Tài liệu Bài tập lớn môn nghiên cứu khoa học nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng

BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC MỞ ĐẦU Trong công cuộc đổi mới đất nước, song song với quá trình công nghiệp hóa - hiện đại hóa thì việc xây dựng cơ sở hạ tầng cũng được tiến hành. Quá trình nâng cấp, xây dựng hệ thống chiếu sáng ở các khu đô thị cũng không nằm ngoài kế hoạch. Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân cũng được nâng cao một cách nhanh chóng. Yêu cầu của họ trong các lĩnh vực: công nghiệp dịch vụ, du lịch và sinh hoạt tăng trưởng không ngừng. Chính do những yêu cầu này, đòi hỏi các nhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải nghiên cứu, tìm hiểu để tạo ra các sản phẩm nhằm đáp ứng các nhu cầu của họ. Thiết kế hệ thống chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng là một việc làm khó. Nó không chỉ đòi hỏi chiếu sáng đơn thuần mà còn phải đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật mức độ tiện nghi, đảm bảo không bị chói…. Ngoài ra nó còn phải đảm bảo các yêu cầu về thẩm mỹ và có tính kinh tế cao như tiết kiệm được điện năng, chi phí đầu tư nhỏ, cho ánh sáng đẹp, đảm bảo mỹ quan…. Để có được một bản thiết kế trên đòi hỏi người thiết kế ngoài kiến thức chuyên môn còn phải có sự hiểu biết nhất định về xã hội, về môi trường và về các đối tượng thiết kế. Tránh thiết kế sai gây dư thừa lãng phí nguyên vật liệu và làm mất tính thẩm mỹ…. Với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng” tôi đã trình bày khái quát cơ sở lý thuyết chiếu sáng và vận dụng những kiến thức đã học về kỹ thuật chiếu sáng để làm đề tài trên. 1 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 1. Lý do chọn đề tài Tiết kiệm năng lượng đang là một chương trình hành động quyết liệt đối với nhiều quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Lĩnh vực chiếu sáng chiếm khoảng 15-20% năng lượng điện toàn cầu, do đó yêu cầu chiếu sáng có hiệu quả, tiết kiệm là một yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu dài. Hiện tại tình hình thiếu điện luôn diễn ra hết sức căng thẳng nhất là vào mùa khô, làm thế nào để thực hành tiết kiệm điện hiệu quả nhưng vẫn đảm bảo nhu cầu sử dụng điện phù hợp với nhu cầu phát triển kinh tế xã hội là điều cần quan tâm không chỉ của các cơ quan quản lý nhà nước, của ngành điện mà của toàn xã hội. Hoạt động chiếu sáng là lĩnh vực sử dụng điện chiếm tỷ trọng khá lớn trong tổng lượng điện tiêu thụ. Do vậy tiết kiệm điện trong chiếu sáng là vấn đề cấp thiết. Song thực hiện bằng cách nào, tắt bớt đèn hay áp dụng những thành tựu tiến bộ trong công nghệ chiếu sáng hiệu suất cao? Với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng” sẽ trả lời về chiếu sáng hiệu suất cao, lợi ích của nó trong việc tiết kiệm điện và bảo vệ môi trường, các giải pháp áp dụng chiếu sáng hiệu suất cao trong các lĩnh vực từ chiếu sáng đường phố, ngõ hẻm đến chiếu sáng trong nhà như công sở, trườnghọc, bệnh viện...Trên cơ sở đó giúp cho công tác quản lý, ra quyết định liên quan đến đầu tư, sử dụng hệ thống chiếu sáng, giúp công tác phối hợp giữa các ban ngành trong thực hiện các giải pháp chiếu sáng hiệu suất cao.Tài liệu cũng góp phần hỗ trợ cho công tác truyền thông nâng cao nhận thức cộng đồng trong việc phát hiện các chủ đề liên quan đến chiếu sáng công cộng hiệu suất cao. Tuy vậy cũng có thể nói một cách ngắn gọn chiếu sáng hiệu suất cao là hình thức chiếu sáng bảo đảm độ sáng cao hơn, chất