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

Alternate Current Dòng điện xoay chiều AC

Analog to Digital Conversion Chuyển đổi tương tự -số ADC

Correlated Color Temperature) Chỉ số nhiệt độ màu CCT

Compact fluorescent lamp Đèn compact huỳnh quang CFL

Color Rendering Index Chỉ số hoàn màu CRI

Direct current Dòng điện một chiều DC

Diode for Alternating Curent Diode cho dòng xoay chiều DIAC

Electro Magnetic Interference Nhiễu điện từ EMI

Integrated Circuit Vi mạch IC

Integrated Development Environment Môi trường tích hợp phát triển IDE

Insulated Gate Bipolar Transistor Transistor có cực điều khiển cách ly IGBT

Internet of Things Internet vạn vật IoT

Light Emitting Diode Đèn diode phát quang LED

Linear Quadratic Regulator Điều khiển tối ưu toàn phương tuyến tính LQR

Microcontroller Unit Vi điều khiển MCU

Metal - Oxide Semiconductor Field -

Effect Transistor Transistor hiệu ứng trường MOSFET

Proportional Integral Derivative Điều khiển vi tích phân tỉ lệ PID

Pulse Width Modulation Điều chế độ rộng xung PWM

Căn bậc 2 của trung bình phương dòng

Root Mean Square điện xoay chiều RMS

Switch mode power supply Bộ nguồn chuyển mạch chế độ SMPS

Total Harmonic Distortion Tổng méo hài THD

TRIode for Alternating Current Bán dẫn ba cực cho dòng xoay chiều TRIAC

Transient voltage suppression Bộ triệt điện áp tạm thời TVS

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

2.1 Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện Vin(t)=Vin sin (ωt+φ)

1

n=odd

4Va π

n

Điện áp xoay chiều đặt vào đèn phóng điện ∑ sin n ωt 2.2 Va(t)= dưới dạng sóng vuông

π

2.3 Điện áp rơi trên chấn lưu VL=L = vin(t)-va(t) dia dt

Va ωL

2

Vin ωL

dq

Dòng điện đi qua đèn phóng điện ( -ωt) - cos(ωt+γ) 2.4 Ia(t)=

2.5 Dòng điện dịch chuyển qua tụ điện

= C

ic=

dt

duc dt

1

2.6 Tần số Neper của mạch RLC Α= R 2L

√LC

A

2.7 Tần số góc cộng hưởng của mạch RLC ω0=

ω0

R

ζ= 2.8 Hệ số suy giảm của mạch RLC

2

1

1

1

1

1

1

2.9 Hệ số suy giảm của mạch RLC ζ= √C L

Z

jωL

ZL

ZC

ZR

= + + = +jωC+ 2.10 Tổng dẫn phức mạch RLC song song R

n j=1

3.1 ETi=EDi + ∑ Eij Cường độ sáng của phòng (𝐸𝑇𝑖) tại vị trí i

3.2 a=i*360/2048 Quan hệ giữa góc quay và số bước của động cơ

3.3 Φs=4πIs Quang thông của hệ dựa trên cường độ sáng

3.4 Độ rọi trên bề mặt chiếu sáng E= Φscosθ A

x

3.5 Thay đổi độ rọi trên bề mặt chiếu sáng ∆E= ∆Φscosθ A

3.6 Véc tơ độ rọi E=

[ E0 E1 . . . EN-1]

Ma trận tham số liên hệ giữa các hướng đo 𝑃 =

𝑃00 𝑃01𝑃02𝑃03 … … … 𝑃0(N−1) 𝑃10𝑃11𝑃12𝑃13 … … … 𝑃1(N−1) . 3.7 . . 𝑃(𝑁−1)0 … … … . . 𝑃(𝑁−1)(N−1)] [

3.8 Tham số liên hệ giữa các hướng đo Pij =

3.9 Giá trị độ rọi phụ thuộc theo hướng Ei= EJ . PJi

N Y(t)=(∑ Ei(t) i=1

Giá trị trích chọn cảm biến theo phương 3.10 )/N pháp trung bình

N Yavgmax(t)=∑ ωi(t).Ei(t) i=1

N /∑ ωi i=1

Giá trị trích chọn cảm biến theo phương (t) 3.11 pháp trung bình cộng theo ngưỡng

Giá trị trích chọn cảm biến theo phương 3.12 Ymax(t)= Max(E1, E2,…, EN) 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

điều khiển các loại đèn trên, bổ sung khả năng tương thích của hệ thống tiết kiệm điện

dùng trong chiếu sáng. Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 1 và số 3

trong danh mục các công trình đã công bố của luận án.

Chương 3: Nghiên cứu cảm biến ánh sáng quay đa hướng. Phần này trước khi

đưa ra các kết quả nghiên cứu, sẽ giới thiệu các công trình nghiên cứu trên thế giới về

cảm biến ánh sáng, từ đó luận giải để chứng minh tình mới của cảm biến ánh sáng quay

đa hướng mà luận án đã thực hiện cùng với các thuật toán cũng như kết quả thu được.

Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến quay đa hướng khắc phục được nhược điểm

của cảm biến tĩnh khi xuất hiện vật cản, đồng thời phát hiện chính xác nguồn sáng hơn

so với các cảm biến đơn hướng, giải quyết được các vấn đề về đo lường chính xác các

nguồn năng lượng ánh sáng. Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 2, số 4

và số 5 trong danh mục các công trình đã công bố của luận án.

Phần cuối cùng là: Kết luận và kiến nghị. Phần này tóm tắt lại các nghiên cứu của

luận án, đưa ra kết luận chung.

6

CHƯƠNG 1. CÁC CƠ SỞ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN

Hiện nay, tiết kiệm năng lượng là một vấn đề rất được quan tâm trên thế giới. Đã có

rất nhiều các công trình nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho nhiều đối

tượng khác nhau trên thế giới. Tuy nhiên, trong lĩnh vực chiếu sáng, các phương pháp

nghiên cứu tiết kiệm năng lượng thường được thực hiện theo các hướng sau:

- Tiết kiệm năng lượng điện trong tất cả các lĩnh vực sử dụng của thiết bị chiếu

sáng

- Cải thiện chất lượng thông số chiếu sáng của thiết bị, ví dụ như hiệu năng chiếu

sáng, tuổi thọ của thiết bị,…

- Cải thiện môi trường chiếu sáng, ví dụ như yếu tố phản xạ sáng, không gian,…

Trong đó, để tiết kiệm năng lượng, một số kỹ thuật và chiến lược chiếu sáng sau đã

được nghiên cứu:

- Sử dụng kết hợp các thiết bị chiếu sáng tiết kiệm năng lượng

- Tận dụng tối đa ánh sáng tự nhiên

- Xây dựng các hệ thống điều khiển chiếu sáng nội bộ, thay vì phụ thuộc vào nhà

cung cấp điện.

- Cải tiến không gian chiếu sáng, chẳng hạn như phủ sơn tường và trần nhà màu

trắng để tăng phản xạ ánh sáng

- Hướng dẫn nhân viên tham gia vào việc lập kế hoạch tiết kiệm năng lượng

Các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng, theo thứ tự từ thấp đến cao về

Cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng

Thay thế bóng đèn/thiết bị chiếu sáng cũ

Sử dụng các hệ thống điều khiển tận dụng ánh sáng tự nhiên

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)

độ hiệu quả (ở trên là thấp nhất) được chỉ ra ở hình 1.1 [19]

7

Để làm rõ các chiến lược tiết kiệm năng lượng cho các hệ thống chiếu sáng, trong

phần dưới sẽ lần lượt làm rõ các chiến lược như đã chỉ ra trong hình 1.1 bao gồm:

- Chiến lược cải thiện các yếu tổ liên quan tới chiếu sáng - Chiến lược thay thế bóng đèn cũ bằng các thiết bị chiếu sáng mới - Chiến lược tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng tiêu

thụ

1.1 Chiến lược cải thiện các yếu tố liên quan tới không gian chiếu sáng

Việc cải thiện hiệu năng chiếu sáng có thể dựa trên các yếu tố liên quan tới không

gian chiếu sáng. Áp dụng một số kỹ thuật cải tiến không gian chiếu sáng có thể giúp tối

đa hóa việc sử dụng ánh sáng tự nhiên, qua đó giảm thiểu nhu cầu chiếu sáng bằng năng lượng điện. Một số kỹ thuật có thể kể tới như: Thay đổi màu sơn bề mặt với những màu

nhạt có độ phản xạ cao [3], tính toán thiết kế hệ thống chiếu sáng phù hợp với chiều cao,

không gian của phòng [12][20], cải thiện hệ thống chắn nắng [21] [22],…

Sơn bề mặt (bao gồm cả trần nhà) với những màu nhạt có độ phản xạ cao cũng giúp

cho việc tối đa hóa hiệu quả của thiết bị chiếu sáng. Theo nghiên cứu của Ruzena

Kralikova và cộng sự [3], tường và trần nhà màu sáng có thể phản xạ tới 80% ánh sáng

tới; trong khi đó tường và trần nhà màu tối có thể phản xạ ít hơn 10% ánh sáng tới.

Chiều cao của phòng cũng được tính tới khi thiết kế các hệ thống chiếu sáng, bởi các

bóng đèn đều có chiều cao lắp đặt tiêu chuẩn, việc lắp đặt bóng đèn đúng với độ cao tiêu

chuẩn sẽ tận dụng tối đa khả năng chiếu sáng của bóng đèn. Cũng theo nghiên cứu của

Kralikova và cộng sự [3], với những nhà xưởng có chiều cao từ 10m trở lên, chiều cao

lắp đặt của đèn theo tiêu chuẩn từ 10-14m sẽ đạt hiệu quả chiếu sáng tối đa, tuy nhiên

trong một số trường hợp, có thể hạ chiều cao lắp đặt để tận dụng chiếu sáng mà không

ảnh hưởng tới thị giác. Trong một nghiên cứu của Reinhart [23] về ảnh hưởng của chiều

cao không gian của một văn phòng tới khả năng chiếu sáng, Reinhart đã phát hiện ra

rằng trần nhà là một yếu tố thiết kế quan trọng đối với ánh sáng ban ngày vì phần lớn

ánh sáng ban ngày sau khi đi vào phòng sẽ phản xạ trần nhà ít nhất một lần. Ông cũng

lưu ý rằng việc giảm chiều cao trần nhà từ 2,74 m xuống 2,44 m sẽ cắt giảm một nửa năng lượng tiết kiệm cho chiếu sáng điện.

Một trong những vấn đề ảnh hưởng đến hiệu suất chiếu sáng về chất lượng ánh sáng và tiết kiệm năng lượng là cách thiết kế hệ thống chắn nắng, hoặc các hệ thống cách nhiệt. Một nghiên cứu được thực hiện ở Kuwait [24] đã đề cập rằng lớp cách nhiệt trong một số điều kiện nhất định có thể cải thiện tỉ lệ tiết kiệm năng lượng và giảm lượng điện

8

tiêu thụ: thiết kế cách nhiệt tường tăng từ 5 cm đến 7 cm có thể giảm tiêu thụ năng lượng

khoảng 5,58%. Người ta đã đề cập rằng thiết kế được đề xuất [21] sử dụng hệ thống tự

che nắng và che nắng thiết kế theo kiểu phong bì thư (envelope shading) đã tiết kiệm được 20,5% mức tiêu thụ năng lượng. Ngoài ra, thời gian hoàn vốn của nó được xác

nhận là hai năm, khoảng thời gian này ngắn hơn khi so sánh với [22]: thời gian hoàn vốn

dự kiến của nó là trong khoảng 3,9 - 4,9 năm.

Kết luận lại, có nhiều cách để cải thiện yếu tố không gian nhằm tăng cường hiệu năng

chiếu sáng, bao gồm việc tăng cường độ phản xạ sáng (thay đổi màu sơn tường) hoặc tận dụng tối đa các yếu tố ảnh hưởng tới chiếu sáng (chiều cao, hệ thống che nắng, ngoại

cảnh). Các giải pháp này đem lại mức tiết kiệm năng lượng từ khoảng 5% [24] tới 20% [21] tùy theo từng giải pháp.

Tuy nhiên, trong định hướng nghiên cứu này, giải thiết đưa ra là chưa kèm các giải

pháp cải thiện yếu tố không gian.

1.2 Chiến lược cải thiện các phương án thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ, hiệu suất thấp

Trong các chiến lược thay thế thì có nhiều chiến lược thay thế bóng đèn hiệu suất

thấp bằng các bóng đèn có hiệu suất tiết kiệm cao hơn, ví dụ như thay thế bóng đèn sợi

đốt bằng các bóng đèn huỳnh quang (CFL) [16][25], hoặc thay thế các bóng đèn huỳnh

quang hiệu suất thấp bằng các bóng cùng loại có hiệu suất cao hơn [30] [31], hoặc thay

thế bằng bóng đèn LED [32][34],…

Theo như phân tích của tổ chức ENERGY SAVER (www.energy.gov), thì so với

bóng đèn sợi đốt truyền thống, bóng đèn tiết kiệm năng lượng như bóng đèn halogen,

đèn huỳnh quang compact (CFL) và diode phát quang (LED) có những ưu điểm sau:

- Sử dụng ít hơn khoảng 25% -80% năng lượng so với các loại sợi đốt truyền

thống.[25]

- Tuổi thọ kéo dài hơn từ 3 đến 25 lần. [25]

Bảng 1.1 so sánh bóng đèn sợi đốt truyền thống 60 watt (W) với bóng đèn tiết kiệm

Bảng 1.1: So sánh mức tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ các loại bóng đèn

năng lượng cùng mức phát sáng [25].

9

So sánh giữa bóng đèn sợi đốt, bóng halogen, bóng CFL và bóng LED

Bóng CFL 15W

Bóng LED 12W

Bóng đèn sợi

Bóng đèn Halogen

So sánh với

So sánh với

So sánh với

So sánh với

43W

đốt 60W

bóng sợi đốt 60W

bóng halogen 43W

bóng sợi đốt 60W

bóng halogen 43W

Tỉ lệ tiết

-

~25%

~75%

~65%

~75% - 80% ~72%

kiệm năng lượng (%)

Tuổi thọ

10000 giờ

25000 giờ

1000 giờ

1000 đến 3000 giờ

Chính phủ nhiều nước trên thế giới, trong đó có Việt Nam, đã thông qua các biện

pháp loại bỏ dần bóng đèn sợi đốt để chuyển sang các giải pháp thay thế chiếu sáng tiết

kiệm năng lượng hơn. Các quy định trên bao gồm cấm sản xuất, nhập khẩu hoặc bán

bóng đèn sợi đốt, đồng thời hướng dẫn người dân sử dụng các loại bóng đèn khác hiệu

quả và tiết kiệm năng lượng hơn. Một số nước Liên minh Châu Âu như Thụy Sỹ [26],

Áo [27],… đã thông qua các biện pháp này từ 2009. Đối với các nước châu Á, Hàn

Quốc [28] đã thông qua các biện pháp loại bỏ đèn sợi đốt từ 2014, còn Malaysia [29] là

2010.

Đối với bóng đèn huỳnh quang, mặc dù đèn huỳnh quang T5 đã tồn tại được 15 năm,

nhưng số liệu thống kê gần đây (của Thụy Điển) [30] chỉ ra rằng nhiều hệ thống chiếu sáng hiện tại vẫn sử dụng đèn T8 hoặc thậm chí, đèn T12 cũ hơn, có hiệu suất phát sáng

thấp hơn nhiều (lm/W). Thay thế đèn T12 bằng đèn T8 có thể tiết kiệm đến 10% năng

lượng tiêu thụ trong khi cho ánh sáng nhiều hơn 10% [31]. Đèn T5 16 mm mới hơn thậm

chí còn có hiệu suất cao hơn (90–104 lm / W), giảm 40% mức sử dụng năng lượng (so

với đèn T12 60 lm / W với chấn lưu từ) nhưng những đèn này cần các bộ phận đi kèm

(chấn lưu, tắc te) khác nhau [31].

Đối với bóng LED, đây đang là giải pháp thay thế các hệ thống bóng đèn cũ ở nhiều nước trên thế giới. Ở Ấn Độ, Bộ Năng Lượng của nước này đặt mục tiêu thay thế 770 triệu đèn LED trong các hộ gia đình và 35 triệu đèn đường LED. Đến tháng 8 năm 2016, 155 triệu đèn LED gia dụng và 1,2 triệu đèn đường LED đã được triển khai [32]. Ở Việt Nam, các dự án thay thế hệ thống chiếu sáng công cộng bằng đèn LED ở Đà Nẵng [17], TP. Hồ Chí Minh [18],… đã và đang được triển khai. Tuy nhiên, theo nghiên cứu của

10

Avijit Karmakar, Snehashis Das và Ayan Ghosh [33], trong một số trường hợp, việc

thay thế bóng đèn huỳnh quang bằng bóng đèn LED không thực sự đem lại hiệu quả về

Bảng 1.2: So sánh giữa bóng đèn huỳnh quang T-5 và bóng đèn LED T-8

mặt chiếu sáng. Bảng 1.2 so sánh các thông số giữa đèn LED T8 và đèn huỳnh quang T5

Đèn Watt Lumen CRI CCT Tuổi thọ trung bình

Bóng đèn huỳnh quang T-5 28 2700 85 6500 24000 giờ

Bóng đèn LED T-8 20 2100 80 6500 40000 giờ

Nhìn vào bảng 1.2, có thể thấy được bóng LED không mang lại hiệu quả vượt trội

về hiệu năng chiếu sáng so với bóng đèn huỳnh quang, vì vậy việc thay thế bóng đèn

huỳnh quang và bóng đèn LED có thể không mang lại hiệu quả kinh tế, ít nhất trong thời

gian ngắn [33]. Theo nghiên cứu của Josijevic và cộng sự [34], những đầu tư vào hệ

thống LED có thời gian hoàn vốn khoảng 5 năm, với mức tiết kiệm năng lượng có thể

lên tới 60%.

Qua phần 1.2, có thể thấy được chiến lược thay thế bóng đèn/ thiết bị chiếu sáng cũ,

hiệu suất thấp sẽ mang lại hiệu quả tiết kiệm điện năng lớn nhất khi thay thế các hệ thống

đèn sợi đốt. Đối với hệ thống đèn huỳnh quang, việc thay thế bằng đèn huỳnh quang

hiệu suất cao hơn mang lại hiệu quả ở mức 10% - 40% [31], trong khi đó việc thay thế

đèn huỳnh quang bằng đèn LED, mặc dù đem lại hiệu quả khá cao (khoảng 60%, tùy

thuộc vào loại đèn bị thay thế), tuy nhiên thời gian hoàn vốn dài [34], và trong nhiều

trường hợp chưa thực sự mang lại hiệu quả chiếu sáng so với đèn huỳnh quang [33].

1.3 Chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên để tiết kiệm năng lượng

Trên thế giới, đã có nhiều nghiên cứu về các phương pháp tận dụng ánh sáng tự

nhiên, và kết quả đem lại được đều hết sức vượt trội. Năm 2011, Al-Ashwal và Budaiwi

đã nghiên cứu hiệu suất năng lượng của các tòa nhà văn phòng do tích hợp ánh sáng ban

ngày và ánh sáng nhân tạo ở vùng khí hậu nóng theo thiết kế cửa sổ, bao gồm diện tích

cửa sổ, chiều cao và loại kính. Kết quả cho thấy rằng có thể giảm tới 35% mức tiêu thụ

năng lượng chiếu sáng bằng cách sử dụng ánh sáng ban ngày và tích hợp ánh sáng nhân

tạo [35]. Năm 2014, Yoo và cộng sự đã tính toán sự phân bố của ánh sáng ban ngày

trong văn phòng, cũng như tỷ lệ độ sáng để điều khiển từng đèn LED bằng cách sử dụng

11

phần mềm mô phỏng ánh sáng. Kết quả là, tiêu thụ điện năng của đèn chiếu sáng đã

giảm 40-70% tùy theo mùa và điều kiện thời tiết [36].

Khi so sánh với các phương án tiết kiệm năng lượng khác, hệ thống điều khiển ánh

sáng kết hợp ánh sáng tự nhiên cũng có tỷ lệ tiết kiệm điện cao hơn. Năm 2016, Gentile

và cộng sự đã trình bày kết quả của một nghiên cứu giám sát theo bốn hệ thống điều

khiển ánh sáng khác nhau (hệ thống sử dụng một công tắc thủ công ở cửa, hệ thống sử

dụng một bộ phát hiện chuyển động, hệ thống tận dụng ánh sáng ban ngày bằng cảm biến phát hiện vắng mặt và hệ thống sử dụng một đèn LED). Kết quả, hệ thống điều

khiển ánh sáng liên kết với ánh sáng tự nhiên đạt được mức tiết kiệm cao hơn so với các

hệ thống khác (79%) [37].

Các thuật toán để đánh giá, tinh chỉnh năng lượng đầu ra của hệ thống tận dụng ánh sáng tự nhiên cũng được nghiên cứu. Năm 2018, Kim, In-Tae & Kim, Yu-Sin & Nam,

Hyeonggon và Hwang, Taeyon đã đưa ra nghiên cứu phát triển thuật toán điều khiển độ

sáng bóng đèn bằng hệ thống phản hồi đáp ứng ánh sáng tự nhiên [38]. Nghiên cứu này

nhằm đánh giá độ chính xác và khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống làm mờ đáp

ứng ánh sáng tự nhiên khi xem xét ảnh hưởng của độ rọi gián tiếp. Để cải thiện độ chính

xác và tiết kiệm năng lượng của hệ thống làm mờ đáp ứng ánh sáng tự nhiên, một thuật

toán điều khiển độ mờ cải tiến đã được áp dụng cho của hệ thống làm mờ đáp ứng ánh sáng tự nhiên khi xem xét ảnh hưởng của độ rọi gián tiếp. Kết quả là độ chính xác trung

bình của độ rọi mục tiêu là 98,9% (tỷ lệ 0,5%) và mức tiết kiệm năng lượng chiếu sáng

trung bình là 77%.

Năm 2020, để giải quyết vấn đề tiêu hao năng lượng chiếu sáng ở các nước phát triển

và các nước nghèo trên thế giới, Yangping Zheng, Jia Q và Hongtao Yu đã đưa ra giải

pháp sử dụng IoT kết hợp với điện toán biên để xây dựng hệ thống chiếu sáng thông

minh cho các tòa nhà văn phòng. Hệ thống sử dụng IoT làm công nghệ lõi , dựa trên mô

hình mạng dạng lưới (mesh topology) để thiết kế hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng.Thông qua việc lấy mẫu ngoài thực tế và thực hiện các kiểm thử, sau đó đưa dữ liệu vào hệ thống để huấn luyện, hệ thống đã tiết kiệm được 30% lượng điện tiêu thụ

mỗi năm, và kết quả này hết sức khả quan.

