lượng, gia tăng áp lực lên sản xuất điện và đảm bảo an ninh năng lượng. 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 lượng tiết kiệm và hiệu quả hơn. Gần đây, sử dụng đèn LED với nhiều công nghệ tiên tiến đang dần trở thành xu hướng chiếu sáng thông minh nhờ vào các ưu điểm nổi bật: công suất nhỏ nhưng quang thông lớn, chỉ số hoàn màu và hiệu suất phát sáng cao hơn nhiều so với các loại đèn thông thường. Chính đặc tính này giúp đèn LED gần gũi hơn với môi trường khi sử dụng năng lượng 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 hướng tiếp cận hứa hẹn sẽ phát huy hiệu quả trong việc tiết kiệm năng lượng 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 lượng. Các biện pháp tiết kiệm năng lượng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên chỉ bao gồm chi phí đầu tư ban đầu và hầu như không phát sinh chi phí trong tương lai so với các biện pháp khác (bởi ánh 1
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 lượng ánh sáng tự nhiên có thể tiết kiệm được 20-40%, với thời gian hoàn vốn là 2-3 năm. Tuy nhiên, trên Việt Nam và thế giới, hướng đi kết hợp giữa hai phương án, một là sử dụng đèn LED, hai là tận dụng nguồn năng lượng ánh sáng tự nhiên, chưa 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 tư 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 được 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 lượng chiếu sáng mà vẫn đảm bảo đủ ánh sáng chiếu trong không gian các phòng, nhà xưởng 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 thước thiết bị lớn và cồng kềnh. Trong luận án sẽ cần phải nghiên cứu giải pháp sử dụng các phương pháp điều chỉnh công suất bằng các hệ thống điều khiển điện tử, nhằm mục tiêu giảm kích thước thiết bị. - Giải pháp biến áp tự ngẫu không điều khiển được độ sáng đèn LED, trong khi đó đèn LED lại là xu hướng sử dụng hiện nay trong các hệ thống chiếu sáng. Giải pháp mới đưa ra cần phải hoàn thiện việc điều khiển độ sáng cho đèn LED. Ngoài ra, với thiết bị tiết kiệm năng lượng cho hệ thống đèn chiếu sáng đã được cấp bằng sáng chế thì hệ thống chỉ sử dụng một cảm biến đơn hướng. 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 được chính xác nguồn sáng, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố nhiễu bên ngoài như đã đề cập ở trên. Mục đích nghiên cứu của luận án Luận án tập trung vào hai vấn đề chính: - Nghiên cứu phương pháp điều khiển sáng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên dùng được cho nhiều loại bóng đèn, trong đó chú trọng vào đèn LED, vì đây là đối tượng được hướng tới sử dụng trong tương lai. 2
- Nghiên cứu phát triển cảm biến ánh sáng với mục tiêu đạt được hiệu quả đo lường chính xác nhất so với cảm biến ánh sáng đơn sử dụng trong thiết bị tiết kiệm điện trong hệ thống chiếu sáng đã được công bố. 2. Phương pháp nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu lý thuyết: thực hiện mô hình hóa các đối tượng nghiên cứu thông qua các mô hình mạch điện tử, từ đó tính toán các phương pháp điều khiển phù hợp, tối ưu. - 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 lường trong thực tế từ đó rút ra các kết quả phù hợp với yêu cầu nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng đề xuất. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: Các đối tượng nghiên cứu là các loại bóng đèn dùng trong các hệ thống chiếu sáng đang được sử dụng ngoài thị trường, trong đó tập trung chủ yếu vào đèn chiếu sáng sử dụng công nghệ LED. Ngoài ra, đèn phóng điện cũng là đối tượng được nghiên cứu, bởi hiện nay các loại đèn này vẫn được sử dụng trong một số hệ thống chiếu sáng đô thị như đèn cao áp,… - Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống chiếu sáng dùng trong nhà xưởng, trường học, bệnh viện,… nơi các hệ thống chiếu sáng có thể tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên. 4. 