lượng ánh sáng tốt hơn phù hợp với con mắt khi nhìn và quan sát nhưng sử dụng ít điện hơn so với chiếu sáng thông thường trước đây. 2 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu các phương pháp chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng. Hầu hệ́t những người sử dụng năng lượng trong công nghiệp và thương mại đều nhận thức được vấn đề tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu sáng. Thông thường có thể tiến hành tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể chỉ với vốn đầu tư ít và một chút kinh nghiệm. Thay thế các loại đèn hơi thuỷ ngân hoặc đèn nóng sáng bằng đèn halogen kim loại hoặc đèn natri cao áp sẽ giúp giảm chi phí năng lượng và tăng độ chiếu sáng. Lắp đặt và duy trì thiết bị điều khiển quang điện, đồng hồ hẹn giờ và các hệ thống quản lý năng lượng cũng có thể đem lại hiệu quả tiết kiệm đặc biệt. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải xem xét việc sửa đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng để đạt được mục tiêu tiết kiệm như mong đợi. Cần hiểu rằng những loại đèn có hiệu suất cao không phải là yếu tố duy nhất đảm bảo một hệ thống chiếu sáng hiệu quả. - Sử dụng các bóng đèn phát ra nhiều ánh sáng mà sử dụng ít điện, có màu sắc ánh sáng phù hợp với hoạt động của mắt trong khi làm việc và sinh hoạt hàng ngày. - Sử dụng các chao, máng đèn tập trung ánh sáng nhiều hơn đến nơi cần chiếu sáng, do vậy hiệu quả sử dụng ánh sáng do bóng đèn phát ra cao hơn, đồng thời giảm bớt độ chói của bóng đèn tránh gây loá mắt. - Sử dụng các thiết bị điện như chấn lưu, khởi động tiêu thụ ít điện hơn và không gây hiện tượng nhấp nháy của bóng đèn tuýp huỳnh quang. - Bố trí các đèn chiếu sáng đúng kỹ thuật tạo môi trường ánh sáng hài hoà thoải mái dễ chịu cho mọi người. - Sử dụng các thiết bị điều khiển để điều chỉnh độ sáng phù hợp với yêu cầu sử dụng và tận dụng ánh sáng tự nhiên vào nhà. Như vậy thay bóng đèn tròn sợi đốt bằng bóng đèn compact tiết kiệm điện chỉ là một cách trong các giải pháp tổng thể chiếu sáng hiệu suất cao. Tuy 3 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC nhiên sử dụng bóng đèn compact cũng phải đúng nơi đúng cách thì mới có hiệu quả. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Đối tượng nghiên cứu: các mô hình chiếu sáng công cộng hiệu suất cao và tiết kiệm điện hiện nay như: Trường học, chiếu sáng đường phố, trong ngõ xóm, trong các công sở… Để thực hiện chiếu sáng hiệu suất cao trong các công sở việc đầu tiên cần quan tâm là lựa chọn loại nguồn sáng vì số lượng bóng đèn sử dụng là rất lớn tới hàng trăm thậm chí hàng ngàn bóng trong mỗi toà nhà. Hiện tại sử dụng bóng đèn T8 36W hoặc 32W là lựa chọn tốt nhất. Có thể sử dụng bóng đèn T5 có hiệu suất cao hơn T8 nhưng chi phí đầu tư sẽ lớn hơn. Bóng đèn compác chỉ nên sử dụng ở khu vực cầu thang, các sảnh. Các phòng làm việc trong công sở hiện nay đều sử dụng nhiều máy tính do vậy nên sử dụng các bộ đèn có tấm phản xạ dạng parabôn kết hợp các nan chắn giảm độ chói của bóng đèn và không tạo bóng lên màn hình. Không nên sử dụng các bộ đèn để bóng trần hoặc có chụp mờ bằng nhựa hoặc thuỷ tinh. Các phòng lớn có nhiều người làm việc nên áp dụng phương án chiếu sáng chung đều có hệ thống công tắc điều khiển theo từng dãy hoặc khu vực làm việc. Các phòng có cửa sổ nên bố trí công tắc có thể tắt các dãy đèn gần cửa sổ khi ánh sáng ban ngày bảo đảm đủ yêu cầu về độ sáng. Các văn phòng làm việc hiện đại còn trang bị hệ thống điều khiển