Kết luận lại, phương án tận dụng ánh sáng tự nhiên đem lại hiệu quả nổi trội hơn hẳn so với những phương pháp khác. Bảng sau tóm tắt lại tỷ lệ tiết kiệm điện của mỗi giải pháp, dựa trên các nghiên cứu trên thế giới

12

Bảng 1.3: So sánh hiệu năng tiết kiệm điện giữa những giải pháp cải thiện chiếu sáng

Giải pháp tiết kiệm năng lượng Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng Nguồn

Cải thiện không gian chiếu sáng 5% (hiệu chỉnh lớp cách nhiệt tòa nhà), [21] [24]

20% (thay đổi hệ thống chắn nắng)

Thay thế bóng đèn cũ/ hiệu suất thấp Từ 25% đến 80% (khi thay thế bóng sợi [25] [30]

[31]

đốt), từ 10% đến 40% (khi thay thế đèn huỳnh quang)

Sử dụng các hệ thống tận dụng ánh [35] [36] Từ 40% đến 80%

sáng tự nhiên [37] [38]

Với tỷ lệ tiết kiệm điện vượt trội, giải pháp sử dụng hệ thống chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên là giải pháp đang được ưu tiên quan tâm trên thế giới. Tuy nhiên, ở

Việt Nam, các nghiên cứu về tính khả thi, những con số cũng như một hệ thống chiếu

sáng cụ thể dựa trên ánh sáng tự nhiên là không nhiều. Một trong số đó là nghiên cứu độc quyền sáng chế của TS. Nguyễn Phan Kiên và cộng sự về hệ thống tiết kiệm điện

dùng trong chiếu sáng. Phần 1.4 sẽ phân tích một thiết bị cụ thể là thiết bị tiết kiệm điện

dùng trong chiếu sáng của TS. Nguyễn Phan Kiên và cộng sự đã nghiên cứu và phát

triển.

1.4 Tình hình nghiên cứu tiết kiệm năng lượng tại Việt Nam

1.4.1 Phân tích các văn bản quy định chiếu sáng ở Việt Nam

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chiếu sáng - mức cho phép chiếu sáng nơi làm việc

được quy định theo thông tư số 22/2016/TT-BYT, Trong quy chuẩn này, các từ ngữ dưới

đây được hiểu như sau:

Độ rọi hay độ chiếu sáng (illuminance): Là độ sáng của một vật được một chùm sáng chiếu vào, đơn vị là Lux. 1 Lux là độ sáng của một vật được một nguồn sáng ở cách xa 1m có quang thông bằng 1 Lumen chiếu trên diện tích bằng 1m2.

Độ rọi duy trì (Em) (maintained illuminance): Độ rọi trung bình trên bề mặt quy định

không được nhỏ hơn giá trị này.

Độ rọi duy trì tối thiểu với các loại hình công việc được quy định ở bảng sau (Bảng chỉ trích dẫn yêu cầu độ rọi chiếu sáng cho các khu vực nhà xưởng, văn phòng, bệnh viện, là các đối tượng tập trung nghiên cứu):

13

Bảng 1.4: Bảng yêu cầu về độ rọi duy trì tối thiểu cho các phòng, khu vực làm việc

Loại phòng, công việc hoặc các hoạt động Em (Lux)

1. Khu vực chung trong nhà

Tiền sảnh 100

Phòng đợi 200

Khu vực lưu thông và hành lang 100

Cầu thang (máy, bộ), thang cuốn 150

Căng tin 150

Phòng nghỉ 100

Phòng tập thể dục 300

Phòng gửi đồ, phòng rửa mặt, phòng tắm, nhà vệ sinh 200

Phòng cho người bệnh 500

Phòng y tế 500

Phòng đặt tủ điện 200

Phòng thư báo, bảng điện 500

Nhà kho, kho lạnh 100

Khu vực đóng gói hàng gửi đi 300

Băng tải 150

Khu vực giá để hàng hóa 150

Khu vực kiểm tra 150

14

Ngoài ra, thông tư QCVN 09:2013/BXD quy định hệ thống chiếu sáng cần đáp ứng

 Hệ thống chiếu sáng cần chiếu ánh sáng đến mọi không gian, vị trí làm việc trong

các yêu cầu sau:

 Hệ thống chiếu sáng cần đảm bảo khả năng chống lóa, chống chói mắt cho người

nhà xưởng.

lao động. Vì khi chói mắt sẽ gây khó chịu đến thị giác điều này sẽ ảnh hưởng đến

 Trong mỗi nhà xưởng đều cần phải chiếu sáng không có hiện tượng bị bóng người

năng suất làm việc và chất lượng sản phẩm.

 Tiêu chuẩn về màu ánh sáng nhiệt độ màu phù hợp với từng môi trường làm việc

lao động, máy móc che khuất.

 Hệ thống chiếu sáng không được có hiện tượng bị nhấp nháy gây ảnh hưởng đến

cũng như yêu cầu khi sản xuất.

 Thiết kế hệ thống chiếu sáng đạt chuẩn chất lượng ngay từ đầu để hạn chế việc

thị giác của nhân công.

bảo dưỡng và sửa chữa. Vì khi bảo dưỡng hay sữa chữa đèn chiếu sáng sẽ gây

ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất của nhà xưởng.

1.4.2 Phân tích hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên

Hệ thống tiết kiệm điện được phát triển bởi TS. Nguyễn Phan Kiên và cộng sự [39]

là phiên bản đầu tiên của hệ thống tiết kiệm điện tận dụng ánh sáng tự nhiên được nghiên

cứu đưa ra thị trường, được nghiên cứu để kiểm soát một số lượng lớn các bóng đèn như

16, 30 và 50 ống để giảm chi phí cộng thêm trong mỗi ống. Yêu cầu của hệ thống là: (1)

thiết bị phải có hiệu chỉnh hệ số công suất, (2) tỷ lệ tiết kiệm năng lượng tiêu thụ từ 30%

đến 50% và (3) thiết bị có thể điều khiển một số lượng lớn đèn. Hiện thiết bị đã hoàn

thiện và chạy tốt với khả năng tiết kiệm từ 30% đến 50% điện năng tiêu thụ của hệ thống

chiếu sáng.

Nguyên lý tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên của hệ thống được chỉ ra trong

hình 1.2. Như trong hình, giả sử khu vực yêu cầu năng lượng chiếu sáng là 180 lux. Khi

sử dụng các hệ thống đèn thông thường, năng lượng do ánh sáng nhân tạo tạo ra đạt 180

lux. Khi có ánh sáng bên ngoài vào, giả thuyết là thêm 50 lux thì trong khu vực chiếu

sáng sẽ thừa năng lượng (230 Lux). Do đó, để đảm bảo ánh sáng trong khu vực vẫn đạt

180 Lux thì có thể tiết giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo xuống còn 130 Lux. Như

15

vậy năng lượng trong khu vực chiếu sáng vẫn đủ 180 Lux nhưng năng lượng tiêu thụ

Hình 1.2: Nguyên lý cân bằng ánh sáng tự nhiên – ánh sáng nhân tạo

của hệ thống bóng đèn vẫn đã được giảm.

Đầu tiên, thiết bị sẽ có hiệu chỉnh hệ số công suất; thứ hai, thiết bị sẽ hoạt động với

phương pháp làm mờ (dimming). Có nghĩa là thiết bị sẽ sử dụng ánh sáng tự nhiên (từ

bên ngoài chiếu vào phòng) để giảm năng lượng chiếu sáng nhân tạo (tạo ra từ đèn) để

giảm năng lượng. Sự khác biệt giữa thiết bị này và chấn lưu làm mờ là: chấn lưu mờ kết

nối trực tiếp với ống nhưng thiết bị kết nối giữa đường dây điện và chấn lưu.

Sơ đồ khối của hệ thống được chỉ ra ở hình 1.3

16

Hình 1.3: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm điện sử dụng phương pháp dimming

Trong sơ đồ hệ thống, dữ liệu cài đặt (năng lượng chiếu sáng của phòng) sẽ được

thêm vào thiết bị thông qua bộ phận bàn phím. Điện áp và dòng điện của nguồn điện

cũng được đo bằng đơn vị đo điện áp và dòng điện. Tất cả dữ liệu đo được sẽ gửi đến

bộ vi điều khiển (MCU, ATMEGA128) để thực hiện điều khiển. Khi thiết bị khởi động,

mức độ chiếu sáng sẽ được thiết lập bằng cách sử dụng bàn phím. Mức năng lượng chiếu

sáng này được coi là năng lượng chiếu sáng tiêu chuẩn. Sau khi thiết lập mức độ chiếu

sáng, thiết bị sẽ được chuyển sang trạng thái đang chạy. Trường hợp có ánh sáng tự

nhiên chiếu vào phòng dẫn đến năng lượng ánh sáng trong khu vực chiếu sáng cao hơn

yêu cầu. Thông qua cảm biến chiếu sáng, MCU sẽ điều khiển biến áp tự động để giảm

năng lượng chiếu sáng nhân tạo. Việc giảm được giới hạn bởi dòng điện tối thiểu của

một đèn (khoảng 180mA) [40]. Giới hạn này cho phép tuổi thọ của bóng đèn được lâu

nhất. Hệ thống sử dụng biến áp tự ngẫu để điều khiển điện áp bóng đèn. Hình ảnh của

hệ thống được đưa ra ở hình 1.4

17

Hình 1.4: Hình ảnh hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn tuýp

Nhóm nghiên cứu của TS. Nguyễn Phan Kiên đã thực hiện việc kiểm thử để chứng

minh khả năng tiết kiệm điện của thiết bị, bằng cách so sánh các thông số khi sử dụng

và không sử dụng hệ thống tiết kiệm điện đối với việc điều khiển 16 bóng đèn tuýp. Thí

nghiệm được thực hiện ở phòng đo kiểm nhà máy Z181, Bộ Quốc Phòng. Bảng 1.5 đưa

ra các thông số khi sử dụng và không sử dụng bộ tiết kiệm điện chiếu sáng dùng cho đèn

Bảng 1.5: Thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết kiệm điện

tuýp.

Độ sáng tiêu

Số

Điện áp ( V )

Dòng điện (A)

Cos φ

Độ sáng (Lux)

chuẩn (Lux)

lượng

bóng

Không

Sử

Không

Sử

Không

Sử

Không

Sử

dùng

dụng

dùng

dụng

dùng

dụng

dùng

dụng

Bóng

TKD

TKD

TKD

TKD

TKD

TKD

TKD

TKD

217

217

0.4

0.2

0.71

0.91

76

75

300

1

217

217

0.7

0.4

0.72

0.93

150

149

300

2

217

217

1

0.6

0.74

0.98

234

234

300

3

18

217

217

1.4

0.8

0.73

0.9

293

291

300

4

217

217

1.7

0.9

0.73

0.92

354

301

300

5

217

217

2.1

1.1

0.73

0.97

411

302

300

6

217

217

2.5

1.2

0.73

0.84

485

301

300

7

217

217

2.8

1.2

0.72

0.77

561

303

300

8

217

217

3.1

1.3

0.71

0.78

625

344

300

9

217

217

3.4

1.5

0.73

0.76

694

375

300

10

217

217

3.7

1.6

0.72

0.77

771

406

300

11

217

217

4.1

1.7

0.71

0.78

869

447

300

12

217

217

4.4

1.8

0.72

0.76

950

516

300

13

217

217

4.8

2

0.71

0.78

1022

582

300

14

217

217

5.1

2.1

0.71

0.81

1097

634

300

15

217

217

5.4

2.2

0.7

0.8

1164

702

300

16

Theo số liệu trong bảng 1.5: thông số điện khi sử dụng và không sử dụng thiết bị tiết

kiệm điện, tỷ lệ tiết kiệm năng lượng từ 20% đến 35% trong trường hợp không đủ năng

lượng chiếu sáng (3 ống đầu tiên, thiết lập độ sáng cao hơn thực tế), từ 33% đến 54%.

(4 đến 8 ống) ở mức độ thiết lập hệ thống chiếu sáng và khoảng 54% trong trường hợp

vượt quá năng lượng chiếu sáng. Tỷ lệ năng lượng tiết kiệm vẫn còn khoảng 54% để

duy trì tuổi thọ cao nhất của bóng đèn. Có nghĩa là dòng điện của mỗi đèn từ 140mA

đến 200 mA, gần với dòng điện tối ưu của đèn huỳnh quang.

Về mặt kinh tế, trong trường hợp thương mại hóa, giá thiết bị khoảng 3 triệu đồng

(143 USD) và thời gian sử dụng ước tính của thiết bị khoảng 8 năm. Có nghĩa là giá mỗi

ống tăng thêm khoảng 185 nghìn đồng, cao hơn giá chấn lưu điện tử. So với tăng phô

giảm sáng, cùng mức năng lượng tiết kiệm nhưng giá thiết bị trên 1 ống thấp hơn nên sẽ

là sự lựa chọn tốt nhất cho người sử dụng. Tỷ lệ tiết kiệm năng lượng từ 30% đến 50%

(cùng mức với chấn lưu làm mờ) nhưng nó hoạt động tự động. Giả sử hệ thống chiếu

sáng hiện có sử dụng chấn lưu sắt từ làm hệ thống chiếu sáng chính chạy khoảng 10h

19

mỗi ngày, 24 ngày / tháng và 12 tháng / năm, do đó tổng năng lượng của hệ thống chiếu

sáng khoảng 1843kWh (0,04kW x10h x24 ngày x12 tháng x16 ống ). Với mức năng

lượng tiết kiệm được là khoảng 30% nên sẽ giảm năng lượng khoảng 552kWh. Giá điện

là 2000 đồng / kWh (0,09 USD) nên một năm, một thiết bị TKD-N16 sẽ giảm được 1,1

triệu đồng (52 USD) tiền điện mỗi năm. Vốn đầu tư là 3 triệu đồng nên thời gian hoàn

vốn của khoản đầu tư là gần 3 năm. Bên cạnh đó, Việt Nam nằm trên khu vực xích đạo

nên ánh sáng mặt trời trong năm khá nhiều. Nó sẽ dẫn đến TKD-N16 có thể sử dụng

nhiều năng lượng chiếu sáng hơn từ mặt trời. Đồng nghĩa với việc khả năng tiết kiệm

năng lượng của thiết bị sẽ cao hơn khi áp dụng trong các trường phổ thông và đại học.

Tuy nhiên, thiết bị vẫn còn một số mặt hạn chế:

- Kích thước và khối lượng biến áp lớn, gây khó khăn cho việc lắp đặt, thi công;

giá thành thiết bị cao.

- Phương án điều chỉnh điện áp ra trên biến áp tự ngẫu không thể sử dụng cho thiết

bị đèn LED.

- Cảm biến tĩnh đưa ra thông tin không chính xác khi có vật cản chắn sáng, nguồn

sáng không ổn định.

Để khắc phục các nhược điểm trên, nghiên cứu đã đưa ra các giải pháp sau:

- Vật liệu sử dụng cho thiết bị cần được cải thiện, cụ thể là vật liệu bán dẫn để giảm

giá thành, kích thước thiết bị. Đồng thời, nghiên cứu giải pháp để thiết bị có thể

điều chỉnh được điện áp của nhiều loại bóng đèn, không bị giới hạn ở đèn tuýp.

Để làm được điều này, nghiên cứu xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa

trên cắt biên sau, sử dụng IGBT và mạch bán dẫn. Chương 2 sẽ trình bày nghiên

cứu của luận án để cải tiến độ tương thích của thiết bị với nhiều loại bóng khác

nhau.

- Đưa ra giải pháp cảm biến quay, phát hiện vật cản và nguồn sáng không ổn định.

Giải pháp này sẽ được trình bày ở Chương 3.

1.5 Kết luận chương 1

Chương 1 đã phân tích các chiến lược cải thiện hiệu năng tiết kiệm điện trong các hệ thống chiếu sáng. Qua phân tích, trong các chiến lược này, chiến lược tận dụng ánh sáng tự nhiên là chiến lược đem lại hiệu quả cao nhất. Chương 1 cũng đưa ra tình hình thực tế cho một hệ thống điều khiển chiếu sáng tận dụng ánh sáng tự nhiên cụ thể, chỉ ra những ưu điểm của hệ thống và nhược điểm cần cải thiện, bao gồm nhược điểm về sự

20

không tương thích với các thiết bị chiếu sáng, và hạn chế về cảm biến tĩnh. Trong chương

2 và chương 3, luận án đưa ra những giải pháp cải tiến những nhược điểm trên.

21

CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẢI TIỂN KHỐI ĐIỀU KHIỂN

CÔNG SUẤT THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG

Như đã trình bày ở chương 1, hệ thống tiết kiệm điện chiếu sáng dùng trong bóng

tuýp vẫn còn những hạn chế sau:

- Chưa đưa ra được giải pháp điều chỉnh độ sáng dùng trong thiết bị đèn phóng

điện và đèn LED.

- Sử dụng biến áp tự ngẫu kích thước, khối lượng lớn, gây khó khăn trong việc lắp

đặt, thi công

Phần tiếp theo sẽ nghiên cứu, phân tích và đưa ra giải pháp khắc phục những nhược

điểm trên. Trên thế giới, để điều chỉnh công suất cho các hệ thống chiếu sáng, có rất

nhiều phương pháp đã được thực hiện, ví dụ như sử dụng chấn lưu điện tử để giảm độ sáng của đèn phóng điện [41], sử dụng TRIAC điều khiển các đối tượng đèn phóng điện

[42], nghiên cứu các mạch điều khiển khác nhau điều khiển đèn LED [43] [44],…

Hướng nghiên cứu của luận án là đưa ra nghiên cứu phân tích cấu tạo, đặc tính của các

nguồn sáng nhân tạo (thiết bị chiếu sáng) thường gặp, sau đó phân tích một phương án

đã được thực hiện trong nghiên cứu, đó là phương án điều chỉnh điện áp dựa trên cắt

biên trước. Phương án điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước thường hay được lựa

chọn trong việc điều chỉnh mức năng lượng cho bóng đèn, tuy nhiên thường làm ảnh

hưởng tới tuổi thọ của bóng. Nghiên cứu sẽ phân tích và chỉ rõ hạn chế này dựa trên các

mô hình đặc tính điện của từng loại tải đèn, từ đó lựa chọn một phương pháp mới để

điều chỉnh điện áp đó là dựa trên cắt biên sau.

2.1 Mô hình, đặc tính của các đối tượng đèn

2.1.1 Đèn LED

Đèn LED sử dụng công nghệ diode phát quang dùng để phát sáng, khi sử dụng đèn

LED điện năng được chuyển hoá thẳng thành ánh sáng. Điều đó có nghĩa là chúng có

thể tạo ra ánh sáng như một bóng đèn sợi đốt chỉ với một phần năng lượng rất ít so với

năng lường dùng cho bóng đèn sợi đốt. Đèn LED là công nghệ sạch nhất trong tất cả các

hình thức chiếu sáng hiện nay. Nó không chứa thủy ngân gây hại cho môi trường giống

như bóng đèn huỳnh quang. Tuổi thọ lâu hơn (khoảng 10-20 năm) và do đó việc xử lý

chúng ít được quan tâm hơn [33] [51]. Hầu hết các bóng đèn huỳnh quang có tuổi thọ

không kéo dài hơn 3-4 năm (10000-15000 giờ sử dụng), trong khi đó đèn LED có tuổi

thọ cao hơn từ 2 đến 3 lần (lên đến 25000-50000 giờ sử dụng) [33].

22

Bộ điều khiển LED cung cấp dòng điện được điều chỉnh hoặc điều khiển cho đèn

LED để giữ độ sáng ổn định hoặc hoặc tăng/giảm độ sáng, không phụ thuộc vào sự thay

đổi điện áp nguồn và sự thay đổi nhiệt độ. Bộ nguồn chuyển mạch (Switch mode power supply - SMPS) - bộ điều khiển LED sử dụng xung PWM với tần số hàng trăm kHz

được sử dụng rộng rãi do kích thước bộ lọc nhỏ gọn và đặc tính méo hài tổng (Total

Harmonic Distortion - THD) thấp. Tuy nhiên, bộ điều khiển LED loại SMPS bị suy hao

chuyển mạch lớn và tuổi thọ ngắn hơn LED do nhiệt độ tiếp giáp cao của các chuyển

mạch [43] [52]. Thay vào đó, bộ điều khiển LED loại thụ động được ưa thích hơn do hiệu suất rất cao và tuổi thọ lớn [44]. Tuy nhiên, nhược điểm cố hữu của các bộ điều

khiển LED loại thụ động là không có khả năng điều chỉnh dòng điện và kích thước bộ lọc tương đối lớn.

Hình 2.1: Ví dụ mô hình bộ nguồn chuyển mạch cho LED

Ví dụ mô hình thiết kế bộ nguồn chuyển mạch - SMPS được đưa ra ở hình 2.1

Trong đó, thành phần diode chỉnh lưu cầu biến điện áp xoay chiều AC thành điện

áp một chiều DC sau đó được san phẳng bởi tụ lọc sơ cấp. MOSFET làm việc ở chế độ

đóng mở để tạo ra từ trường bên sơ cấp khi đó sẽ tạo ra điện áp cảm ứng bên thứ cấp của biến áp xung.

Trong phần lớn các ứng dụng, đèn LED là tải phi tuyến, do cấu trúc phức tạp của bộ

điều khiển LED.

2.1.2 Đèn phóng điện

Như tên gọi, các bóng đèn này làm việc theo nguyên lý phóng điện trong chất khí có hơi thủy ngân nên phát ra tia tử ngoại, tia này đập vào chất huỳnh quang ở bên trong

thành ống, kích thích các nguyên tử phát ra ánh sáng. Có đến 30% năng lượng điện tiêu thụ được chuyển thành ánh sáng, do đó dùng đèn phóng điện tiết kiệm điện hơn rất nhiều

so với bóng đèn sợi đốt, ít bị nóng lên vô ích.[25]

Sơ đồ đơn giản của bóng đèn phóng điện với chấn lưu được thể hiện trong hình 2.2. Đèn phóng điện, có đặc tính điện trở âm [53]. Do đặc tính điện trở âm này, đèn phóng điện sẽ tạo ra dòng điện quá mức có thể gây phá hủy đèn tức thì nếu hoạt động trực tiếp

23

từ điện áp đường dây [54] Chấn lưu được mắc nối tiếp để cung cấp điện áp khởi động

và hoạt động thích hợp và sau đó hạn chế dòng điện để bắt đầu và duy trì phóng điện hồ

quang giữa hai điện cực của bóng đèn. Dòng điện (ia) và điện áp (Va) của bóng đèn có các đặc tính phi tuyến [54]. Có hai loại chấn lưu thường được sử dụng; chấn lưu điện từ

và chấn lưu điện tử. Mặc dù chấn lưu điện tử đang có nhu cầu lớn hiện nay nhưng chấn

Hình 2.2: Sơ đồ bóng đèn phóng điện.

lưu điện từ vẫn được sử dụng phổ biến nhất do giá thành rẻ và thiết kế đơn giản.