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, được cụ thể hóa theo hai xu hướng dưới đây: - Phát triển các loại vật liệu mới có khả năng chiếu sáng đồng thời tiết kiệm năng lượng, ví dụ như tập trung vào phát triển các loại đèn mới có thể tiết kiệm năng lượng như đèn LED, chiếu sáng rắn [6] [7], các loại đèn LED [8],… - Phát triển các hệ thống tiết kiệm năng lượng dựa trên năng lượng ánh sáng tự nhiên, ví dụ như các hệ thống tiết kiệm ánh sáng dựa trên phương pháp điều chỉnh cường 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 lượng, đang là một xu thế ở nhiều nước 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 vượt trội so với các đèn khác. Bên cạnh đó, với tiềm năng của các hệ thống tiết kiệm năng lượng dựa trên năng lượng ánh sáng tự nhiên, việc nghiên cứu các giải pháp tận dụng năng lượng 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 chưa được 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 lượng 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 lượng dựa trên việc tận dụng ánh sáng tự nhiên. Lấy ví dụ, nghiên cứu của Newsham, Sander và Suvagau về tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng dùng trong văn phòng [13] chỉ ra rằng mức tiết kiệm năng lượng 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.P., R. Raghavan, O. Howlett, và C. 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 lượng trung bình hàng năm là 24%. Fritz và Kahn (2006) [15] đề nghị các phương pháp giảm tiêu thụ năng lượng cho một trường học ở Worcester, Nam Phi. Tuy nhiên, cho đến nay chưa có những nghiên cứu về các chi phí và lợi ích về kinh tế và môi trường của việc sử dụng thiết bị tiết kiệm năng lượng ở các nước đang phát triển như Việt Nam. Ở Việt Nam, theo số liệu của Bộ Công Thương[2], vấn đề sử dụng năng lượng điện dùng trong chiếu sáng một cách hiệu quả đã và đang được đẩy mạnh. Trên thực tế khảo sát, các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho hệ thống chiếu sáng hiện nay tập trung chủ yếu vào việc thay thế các loại đèn chiếu sáng như: dừng và giảm việc sản xuất bóng đèn sợi đốt công suất trên 60W (theo quyết định số 51/QĐ-TTg [16]) bắt đầu từ 01/01/2013; các dự án thay thế hệ thống chiếu sáng công cộng bằng đèn LED ở Đà Nẵng[17], Thành phố Hồ Chí Minh [18],…Mặc dù vậy, các giải pháp tiết kiệm năng lượng dựa trên tận dụng ánh sáng tự nhiên, đặc biệt là với đèn LED, chưa thực sự được nghiên cứu và phân tích cụ thể. Trong khi đó, Việt Nam với yếu tố địa lý là một nước nhiệt đới gần xích đạo, 4
việc tận dụng nguồn sáng tự nhiên từ mặt trời trong chiếu sáng là một trong những lợi thế về tiết kiệm năng lượng. Do đó nghiên cứu thành công sẽ có thể áp dụng vào trong thực tiễn tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam. 5. Các đóng góp chính của luận án Nghiên cứu này có hai đóng góp chính là: 1. Nghiên cứu đưa ra giải pháp điều chỉnh công suất cho thiết bị tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng, tương thích được với mọi loại bóng, trong đó tập trung chủ yếu vào đèn LED là đối tượng bóng đèn đang được hướng tới sử dụng trong các hệ thống chiếu sáng. Ngoài ra, nghiên cứu cũng hoàn thiện giải pháp điều chỉnh công suất cho đèn phóng điện, qua đó đưa ra được giải pháp điều chỉnh ánh sáng cho hệ thống có chứa nhiều loại thiết bị chiếu sáng khác nhau. 2. Nghiên cứu đưa ra giải pháp cảm biến quay cho hệ thống chiếu sáng, với cấu trúc nhỏ gọn tối ưu hơn, đồng thời đánh giá hiệu suất của cảm biến quay đa hướng thông qua các mô phỏng và kết quả. Với cảm biến được đề xuất, hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu sáng có thể đo mức độ ánh sáng theo các hướng khác nhau, phát hiện hướng nguồn sáng chính và xác định các hướng có ánh sáng tạm thời thay đổi. 6. Bố cục của luận án Bố cục của luận án gồm các phần sau: Chương 1: Các cơ sở nghiên cứu của luận án. Mục này sẽ trình bày tóm lược về các loại đèn chiếu sáng thông dụng trong nhà và tổng quan các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng bao gồm tình hình nghiên cứu chung của thế giới liên quan tới lĩnh vực tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng, từ đó chọn lựa định hướng nghiên cứu mà cụ thể là tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng; tình hình nghiên cứu trong nước liên quan tới lĩnh vực tiết kiệm năng lượng trong chiếu sáng, cụ thể là thiết bị tiết kiệm điện cho hệ thống chiếu sáng đã được cấp bằng sáng chế. Chương 2: Nghiên cứu cải tiển khối điều khiển công suất thiết bị chiếu sáng. Mục này sẽ giới thiệu một số các công trình nghiên cứu trên thế giới đối với việc điều chỉnh công suất để làm cơ sở phục vụ cho các nghiên cứu về điều chỉnh công suất của các loại đối tượng đèn chiếu sáng ứng dụng trong nghiên cứu. Từ đó đưa ra nghiên cứu của luận án về giải pháp cải tiến điều khiển điện áp trong thiết bị tiết kiệm điện, tập trung vào đối tượng tải đèn LED và đèn phóng điện. Kết luận chương đã đưa ra được giải pháp 5