tự động sử dụng các cảm biến quang, cảm biến hồng ngoại hoặc điều chỉnh độ sáng theo yêu cầu cho hiệu quả tiết kiệm điện năng rất lớn. Tuy nhiên chi phí đầu tư cho hệ thống này cũng tăng cao. Các phòng làm việc cá nhân không cần sử dụng nhiều đèn, nên có thêm đèn bàn để bảo đảm đủ độ sáng tại chỗ làm việc. Phạm vi nghiên cứu: từ kỹ thuật chiếu sáng truyền thống, nghiên cứu ứng dụng các giải pháp tiên tiến để chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng. 4 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và tham khảo tài liệu quy trình công nghệ rút ra được đặc trưng của các giải pháp nâng cao hiệu quả chiếu sáng và tiết kiệm điện năng. Như vậy, tiết kiệm điện năng trong chiếu sáng cần được cụ thể hóa từ ý thức tiết kiệm điện năng đến việc đầu tư, ứng dụng những giải pháp chiếu sáng hiệu suất cao đồng bộ không đòi hỏi phức tạp và tốn kém. Không chỉ hiệu quả sử dụng và khả năng tiết kiệm điện từ hệ thống chiếu sáng tiết kiệm – hiệu quả, những giải pháp chiếu sáng hiệu suất cao còn góp phần tăng nhiều lợi ích khác như năng suất lao động, sức khỏe thị lực của con người khi sinh hoạt, làm việc trong một môi trường sáng tiện nghi, và thân thiện với môi trường. Giải pháp đơn giản, hiệu quả và thiết thực nhất của mỗi cơ quan, mỗi doanh nghiệp hiện nay trong việc tiết kiệm điện năng, đảm bảo nhu cầu về điện chính là sự “tiêu dùng thông minh” đối với các sản phẩm chiếu sáng tiết kiệm điện năng cũng như những giải pháp chiếu sáng hiệu quả do các doanh nghiệp lớn, các đơn vị tư vấn có uy tín trên thị trường sản xuất và cung cấp. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài được thể hiện một trong các trọng tâm của đề tài là nghiên cứu các phương pháp chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng. 5 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 1: Tổng quan về kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng 1.1. Tổng quan về kỹ thuật chiếu sáng Nguồn sáng nhân tạo đầu tiên là ngọn nến đã được sử dụng khoảng 5000 năm về trước. Theo chiều dài lịch sử, kỹ thuật chiếu sáng có bước phát triển rực rỡ khởi đầu từ thời đại Ánh sáng điện. Chiếu sáng là một kỹ thuật đa ngành, trước hết đó là mối quan tâm của các kỹ sư năng lượng điện, các nhà vật lý nghiên cứu quang và quang phổ học, cán bộ kỹ thuật của các doanh nghiệp công trình công cộng và các nhà quản lý đô thị. Chiếu sáng cũng là mối quan tâm của các nhà kiến trúc, xây dựng và giới mỹ thuật công trình. Nghiên cứu về chiếu sáng cũng là một công việc của các bác sỹ nhãn khoa, các nhà tâm sinh lý học, giáo dục thể chất học đường ... Trong thời gian gần đây, với sự ra đời và hoàn thiện của các nguồn sáng hiệu suất cao, các phương pháp tính toán và công cụ phần mềm thiết kế mới, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng, có thểgọi là giai đoạn Chiếu sáng tiện ích (Avandced Lighting Techniques). Chiếu sáng tiện ích là một giải pháp tổng thể nhằm tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng từ việc sử dụng nguồn sáng có hiệu suất cao, sử dụng tối đa và hiệu quả ánh sáng tự nhiên, điều chỉnh ánh sáng theo mục đích và yêu cầu sử dụng, nhằm tiết kiệm điện năng tiêu thụ mà vẫn đảm bảo tiện nghi nhìn. Kết quả của chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiết kiệm năng lượng, góp phần bảo vệ môi trường. Nội dung chính sẽ được giới thiệu và thảo luận trong bài viết này là: - Tổng quan về Công nghệ chiếu sáng bán dẫn. 6 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Các