Hình 2.3: Sơ đồ bóng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu điện tử .

Hình 2.3 chỉ ra sơ đồ bóng đèn phóng điện sử dụng chấn lưu điện tử

Chấn lưu thường có các loại như chấn lưu cảm ứng-điện trở (RL), cảm ứng-điện dung (LC) và chấn lưu từ (L), trong đó chấn lưu điện từ được sử dụng rộng rãi hơn cả. Chấn lưu điện từ lấy dòng điện phản kháng từ nguồn cung cấp. Hình 2.2 cho thấy sơ đồ mạch điện của một đèn phóng điện với chấn lưu điện từ. Để nâng cao hệ số công suất, người ta mắc song song một tụ điện với nguồn. Giả sử rằng điện áp đầu vào (Vin) là hình sin, nó có thể được tính như sau:

24

(2.1) Vin(t)=Vin sin (ωt+φ)

Trong đó Vin biểu thị biên độ của sóng sin, φ là độ lệch pha giữa điện áp đèn (Va) so

1

với điện áp đầu vào (Vin), ω là tần số góc dòng điện. Theo Lee, Seong và Nayar, Chemmangot [53], điện áp trên đèn phóng điện (Va) có thể được coi là một sóng vuông

n=odd

4Va π

n

∑ sin n ωt (2.2) Va(t)=

Trong đó Va biểu diễn biên độ của sóng vuông. Mặc dù điện áp của đèn có thể được

tính gần đúng như một hình sóng vuông, Va gần như không đổi trong mỗi nửa chu kỳ,

có thể được đơn giản hóa thành một giá trị không đổi. Ngược lại với dòng điện của bóng

đèn, Va có thể được coi là không phụ thuộc vào các biến đổi điện áp đầu vào [54]. Do

đó điện áp rơi trên chấn lưu có thể được tính như sau:

dia dt

(2.3) VL=L = vin(t)-va(t)

π

Bằng cách tích phân phương trình, i(t) có thể được tính như sau:

Va ωL

2

Vin ωL

( -ωt) - cos(ωt+γ) (2.4) Ia(t)=

Trong những nghiên cứu để đưa ra mô hình đặc tính cho đèn phóng điện, một số tác

giả như M. Sun và B. L. Hesterman, G. W. Chang [55] , đã sử dụng điện trở cố định để biểu diễn bóng đèn phóng điện khi mô phỏng mạch chấn lưu. Cách tiếp cận này chỉ có

hiệu lực đối với một điểm hoạt động vì trong phạm vi hoạt động bình thường, điện trở

hiệu dụng của bóng đèn phóng điện giảm khi tăng dòng điện của bóng đèn. Một cải tiến

so với mô hình điện trở cố định là xây dựng hàm điện trở của đèn trở thành một hàm

công suất trung bình. Một mô hình khác có thể sử dụng để xây dựng hàm điện trở là mô

hình điện trở thay đổi, trong đó điện áp hiệu dụng của bóng đèn là hàm của dòng điện

hiệu dụng, thay vì sử dụng hàm công suất trung bình. Quá trình tính trung bình liên quan

đến việc tính toán giá trị của công suất đèn trung bình, hoặc dòng điện hiệu dụng của bóng đèn trong các mô hình điện trở thay đổi khiến cho điện trở của bóng đèn không

thay đổi đột ngột trong nửa chu kỳ của dòng điện tần số cao. Do đó, các đặc tính i-v tần số cao của các mô hình như vậy về cơ bản là tuyến tính. Mặc dù các mô hình điện trở biến đổi tuyến tính rất hữu ích, chúng không thể dự đoán chính xác hệ số công suất của bóng đèn và hệ số dòng điện đỉnh của bóng đèn vì các đặc tính i-v động tức thời của đèn

phóng điện và đèn cao áp natri là phi tuyến.

Mô hình đầu tiên trình bày đặc tuyến i-v phi tuyến của một bóng đèn phóng điện hoạt động ở tần số cao được phát triển bởi Tokic, Amir và cộng sự [56]. Trong mô hình này,

25

điện áp đèn là một hàm khối của dòng đèn. Nghiên cứu của Tokic, Amir và cộng sự sử

dụng phép nội suy đường khối để nội suy dữ liệu độ dẫn đo được và sau đó thu được

một tập hợp các đa thức khối vuông để mô tả độ dẫn động của bóng đèn phóng điện. Bằng cách so sánh các kết quả đo và mô phỏng, nghiên cứu của Mader và Horn cho thấy

rằng mô hình đề xuất là chính xác cho việc đánh giá các sóng hài của đèn phóng điện.

Một nghiên cứu khác của Cepisca, Costin & Florin, Argatu & Grigorescu, Sorin &

Seritan, George & M, Covrig [57] đề xuất phương pháp nội suy đường khối để mô hình

hóa các đặc tính v-i của đèn phóng điện và đèn natri cao áp. Phương pháp nội suy đường khối là một cách tiếp cận mô hình chính xác và hiệu quả để xác định các thành phần

sóng hài của bóng đèn và có thể được áp dụng để mô hình hóa các tải phóng hồ quang tương tự khác.

Kết luận lại, mô hình đèn phóng điện có thể được mô tả bằng một hàm điện trở động,

trong đó đặc tính i-v để tính toán giá trị điện trở động có thể được tính bằng phương án

nội suy đường khối. Tải đèn phóng điện là tải phi tuyến nếu xét hoạt động ở tần số cao,

còn với tần số thấp, tải đèn phóng điện là tải thuần cảm.

2.1.3 Kết luận về mô hình đặc tính của các loại đèn

Tổng hợp lại, đèn LED là tải phi tuyến, trong khi đó đèn phóng điện là tải phi tuyến

nếu xét hoạt động ở tần số cao, còn với tần số thấp, đèn phóng điện là tải thuần cảm. Khi

nghiên cứu cải tiến phương pháp điều khiển cần chú ý tới những yếu tố này, đặc biệt là

với tải phi tuyến.

Mục 2.2 sẽ đưa ra nghiên cứu cải tiến phương pháp điều khiển dùng trong hệ thống

chiếu sáng. Nguyên lý cơ bản để thay đổi độ sáng bóng đèn là thay đổi điện áp đặt vào

nó. Như đã trình bày ở đầu chương 2, nghiên cứu sẽ tập trung vào phương án thay đổi

điện áp bằng cách điều chỉnh pha điện áp (hay còn gọi là cắt pha, hay cắt biên).

2.2 Phân tích phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên trước

Phương pháp phổ biến điều chỉnh mức sáng của đèn trong chiếu sáng dân dụng hiện

nay là dựa trên cắt mức năng lượng biên trước. Phương pháp này sử dụng khóa điện tử

là TRIAC (thường được kích bởi mạch RC) chỉ cho dòng chạy qua tại một thời điểm nhất định sau điểm 0 của tín hiệu sin và chỉ đóng khi dòng điện đảo chiều.

Sơ đồ điều khiển tải của TRIAC được thể hiện ở hình 2.3:

26

Hình 2.3: Sơ đồ điều khiển tải của TRIAC (Nguồn: https://www.electronics-

tutorials.ws/power/triac.html)

Việc điều chỉnh thời gian mở trong mỗi nửa chu kì dựa trên điều chỉnh thời gian

phóng nạp của một tụ điện qua một biến trở. Hình 2.4 minh họa đồ thị điện áp theo thời

Hình 2.4: Cắt mức năng lượng biên trước, với d là khoảng thời gian điện áp ở mức 0

gian đối với cắt mức năng lượng biên trước.

Đối với cắt mức năng lượng biên trước:

- Khi k.T < t < k.T + d (với T = 1/50) thì Ura = 0

- Còn lại thì Ura = 220.sin(50.2π.t)

27

Phương pháp cắt biên trước có hiệu quả với đèn sợi đốt. Để chứng minh, luận án đã

thực hiện thí nghiệm điều khiển độ sáng bóng đèn sợi đốt, sử dụng phương pháp cắt biên

trước. Thí nghiệm đối với bóng sợi đốt được đưa ra kết quả như hình 2.5.

Hình 2.5: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên trước;

a. URMS = 72.1V, IRMS = 110mA; b. URMS = 154V, IRMS = 156mA; c. URMS = 197V, IRMS = 176mA; d. URMS = 222V, IRMS = 187mA

-

Dựa trên kết quả của thí nghiệm được chỉ ra ở hình 2.5, chúng ta có thể thấy điện áp

và dòng điện đi qua bóng không xuất hiện các xung ngược hay các sóng hài bậc cao, bởi

bóng sợi đốt là tải thuần trở nên không xuất hiện các thành phần tần số cao. Do đó, bóng

đèn sợi đốt có thể điều chỉnh độ sáng bằng phương pháp cắt biên trước.

Trong thực tế, những bộ điều chỉnh độ sáng cắt biên trước thường được sử dụng để làm mờ đèn sợi đốt và đèn halogen. Tuy nhiên, những bộ điều chỉnh độ sáng này có tải

tối thiểu cao, khiến chúng trở nên ít hữu ích hơn đối với ánh sáng năng lượng thấp như đèn LED. Bộ điều chỉnh độ sáng có yêu cầu tải tối thiểu vì nếu tải LED không tạo đủ dòng điện để giữ các phần tử chuyển mạch của bộ điều chỉnh độ sáng đóng. Yêu cầu tải tối thiểu cao của bộ điều chỉnh độ sáng cạnh trước có nghĩa là có thể gặp khó khăn để đáp ứng mức tối thiểu này với đèn LED và mức tiêu thụ điện năng thấp của chúng. Vì

điều này, sẽ phải sử dụng nhiều đèn LED trên một bộ điều chỉnh độ sáng để đáp ứng các yêu cầu tải tối thiểu của bộ điều chỉnh độ sáng cạnh trước.

28

Bên cạnh đó, trong mỗi nửa chu kì dòng điện bắt đầu từ 0 rồi tăng vọt lên một giá trị

nhất định. Theo nghiên cứu của Elliott về dimming đối với bóng đèn [58], khi sử dụng

phương pháp cắt biên trước thời gian tăng của điện áp từ 0 lên 300V là 1.8us. Chính thời

gian tăng nhanh này là nguyên nhân khiến các thiết bị tải phi tuyến, chẳng hạn như đèn

LED, dễ dẫn đến hư hỏng, vì trong các thiết bị này luôn có một hoặc một vài tụ điện

được nạp với dòng điện có cường độ tăng rất nhanh, chưa đến 2us, trong mỗi nửa chu

kỳ. Điều này có thể lý giải như sau:

Khi đặt điện áp uc vào hai đầu tụ điện, sẽ có điện tích q tích lũy trên bản cực tụ điện:

q = C.uc, trong đó C là giá trị điện dung của tụ điện. Nếu điện áp uc biến thiên, sẽ có

dq

dòng điện dịch chuyển qua tụ điện:

(2.5)

= C

ic=

dt

duc dt

Trong đó:

ic: Dòng điện chạy qua tụ điện

- - C: Điện dung của tụ điện - uC: Điện áp trên hai đầu tụ

Khi uc tăng vọt từ 0 đến 300V, tương đương với duc rất lớn, tuy nhiên dt lại rất nhỏ (cỡ 1.8us, theo Elliott [58]), gây ra ic tăng vọt. Dòng điện tăng vọt này gây ra hiện tượng

dòng đột biến (surge current) đi qua các phần tử của đèn LED, gây ảnh hưởng tới tuổi

thọ của đi ốt, từ đó giảm tuổi thọ của LED. Để làm rõ cho luận điểm này, luận án đã tìm

hiểu ảnh hưởng của dòng điện đột biến (surge current) tới tuổi thọ của đi ốt được đưa ra

trong tài liệu tham khảo kỹ thuật của đi ốt. Trong kỹ thuật, các xung gây ra trong dòng

điện do sự mất cân bằng điện áp, điều kiện khởi động, hoặc sự khác biệt về điện thế

được gọi là dòng điện đột biến. Một số nguồn xoay chiều (AC) như nguồn điện cảm

ứng, biến áp,… có thể tạo ra một lượng lớn dòng điện đột biến cho đến vài chu kỳ khi

được bật. Điều này có thể gây ra sự cố hoặc hư hỏng của thiết bị. Cụ thể, tài liệu tham khảo kỹ thuật của đi ốt cầu chỉ ra tương quan giữa cường độ đỉnh dòng điện đột biến với

giới hạn chịu đựng của đi ốt đối với chu kỳ lặp lại của dòng điện đột biến:

Nhìn vào hình 2.6, ta có thể thấy được giới hạn chịu đựng chu kỳ lặp lại của dòng điện đột biến phụ thuộc vào giá trị cường độ đỉnh của dòng đột biến, và giới hạn này tỷ lệ nghịch với giá trị cường độ đỉnh này. Với cường độ dòng điện đỉnh càng cao, giới hạn chịu đựng của đi ốt càng thấp.

29

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 (Nguồn: https://datasheetspdf.com/pdf/1391020/SMCDiode/ABS10/1

Để minh chứng cho nhược điểm trên của phương pháp cắt biên trước, luận án thực

hiện kiểm thử điều chỉnh công suất cho bóng đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước.

Trong thí nghiệm này sẽ sử dụng bóng đèn LED công suất 5W và mạch điều chỉnh công

suất sử dụng TRIAC.

Mạch điện điều chỉnh công suất cho bóng đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước

Hình 2.7: Mạch điện điều chỉnh công suất đèn LED bằng phương pháp cắt biên trước

trong thực tế được chỉ ra ở hình 2.7:

Đồ thị dòng điện đi qua tải đối với phương pháp điều khiển điện áp cắt biên trước đo

được trên oscilloscope thể hiện ở hình 2.8. Đồ thị ở hình 2.8 cho thấy, xung dòng điện

đỉnh đi qua thiết bị tải lên tới 1,7A với công suất của đèn LED chỉ là 5W. Nếu chúng ta

sử dụng tải đèn là 50W thì giá trị của xung dòng điện này sẽ tăng lên gấp 10 lần là 17A.

Giá trị này gây tổn hại rất lớn đến lưới điện, hệ thống điều khiển và tuổi thọ của linh

kiện trong mạch. Cụ thể ở đây với đèn LED chúng ta sẽ sử dụng một mạch cầu đi ốt có

30

thể chịu được dòng xung cực đại là 10A với số lần chịu xung là 100 lần với độ rộng

xung là 50% và tần số là 50Hz, cường độ dòng điện đỉnh 17A, đi ốt cầu trong hình 2.6

có thể chịu được khoảng 50 lần lặp lại của dòng điện đột biến (với tần số lặp lại 60Hz –

bằng với tần số dòng điện xoay chiều cung cấp cho thiết bị), trước khi đi ốt này mất tác

dụng. Vì vậy, đối với các xung dòng điện đỉnh lên đến 17A, lặp đi lặp lại trong quá trình

điều khiển công suất bằng biện pháp cắt biên trước, sẽ làm giảm tuổi thọ của đi ốt cầu

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.

a. URMS = 68.4V, IRMS = 43.9mA; b. URMS = 153V, IRMS = 76.4mA; c. URMS = 199V, IRMS = 65.6mA; d. URMS = 223V, IRMS = 27.7mA

từ đó làm giảm tuổi thọ của đèn LED

.

2.3 Xây dựng phương pháp điều chỉnh điện áp dựa trên cắt biên sau

Nghiên cứu đã đưa ra giải pháp cắt mức năng lượng biên sau, thay vì cắt mức năng

lượng biên trước, đồng thời điều khiển bằng tín hiệu số. Phương pháp điều chỉnh mức

sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau sẽ giải quyết các nhược điểm nói trên của

phương pháp cắt mức năng lượng biên trước (bao gồm sự sinh nhiễu điện từ và sự giảm

tuổi thọ của bóng đèn). Trong luận án, luận án đồng thời khảo sát sự tác động của phương

31

pháp này lên các đối tượng đèn khác nhau, cụ thể là đèn sợi đốt, đèn LED, đèn phóng

điện vì bản chất của các loại đèn này rất khác nhau. Cụ thể, với các loại đèn sợi đốt thì

tải được coi là tải thuần trở trong khi đèn LED, đèn phóng điện thì có dạng tải phi tuyến

(vừa dạng tải cảm, vừa dạng tải dung tùy thuộc vào quá trình phóng điện (khởi tạo ban

đầu) và quá trình ổn định khi đèn đã sáng). Về bản chất của bóng đèn phóng điện như

đã đề cập ở trên thì đặc tuyến của những bóng này không phải dạng tải cảm cũng không

phải dạng tải dung thuần túy mà nó là sự kết hợp của hai dạng tải này với đặc tính tải là

dạng phi tuyến.

Hình 2.9: Cắt mức năng lượng biên sau, với d là thời gian điện áp ở mức 0

Hình 2.9 chỉ ra đồ thị điện áp theo thời gian đối với cắt mức năng lượng biên sau.

Đối với cắt mức năng lượng biên sau:

- Khi k.T - d < t < k.T (với T = 1/50) thì Ura = 0

- Còn lại thì Ura = 220.sin(50.2π.t)

Mạch điều chỉnh mức sáng của đèn theo phương pháp này được nghiên cứu dựa trên

nguyên lý: điều khiển đóng mở IGBT bằng vi điều khiển Atmega 16 dựa trên tín hiệu

bắt điểm 0 của dòng điện. Thời gian cho dòng chạy qua IGBT trong mỗi nửa chu kỳ

được dễ dàng điều chỉnh bằng chiết áp, do đó tác dụng điều khiển công suất cũng giống

như phương pháp cắt biên trước. Thêm vào đó phương pháp này cho phép dòng qua

IGBT tăng từ từ theo sườn hình sin, và thời gian đóng IGBT cũng có thể kiểm soát dễ

dàng, chính điều này làm giảm tối đa nhiễu điện từ sinh ra do quá trình đóng ngắt trong

mỗi nửa chu kỳ.

32

Hình 2.10: Sơ đồ khối của thiết bị điều chỉnh mức sáng đèn dựa trên cắt biên sau

Sơ đồ khối của thiết bị được chỉ ra trong hình 2.10. Trong đó, nguồn cung cấp 220V,

50Hz được lấy mẫu để xác định điểm không thông qua khối bắt điểm không. Tín hiệu

bắt điểm không được đưa vào vi điều khiển, đồng thời tín hiệu xác định thời gian ngắt

trong mỗi nửa chu kì cũng được đọc từ điện áp trên biến trở vào vi điều khiển. Từ 2 tín

hiệu này vi điều khiển xuất ra tín hiệu kích cho driver của IGBT, từ đó khối cắt biên sẽ

thực hiện cắt mức năng lượng chảy vào tải.

Hình 2.11: Khối bắt điểm không

Sơ đồ khối bắt điểm không được chỉ ra trong hình 2.11.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) là transistor có cực điều khiển cách ly là

một linh kiện bán dẫn công suất 3 cực [59]. IGBT kết hợp khả năng đóng cắt nhanh

của MOSFET và khả năng chịu tải lớn của transistor thường. Mặt khác IGBT cũng là

phần tử điều khiển bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ nhỏ. Về cấu trúc

bán dẫn, IGBT rất giống với MOSFET, điểm khác nhau là có thêm lớp nối với cực

thu tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa cực phát (tương tự cực cổng) với cực thu (tương

tự với cực máng), mà không phải là n-n như ở MOSFET. Vì thế có thể coi IGBT tương

đương với một transistor p-n-p với dòng cực nền được điều khiển bởi một MOSFET.

Dưới tác dụng của áp điều khiển Uge>0, kênh dẫn với các hạt mang điện là các điện tử

được hình thành, giống như ở cấu trúc MOSFET. Các điện tử di chuyển về phía cực thu

33

vượt qua lớp tiếp giáp n-p như ở cấu trúc giữa cực nền và cực thu ở transistor thường,

Hình 2.12: Khối driver cho IGBT và khối cắt pha (gồm IGBT và cầu diode)

tạo nên dòng ở cực thu.

Mạch driver cho IGBT được chỉ ra trong hình 2.12. Trong đó cặp transistor kéo đẩy

có vai trò đóng mở cho IGBT. Tín hiệu kích cho cặp transistor này được truyền từ chân

xuất ra của vi điều khiển thông qua opto quang. Diode zenner và TVS diode giúp bảo

vệ IGBT khỏi xung quá áp. Mỗi khi có tín hiệu ngắt ngoài đưa vào vi điều khiển từ mạch

bắt điểm không, chân tín hiệu ra xuất tín hiệu mức cao kích cho driver mở IGBT, sau

một khoảng thời gian nhất định (nhỏ hơn 10ms), chân tín hiệu ra xuất tín hiệu mức thấp

kích cho driver đóng IGBT. Khi nào có tín hiệu ngắt ngoài thì quá trình trên lại đc lặp

lại. Như vậy thời gian dòng điện chảy qua tải trong mỗi nửa chu kỳ phụ thuộc vào thời

gian delay, và thời gian này được điều chỉnh bằng một chiết áp thông qua chân ADC

của vi điều khiển. Khối cắt pha được chỉ ra trong hình 2.12. Do IGBT chỉ đóng ngắt

được với dòng một chiều nên để IGBT hoạt động được ở cả nửa chu kỳ âm và dương ta

cần cầu diode chỉnh lưu.

Lưu đồ thuật toán điều khiển của vi điều khiển Atmega16 được trình bày trong hình

2.13. Khi dòng điện xoay chiều từ nguồn 220V về 0, tín hiệu ngắt ngoài được gửi tới

chân PD3. Khi đó Chân PD4 được đưa lên mức cao để kích mở IGBT và trạng thái này

được giữ trong khoảng thời gian t ms, sau đó PD4 lại được đưa về mức thấp để đóng

IGBT. Tín hiệu điện áp trên chân PA0 được đưa vào bộ ADC để tính ra thời gian t tương

ứng muốn delay.

34

Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán điều khiển của thiết bị

Kết quả thực nghiệm đo trên các thiết bị: bóng LED, bóng sợi đốt và đèn phóng điện

như sau:

Hình 2.14: Tín hiệu bắt điểm không đưa vào vi điều khiển

Mạch bắt điểm không và driver cho IGBT hoạt động tốt, được chỉ ra ở hình 2.14

Với bóng sợi đốt, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm 100% về 0% dòng chạy qua đèn trong mỗi nửa chu kì cũng giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng của bóng giảm từ

tối đa về 0. Đèn tắt hẳn khi chiết áp về 0% (hình 2.15)

35

a

b

c

d

e

Hình 2.15: Điện áp và dòng điện trên đèn sợi đốt khi điều chỉnh bằng cắt biên sau; a.

URMS = 222V, IRMS = 188mA; b. URMS = 204V, IRMS = 181mA; c. URMS = 149V, IRMS = 155mA;

d. URMS = 104V, IRMS = 129mA; e. URMS =71.8V, IRMS = 107mA

Với bóng đèn LED, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm 100% về 0% dòng chạy qua

đèn trong mỗi nửa chu kì cũng giảm theo (từ 10-0ms) đồng thời độ sáng của bóng giảm

từ tối đa về 0. Đèn bị nháy khi tắt hẳn khi chiết áp về 30%. Và tắt hẳn khi về 0%. So sánh với kết quả của phương pháp cắt biên trước (được chỉ ra ở hình 2.8), ta có thể nhận thấy phương pháp cắt biên sau không tạo ra các xung dòng có biên độ lớn. Dòng điện

qua đèn LED gần như không đổi chỉ có điện áp là giảm do đó dẫn đến giảm công suất. Hay nói cách khác phương pháp cắt biên sau KHÔNG làm giảm tuổi thọ của bóng đèn (hình 2.16).

36

a

b

d

c

e

Hình 2.16: Điện áp và dòng điện trên đèn LED khi điều chỉnh bằng cắt biên sau;

a. URMS = 222V, IRMS = 27.5mA; b. URMS = 202V, IRMS = 26.7mA; c. URMS = 150V, IRMS =

23.9mA; d. URMS = 104V, IRMS = 20.9mA; e. URMS =70.4V, IRMS = 17.3mA

Qua kết quả trên, có thể thấy được rằng, phương pháp cắt biên sau đã loại bỏ được xung đỉnh có cường độ lớn xuất hiện trên dòng điện đi qua bóng đèn LED, so với phương

pháp cắt biên trước. Đến đây có thể kết luận được việc điều chỉnh công suất bằng phương pháp cắt biên sau hoàn toàn phù hợp với đối tượng đèn LED. Tuy nhiên, như đã trình bày ở phần mục tiêu nghiên cứu bao gồm đối tượng đèn phóng điện, luận án đã thực

hiện kiểm thử phương pháp cắt biên sau lên đối tượng đèn phóng điện. Kết quả kiểm thử

được đưa ra như sau:

Với bóng đèn phóng điện, khi điều chỉnh cắt biên sau giảm từ 100% thời gian có dòng chạy qua đèn cũng giảm theo, đồng thời độ sáng của bóng giảm dần từ mức tối đa đến 0. Đèn bắt đầu tắt hẳn khi chiết áp vẫn chưa về mức 0%. Ngay sau mỗi thời điểm khóa IGBT ở mỗi nửa chu kì luôn xuất hiện một xung ngược rất lớn, IGBT nóng rất

37

nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng. Đồng thời nhiễu điện từ sinh ra rất lớn

thậm chí phát ra cả tiếng ồn. Điều này là do thành phần cảm kháng của chấn lưu rất lớn

Hình 2.17: Điện áp trên đèn phóng điện khi điều chỉnh bằng phương pháp cắt biên sau

nên ngay sau mỗi thời điểm khóa của IGBT sẽ có xung cảm ứng điện từ dội về IGBT (hình 2.17)

Dựa trên kết quả đo được, kết luận dạng tín hiệu điện áp của các loại đèn rất khác

nhau. Điều này là do bản chất loại tải của các đèn này khác nhau.Tín hiệu điện áp đèn

sợi đốt phản ánh sát với lý thuyết của phương pháp này do đèn này là tải thuần trở. Tín

hiệu điện áp của đèn phóng điện dù có phần phản ánh lý thuyết nhưng lại xuất hiện xung

ngược rất lớn dội về. Điều này là do thành phần cảm kháng của chấn lưu rất lớn nên

ngay sau mỗi thời điểm khóa của IGBT sẽ có xung cảm ứng điện từ dội về IGBT. Trong

khi đó, bóng LED là tải kết hợp RLC, dạng tín hiệu điện áp không phản ánh lý thuyết

của phương pháp điều chỉnh mức sáng này. Dù thời gian có dòng chạy qua bóng không

thay đổi khi điều chỉnh cắt biên sau nhưng thay vào đó là sự thay đổi của điện áp cực

đại trong mỗi nửa chu kỳ, do đó vẫn có hiệu quả điều chỉnh mức sáng.

Từ những kết quả trên, nghiên cứu tiến hành cải tiến phương pháp điều chỉnh mức

sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau lên đối tượng đèn phóng điện sử dụng chấn

lưu sắt từ.

2.4 Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt biên sau

Như đã trình bày ở phần 2.2, phương pháp điều chỉnh cường độ sáng dựa trên cắt

mức năng lượng biên (cạnh) trước đã phổ biến trên thị trường từ lâu nhưng lại gặp một

số nhược điểm như gây ra nhiễu điện từ, và giảm tuổi thọ của đèn. Các nhược điểm này

có thế khắc phục nhờ phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng

biên sau và nó hoàn toàn phù hợp với các đối tượng là đèn sợi đốt và hiệu quả với đèn

LED, tuy nhiên lại không phù hợp với đối tượng là đèn phóng điện (phần 2.3). Luận án

đã chỉ ra giải pháp triệt tiêu xung ngược trong các giải pháp cắt mức biên sau bằng cách

38

sử dụng mô hình biến đổi RLC từ nối tiếp sang song song đồng thời đề xuất sử dụng

phương pháp điều chế độ rộng xung nhằm mở rộng dải điều chỉnh đối với các mạch điều

chỉnh mức sáng, cho phép điều chỉnh năng lượng ánh sáng của đèn phóng điện từ mức

0 trở đi chứ không chỉ từ 30% năng lượng như phương pháp đưa ra ở phần 2.3.

Qua kết quả thu được đối với phương pháp cắt biên sau ở phần 2.3 ta thấy có sự xuất

hiện của xung điện áp ngược với biên độ rất lớn, tạo nên hiện tượng “đánh thủng thác

lũ” làm hỏng IGBT. Trong hình 2.17 ta thu được dạng tín hiệu sau khi IGBT đóng lại là

một dao động tắt dần có tần số hài bậc cao và biên độ tắt dần. Dao động này sinh ra là

do bản chất của thiết bị chiếu sáng của đèn phóng điện là một mạch RLC nối tiếp như

hình 2.18 trong đó thành phần L là chấn lưu sắt từ cuộn dây, R là điện trở bóng đèn sau

khi đèn đã sáng và C là thành phần dung dung kháng trong bóng đèn. Mạch tạo thành

một dao động điều hòa cho dòng điện và cộng hưởng giống như mạch LC và điện trở R

Hình 2.18: Mạch điện đèn phóng điện sử dụng chấn lưu sắt từ

tải sẽ làm tắt dần dao động khi tắt IGBT.

Trong mạch này các thành phần điện trở, cuộn cảm và tụ điện được mắc nối tiếp với

nhau và nối vào nguồn điện áp xoay chiều.

R

Đối với mạch RLC mắc nối tiếp, thì 2 đại lượng quan trọng là:

α= (2.6)

2L

1

ω0=

√LC

và (2.7)

Trong đó α gọi là tần số neper là đại lượng đặc trưng cho tốc độ tắt của dao động

trong mạch nếu nguồn cấp không còn. Gọi là tần số neper vì nó có đơn vị là neper/giây

Một thông số hữu ích nữa là hệ số suy giảm, ζ được định nghĩa là tỷ số của 2 đại lượng này:

α

(Np/s), neper là đơn vị của suy giảm. ω0 là tần số góc cộng hưởng.

(2.8)

ω0

ζ=

39

R

Đối với mạch RLC mắc nối tiếp, thì hệ số suy giảm như sau:

2

ζ= (2.9) √C L

Hình 2.19: Đáp ứng tắt dần của mạch RLC nối tiếp

Giá trị của hệ số suy giảm xác định kiểu tắt dao động của mạch.

Để triệt tiêu dao động tắt dần này nghiên cứu đã sử dụng một tụ điện gốm mắc song

song với tải đèn. Qua đó, chuyển đổi mạch điện của tải đèn từ mạch RLC nối tiếp thành

Hình 2.20: Mạch RLC song song (Nguồn: tác giả)

một mạch RLC song song.

1

1

1

1

1

1

Tổng dẫn phức của mạch RLC song song là tổng độ dẫn nạp của các thành phần:

Z

jωL

R

ZL

ZC

ZR

= + + = +jωC+ (2.10)

Trong đó Z là tổng dẫn phức của mạch, ZL, Zc, ZR là cảm kháng, dung kháng và trở

kháng của mạch.

40

Sự thay đổi từ mạch nối tiếp sang mạch song song dẫn đến trong mạch xuất hiện một

trở kháng cực đại lúc cộng hưởng chứ không phải là cực tiểu, do đó mạch chống lại sự

cộng hưởng.

Vấn đề thứ hai cần giải quyết là khi điều chỉnh khoảng dẫn về 4 ms thì đèn tắt, làm

Hình 2.21: Vị trí cắt biên sau làm đèn tắt

cho dải điều chỉnh công suất của đèn bị giới hạn (hình 2.21)

Nguyên nhân là do biên độ điện áp quá thấp. Để tăng dải điều chỉnh công suất cho

phương pháp cắt biên sau, luận án đề xuất cải tiến thuật toán cắt pha từ một lần chuyển

sang nhiều lần và mức công suất điều chỉnh sẽ dựa trên phương pháp điều chế độ rộng

Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán mới thực hiện đóng cắt 50 lần trên một nửa chu kỳ

xung PWM. Lưu đồ thuật toán được thể hiện ở hình 2.22

41

Nghiên cứu thực hiện mô phỏng đóng cắt 10 lần với mức điều chỉnh công suất 50%

Hình 2.23: Kết quả dạng tín hiệu điều khiển và điện áp ra mô phỏng với tụ 100nF mắc

song song với tải

Hình 2.24: Kết quả dạng tín hiệu điện áp ra trên tải đèn phóng điện

trên phần mềm mô phỏng cho kết quả ở hình 2.23 dưới đây.

Kết quả đo đạc thực tế trên phần cứng đã cải tiến với tụ 1uF mắc song song ở đầu ra

và mức công suất điều chỉnh 30% thể hiện trong hình 2.24.

42

2.5 Kết luận chương 2

Nghiên cứu đã chỉ rằng phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng

lượng biên sau phù hợp với tải sợi đốt, tải đèn LED do không làm giảm tuổi thọ của

bóng đèn, tuy nhiên phương pháp cắt biên sau lại không thể sử dụng được với tải đèn

phóng điện.

Phương pháp điều chỉnh mức sáng sau khi cải tiến đã sử dụng được cho bóng đèn

phóng điện chấn lưu sắt từ. Phương pháp này đã loại bỏ được xung điện áp ngược với

biên độ rất lớn là nguyên nhân làm nóng IGBT rất nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn

sử dụng.

Nghiên cứu cũng đã mở rộng được dải điều chỉnh cường độ ánh sáng hay công suất

tiêu thụ đối với bóng đèn phóng điện bằng giải thuật điều khiển mới cho phép điều chỉnh

công suất tiêu thụ của bóng đèn phóng điện từ mức năng lượng bằng 0 trở đi chứ không

còn mức 30% so với các phương pháp cũ. Kết quả giải thuật đã thực hiện đúng yêu cầu

của nghiên cứu đề ra khi áp dụng trên chương trình của vi điều khiển ATMEGA16.

Mạch điện thực tế chạy tốt cho kết quả đo đạc giống như đã mô phỏng trên phần mềm.

Với cải tiến của nghiên cứu, thiết bị có thể áp dụng cho bất kỳ loại tải chiếu sáng nào

có chứa thành phần tải cảm hay nói cách khác là phương pháp điều chỉnh công suất mới

có thể sử dụng cho mọi loại bóng đèn chiếu sáng. Điều này rất có lợi trong việc điều

chỉnh công suất tại đầu nguồn cho các hệ thống chiếu sáng công suất cao và có nhiều

loại đèn khác nhau trong cùng hệ thống.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 1 và số 3 trong danh mục các

công trình đã công bố của luận án.

Sau khi cải tiến hệ thống điều khiển ánh sáng tương thích với mọi loại bóng đèn,

nghiên cứu tiếp tục đề xuất phương án cải tiến cảm biến tĩnh hiện tại đang được sử dụng

ở hệ thống tiết kiệm điện dùng trong hệ thống chiếu sáng, đã được công bố ở nghiên cứu

[39]. Trong thực tế, có rất nhiều trường hợp hướng cảm biến bị chặn bởi các vật cản

không mong muốn. Trường hợp như vậy làm thay đổi dữ liệu đo, dẫn đến việc điều

khiển độ chiếu sáng không chính xác. Chương 3 sẽ phân tích và đề xuất phương án cải

tiến cảm biến.

43

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CẢM BIẾN ÁNH SÁNG QUAY ĐA HƯỚNG

Như đã trình bày ở chương 1, mức độ chiếu sáng được điều khiển theo nhu cầu phụ

thuộc vào sự thay đổi của giá trị cảm biến. Hệ thống tiết kiệm điện dùng trong chiếu

sáng [39] sử dụng cảm biến đơn, trong nhiều trường hợp đưa ra thông tin không chính

xác khi có vật cản chắn sáng, nguồn sáng không ổn định.

Đa số các hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng năng lượng ánh sáng tự nhiên

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống tiết kiệm năng lượng tận dụng ánh sáng tự nhiên

thường có sơ đồ khối như sau:

Trong đó khối cảm biến thông thường được lựa chọn bởi phương án một cảm biến

[60], hoặc một mạng cảm biến [61] [62]… Trong phạm vi của nghiên cứu sẽ phân tích những ưu, nhược điểm của hai phương án này, từ đó nghiên cứu đưa ra giải pháp cảm

biến quay đa hướng để khắc phục các nhược điểm trên.

3.1 Tổng quan về các loại cảm biến ánh sáng sử dụng trong hệ thống tiết kiệm năng lượng

Nguyên lý đo ánh sáng của thiết bị chính là việc sử dụng cảm biến ánh sáng để biến

đổi các đại lượng vật lý thành đại lượng điện để thực hiện quá trình đo lường. Cảm biến

ánh sáng là thiết bị quang điện có khả năng chuyển đổi năng lượng ánh sáng (dưới dạng

photons, thường là ánh sáng khả kiến hoặc tia hồng ngoại) thành tín hiệu điện (dưới dạng

electrons).

Các cảm biến ánh sáng có thể chia làm hai loại: một loại tạo ra năng lượng điện khi

được chiếu sáng vào, loại còn lại sẽ thay đổi các thuộc tính về điện (độ dẫn điện, điện

trở,…) khi được chiếu sáng vào. Trên thực tế, có một số dòng cảm biến ánh sáng như

sau:

- Bóng phát xạ (Photo-emissive cells): hoạt động dựa trên nguyên lý các vật liệu

nhạy cảm với ánh sáng, chẳng hạn như caesium, sẽ giải phóng electrons khi bị

các hạt photons mang năng lượng đủ lớn va vào. Năng lượng photons càng lớn

sẽ giải phóng càng nhiều electrons.

44

- Tế bào quang dẫn (Photo-conductive Cells) - Các thiết bị quang này thay đổi điện

trở của chúng khi bị ánh sáng chiếu vào. Hiện tượng quang dẫn là kết quả của

việc ánh sáng chiếu vào vật liệu bán dẫn điều khiển dòng điện chạy qua nó. Do

đó, nhiều ánh sáng hơn làm tăng dòng điện đối với một điện áp đặt vào nhất định.

Vật liệu quang dẫn phổ biến nhất là Cadmium Sulphide được sử dụng trong tế

bào quang điện LDR.

- Tế bào quang điện (Photo-voltaic Cells) - Các thiết bị quang điện này tạo ra suất

điện động tương ứng với năng lượng ánh sáng bức xạ nhận được và có tác dụng

tương tự như hiện tượng quang dẫn. Năng lượng ánh sáng rơi vào hai vật liệu bán

dẫn kẹp với nhau tạo ra hiệu điện thế xấp xỉ 0,5V. Vật liệu quang điện phổ biến

nhất là Selenium được sử dụng trong pin mặt trời.

- Thiết bị tiếp giáp quang (Photo-junction Devices) - Các thiết bị quang điện này

chủ yếu là các thiết bị bán dẫn thực sự như điốt quang hoặc điện trở quang sử

dụng ánh sáng để điều khiển dòng electron và lỗ trống qua điểm nối PN của

chúng. Thiết bị tiếp giáp quang được thiết kế đặc biệt cho ứng dụng máy dò và

sự xuyên sáng với phản ứng quang phổ của chúng được điều chỉnh theo bước

sóng của ánh sáng tới.

3.2 Phân tích một số phương án cải tiến cảm biến ánh sáng

Hiện nay, giải pháp thường thấy để cải tiến cảm biến đơn là sử dụng mạng cảm biến

bao gồm nhiều cảm biến tĩnh, với mục tiêu đo đạc thông tin chính xác tại nhiều điểm

trong khuôn viên chiếu sáng, từ đó tính toán và đưa ra đầu vào chính xác cho hệ thống

điều khiển chiếu sáng. Bảng 3.1 đưa ra thông tin so sánh ưu, nhược điểm giữa việc sử

Bảng 3.1: So sánh ưu nhược điểm của cảm biến đơn tĩnh và mạng cảm biến

dụng cảm biến đơn và sử dụng mạng cảm biến.

Sử dụng cảm biến đơn Sử dụng mạng cảm biến

Ưu điểm  Giá thành rẻ

 Triển khai đơn giản, chi phí

thi công thấp

 Độ chính xác cao, kết quả đo chính xác hơn so với phương pháp dùng duy nhất một cảm biến, do phân tích kết quả của nhiều cảm biến

 Phù hợp một số bài toán đặc thù

45

Nhược điểm  Do cấu trúc mạng nút cảm biến không đáng tin cậy (khả năng chịu lỗi), dẫn đến mạng cảm  Độ chính xác chưa cao: để đưa ra một kết quả đo chính xác thì cần phải áp dụng biến không phát hiện được lỗi nhiều thuật toán, thu thập dữ [63] khi phải truyền qua nhiều liệu và phụ thuộc lớn vào môi nốt mạng. trường đo  Tốc độ phản ứng chậm[64]  Dễ chịu tác động từ các yếu  Giá thành cao tố bên ngoài

 Khó mở rộng, thay đổi[65]

 Sai số lớn: cảm biến có thể bị tượng chặn bởi các đối

chuyển động hoặc bị chiếu

sáng bởi chùm ánh sáng hẹp (không phải nguồn chiếu

sáng)

Phân tích sâu hơn về hệ cảm biến tĩnh, nghiên cứu nhận thấy những nhược điểm sau:

- Khả năng khử lỗi trong mạng cảm biến ánh sáng yêu cầu hệ thống vẫn phải hoạt

động chính xác trong khi một số cảm biến có thể đã bị lỗi. Rất khó để đáp ứng

yêu cầu này khi các cảm biến ánh sáng được phân bố các vị trí khác nhau. [63]

- Do hướng đo bị cố định nên dễ bị tác động bởi vật cản hoặc các nguồn sáng hẹp,

đồng thời không đo chính xác được các nguồn sáng di chuyển như mặt trời, từ đó

dẫn đến sai số của giá trị đo so với thực tế là rất lớn.

- Cuối cùng, hệ thống các cảm biến tĩnh có thể có vấn đề tốc độ phản ứng chậm

khi các cảm biến được đặt theo hướng cố định. Hệ thống tĩnh không thể cảm nhận

được sự thay đổi của cường độ ánh sáng trong các vùng không được cảm biến

bao quát [64].

Ngoài ra, còn một bài toán nữa mà cảm biến tĩnh đơn lẻ/ mạng cảm biến tĩnh không

giải quyết được đó là ảnh hưởng của nguồn sáng gián tiếp (hay còn gọi là nguồn sáng

nhiễu) tới nguồn sáng trực tiếp, dẫn đến thông tin đọc về từ một cảm biến tĩnh không

chính xác. Ảnh hưởng này đã được chỉ ra ở trong nghiên cứu của Kim, In-Tae & Kim,

Yu-Sin & Nam, Hyeonggon và Hwang, Taeyon [38]. Theo nghiên cứu trên, mô hình

ảnh hưởng của nguồn sáng gián tiếp tới nguồn sáng trực tiếp được đưa ra ở Hình 3.2

46

Hình 3.2: Môi trường chiếu sáng thực tế ảnh hưởng bởi nguồn sáng trực tiếp và gián tiếp

(Nguồn: Advanced Dimming Control Algorithm for Sustainable Buildings by Daylight Responsive

Dimming System. Sustainability [38])

Theo nghiên cứu [38], cường độ sáng của phòng (𝐸𝑇𝑖) tại vị trí i có thể được tính

(3.1)

như sau:

n j=1

ETi=EDi + ∑ Eij

Trong đó:

EDi là cường độ chiếu sáng của ánh sáng tự nhiên đối với vị trí i

Eij là cường độ chiếu sáng của đèn tại vị trí j đối với vị trí i

Nếu cảm biến ánh sáng được gắn vào đèn điện nhận biết rằng cường độ sáng của

phòng đã cao hơn mức chiếu sáng yêu cầu, thì hệ thống điều khiển đèn chiếu sáng sẽ

giảm bớt công suất trên đèn. Tuy nhiên, cảm biến tĩnh sẽ không nhận biết liệu phần

cường độ sáng dư thừa này có bị ảnh hưởng bởi độ rọi gián tiếp của các bộ đèn khác hay

không. Vì lý do đó, thực tế đèn đã bị giảm công suất quá mức yêu cầu. Ngoài ra, khi thành phần cường độ sáng gián tiếp lớn hơn thành phần cường độ sáng trực tiếp, ánh

sáng lúc này bị phân kỳ mà không hội tụ với mục tiêu, từ đó hệ thống điều khiển không thể tính toán được công suất để duy trì độ sáng yêu cầu.

Tổng hợp lại, những bài toán đưa ra để khắc phục cảm biến tĩnh/ hệ cảm biến tĩnh

bao gồm:

- Cần phải phát hiện được vật cản trước cảm biến, do vật cản sẽ gây sai số trong

kết quả đo

47

- Cần giải quyết bài toán ảnh hưởng bởi nguồn sáng gián tiếp lên nguồn sáng trực

tiếp, do sự phân bố các nguồn sáng có thể tạo ra mức ánh sáng không cân bằng

trong khu vực chiếu sáng.

Nghiên cứu đưa ra giải pháp cảm biến quay để giải quyết những bài toán này. Cảm

biến quay có thể cung cấp các giá trị cảm biến ánh sáng từ các hướng khác nhau có thể

giúp tránh sự cố liên quan tới vật cản. Cách tiếp cận này khắc phục được vấn đề của

mạng cảm biến tĩnh bằng cách thay đổi động góc đo của cảm biến ánh sáng. Ưu điểm

của hệ thống này là nó có thể cung cấp dữ liệu cảm biến ánh sáng ở các góc độ khác

nhau chỉ bằng một cảm biến duy nhất so với hệ thống sử dụng nhiều cảm biến. Cảm biến

quay có thể phát hiện ánh sáng thay đổi ở một góc cụ thể hoặc xác định hướng đo nào

có thể đã bị chặn, đồng thời phát hiện được nguồn sáng chính, trong trường hợp nguồn

sáng bị nhiễu bởi các nguồn sáng gián tiếp khác. Các tính năng này cho phép cảm biến

theo dõi chính xác thông tin ánh sáng trong các ứng dụng thực tế trong nhà.

Bên cạnh đó, nghiên cứu sẽ tập trung vào đánh giá hiệu năng của hệ thống tiết kiệm

năng lượng chiếu sáng sử dụng cảm biến ánh sáng quay đa hướng so với hệ cảm biến

tĩnh thông thường, bằng cách xây dựng hệ thống hoạt động trên ứng dụng Internet of

Things (IoT), từ đó kết nối và truyền dữ liệu đến các nền tảng IoT để thu thập và phân

tích số liệu.

Phần 3.3 sẽ trình bày về nghiên cứu cảm biến quay đa hướng, kết quả đo và phân

tích kết quả đạt được bằng việc sử dụng giá trị đầu vào từ cảm biến quay đa hướng, chọn

lọc và đưa vào hệ điều khiển công suất mô phỏng bởi MATLAB.

3.3 Xây dựng cảm biến quay ánh sáng

Hình 3.3 trình bày sơ đồ của cảm biến quay. Cảm biến sử dụng động cơ bước để

quay mắt đo ánh sáng nhằm thu thập cường độ ánh sáng theo nhiều hướng. Một bảng điều khiển được sử dụng để điều khiển động cơ và thu thập dữ liệu cảm biến. Ngoài ra, bộ điều khiển cũng gửi dữ liệu đến hệ thống giám sát dữ liệu.

48

Hình 3.3: Sơ đồ cảm biến quay đa hướng

Nghiên cứu sử dụng mô-đun cảm biến cường độ ánh sáng kỹ thuật số BH1750 [66]

để xây dựng hệ thống. Đầu ra từ cảm biến có đơn vị LUX, bằng một lumen trên mét vuông: 1Lux = 1Lm/𝑚2. BH1750 có bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số bên trong và bộ tiền xử lý kỹ thuật số, vì vậy nó không yêu cầu thêm bất kỳ mạch tính toán nào. BH1750 truyền dữ liệu bằng giao thức truyền thông I2C.

Bộ phận động cơ bao gồm hai phần: động cơ bước và bảng điều khiển. Nghiên cứu

sử dụng một động cơ bước nhỏ gọn, chi phí thấp nhất, 28BYJ-48, hoạt động ở 5V DC. Động cơ 28BYJ- 48 được tích hợp tỷ số truyền 64:1. Động cơ có hai chế độ chạy 64 và

32 bước cho một vòng quay. Nghiên cứu lựa chọn phương án điều khiển động cơ theo

32 bước kết hợp với giảm số, do đó động cơ cung cấp 2048 bước/vòng quay.

Phương trình (3.2) mô tả quan hệ giữa góc quay và số bước của động cơ

(3.2) α=i*360/2048

Bảng 3.2: Quan hệ giữa số lượng hướng đo cảm biến, góc quay và số lượng bước động cơ

Trong đó α là giá trị góc quay và i từ 0 đến 2048 là giá trị bước của động cơ.

Số lượng hướng đo cảm biến Số lượng bước ∆

8 45 độ 256

16 22.5 độ 128

49

32 11.25 độ 64

64 5.625 độ 32

Trong hệ thống này, động cơ gắn vào trung tâm của cấu trúc đế quay như thể hiện

trong hình 3.4, trục của động cơ quay xuống dưới và được cố định lại. Động cơ được

gắn vào một đầu của ống đế bằng nhựa trong khi mạch driver được gắn vào đầu kia. Một

tấm nhựa cứng, kích thước 2 x 10 cm, được dán vào bộ tời của động cơ bước. Mô-đun

cảm biến ánh sáng được gắn vào đầu kia của khung. Khi quay động cơ sẽ xoay toàn bộ

Hình 3.4: Khối động cơ bước: a) động cơ bước, b) mạch điều khiển động cơ

cấu trúc do đó xoay cảm biến ánh sáng.

Cảm biến sử dụng bo mạch ESP8266 [67] để

điều khiển động cơ bước quay theo yêu cầu và thu

nhận giá trị đo được tại cảm biến ở các hướng sau

đó truyền dữ liệu này lên mạng thông qua đường

truyền Wi-Fi. Mô-đun ESP8266 có một chip vi điều

khiển chạy trong môi trường Arduino. Mô-đun bộ

điều khiển sử dụng thành phần WI-FI tích hợp để

giao tiếp với hệ thống giám sát dữ liệu. Trong

hướng nghiên cứu này, luận án sử dụng Arduino

IDE để lập trình mô-đun bộ điều khiển. Hình 3.5

cho thấy bảng điều khiển được sử dụng trong hệ

thống của nghiên cứu. Mạch điều khiển động cơ

bước ULN2003 được dùng là mạch đệm công suất

Hình 3.5 Cảm biến quay đa hướng: a) Cảm biến ánh sáng, b) Động cơ bước, c) Mạch điều khiển

giữa vi điều khiển và động cơ bước. Các chân điều

50

khiển ULN2003, IN1, IN2, IN3 và IN4, được kết nối với các chân đầu ra của vi điều

khiển.

Bên cạnh đó, cảm biến có thể kết nối với các nền tảng IoT phổ biến, chẳng hạn như

Ubidots và Thingspeak, để trực quan hóa và phân tích dữ liệu cảm biến từ xa. Bởi vì

Mô-đun ESP8266 sử dụng thành phần WI-FI tích hợp để giao tiếp với hệ thống giám sát

dữ liệu, trong khi chuẩn WI-FI là giao thức phổ biến với các nền tảng IoT, do đó hệ

thống có thể dễ dàng kết nối với bất kỳ nền tảng IoT nào hỗ trợ WI-FI.

3.4 Xây dựng thuật toán cho cảm biến quay đa hướng

Hình 3.6: Thuật toán cảm biến quay đa hướng

Thuật toán của cảm biến quay đa hướng được đưa ra ở hình 3.6:

Thuật toán này được phát triển để tự động xoay các cảm biến, tính toán các góc và thu thập độ rọi theo nhiều hướng. Trong hệ thống điều khiển ánh sáng, việc định hướng phương vị của cảm biến rất quan trọng đối với quá trình đo đạc dữ liệu cường độ ánh

sáng. Vấn đề đó đã được giải quyết trong nghiên cứu này, bởi cảm biến được đề xuất có thể xoay 360 độ, do đó bất kỳ hướng nào cũng có thể là hướng khởi tạo của cảm biến.

51

Sau khi thiết lập hướng cảm biến, thuật toán bắt đầu điều khiển động cơ và thu thập dữ

liệu cảm biến. Trừ khi bộ điều khiển phát ra tín hiệu kết thúc chu trình, các bước chính

được trình bày trong hình 3.6 được thực hiện lặp đi lặp trong một chu trình khép kín. Trong mỗi lần lặp, hệ thống trước hết tăng bước động cơ để quay cảm biến. Hướng cảm

biến được tính toán và đo cường độ ánh sáng. Sau đó, dữ liệu cảm biến được truyền đến

hệ thống giám sát. Nghiên cứu sử dụng một biến bộ đếm để theo dõi các bước của động

cơ. Nếu động cơ đã quay đủ một vòng (đạt 2048 bước), động cơ sẽ được đảo ngược về

vị trí khởi tạo, bộ đếm bước được đặt lại về 0 và sau đó cảm biến liên tục đo dữ liệu.

Hướng của cảm biến được tính từ bước động cơ quay bằng công thức (3.2). Do đó,

hệ thống có thể xoay cảm biến theo bất kỳ hướng nào. Hơn nữa, người dùng có thể lập trình cảm biến để đo theo hướng góc tương đương, chẳng hạn như cảm biến đo 8 hướng

(cách nhau 45 độ), 16 hướng (cách nhau 22,5 độ) hoặc 32 hướng (cách nhau 11,25 độ).

Ngoài ra, cùng với hướng và cường độ ánh sáng, thời gian đo có thể được ghi lại và

truyền lên khối giám sát.

3.5 Kiểm tra kết quả của phương pháp

Nghiên cứu đã thực hiện các phép đo để kiểm tra kết quả đo của hệ cảm biến quay.

Bởi vì đây là cảm biến quay đầu tiên được phát triển cho hệ thống điều khiển ánh sáng,

nghiên cứu không thể so sánh hiệu suất của hệ thống với một phương pháp khác. Do đó,

nghiên cứu sẽ thực hiện các phép đo dựa trên kết quả đo cường độ ánh sáng thực tế của

hệ thống.

3.5.1 Mô tả điều kiện kiểm thử

Nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm trong một phòng làm việc bình thường. Căn

phòng có ba đèn trần và một cửa chính ra vào. Cảm biến ánh sáng được đặt chính giữa

căn phòng. Mức độ chiếu sáng được thay đổi bằng cách tắt đèn và mở hoặc đóng cửa.

Hình 3.7 cho thấy cách bố trí của phòng thí nghiệm. Để mô phỏng nhiễu, kịch bản kiểm

thử đưa vào vật cản để tạm thời chặn một số hướng cảm biến trong quá trình đo (xem

hình 3.8).

Trong các kiểm thử, bộ điều khiển đã điều khiển cảm biến quay và đo cường độ ánh

sáng trong phòng. Dữ liệu cảm biến được thu thập và giám sát trong thời gian thực.

52

Hình 3.7: Phòng thực nghiệm nhìn theo hướng

Hình 3.8: Cám biến xoay bị vật cản

từ trên xuống

chặn tạm thời hướng sáng

Điều kiện tiền xử lý là hệ thống sẽ điều khiển

động cơ để xoay cảm biến theo 16 hướng khác nhau (t = {0,..., 15}), cách nhau 22,5 độ.

Ở mỗi hướng, cảm biến đo và gửi dữ liệu cường độ ánh sáng đến bo mạch điều khiển.

Dữ liệu cảm biến và hướng sau đó được truyền đến phần mềm giám sát. Trong thí

nghiệm này, cửa chính đóng, bật đèn 1 và 2. Đèn thứ 3 được chuyển đổi giữa bật và tắt

để thay đổi độ chiếu sáng trong phòng. (vị trí các đèn và cửa chính được thể hiện trong

hình 3.7)

3.5.2 Kết quả kiểm thử đo cường độ ánh sáng đa hướng

Hình 3.9 trình bày một phần dữ liệu cảm biến được thu thập trong quá trình thử

nghiệm này. Trong luận án, luận án sử dụng công cụ IoT, Ubidots [68] để theo dõi dữ

liệu. Qua dữ liệu thể hiện ở hình 3.9, hệ thống có thể ghi lại cường độ ánh sáng ở tất cả 16 hướng. Dữ liệu cảm biến của mỗi hướng được gắn nhãn là một kênh topic (chủ đề),

từ topic0 đến topic15. Trục tung của biểu đồ là giá trị cường độ sáng tính bằng Lux và trục hoành là thời gian. Bằng cách chọn một điểm nhất định trên biểu đồ, công cụ giám sát sẽ hiển thị giá trị của cường độ ánh sáng, hướng (theo topic) và thời gian thu thập dữ

liệu

53

Hình 3.9: Kết quả giám sát dữ liệu cảm biến ánh sáng

Nhìn vào các giá trị dữ liệu, cường độ ánh sáng là khác nhau giữa các hướng cảm

biến. Tại thời điểm được chọn, topic3 có cường độ thấp nhất là 19 Lux trong khi topic14

có cường độ cao nhất là 92 Lux, các hướng (2,3,4,5,6,7 và 8) xa nguồn sáng có cường

độ sáng thấp hơn các hướng gần hơn. Tuy nhiên, ở mỗi hướng, dữ liệu đo được ổn định

trừ khi thay đổi đèn. Sự khác biệt của cường độ đo giữa các hướng phụ thuộc vào ánh

sáng xung quanh không đồng đều trong phòng làm việc. Cường độ ánh sáng xung quanh

không bằng nhau ở tất cả các hướng. Kết quả cho thấy, hệ thống được đề xuất có thể

phát hiện ra sự khác biệt đó.

Như trong hình 3.9, sự thay đổi mức độ chiếu sáng khi bật nhiều đèn khác nhau cũng

được ghi lại. Ví dụ: trước 15:01 chiều, đèn 1 và 2 được bật; sau đó, từ 15:01 chiều đến

15:07 chiều, cả ba đèn được bật và cường độ ánh sáng ghi lại ở tất cả các hướng trong

thời gian đó cao hơn thời gian trước đó. Chẳng hạn như ở hướng 12, 13 và 14, cường độ

ánh sáng đã tăng từ dưới 80 Lux (đối với trường hợp có hai đèn chiếu sáng) lên trên 100 Lux (đối với trường hợp có ba đèn chiếu sáng).

3.5.3 Kết quả kiểm thử phát hiện hướng sáng bị chặn và nguồn sáng thay đổi đột

ngột

Trong thử nghiệm này, nghiên cứu chỉ ra cách cảm biến có thể được sử dụng để phát

hiện sự thay đổi đột ngột về mức độ ánh sáng do ánh sáng ban ngày gây ra, đồng thời chứng minh cảm biến hoạt động như thế nào khi bị chặn tạm thời ở một số hướng. Giống như thí nghiệm trước, cảm biến được điều khiển để đo cường độ ánh sáng theo 16 hướng. Trong thời gian thí nghiệm, cả ba đèn đều được bật. Sau khi bắt đầu thử nghiệm, cửa được mở, và vật cản xuất hiện chặn các hướng cảm biến đối diện với cửa (xem hình 3.8)

tạm thời trong một thời gian ngắn.Tất cả đèn và cửa đều không thay đổi (cách biệt với chuyển động của vật cản). Dữ liệu cảm biến được thu thập trong quá trình thử nghiệm.

54

Cường độ ánh sáng ở tất cả 16 hướng được ghi lại và thể hiện trong hình 3.10. T1 là

thời điểm mở cửa, khoảng thời gian từ T2 đến T3 là khoảng thời gian vật cản chặn cảm

Hình 3.10: Phát hiện sự thay đổi đột ngột của mức ánh sáng và hướng chặn cảm biến

biến tạm thời

Trước khi mở cửa, cường độ ánh sáng tương tự như thí nghiệm trước (khi cả ba đèn đều sáng) với cường độ khoảng 100 Lux. Sau khi mở cửa tại T1, cường độ ánh sáng tăng

dần trên các hướng đối diện với cửa đã được ghi nhận với mức cao trong khoảng 250

đến 300 Lux (hướng 7, 8 và 9). Trong khoảng thời gian từ T2 đến T3, khi có vật cản

chặn cảm biến, dữ liệu ghi lại một giá trị giảm dần của cường độ ánh sáng theo hướng

cửa. Giá trị của topic7, topic8 và topic9 đã giảm xuống dưới 100 Lux. Đối với những

hướng ngược lại với hướng cửa, ví dụ như topic0 và topic15, cường độ ánh sáng ổn định

bởi ánh sáng tự nhiên bên ngoài không có nhiều ảnh hưởng đến các hướng đó.

3.5.4 Kết luận

Theo kết quả của các phép đo kiểm thử, cảm biến quay đã có thể thu thập hướng cảm biến và cường độ ánh sáng từ các góc độ khác nhau. Cảm biến cũng có thể phát hiện ra

sự thay đổi đột ngột về mức độ ánh sáng. Hơn nữa, ngay cả khi bị chặn một số hướng, cảm biến quay vẫn đo được cường độ ánh sáng trên các hướng khác.

Hạn chế của cảm biến , đó là động cơ quay với tốc độ 5ms trong một bước, dẫn đến độ trễ khi đo thời gian theo các hướng. Tuy nhiên, sự khác biệt đó có thể chấp nhận được đối với điều khiển chiếu sáng thương mại và dân dụng.

Tuy nhiên, cảm biến vẫn còn một vài nhược điểm sau:

55

- Thiết kế chưa tối ưu, cảm biến vẫn khá cồng kềnh. - Chưa có một thông tin tham chiếu để đưa ra giá trị đo chính xác. - Chưa phát hiện được nguồn sáng chính, giải quyết vấn đề nhiễu nguồn sáng do

các nguồn sáng gián tiếp

Để giải quyết bài toán phát hiện nguồn sáng chính, nghiên cứu đã xây dựng hệ vector

đo ánh sáng đa hướng, khi coi mỗi nguồn sáng là một vector có giá trị và hướng xác

định. Phần 3.6 sẽ trình bày về phương án xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng.

3.6 Xây dựng vector đo ánh sáng đa hướng

Giả định một nguồn sáng khả kiến, Quang thông (Φs) của hệ này có thể tính toán dựa

trên cường độ sáng 𝐼𝑠 như sau:

(3.3) Φs=4πIs

Đối với nguồn sáng đồng vị, trong đó cường độ như nhau theo mọi hướng, phép đo

quang thông trên một đơn vị diện tích, còn được gọi là hoặc mức sáng trong một khu

vực cụ thể hoặc độ rọi, là tỷ số quang thông Φ trên khu vực của bề mặt đo (A). Tuy

nhiên, trong môi trường trong nhà mà nguồn không phải là đồng vị, đối với bề mặt bức

xạ phẳng của cảm biến, việc tính toán độ rọi (E) cần xem xét cosin góc quan sát (θ) so

với bề mặt pháp tuyến như trong biểu thức:

(3.4) E= Φscosθ A

Trong đó: E là độ rọi

Φs là quang thông

A là diện tích bề mặt chiếu sáng

θ là góc quan sát

Trong hệ thống điều khiển chiếu sáng, giá trị quan sát được ∆E, là sự thay đổi của

độ rọi trên bề mặt cảm biến ánh sáng, được sử dụng để điều khiển độ sáng của bóng đèn:

(3.5) ∆E= ∆Φscosθ A

Trong hệ thống đề xuất của nghiên cứu, mức độ ánh sáng được đo theo nhiều hướng.

Do đó, nghiên cứu sử dụng véc tơ độ rọi như sau:

56

(3.6)

E=

[ E0 E1 . . . EN-1]

trong đó N là số lượng hướng đo và 𝐸𝑛 là độ rọi đo được tại hướng n ∈ [0, N-1]

Có hai ưu điểm chính của dữ liệu cảm biến được cung cấp bởi cảm biến ánh sáng

xoay so với cảm biến tĩnh. Đầu tiên, cường độ ánh sáng được đo bằng cảm biến tĩnh phụ

thuộc vào một hướng cảm biến duy nhất, góc θ như trong công thức (3.4) và (3.5) trong

khi cảm biến quay cung cấp sự kết hợp của ánh sáng từ nhiều hướng. Trong ứng dụng

thực tế, chẳng hạn như điều khiển ánh sáng, hướng đo có thể bị chặn bởi một vật thể làm

cho giá trị cảm biến của cảm biến tĩnh không chính xác. Cảm biến quay có thể tránh

được vấn đề này vì nó đo ánh sáng từ các góc khác nhau. Thứ hai, cảm biến quay sử

dụng vectơ độ rọi (3.6) có thể chỉ ra hướng nguồn sáng chính. Hơn nữa, chúng ta có thể

áp dụng phép tính gradient (r) trên vectơ độ rọi để đo tốc độ và hướng thay đổi của cường

độ ánh sáng.

Sau khi xây dựng được hệ vector đo ánh sáng đa hướng, nghiên cứu tiến hành các

giải pháp nâng cấp cảm biến. Nghiên cứu tập trung vào các khía cạnh sau:

 Cải tiến hệ thống quay của cảm biến

 Giảm khoảng cách giữa cảm biến và mô-đun

xoay.

 Tối ưu hóa đường kính tổng thể của cảm biến.

 Thêm cảm biến tĩnh để tham chiếu

3.7 Nghiên cứu giải pháp nâng cấp cảm biến

Hình ảnh của cảm biến được trình bày trong hình

3.11. Cảm biến có hai mắt đo ánh sáng, mắt đo ánh

sáng thứ nhất được gắn trên một bệ đỡ chuyển động

quay bởi một mô tơ bước, mắt đo này sẽ có nhiệm vụ

Hình 3.11: Hình ảnh hệ cảm biến quay mới

đo cường độ ánh sáng đa hướng. Mắt đo ánh sáng thứ

hai là một cảm biến tĩnh đo cường độ ánh sáng để

tham chiếu.Trong hệ thống này không cần sử dụng

nhiều cảm biến như trong mạng cảm biến. Bằng cách xoay cảm biến ánh sáng, hệ thống

57

này có thể tránh được các sự cố khi hướng đo ánh sáng của cảm biến bị các vật thể che

chắn. Các thành phần chính của hệ thống là cảm biến ánh sáng, động cơ bước, mạch

điều khiển động cơ và mạch điều khiển chính. Hệ thống sử dụng một bộ vi điều khiển

để điều khiển góc quay, cảm biến đo cường độ ánh sáng và truyền dữ liệu lên nền tảng

Cảm biến mới được thể hiện trong hình 3.11 có đường kính tổng thể là 100 mm. Hệ thống

này đủ nhỏ để sử dụng trong hầu hết các ứng dụng trong nhà.

điện toán đám mây.

Bảng 3.3 tóm tắt các tính năng của cảm biến . Hệ thống sử dụng một cảm biến ánh

sáng để đo động cường độ ánh sáng đa hướng. Trong hệ thống này, không cần sử dụng

nhiều cảm biến như trong mạng cảm biến. Bằng cách xoay cảm biến ánh sáng, hệ thống

Bảng 3.3: Mô tả cảm biến quay

có thể tránh được các sự cố khi góc đo tĩnh bị vật thể chặn

Đặc điểm hệ thống Giá trị

Cảm biến ánh sáng BH1750

Động cơ bước 28BYJ-48

Module điều khiển động cơ bước ULN2003

Vi điều khiển ESP8266

Đường kính tổng thể (mm) 100

Số hướng đo của cảm biến 8 và 16

58

Hình 3.12: Sơ đồ khối cảm biến

Hình 3.13: Mô hình 3D của đế quay cảm biến

59

Hình 3.14: Mạch nguyên lý của cảm biến mới

Như trong sơ đồ hệ thống ở hình 3.12, các thành phần chính của hệ thống là cảm biến

ánh sáng, động cơ bước, bảng điều khiển động cơ và bảng điều khiển chính. Hệ thống

sử dụng bộ vi điều khiển để điều khiển vòng quay, cảm biến độ rọi của ánh sáng và

truyền dữ liệu đến nền tảng giám sát. Trong mô hình này, đế quay cảm biến đã được tinh

chỉnh, hình 3.13 cho thấy một số hình ảnh mô hình 3D của đế cảm biến

Hệ thống mới sử dụng một cảm biến tĩnh để cung cấp giá trị đo tham chiếu theo yêu

cầu. Trong nghiên cứu này, cảm biến tĩnh được xem xét như là cảm biến có vectơ pháp

tuyến bề mặt cảm biến cố định, do đó góc quan sát θ đối với bất kỳ nguồn chiếu sáng

nào không thay đổi (xem công thức (3.3)). Cảm biến quay là cảm biến mà góc quan sát

của nó có thể được thay đổi. Bằng cách xoay cảm biến theo một trục khác với vectơ

pháp tuyến của bề mặt cảm biến, chúng ta có thể thay đổi góc quan sát của nó.

Mạch nguyên lý của hệ thống được thể hiện trong hình 3.14. Các cảm biến giao tiếp

với vi điều khiển bằng giao thức I2C. Cảm biến tĩnh và cảm biến quay đồng thời đều là

mô-đun đo cường độ ánh sáng kỹ thuật số BH1750 [66]. Mô-đun cảm biến có một bộ

chuyển đổi bên trong để chuyển đổi tín hiệu tương tự sang giá trị kỹ thuật số. Mô-đun

cũng chứa bộ xử lý tiền xử lý để xử lý giá trị kỹ thuật số và trả về giá trị đo trong phạm

vi từ 1 đến 65535 Lux

60

Phương pháp xây dựng thuật toán của phép đo cường độ ánh sáng giữ tương tự như

trong thuật toán được trình bày ở phần 3.4 ngoại trừ bổ sung việc thu thập dữ liệu cảm

biến tĩnh.. Hình 3.15 trình bày các bước chính của thuật toán. Ban đầu, chương trình

thiết lập hướng ban đầu của cảm biến. Cảm biến có thể quay theo một góc 360 độ, do

đó có thể đặt bất kỳ góc nào làm hướng đo ban đầu. Sau đó, cảm biến bắt đầu thu thập

góc và chiếu sáng dữ liệu. Trong mỗi lần lặp lại của vòng lặp chính được thể hiện trong

hình 3.15, chương trình điều khiển sẽ quay cảm biến bằng cách tăng bước động cơ, tính

toán góc phát hiện, nhận thông tin mức độ ánh sáng và truyền dữ liệu đến phần mềm

giám sát. Việc đếm số bước của động cơ được sử dụng để tính góc dựa trên công thức

(3.5). Khi động cơ quay trọn một vòng (2048 bước), việc đếm sẽ được đặt lại về 0 và

hướng quay được đảo ngược. Cảm biến có thể đo ánh sáng theo bất kỳ hướng nào hoặc

tại một nhóm các hướng khoảng cách. Bảng 3.2 tóm tắt một số sự kết hợp của các hướng

cảm ứng này, khoảng góc (∆α) và khoảng bước của động cơ. Mô tả 8 hướng cảm ứng

Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán cải tiến của cảm biến ánh sáng.

với cách nhau 45 độ và 16 hướng cách nhau 22.5 độ được thể hiện trong hình 3.16

61

Hình 3.16: Hình ảnh mô phỏng cảm biến quay với số lượng góc quay khác nhau

3.8 Kết quả đo sau khi nâng cấp cảm biến

Hệ thống được thử nghiệm trong phòng làm việc với tác động của các thông số ngẫu

nhiên đối với cảm biến, như sự thay đổi công suất ánh sáng, sự xuất hiện của vật cản,...

Phần dưới đây sẽ trình bày các thí nghiệm và kết quả để kiểm tra khả năng của hệ thống

trong việc phát hiện hướng ánh sáng chính, phát hiện hướng bị chặn và khả năng đo

chính xác cường độ ánh sáng. Môi trường kiểm thử được thiết lập như hình 3.17. Đây là

một phòng làm việc có các thông số theo hình chiếu 2D được mô tả trong hình 3.17 và

có chiều cao trần nhà là 3,5 mét. Có bốn cụm đèn chiếu sáng và cảm biến được đặt trên

mặt bàn ở trung tâm phòng làm việc.

62

Hình 3.17: Sơ đồ phòng thí nghiệm thực hiện đo cường độ ánh sáng bằng cảm biến quay

3.8.1 Cảm biến quay lấy mẫu theo 8 hướng – tham chiếu với cảm biến tĩnh

Phần 3.8.1 trình bày kết quả đo cảm biến quay đo ánh sáng theo 8 hướng với Δα bằng 45o. Trong hình 3.18, dữ liệu cảm biến các hướng lần lượt là d0 đến d7. Kênh cảm biến

tĩnh là được gắn nhãn là static. Các nguồn chiếu sáng nhân tạo được giữ nguyên, nhưng

cảm biến tĩnh sẽ bị chặn tại một thời điểm nhất định trong quá trình thử nghiệm. Hình

3.18 cho thấy các giá trị LUX của cảm biến tĩnh ở một góc cố định và cảm biến quay

quay theo tám hướng (từ d0 đến d7). Trong thí nghiệm này, cảm biến quay sẽ đo ánh

sáng ở mỗi góc 45 độ.

63

Hình 3.18: Đồ thị cường độ ánh sáng của cảm biến tĩnh và cảm biến quay

Lúc đầu, dữ liệu cảm biến tĩnh là khoảng 450 Lux (± 20), trong khi cảm biến quay

có các giá trị khác nhau ở các hướng khác nhau với giá trị cao ở d4 trên 500 Lux và d3

khoảng 430 lux. Các hướng d0, d5 và d7 có giá trị cảm biến trong khoảng từ 320 đến

350 Lux và hướng d1, d2 và d6 có dữ liệu trong khoảng 270 đến 300 Lux. Sau đó, vật

cản xuất hiện chắn trước cảm biến tĩnh. Như trong hình 3.18, giá trị của dữ liệu cảm biến

ánh sáng tĩnh giảm mạnh xuống 100 Lux và thấp hơn. Nếu một ứng dụng chỉ sử dụng

cảm biến tĩnh để điều khiển đèn, ứng dụng đó sẽ ghi lại không chính xác việc giảm mức

độ ánh sáng và sẽ gia tăng công suất chiếu sáng một cách không cần thiết. Tuy nhiên,

có thể thấy không cần thay đổi độ chiếu sáng vì nguồn ổn định trong suốt thí nghiệm

này (ngoại trừ một sự sai lệch nhỏ trong ánh sáng tự nhiên). Đối với cảm biến quay, các

tín hiệu cảm biến theo các hướng d0, d1, d6 và d7 gần như ổn định (khoảng 300 Lux và

350 Lux). Có một sự giảm nhỏ theo hướng d2 và d5 và một vạch giảm theo hướng d3

và d4, nhưng những giá trị cảm biến này vẫn ở khoảng 250 Lux. Khi xuất hiện vật cản

chắn trước cảm biến tĩnh, hệ thống sẽ đo đạc vị trí cảm biến thông qua hướng d3 và d4,

do xuất hiện ra sự thay đổi dữ liệu theo các hướng này (và xung quanh). Qua đó, có thể

thấy cảm biến ánh sáng đa hướng không chỉ thực hiện đo cường độ ánh sáng mà còn cho

phép chúng ta phát hiện được sự phân bố không đồng đều của ánh sáng trong phòng hay

khu vực làm việc, ngay cả khi một số hướng đo bị chặn, cảm biến quay vẫn đo chính

xác mức độ ánh sáng ở các hướng khác. Có thể thấy, khi sử dụng dữ liệu cảm biến quay

64

của nhiều hướng cho ứng dụng chiếu sáng, bộ phận điều khiển có thể sử dụng dữ liệu

của các hướng ổn định và quyết định giữ nguyên mức độ chiếu sáng. Từ đó, nghiên cứu

cho thấy rằng, việc ngăn chặn sự gia tăng công suất chiếu sáng không cần thiết là một

hướng tiếp cận đúng đắn và cần thiết cho các hệ thống tiết kiệm điện.

3.8.2 Cảm biến quay lấy mẫu theo 16 hướng

Dưới đây là kết quả đo đối với cảm biến đo cường độ ánh sáng theo 16 hướng. Động

cơ bước có thể quay một vòng 360 độ. Động cơ được điều khiển để xoay cảm biến theo

16 hướng khác nhau (t = {0,..., 15}), cách nhau 22,5 độ. Ở mỗi hướng, cảm biến đo và

gửi dữ liệu cường độ ánh sáng đến bo mạch điều khiển. Dữ liệu cảm biến và hướng sau

đó được truyền đến phần mềm giám sát. Trong thí nghiệm này, cửa chính của phòng thí

nghiệm được đóng, đèn 1 và đèn 2 được bật, đèn 3 được bật tắt theo chu kỳ để thay đổi

độ sáng của phòng. Cảm biến được đặt ở trung tâm của căn phòng và được điều khiển

để quay theo 16 hướng từ 0 đến 15.

Ngoài dữ liệu cảm biến ánh sáng đa hướng, hệ thống còn thu thập dữ liệu cảm biến

của cảm biến tham chiếu tĩnh. Dữ liệu sau khi được đo sẽ được trích xuất và cập nhật

sang nền tảng Ubidots [68] IoT. Hình 3.19 cho thấy một phần dữ liệu thử nghiệm được

theo dõi trên trang web của Ubidots với nhiều tín hiệu cảm biến ánh sáng trong một đồ

thị. Dữ liệu của hệ thống cũng được với nền tảng ThingSpeak [69] có tích hợp hộp công

cụ MATLAB để phân tích dữ liệu. Dữ liệu cảm biến quay được lấy theo 16 hướng với

∆α = 22.5 độ (Bảng 3.2 trình bày chi tiết hơn về các góc đo), các dữ liệu này được gắn

nhãn như một kênh chủ đề (topic) cho mỗi hướng từ topic0 đến topic15. Kênh cảm biến

Hình 3.19: Ảnh chụp nhanh theo dõi dữ liệu cảm biến ánh sáng trên trang web Ubidots.

tĩnh được gắn nhãn là topic16. Thời gian đo từ 11h45 tới 12h45.

65

Có thể thấy rằng hệ thống có thể đo lường và cung cấp dữ liệu cảm biến ánh sáng từ

nhiều hướng. Khi theo dõi dữ liệu, các chủ đề kênh (hay các hướng đo), giá trị Lux và

thời gian đo có thể quan sát sự tương quan lẫn nhau bằng cách chọn một điểm dữ liệu

trên biểu đồ. Như trong hình 3.19, các hướng cảm biến khác nhau có giá trị khác nhau.

Lúc đầu, khi tất cả đèn tắt, tất cả dữ liệu cảm biến đều ở mức thấp (khoảng dưới 150

Lux). Sau đó, sau khi bật tất cả các đèn (dấu thời gian khoảng 11:55 sáng, xem hình

3.19), hệ thống đã ghi lại sự gia tăng mức độ ánh sáng ở tất cả các hướng. Sau đó, vật

cản xuất hiện ở một số hướng cảm biến đọc dữ liệu. Kết quả là, có sự suy giảm về về

mức độ ánh sáng ở các hướng xuất hiện vật cản (trong khoảng thời gian 12:05 - 12:10

trưa và 12: 25-12: 30 chiều, xem hình 3.19). Trong thử nghiệm này, cảm biến tĩnh

(topic16) không bị chặn bất kỳ lúc nào và nó được sử dụng để cung cấp dữ liệu cảm biến

tham chiếu.

3.8.3 Phát hiện nguồn sáng chính

Sự phân bố các nguồn sáng có thể tạo ra mức ánh sáng không cân bằng trong phòng.

Cảm biến có thể phát hiện hướng ánh sáng chính mà các thông tin thu thập giúp sắp xếp

lại các nguồn chiếu sáng hoặc chỉ ra vị trí có mức ánh sáng tốt nhất. Trong thí nghiệm

này, cảm biến quay đặt ở trung tâm của một phòng làm việc có nhiều nguồn sáng. Các

nguồn sáng được đặt xung quanh phòng ở các vị trí và khoảng cách khác nhau đến cảm

biến. Đèn được bật tắt liên tục để kiểm tra hiệu suất của cảm biến. Cảm biến được đặt

để đo theo 16 hướng (d0 đến d15, với ∆α = 22,5 độ). Hình 3.20 thể hiện biểu đồ radar

các kết quả đo được. Đối với mỗi biểu đồ, giá trị dữ liệu dưới dạng chiều dài trên các

nan góc thể hiện độ lớn của giá trị cảm biến theo một hướng tương ứng. Đường kết nối

các giá trị dữ liệu kìm nén một vòng quay hoàn toàn (360 độ).

66

Hình 3.20:Biểu đồ radar của dữ liệu cảm biến ánh sáng trên các hướng chiếu sáng khác

nhau

Các biểu đồ trong hình 3.20 liên kết với bốn kịch bản về ánh sáng trong phòng thử

nghiệm. Trong kịch bản này, hình 3.20 (a) cho thấy các giá trị Lux đo được theo các

hướng d2, d3 và d4 cao hơn nhiều so với các hướng còn lại. Trong trường hợp đó, chỉ

có nguồn sáng ở hướng d3 được bật, do đó có dữ liệu cảm biến đạt đỉnh ở d3 (khoảng

250 Lux) và hai mức cao có liên quan trên các góc liền kề d2 và d4. Hình 3.20 (b) cho

thấy mức ánh sáng chính ở d5, d6 và d7 với giá trị đỉnh 350 Lux, và hình 3.20 (c) cho

thấy mức chính trong d12, d13 và d14 với giá trị đỉnh trên 500 Lux. Những kết quả này

được vẽ trong biểu đồ radar thừa nhận rằng cảm biến quay có thể phát hiện hướng của

nguồn sáng chính. Kết quả này cũng có thể được quan sát từ vectơ độ rọi được hiển thị

trong công thức (3.4) vì hướng của vectơ bị ảnh hưởng bởi các giá trị phần tử vô hướng

chính. Hình 3.20 (d) trình bày một trường hợp thử nghiệm trong đó mức ánh sáng nhất

quán hơn ở phía bên trái của cảm biến (d9 đến d15). Trong trường hợp mức ánh sáng

đồng đều, chúng ta có thể thu được các giá trị cảm biến ánh sáng nhất quán theo mọi

hướng.

67

3.8.4 Phát hiện vật cản

Một thử nghiệm đã được thực hiện để cho thấy cách cảm biến quay có thể phát hiện

các vật cản đối với nguồn sáng theo các hướng, dẫn đến những thay đổi đột ngột trong

dữ liệu cảm biến. Trong quá trình thử nghiệm này, cảm biến quay được thiết lập để chạy

trước, sau đó một số hướng cảm biến tạm thời bị chặn. Hình 3.21 cho thấy biểu đồ kết

quả thử nghiệm. Trước thời điểm T1, cảm biến cho biết mức ánh sáng chính theo các

hướng d4, d5, d6, d7 và d8 với giá trị cao trên 300 Lux (d6). Trong khoảng thời gian T1

và T2, khi cảm biến bị chặn khỏi hướng nguồn sáng chính, thì giá trị cảm biến của các

góc có liên quan giảm đột ngột. Như đồ thị trong hình 3.21, tất cả các giá trị cảm biến

của các hướng từ d4 đến d8 đã giảm mạnh xuống khoảng 50 Lux trong khi các giá trị

khác hầu như không thay đổi. Sau thời điểm t2, khi vật cản di chuyển ra ngoài, các giá

trị cảm biến từ các hướng sáng chính trở lại bình thường. Có thể thấy rằng, chúng ta có

thể sử dụng các dữ liệu có độ dốc giảm tạm thời tại các hướng để cho biết góc cảm biến

nào của cảm biến đã bị chặn. Trong thí nghiệm được trình bày trong [60], một phép đo

cho kết quả tương tự khi phát hiện sự thay đổi đột ngột của ánh sáng nền tự nhiên, chẳng

Hình 3.21: Đồ thị cường độ ánh sáng khi vật cản đặt trước cảm biến

hạn như khi mở cửa để đón nhiều ánh sáng mặt trời hơn.

3.9 Đề xuất ma trận tham số ảnh hưởng

Như đã phân tích ở phần trên khi cảm biến đa hướng có khả năng phát hiện nguồn sáng chính và phát hiện vật cản, để làm rõ hơn khả năng này cần phải xây dựng một

68

phương thức thể hiện trên dữ liệu. Sau khi thu thập được dữ liệu của các hướng và tổng

hợp lại dưới dạng véc tơ, từ véc tơ đó ta có thể tạo ra thêm một mảng tham số 2 chiều

gọi là ma trận tham số liên hệ giữa các hướng đo như sau:

(3.7)

𝑃 =

𝑃00 𝑃01𝑃02𝑃03 … … … 𝑃0(N−1) 𝑃10𝑃11𝑃12𝑃13 … … … 𝑃1(N−1) . . . 𝑃(𝑁−1)0 … … … . . 𝑃(𝑁−1)(N−1)] [

Với 16 hướng đo và i ∈ [0,15] ; j ∈ [0,15] thì:

Pij =

(3.8)

Trong đó Pij là tham số liên hệ giữa hướng i và hướng j, Ei, Ej là giá trị độ rọi tại

hướng i, j.

Sử dụng ma trận này ta có thể dùng nó để kiểm tra chéo các giá trị đo được cũng như

khôi phục giá trị đo của các hướng khác từ một hướng đo. Khi có một nguồn sáng chính

bị tác động ta có thể kiểm tra xem tác động đó có chính xác hay không bằng cách sử

dụng ma trận hệ số trên. Ví dụ như trên hình 3.20 (a), ta có hướng sáng chính nằm ở

hướng d3, nếu d3 bị thay đổi ta có thể kiểm tra xem giá trị đó có chính xác hay không

bằng cách tính lại các giá trị của các hướng còn lại dựa trên d3 và so sánh xem nó có sai

lệch với giá trị đo được không. Công thức tính lại các giá trị của các hướng khác theo một hướng J như sau:

(3.9) Ei= EJ . PJi

Với i ∈ [0,15].

Nếu độ sai lệch ít trên các hướng đo cách nó 45O thì có nghĩa là thực sự nguồn sáng chính đó bị thay đổi và ngược lại có nghĩa là hướng đo đó bị sai còn nguồn sáng không thay đổi, với trường hợp đó ta có thể tự khôi phục lại dữ liệu của hướng đo d3 hay nói cách khác đó chính là khả năng chống lỗi của cảm biến quay.

Thuật toán chọn lọc các nguồn sáng chính và tự sửa lỗi cho cảm biến quay như sau:

69

Đầu vào: Véc tơ cường độ ánh sáng mới đo được E={E0, E1,,…., EN}.

Đầu ra : Véc tơ cường độ ánh sáng mới đã được kiểm tra và sửa lỗi

Bắt đầu:

//Bước 1

Tìm vị trí j có giá trị cực đại ;

//Bước 2

Vòng lặp 1: cho i = 0 đến N-1 để thực hiện

Tính toán E’i = Ej * Pji ;

Nếu Ei < E’i thì Ei =E’i;

kết thúc vòng lặp 1

//Bước 3

Nếu j-2> hoặc j=2 thì

Nếu Ej < Ej-2* P(j-2)j thì Ej = Ej-2* P(j-2)j;

Còn lại

Nếu Ej < Ej+2* P(j+2)j thì Ej = Ej+2* P(j+2)j;

//Bước 4

Vòng lặp 2: cho i = 0 đến N-1 để thực hiện

Với mỗi giá trị i cho j = 0 đến N-1 để thực hiện

Tính toán lại Pij theo công thức 3.8

kết thúc vòng lặp 2

//Bước 5

Trả lại Véc tơ cường độ ánh sáng E.

Kết thúc

Thuật toán này tập trung vào tính toán và kiểm tra véc tơ cường độ ánh sáng E mới đo được xem có lỗi hay không dựa trên ma trận P đã lưu lại từ lần đo trước đó. Thuật toán viết cho chương trình con có 5 bước được mô tả gồm chi tiết như sau:

 Bước 1: Tìm vị trí thứ j có giá trị cường độ ánh sáng cực đại. Việc tìm giá trị này có thể áp dụng thuật toán tìm kiếm tuần tự bằng cách lần lượt duyệt các giá trị Ei từng vị trí

70

i từ 0 đến N-1. Giá trị nào lớn nhất thì sẽ lấy vị trí i đấy gán vào j, sau khi vị trí j đã được

xác định, chuyển sang bước 2.  Bước 2: Tạo ra một véc tơ E’ từ giá trị cực đại và ma trận P bằng cách thực hiện một vòng lặp N lần trong đó i là biến đếm từ 0 đến N-1. Trong mỗi vòng lặp thực hiện tính E’i từ giá trị Ej cực đại và tham số Pji. Nếu giá trị E’i này lớn hơn giá trị đo được Ei thì thay thế Ei bằng E’i, chuyển sang bước 3.  Bước 3: Kiểm tra lại xem vị trí có cường độ sáng cực đại đấy có bị sai không, bằng cách kiểm tra lại giá trị Ej với giá trị được tạo ra bởi vị trí cách đó 45o là Ej-2 và tham số P(j-2)j (với j-2 >0 nếu không thì thay bằng j+2)  Bước 4: Tính toán lại tất cả các giá trị của ma trận P để dùng vào lần đo tiếp theo.  Bước 5: Trả lại kết quả là véc tơ cường độ ánh sáng E sau khi đã được kiểm tra và sửa lỗi nếu có.

3.10 Mô phỏng hệ điều khiển sử dụng dữ liệu đo cảm biến ánh sáng quay đa hướng

Đối với hệ thống điều khiển ánh sáng, trên thế giới có nhiều nghiên cứu đưa ra các

phương án điều khiển khác nhau, ví dụ như điều khiển hệ thống sử dụng logic mờ (fuzzy

logic) [70], điều khiển hệ thống sử dụng PID [71], sử dụng mạng nơ ron kết hợp với trí

tuệ nhân tạo [72],… Với phạm vi của nghiên cứu, luận án sẽ tập trung xây dựng mô

phỏng hệ điều khiển dựa trên kết hợp logic mờ (fuzzy logic) và điều khiển LQR. Các

kết quả của mô phỏng đã khẳng định tính ưu việt của bộ điều khiển kết hợp fuzzy-LQR

được đề xuất so với bộ điều khiển kết hợp PID-LQR, đặc biệt là khi có nhiễu. [73]

3.10.1 Mô hình hệ thống điều khiển

Về bản chất một hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng bằng cách khai thác ánh

sáng tự nhiên là một hệ thống điều khiển tự động vòng kín.

Một hệ thống điều khiển tự động vòng kín bao gồm ba phần chủ yếu:

- Thiết bị điều khiển (TBĐK)

- Đối tượng điều khiển (ĐTĐK)

- Thiết bị đo lường (TBĐL)

71

Hình 3.22: Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống điều khiển tự động.

Trong đó:

C: Tín hiệu cần điều khiển được gọi là tín hiệu ra.

U: Tín hiệu điều khiển.

R: Tín hiệu cần đạt được (chuẩn hay tham chiếu) thường được gọi là tín hiệu vào.

N: Tín hiệu nhiễu tác động từ bên ngoài vào hệ thống.

F: Tín hiệu hồi tiếp.

Trong hệ thống tiết kiệm năng lượng chiếu sáng, thiết bị điều khiển thường sử dụng

bộ điều khiển fuzzy logic kết hợp PID, tín hiệu hồi tiếp F là cường độ ánh sáng có được

từ thiết bị đo lường là cảm biến ánh sáng tĩnh. Thiết bị điều khiển sẽ so sánh giá trị của

tín hiệu hồi tiếp F với giá trị cần đạt R và tính toán điều khiển giá trị công suất cung cấp

cho đối tượng điều khiển là đèn chiếu sáng. Nghiên cứu hướng đến việc sử dụng truyền

dữ liệu qua điện toán đám mây và xây dựng hệ thống điều khiển phân tán không dây

như hình 3.23 với bộ điều khiển Fuzzy được thực hiện ở phần 3.10.2 với các thông số

Hình 3.23: Mô hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến tĩnh và bộ điều khiển Fuzzy.

cụ thể.

72

3.10.2 Lựa chọn phương án mô phỏng

Bộ điều khiển Fuzzy-LQR [73] kết hợp tiêu chuẩn được xây dựng bằng cách chọn

đầu vào là lỗi (e) và đạo hàm của lỗi (Δe) như được hiển thị trong hình 3.24 và đầu ra là

tín hiệu điều khiển (u). Trong số ba loại cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-LQR lai, loại đầu

vào kép là cấu trúc mạnh mẽ nhất cho các hệ thống cực không ổn định. Như có thể thấy

từ hình 3.24, cấu trúc bộ điều khiển Fuzzy-LQR lai được xử lý có hai hệ số tỷ lệ đầu vào

và hai đầu ra, đầu vào Ke (đối với lỗi (e)) và Kd (đối với sự thay đổi của sai số (Δe)).

Trong khi đầu ra (U) được ánh xạ vào miền giá trị đầu ra thực tế (u) tương ứng bằng các

hệ số tỷ lệ đầu ra β và α

Hình 3.24: Cấu trúc một hệ điều khiển lai (hybrid) Fuzzy-LQR

Theo [73], một hệ hybrid fuzzy-LQR có thể mô phỏng ở hình 3.24

Trong một nghiên cứu so sánh của Jamilu Kamilu Adamu và cộng sự [73], hiệu suất

của bộ điều khiển kết hợp fuzzy-LQR và bộ điều khiển kết hợp PID-LQR được đánh giá

về mặt hiệu năng. Các kết quả của mô phỏng đã khẳng định tính ưu việt của bộ điều

khiển kết hợp fuzzy-LQR được đề xuất so với bộ điều khiển kết hợp PID-LQR, đặc biệt

là khi có nhiễu.

Nghiên cứu này lựa chọn thực hiện lại bộ điều khiển kết hợp fuzzy-LQR trong phần

mềm Matlab sử dụng dữ liệu cảm biến tĩnh để làm thiết bị đo lường. Trong hình 3.25 là

sơ đồ khối của bộ điều khiển kết hợp fuzzy-LQR trên simulink sử dụng dữ liệu đầu vào

là cảm biến tĩnh.

73

Hình 3.25: Sơ đồ khối của bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID

Dưới đây là các bước xây dựng phần mềm thực hiện điều khiển bằng Fuzzy Logic:

Fuzzy hóa đầu vào: Mờ hóa là quá trình chuyển đổi một giá trị định lượng thực tế

vào một giá trị biến mờ. Biến mờ được sử dụng để dịch giá trị thực tế thành các giá trị

mờ. Các giá trị có thể có của một biến mờ không phải là số mà là các "từ ngữ".

Các biến ngôn ngữ đầu vào cho bộ điều khiển Fuzzy logic thể hiện bằng ngôn ngữ

sự khác biệt giữa giá trị đặt với các tín hiệu đã đo lường và tính toán từ cảm biến ánh

sáng. Đầu vào của Fuzzy logic là Error = (Mức sáng yêu cầu – Cường độ sáng đo được)

và DeltaError = (Error[n] – Error[n-1]).

Hàm thành viên hình tam giác và hình thang được sử dụng để mờ hóa đầu vào. Đối

với chương trình cho khối mờ hóa, chúng ta cần xác định dải của các biến mờ liên quan

đến các yếu tố đầu vào rõ ràng. Sự khác biệt về giá trị đo được sẽ nằm trong các khoảng

giá trị. Các tập mờ sau được sử dụng: NEG = Âm, SNEG = Âm ít, ZERO = Bằng 0,

Bảng 3.4: Hàm thành viên cho biến đầu vào Error bằng ngôn ngữ

SPOS = Dương ít, POS =Dương.

STT Dải tham số đầu vào mờ hóa Tên biến mờ tương đương

(Error=Set point - Current Value)

-10 to -30 1 NEG

0 to -20 2 SNEG

-10 to 10 3 ZERO

74

0 to 20 SPOS 4

Bảng 3.5: Hàm thành viên cho biến đầu vào DeltaError bằng ngôn ngữ

10 to 30 POS 5

STT Dải tham số đầu vào mờ hóa Tên biến mờ tương đương

DeltaError = (Error[n] – Error[n-1])

0 to -20 NEG 1

-10 to 10 ZERO 2

0 to 20 POS 3

Để tạo ra biến âm bằng ngôn ngữ (NEG), ta sẽ xây dựng hàm biểu diễn hình thang.

Đoạn mã pseudo dưới đây đưa ra một ví dụ về một cách thực hiện điều đó. Chương trình

con "fuzzify_MF" nhận vào giá trị đầu vào dưới dạng số, dựa vào dải của biến mờ đầu

vào và hàm thành viên sẽ trả về một giá trị theo mức tỷ lệ giữa 0 và 1, cho thấy mức độ

“âm” mà sai số giữa tốc độ đầu vào với giá trị đặt cho trước có thể mang giá trị NEG.

Hình 3.26: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào Error

Tương tự như vậy, chúng ta tính toán được các hàm thành viên đầu vào khác.

75

Hình 3.27: Đồ thị biểu diễn cho biến đầu vào DeltaError

Suy luận mờ: Khi các giá trị hiện tại của các biến đầu vào được làm mờ, bộ điều

khiển mờ tiếp tục với giai đoạn “đưa ra quyết định” hoặc quyết định những hành động

cần thực hiện để điều chỉnh cường độ ánh sáng về giá trị điểm đặt yêu cầu. Tiêu chí cho

hành động này là thời gian tối thiểu và cường độ ánh sáng dao động tối thiểu. Các khối

khiển đầu ra, nghiên cứu sử dụng hàm liên thuộc tam giác. Năm tập hợp thành viên

được sử dụng để làm mờ đầu ra thành các biến ngôn ngữ. Chúng là giảm (DEC),

giảm ít (SDEC), không thay đổi (NONE), tăng ít (SINC) và tăng (INC)

quy tắc chứa chính sách điều khiển của Hệ thống điều khiển mờ. Để làm mờ giá trị điều

Phần ‘Nếu’ mô tả tình huống mà các quy tắc được đưa ra. Phần ‘Thì’ mô tả phản ứng

của hệ thống mờ trong tình huống này. Các luật điều khiển của hệ thống được xây dựng

Bảng 3.6 Tập hợp luật Fuzzy

về mặt cấu trúc theo các quy tắc mờ được nêu ra ở bảng 3.6

Luật Nếu Error là và DeltaError là Thì giá trị PWM sẽ

NEG NEG INC 0

NEG ZERO INC 1

NEG POS INC 2

SNEG NEG INC 3

SNEG ZERO SINC 4

SNEG POS SINC 5

76

6 ZERO NEG SINC

7 ZERO ZERO NONE

8 ZERO POS SDEC

9 SPOS NEG SDEC

10 SPOS ZERO SDEC

11 SPOS POS DEC

12 POS NEG DEC

13 POS ZERO DEC

Hình 3.28: Đồ thị hàm thành viên đầu ra.

14 POS POS DEC

Giải mờ: Kết quả của giải mờ phải là một giá trị số để điều khiển đầu ra. Có rất nhiều

cách để thực hiện giải mờ; trong trường hợp này, giá trị đầu ra thu được bằng kỹ thuật

tính trung bình theo trọng số mô tả bởi phương trình sau:

14 𝑖=0 ∑ 𝑊[𝑖]

∑ Defuz = 𝑃[𝑖]∗𝑊[𝑖] 14 𝑖=0

P [i] là giá trị đỉnh của hàm thành viên đầu ra thứ i. W[i] là trọng số tương đương với

luật thứ i.

77

defuzzify {

for (i=0;i<15;i++) SM_DOM = SM_DOM + W[i]

for (i=0;i<15;i++) OUTPUT = OUTPUT + P[i]*W[i]

OUTPUT = OUTPUT/SM_DOM

return (OUTPUT);}

Một đoạn mã pseudo của quá trình giải mờ như sau:

Hình 3.29: Đồ thị 3D minh họa giá trị đầu ra của hệ thống

Đồ thị đầu ra dưới dạng 3D được minh họa ở hình 3.29

3.10.3 Các phương án tiền xử lý

Ở phần 3.6, luận án đưa ra phương án mô tả cảm biến quay đa hướng cung cấp giá

trị cảm biến ánh sáng dưới dạng véc tơ. Do đó, muốn thực hiện điều khiển ánh sáng

dùng bộ điều khiển logic mờ kết hợp với thiết bị đo lường là cảm biến ánh sáng đa hướng

sẽ phải thực hiện một khâu tiền xử lý để trích chọn ra một giá trị duy nhất đưa vào bộ

78

điều khiển như trong hình 3.30. Trong hình 3.30 dữ liệu của cảm biến đa hướng được

lấy từ trên server của thingspeak và xử lý trong phần mềm Matlab bởi một mô đun

chương trình thực hiện theo các phương pháp tiền xử lý được mô tả trong các phần

3.10.4. Sau khi dữ liệu đã được tiền xử lý thì sẽ được truyền thẳng đến mô đun điều

khiển Fuzzy và bộ điều khiển Fuzzy này đã được khởi tạo theo các biểu thức và đồ thị

Hình 3.30: Mô hình điều khiển phân tán sử dụng cảm biến quay và bộ điều khiển Fuzzy

cũng như các bảng luật điều khiển ở trong phần 3.10.2.

Luận án đã đề xuất một số phương pháp tiền xử lý dữ liệu của cảm biến đa hướng và

thực hiện việc lấy kết quả thu được sau khi tiền xử lý:

(i) Phương pháp lấy trung bình cộng

Ta có đầu ra của cảm biến quay cung cấp cho chúng ta giá trị đo trên cảm biến dưới

dạng véc tơ E. Do đó theo phương pháp trung bình cộng ta sẽ có giá trị trích chọn từ

cảm biến đưa vào bộ điều khiển :

N Y(t)=(∑ Ei(t) i=1

(3.10) )/N

Với Y là giá trị trích chọn từ cảm biến, N là số hướng đo của cảm biến quay, Ei là

giá trị đo trên cảm biến ở hướng i.

Với bộ dữ liệu, chúng ta sẽ có kết quả lấy trung bình cộng giá trị đo của các hướng

so với giá trị cảm biến tĩnh như hình 3.31.

79

Hình 3.31: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp trung bình cộng so với

cảm biến tĩnh.

(ii) Phương pháp lấy trung bình cộng theo ngưỡng

Theo phương pháp lấy trung bình cộng ở trên chúng ta đã có được một giá trị ngưỡng

Y để đi tìm các nguồn sáng chính. Nếu coi một nguồn sáng có giá trị trên trung bình so

với các nguồn sáng từ các hướng khác thì phương pháp chọn lọc theo ngưỡng chính là

phương pháp tìm ra được các nguồn sáng chính. Từ việc tìm được các nguồn sáng chính

ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng của môi trường tiếp theo có thể tính toán giá trị trung

bình của các nguồn sáng chính và dùng nó làm giá trị đầu vào cho bộ điều khiển. Ta sẽ

có giá trị đó theo công thức sau:

N Yavgmax(t)=∑ ωi(t).Ei(t) i=1

N /∑ ωi i=1

(3.11) (t)

Với ωi(t) =0 khi Ei (t)

biến quay, Y là giá trị trích chọn từ cảm biến, Ei là giá trị đo trên cảm biến ở hướng i.

Với bộ dữ liệu, chúng ta sẽ có kết quả tiền xử lý bằng cách tìm trung bình cộng giá

trị đo của các hướng theo ngưỡng so với giá trị cảm biến tĩnh như hình 3.32.

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.

(iii) Phương pháp lấy giá trị cực đại

Nếu coi các giá trị cường độ ánh sáng đo được từ các hướng phản ánh chân thực

cường độ ánh sáng của môi trường thì trong quá trình sử dụng ánh sáng chúng ta hoàn

toàn có thể lấy một nguồn sáng chính làm đối tượng căn cứ để điều khiển cường độ ánh

sáng xung quanh. Phương pháp tìm giá trị cực đại chính là đi tìm nguồn sáng chính ảnh

hưởng nhiều nhất đến cường độ ánh sáng của môi trường và dùng nó làm giá trị đầu vào

cho bộ điều khiển. Ta sẽ có giá trị đó theo công thức sau:

(3.12) Ymax(t)= Max(E1, E2,…, EN)

Với Y là giá trị trích chọn từ cảm biến, N là số hướng đo của cảm biến quay, Ei là

giá trị đo trên cảm biến ở hướng i.

Để thực hiện tìm cực đại ta sẽ so sánh giá trị giữa các hướng đo với nhau và gán

Ymax(t)=Ei(t) nếu Ei(t)> Ymax(t) với 1< i

81

Với bộ dữ liệu thu thập được ở phần trước, chúng ta sẽ sử dụng giá trị cường độ ánh

sáng lớn nhất của một trong các hướng đã đo làm đầu vào của bộ điều khiển logic mờ,

Hình 3.33: Kết quả trích chọn giá trị cảm biến theo phương pháp tìm giá trị cực đại so với

cảm biến tĩnh.

kết quả so sánh với giá trị cảm biến tĩnh được thể hiện trong hình 3.33.

3.10.4 Đánh giá hiệu năng và kết quả mô phỏng

Sau khi thực hiện một số phương pháp tiền xử lý, nghiên cứu sẽ trích chọn các giá

trị cường độ ánh sáng đa hướng chuyển về thành một giá trị để đưa vào bộ điều khiển

logic mờ. Sau đó nghiên cứu cũng thực hiện mô phỏng điều khiển cân bằng ánh sáng

tương tự như điều khiển với một cảm biến tĩnh.

Trong hình 3.34 là giá trị cường độ ánh sáng trên các hướng sau khi đã điều chỉnh

lại sử dụng giá trị phản hồi với phương pháp tiền xử lý bằng cách tìm cực đại. Đây là

kết quả mô phỏng sau điều khiển bù cân bằng ánh sáng với bộ điều khiển logic mờ kết

82

hợp PID thay vì sử dụng đầu vào là cảm biến tĩnh đã lấy giá trị của cảm biến quay đưa

Hình 3.34: Kết quả mô phỏng điều khiển sử dụng đầu vào với phương pháp tiền xử lý tìm

giá trị cực đại

qua khâu tiền xử lý để làm đầu vào.

Với giá trị đặt ban đầu là 500 lux chúng ta có thể quan sát thấy giá trị cường độ ánh

sáng trên các hướng đều nhỏ hơn hoặc bằng 500 lux đúng như yêu cầu của hệ thống điều

khiển ổn định cân bằng tự động. Sai số của giá trị điều khiển là 2 lux có thể chấp nhận

được.

Đồng thời trong quá trình mô phỏng điều khiển, nghiên cứu cũng tính toán được giá

trị công suất tiêu thụ trên hệ thống chiếu sáng bù cường độ ánh sáng môi trường theo

yêu cầu như trên. Hình 3.35 là đồ thị kết quả công suất bù tiêu thụ trên hệ thống chiếu

sáng khi sử dụng các phương pháp tiền xử lý giá trị cảm biến quay đa hướng khác nhau.

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.

Từ đồ thị có thể thấy được đường màu xanh là giá trị công suất cung cấp cho đèn

chiếu sáng để cân bằng cường độ ánh sáng với giá trị đặt là 500 lux với giá trị phản hồi

cho bộ điều khiển Fuzzy là giá trị của cảm biến quay được trích chọn theo phương pháp

tìm giá trị cực đại, tiếp theo là đường màu da cam là kết quả điều khiển khi sử dụng giá

trị của cảm biến quay được trích chọn theo phương pháp trung bình theo ngưỡng để làm

đầu vào điều khiển. Với giá trị đầu vào điều khiển là cảm biến tĩnh thì công suất điều

khiển được biểu diễn bởi đường nét đứt màu tím còn đường màu đỏ là đầu ra công suất

của bộ điều khiển sử dụng giá trị trung bình cộng các hướng đo.

Với dữ liệu trên đồ thị hình 3.35 ta tính được giá trị công suất tiêu thụ trung bình trong khoảng thời gian từ 16 giờ 45 phút đến 17 giờ 21 phút theo bộ dữ liệu ở trên và

tổng hợp vào bảng 3.7. Qua bảng này có thể thấy được phương pháp trích chọn đầu vào theo miền tìm cực đại đem lại tỷ lệ tiết kiệm cao nhất so với các phương pháp khác. Bảng 3.7 cũng cho thấy phương pháp tiền xử lý lấy trung bình theo ngưỡng cho tỷ lệ tiết kiệm cao hơn phương pháp sử dụng cảm biến tĩnh với trường hợp cảm biến có vật cản.

Trong quá tình ứng dụng thì tùy theo yêu cầu về điều khiển ánh sáng theo khu vực hay

điều khiển cân bằng các nguồn sáng có thể chọn các phương pháp tiền xử lý khác nhau.

84

Bảng 3.7: So sánh tỷ lệ tiết kiệm của các phương pháp điều khiển so với điều khiển bằng

cảm biến tĩnh

Phương pháp trích chọn đầu vào Công suất trung bình (W) Tỷ lệ tiết kiệm so với

cảm biến tĩnh

Tìm cực đại 23,5% 50,38

Trung bình theo ngưỡng 15,8% 55,42

Trung bình - 0,74% 66,35

Cảm biến tĩnh 0% 65,87

Nếu như chúng ta chỉ tập trung vào tiết kiệm tối đa năng lượng tiêu thụ trên hệ thống

chiếu sáng và không cần cân bằng cường độ ánh sáng trong không gian phòng làm việc

thì sẽ lựa chọn phương pháp tiền xử lý là tìm giá trị cực đại.

Còn nếu như vẫn muốn cải thiện về vấn đề tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn muốn

cân bằng giữa các nguồn sáng trong không gian phòng làm việc thì có thể lựa chọn

phương pháp thứ hai là lấy trung bình theo ngưỡng.

3.11 Kết luận chương 3

Luận án đã đưa ra một cảm biến ánh sáng xoay có thể đo mức độ ánh sáng theo nhiều

hướng thay vì sử dụng mạng cảm biến định vị ở các hướng khác nhau. Hệ thống sử dụng động cơ bước để quay cảm biến và theo dõi các bước của động cơ để tính toán góc đo.

Các giá trị mức độ ánh sáng có thể được chuyển trực tiếp đến hệ thống giám sát để xử

lý thêm. Bên cạnh đó, cảm biến có thể kết nối với các nền tảng IoT phổ biến, chẳng hạn

như Ubidots và Thingspeak, để trực quan hóa và phân tích dữ liệu cảm biến từ xa. Nghiên cứu cũng đưa ra một cải tiến mới của cảm biến với cấu trúc nhỏ gọn tối ưu. Hiệu suất

của cảm biến đã được đánh giá thông qua các mô phỏng và kết quả, cho thấy cảm biến được đề xuất 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. Hơn nữa, ngay cả khi một số hướng phát hiện có thể bị chặn, cảm biến quay vẫn đo chính xác mức độ ánh sáng ở các hướng khác. Bên cạnh đó, luận án thực hiện thử nghiệm một số phương

pháp tiền xử lý dữ liệu cảm biến ánh sáng quay đa hướng để đưa vào bộ điều khiển logic mờ kết hợp PID. Kết quả tính toán đã chứng minh hiệu quả của hệ thống tiết kiệm năng

85

lượng chiếu sáng sử dụng cảm biến quay đa hướng tốt hơn khi chỉ sử dụng cảm biến

tĩnh. Điều này có được là do cảm biến ánh sáng quay đa hướng đã phản ánh được trung

thực được cường độ ánh sáng của môi trường xung quanh ngay cả khi có tác động của các yếu tố ngoại cảnh lên các nguồn sáng chính.

Trong tương lai, nghiên cứu sẽ phát triển cảm biến ánh sáng xoay ba chiều (3D), và

tối ưu hóa hệ thống quay. Đồng thời, nghiên cứu sinh sẽ thực hiện nhiều bản kiểm thử

về việc sử dụng cảm biến ánh sáng xoay trong các ứng dụng điều khiển ánh sáng khác

nhau.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố tại bài báo số 2, số 4 và số 5 trong danh mục

các công trình đã công bố của luận án.

86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận án đã giải quyết các vấn đề đã nêu ra trong mục tiêu đó là:

- Nghiên cứu đã chỉ rằng phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng lượng biên sau phù hợp với tải sợi đốt, tải đèn LED và tải điện dung do loại bỏ

được xung dòng điện biên độ lớn từ đó không làm giảm tuổi thọ của linh kiện

trong đèn, tuy nhiên phương pháp cắt biên sau lại không thể sử dụng được với tải đèn phóng điện.

- Đã đưa ra được phương pháp điều chỉnh mức sáng cải tiến dựa trên cắt mức năng lượng biên sau. Phương pháp này đã loại bỏ được xung điện áp ngược với biên

độ rất lớn là nguyên nhân làm nóng IGBT rất nhanh và hỏng sau một thời gian ngắn sử dụng. Phương pháp này góp phần quan trọng vào việc nâng cao hiệu suất

và mở rộng các loại bóng đèn tương thích của hệ thống tiết kiệm điện dùng trong

chiếu sáng, bao gồm cả đèn phóng điện, cũng như các thiết bị chiếu sáng có chứa

thành phần điện cảm

- Đã xây dựng cảm biến quay đa hướng phục vụ trong tiết kiệm năng lượng chiếu sáng. Hệ thống giải quyết các vấn đề của cảm biến tĩnh cũng như hệ cảm biến về

hiệu năng làm việc, đặc biệt khi có vật cản, khả năng phát hiện nguồn sáng và

đem lại độ chính xác cao.

Các kết quả trên đã được công bố trên các tạp chí, hội thảo uy tín trong và ngoài nước

như tạp chí KH&CN Năng lượng trường Đại học Điện lực, Hội Thảo Quốc Gia 2015 về

Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin, tạp chí “Advances in Science,

Technology and Engineering Systems Journal” (ASTES),…

Hướng nghiên cứu tiếp theo sẽ xây dựng thuật toán điều khiển riêng cho bộ điều

khiển để có thể khai thác hết các ưu điểm của cảm biến ánh sáng đa hướng dựa trên thuật

toán “gradient descent”. Xây dựng một hệ thống tiết kiêm năng lượng chiếu sáng theo

mô hình phân tán dựa trên IoT áp dụng các kết quả nghiên cứu trong luận án này.

87

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Báo điện tử, Đảng Cộng sản Việt Nam, “Sử dụng tiết kiệm, hiệu quả năng

lượng”, 16/06/2012, https://dangcongsan.vn/cung-ban-luan/su-dung-tiet-

kiem-hieu-qua-nang-luong-131995.html

[2]. Bộ Công Thương, “Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả hướng đến sự

phát triển bền vững ngành năng lượng Việt Nam”, 27/03/2021,

https://www.moit.gov.vn/web/guest/tin-chi-tiet/-/chi-tiet/su-dung-nang-

luong-tiet-kiem-va-hieu-qua-huong-%C4%91en-su-phat-trien-ben-vung-

nganh-nang-luong-viet-nam-21640-3301.html

[3]. Tập đoàn Điện lực Việt Nam, Tiết kiệm năng lượng “Tiết kiệm điện trong

chiếu sáng vẫn là bài toán khó”,

https://tietkiemnangluong.evn.com.vn/d6/news/Tiet-kiem-dien-trong-chieu-

sang-van-la-bai-toan-kho-116-154-8383.aspx

[4]. Kralikova, Ruzena & Andrejiova, Miriam & Wessely, Emil. (2015). Energy

Saving Techniques and Strategies for Illumination in Industry. Procedia

Engineering. 100. 10.1016/j.proeng.2015.01.357.

[5]. Văn bằng bảo hộ sáng chế “Thiết bị điều chỉnh mức sáng cho đèn neon” số

bằng: 1-0010206, Số đơn: 1-2010-01507 được Cục sở hữu Trí tuệ cấp ngày

25/05/2012

[6]. Phillips, J.M. & Coltrin, Michael & Crawford, Mary & Fischer, Arthur &

Krames, M. & Mueller-Mach, Regina & Mueller, Gerd & Ohno, Yoshi &

Rohwer, Lauren & Simmons, Jerry & Tsao, Jeff. (2007). Research Challenges

to Ultra-Efficient Inorganic Solid-State Lighting. Laser & Photonics Reviews.

1. 307 - 333. 10.1002/lpor.200710019.

[7]. Sanderson, Susan & Simons, Kenneth. (2014). Light emitting diodes and the

lighting revolution: The Emergence of a solid-state lighting industry. Research

Policy. 43. 10.1016/j.respol.2014.07.011.

[8]. Nimkulrat, Nithikul. (2007). The Role of Documentation in Practice-Led

Research. Journal of Research Practice. 3.

[9]. Puspita Mouri, Syeda & Sakib, Syed & Ferdous, Zannatul & Taher, Md.

(2016). AUTOMATIC LIGHTING AND SECURITY SYSTEM DESIGN

88

USING PIR MOTION SENSOR. Journal of Information Technology,

Jahangirnagar university. 4. 15-18.

[10]. Yeh, Lun-Wu & Lu, Che-Yen & Kou, Chi-Wai & Tseng, Yu-Chee & İk, Tsì-

Uí. (2010). Autonomous Light Control by Wireless Sensor and Actuator

Networks. Sensors Journal, IEEE. 10. 1029 - 1041.

10.1109/JSEN.2010.2042442.

[11]. Mohelnikova, Jitka. (2008). Daylighting and Energy Savings with Tubular

Light Guides. WSEAS Transactions on Environment and Development. 4.

[12]. M. F. da Silva et al., "Cost comparison between energy csonsumption and

lifetime depreciation for different compact fluorescent lamps starting

scenarios," 2010 9th IEEE/IAS International Conference on Industry

Applications - INDUSCON 2010, Sao Paulo, Brazil, 2010, pp. 1-5, doi:

10.1109/INDUSCON.2010.5740019

[13]. Galasiu, Anca & Newsham, Guy & Suvagau, Cristian & Sander, Daniel.

(2013). Energy Saving Lighting Control Systems for Open-Plan Offices: A

Field Study. LEUKOS - Journal of Illuminating Engineering Society of North

America. 4. 10.1582/LEUKOS.2007.04.01.001.

[14]. Leslie, R.P., R. Raghavan, O. Howlett, and C. Eaton. 2005 The Potential of

Simplified Concepts for Daylight Harvesting. Lighting Research and

Technology 37 (1): 21-40.

[15]. Energy Efficient Lighting System, Jan 2006, J Energ, W L O Fritz, M T E

Kahn, Fritz, W.L.O., Kahn M.T.E.: Energy Efficient Lighting System. Journal

of Energy, vol.17 No. 4 (2006)

[16]. Quyết định số 51/2011/QĐ-TTg ngày 12/9/2011 của Thủ tướng Chính phủ quy

định danh mục phương tiện, thiết bị phải dán nhãn năng lượng, áp dụng mức

hiệu suất năng lượng tối thiểu và lộ trình thực hiện, http://mt.gov.vn/

[17]. Báo Doanh nghiệp Việt Nam, “Đà Nẵng: Chi 90 tỉ đồng thay thế hệ thống điện

chiếu sáng công cộng bằng đèn LED” https://doanhnghiepvn.vn/doanh-

nghiep/dau-tu/da-nang-chi-90-ti-dong-thay-the-he-thong-dien-chieu-sang-

cong-cong-bang-den-led/20210118072856561.

[18]. Báo Tuổi trẻ, “TP.HCM thay thế đèn đường ứng dụng công nghệ LED”,

https://tuoitre.vn/tp-hcm-thay-the-den-duong-ung-dung-cong-nghe-led-

20171219162206725.htm

89

[19]. Tak, P.(2009) Lighting Design and Energy Savings. In: Light. FCC Public s.

r. o., Prague, (Vol. 10, No.2).

[20]. Dubois, Marie-Claude & Blomsterberg, Åke. (2011). Energy saving potential

and strategies for electric lighting in future North European, low energy office

buildings: A literature review. Energy and Buildings. 43. 2572–2582.

10.1016/j.enbuild.2011.07.001.

[21]. W. K. Alhuwayil, M. A. Mujeebu, and A. M. M. Algarny, ‘‘Impact of external

shading strategy on energy performance of multi-story hotel building in hot-

humid climate,’’ Energy, vol. 169, pp. 1166–1174, Feb. 2019, doi: 10.

1016/j.energy.2018.12.069.

[22]. J. Song, G. Luo, L. Li, K. Tong, Y. Yang, and J. Zhao, ‘‘Application of

heliostat in interior sunlight illumination for large buildings,’’ Renew. Energy,

vol. 121, pp. 19–27, Jun. 2018.

[23]. C.F. Reinhart, Effects of interior design on the daylight availability in open

plan offices, in: Proceedings of the ACEEE Summer study on energy efficient

buildings, Pacific Grove, CA (USA), August, 2002, pp. 1–12.

[24]. M. Krarti, ‘‘Evaluation of large scale building energy efficiency retrofit

program in Kuwait,’’ Renew. Sustain. Energy Rev., vol. 50, pp. 1069–1080,

Oct. 2015, doi: 10.1016/j.rser.2015.05.063.

[25]. How Energy-Efficient Light Bulbs Compare with Traditional Incandescents,

https://www.energy.gov/energysaver/save-electricity-and-fuel/lighting-

choices-save-you-money/how-energy-efficient-light

[26]. Jäggi, Walter (17 October 2008). "Grosses Lichterlöschen für die Glühbirnen".

Tages-Anzeiger (in German). Retrieved 8 January 2014

[27]. Kanter, James (1 September 2009). "Europe's Ban on Old-Style Bulbs

Begins". The New York Times. Retrieved 22 May 2010.

[28]. http://www.koreaherald.com/view.php?ud=20130716000855 , Korea to ban

incandescent bulbs in 2014, By Seo Jee-yeon, By Seo Jee-yeon Published : Jul

16, 2013 - 20:32

[29]. Jimat tenaga: Penggunaan lampu pijar bakal dihentikan". Utusan Malaysia. 18

March 2010. Archived from the original on 22 March 2010. Retrieved 23

October 2010.

[30]. Statens energimyndighetenen, Energi i våra lokaler: Resultat från

Energimyndighetens STIL2-projekt, Delrapport från Energimyndighetens

90

projekt Förbättrad energistatistik i samhället, 2010,

www.energimyndigheten.se/stil2, last accessed 27 January 2011

[31]. Energy efficient lighting – guidance for installers and specifiers, CE61, Energy

saving trust, London

[32]. Accelerating the Global Adoption of ENERGY-EFFICIENT LIGHTING, UN

Environment – Global Environment Facility | United for Efficiency (U4E)

[33]. Avijit Karmakar1, Snehashis Das2, Ayan Ghos. (2016). Energy Efficient

Lighting by Using LED Vs. T5 Technology

[34]. Josijevic, Mladen & Gordic, Dusan & Milovanovic, Dobrica & Jurišević,

Nebojša & Rakic, Nikola. (2017). A METHOD TO ESTIMATE SAVINGS

OF LED LIGHTING INSTALATION IN PUBLIC BUILDINGS: THE CASE

STUDY OF SECONDARY SCHOOLS IN SERBIA by. Thermal Science. 21.

10.2298/TSCI161209118J.

[35]. Al-Ashwal, N.T.; Budaiwi, I.M. Energy savings due to daylight and artificial

lighting integration in office buildings in hot climate. Int. J. Energy Environ.

2011, 2, 999–1012.

[36]. Yoo, S.; Kim, J.; Jang, C.Y.; Jeong, H. A sensor-less LED dimming system

based on daylight harvesting with BIPV systems. Opt. Express 2014, 22, A13

A143.

[37]. Gentile, N.; Laike, T.; Dubois, M.C. Lighting control systems in individual

offices rooms at high latitude: Measurements of electricity savings and

occupants’ satisfaction. Sol. Energy 2016, 127, 113–123

[38]. Kim, In-Tae & Kim, Yu-Sin & Nam, Hyeonggon & Hwang, Taeyon. (2018).

Advanced Dimming Control Algorithm for Sustainable Buildings by Daylight

Responsive Dimming System. Sustainability. 10. 4087. 10.3390/su10114087.

[39]. Nguyen Phan Kien, Hoang Anh Dung, Vu Van Sang, Mac Van Hai. Saving

energy equipment in lighting system of sixteen fluorescent lamps

[40]. Investigation of the effects of dimming on fluorescent lamp life- Lighting

Research Center- Task 4.3, 4.4, 4.5, Rensselaer Polytechnic Institute, 2010

[41]. Colaco, Sheryl. (2010). The Implications of Fluorescent Lamp Electronic

Ballast Dimming —An Experimental Study. Energy and Power Engineering.

02. 53-64. 10.4236/epe.2010.21009.

[42]. Y. -. Wu and G. -. Chen, "TRIAC dimming electronic ballast for compact

fluorescent lamps," 2011 International Conference on Electric Information

91

and Control Engineering, Wuhan, China, 2011, pp. 6343-6346, doi:

10.1109/ICEICE.2011.5777142.

[43]. Qingcong Hu and Zane, R., “LED driver circuit with series-inputconnected

converter cells operating in continuous conduction mode,” IEEE Trans. on

Power Electron., vol. 25, no. 3, pp. 574-582, Mar. 2010.

[44]. Eun S. Lee, Bo H. Choi, Jun P. Cheon, Bong C. Kim, and Chun T. Rim,

“Temperature-robust LC3 LED driver with low THD, high efficiency & PF,

and long life,” IEEE Power Electronics and Motion Control Conference

(IPEMC), 2014, Accpeted for publication.

[45]. "Inventing Six Modern Electric Lamps: Compact Fluorescent – The Challenge

of Manufacturing". National Museum of American History. Retrieved 18 June

2013

[46]. G. Malagon-Carvajal, C. Duarte, G. Ordonez-Plata, C. F. M. Almeida, and N.

Kagan, “Harmonic attenuation-amplification effect on lighting branch

circuits,” in 2017 IEEE 6th International Conference on Renewable Energy

Research and Applications (ICRERA), 2017, pp. 283–289.

[47]. Molina and L. Sainz, “Compact Fluorescent Lamp Modeling for Large-Scale

Harmonic Penetration Studies,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 30, no. 3, pp.

1523–1531, Jun. 2015.

[48]. J. Yong, L. Chen, A. B. Nassif, and W. Xu, “A Frequency-Domain Harmonic

Model for Compact Fluorescent Lamps,” IEEE Trans. Power Deliv., vol. 25,

no. 2, pp. 1182–1189, Apr. 2010.

[49]. A. C. Henao-Muñoz, J. G. Herrera-Murcia, and A. J. Saavedra-Montes,

“Experimental characterization of compact fluorescent lamps for harmonic

analysis of power distribution systems”, TecnoL., vol. 21, no. 42, pp. 79-94,

May 2018.

[50]. Wankanapon, Pimonmart & Mistrick, Richard. (2011). Roller Shades and

Automatic Lighting Control with Solar Radiation Control Strategies.

International Journal of Building, Urban, Interior and Landscape Technology.

1. 35-42. 10.14456/built.2011.2.

[51]. Avella Ruiz, Jorge Mario & Souza, Teófilo & Silveira, José. (2015). A

comparative analysis between fluorescent and LED ilumination for improve

energy efficiency at IPBEN building.

92

[52]. Lee, Eun S. & Cheon, Jun & Tan, Duy & Rim, Chun. (2014). A Novel TRIAC

Dimming LED Driver by Variable Switched Capacitance for Power

Regulation.

[53]. Lee, Seong & Nayar, Chemmangot. (2012). A Cost Effective Energy Saving

of Fluorescent Lighting in Commercial Buildings. Journal of Power

Electronics. 12. 10.6113/JPE.2012.12.1.215.

[54]. Chang, Gary & Liu, Y.J.. (2008). A New Approach for Modeling Voltage–

Current Characteristics of Fluorescent Lamps. Power Delivery, IEEE

Transactions on. 23. 1682 - 1684. 10.1109/TPWRS.2008.923810.

[55]. G. W. Chang, Characterizing harmonic currents generated by fluorescent

lamps in harmonic domain, IEEE Trans. Power Del., vol. 20, no. 4, pp. 1687–

1689, Oct. 2003

[56]. Tokic, Amir & Jukan, Admir & Uglešić, Ivo & Mustafic, Dzemo. (2018).

Nonlinear Model of Fluorescent Lamp in Harmonic Studies. 1-6.

10.1109/ISGTEurope.2018.8571760.

[57]. Cepisca, Costin & Florin, Argatu & Grigorescu, Sorin & Seritan, George & M,

Covrig. (2009). Mathematical Model of Dynamic Lamp Characteristics.

10.13140/2.1.3961.8884.

[58]. Elliott, R. (n.d.). Dimmers. Retrieved august 2015, 18, from Elliott Sound

Products: http://sound.westhost.com/lamps/dimmers.html

[59]. "C. Frank Wheatley, Jr., BSEE". Innovation Hall of Fame at A. James Clark

School of Engineering.

[60]. Jiakang Lu, Dagnachew Birru, and Kamin Whitehouse. 2010. Using simple

light sensors to achieve smart daylight harvesting. In Proceedings of the 2nd

ACM Workshop on Embedded Sensing Systems for Energy-Efficiency in

Building (BuildSys '10). Association for Computing Machinery, New York,

NY, USA, 73–78. DOI:https://doi.org/10.1145/1878431.1878448

[61]. C. Dandelski, B. Wenning, D. V. Perez, D. Pesch, J. M. g. Linnartz,

“Scalability of dense wireless lighting control networks”, IEEE

Communications Magazine, 53(1), 157–165, 2015,

doi:10.1109/MCOM.2015.7010529.

[62]. V. Singhvi, A. Krause, C. Guestrin, J. H. Garrett Jr, H. S. Matthews,

“Intelligent light control using sensor networks”, in Proceedings of the 3rd

93

international conference on Embedded networked sensor systems, 218–229,

ACM, 2005, doi:https://doi.org/10.1145/1098918.1098942.

[63]. Roshanzadeh, M. & Saqaeeyan, S.. (2012). Error Detection & Correction in

Wireless Sensor Networks By Using Residue Number Systems. International

Journal of Computer Network and Information Security. 4. 29-35.

10.5815/ijcnis.2012.02.05.

[64]. Chouikhi, I. El Korbi, Y. Ghamri-Doudane, L. A. Saidane, “A survey on

fault tolerance in small and large scale wireless sensor networks”, Computer

Commu-nications, 69, 22–37, 2015, doi:

https://doi.org/10.1016/j.comcom.2015.05.007.

[65]. I. Parvez, A. Rahmati, I. Guvenc, A. I. Sarwat, H. Dai, “A survey on low

latency towards 5G: RAN, core network and caching solutions”, IEEE

Commu-nications Surveys & Tutorials, 20(4), 3098–3130, 2018,

doi:10.1109/COMST. 2018.2841349.

[66]. M. electronics, “BH1750 ROHM Semiconductor Datasheet”, 2020.

[67]. E. Systems, “ESP8266 Overview”, 2020.

[68]. Ubidots, “Ubidots Internet of Things and Cloud tools,” 2020

[69]. Thingspeak, “ThingSpeak IoT analytics platform,” 2020.

[70]. Hartoyo, Aryanto. (2012). Development of Automation System for Room

LightingBased on Fuzzy logic Controller. International Journal of Information

and Electronics Engineering. 10.7763/IJIEE.2012.V2.249.

[71]. Sobirin, Diki. (2016). PID Control System For Light Intensity Of Space-Based

Labview. Telekontran : Jurnal Ilmiah Telekomunikasi, Kendali dan

Elektronika Terapan. 4. 59-67. 10.34010/telekontran.v4i2.1890.

[72]. Wang, Zizhen & Tan, Yen. (2013). Illumination control of LED systems based

on neural network model and energy optimization algorithm. Energy and

Buildings. 62. 514–521. 10.1016/j.enbuild.2013.03.029.

[73]. Adamu, J. K., Hamza, M. F., & Isa, A. I. “Performance Comparisons of

Hybrid Fuzzy-LQR and Hybrid PID-LQR Controllers On Stabilizing Double

Rotary Inverted Pendulum”. Journal of Applied Materials and Technology,

1(2), 71-80, 2020.

94

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1. Nguyễn Phan Kiên, Nguyễn Mạnh Cường, Hoàng Anh Dũng, Trần Đức Hưng, Đỗ

Chí Hiếu. Nghiên cứu tác động của phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức

năng lượng biên sau lên đối tượng đèn sợi đốt, đèn huỳnh quang và đèn compact. Hội

Thảo Quốc Gia 2015 về Điện Tử, Truyền Thông và Công Nghệ Thông Tin.

2. D. A. Hoang, T. T. Tung, C. M. Nguyen, K. P. Nguyen, “Rotating Sensor for

Multi-Direction Light Intensity Measurement”, in 2019 International Conference on

System Science and Engineering (ICSSE), 462–467, 2019,

doi:10.1109/ICSSE.2019.8823447.

3. Nguyễn Phan Kiên, Nguyễn Mạnh Cường, Hoàng Anh Dũng, Vũ Duy Thuận,

2020, ”Nghiên cứu cải tiến phương pháp điều chỉnh mức sáng dựa trên cắt mức năng

lượng biên sau lên đối tượng đèn huỳnh quang và đèn compact”. Tạp chí KH&CN Năng

lượng trường Đại học Điện lực, số 22/2020.

4. Hoang Anh Dung, Nguyen Manh Cuong, Nguyen Phan Kien, “Multi-Directional

Light Sensing Using A Rotating Sensor”, Advances in Science, Technology and

Engineering Systems Journal, Vol. 5, No. 6, p221-p227 (2020). ISSN: 2415-6698.

(SCOPUS INDEX)

5. Nguyễn Phan Kiên, Nguyễn Mạnh Cường, Hoàng Anh Dũng, Vũ Duy Thuận.

2021, “ĐÁNH GIÁ HIỆU NĂNG KHI SỬ DỤNG CẢM BIẾN ÁNH SÁNG ĐA

HƯỚNG CHO HỆ THỐNG TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG CHIẾU SÁNG”. Tạp chí

KH&CN Năng lượng trường Đại học Điện lực, số 26/2021. Trang 60-71.

95