bộ đèn chiếu sáng truyền thống có thể phân thành hai nhóm lớn là đèn sợi đốt và đèn phóng điện. Tuy nhiên trong thời gian gần đây, Công nghệ chiếu sáng bán dẫn -sử dụng các dụng cụ chiếu sáng LED (diot bán dẫn phát quang) với những ưu điểm vượt trội về hiệu quả chiếu sáng và tiết kiệm năng lượng, đã phát triển thành một công nghệ tiên tiến trong kỹ thuật chiếu sáng hiện đại. - Một số giải pháp điều khiển trong kỹ thuật chiếu sáng. Để kỹ thuật chiếu sáng đạt được ý nghĩa tiện ích (Avandced Techniques) thì các giải pháp điều khiển có vai trò rất quan trọng, vừa để đảm bảo tiện nghi nhìn, vừa đảm bảo tiết kiệm điện năng, tăng hiệu quả chiếu sáng. 1.2. Tầm quan trọng của việc chiếu sáng Trong sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá ngành điện chiếu sáng giữ một vai trò rất lớn. Nó không chỉ chiếu sáng đơn thuần mà nó còn góp phần vào công việc sản xuất, xây dựng, bảo vệ đất nước. Đối với chiếu sáng trong nhà, ngoài chiếu sáng tự nhiên còn phải sử dụng chiếu sáng nhân tạo. Hiện nay người ta thường dùng điện để chiếu sáng nhân tạo. Sở dĩ như vậy vì chiếu sáng điện có nhiều ưu điểm: thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện.Ví dụ trong xí nghiệp dệt, nếu độ rọi tăng lên 1,5 lần thì thời gian để làm các thao tác chủ yếu sẽ giảm từ 8%→ 25%, năng suất lao động tăng 4%→ 5%. Trong phân xưởng nếu ánh sáng không đủ, công nhân sẽ phải làm việc trong trạng thái căng thẳng, hại mắt, sức khỏe, kết quả gây ra hàng loạt phế phẩm và năng suất lao động sẽ giảm v.v… Ngoài ra còn rất nhiều công việc không thể tiến hành được nếu thiếu ánh sáng hoặc ánh sáng không gần giống với ánh sáng tự nhiên (bộ phận kiểm tra chất lượng máy, nhuộm màu v.v…). Nếu chiếu sáng ngoài trời được đảm bảo một cách tối đa thì sẽ giảm được rất nhiều tai nạn giao thông, giúp việc giao thông thuận tiện hơn, giảm nhiều tệ nạn xã hội. Mặt khác nếu chiếu sáng đô thị được bố trí một cách hợp lý hơn thì sẽ làm tăng được vẻ đẹp của đô thị cũng như các công trình văn hoá khác. Vì vậy vấn đề chiếu sáng là một vấn đề quan trọng nên được các nhà nghiên cứu chú ý nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực chuyên sâu như nguồn sáng, chiếu 7 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC sáng công nghiệp, nhà ở, các công trình văn hoá nghệ thuật, chiếu sáng sân khấu v.v… 1.3. Thành tựu của chiếu sáng ở Việt Nam Nhận biết được tầm quan trọng của chiếu sáng các nhà chiếu sáng Việt Nam cũng đã áp dụng nhũng thành tựu của khoa học chiếu sáng trên thế giới và lĩnh vực chiếu sáng nước nhà. Hiện nay, hầu hết các thành phố lớn, các đô thị cũng như các tuyến đường giao thông đã được chiếu sáng với các mức độ khác nhau nhưng cũng phát huy được tối đa hiệu quả của chiếu sáng như giảm được tai nạn giao thông, tăng vẻ đẹp của các đô thị, giảm tệ nạn xã hội v.v… Trong chương trình đưa điện về nông thôn thì điện chiếu sáng cũng đã xuất hiện nhằm phục vụ sản xuất. Hiện nay các thành phố cũng đang tiến hành nâng cấp hệ thống chiếu sáng đồng thời xây dựng các hệ thống chiếu sáng mới với công nghệ hiện đại, thay cho việc đóng cắt bằng tay ở đây đã dụng hệ thống đóng cắt tự động. Tất cả các công viên, vườn hoa, các tuyến đường, nhà máy, xí nghiệp, trường học, bệnh viện…trong thành phố cũng như ngoại thành đều đã được chiếu sáng. Ánh sáng chỉ là một phần của rất nhiều loại sóng điện từ bay trong không gian. Những loại sóng này có cả tần suất và chiều dài, hai giá trị này giúp phân biệt ánh sáng với những dạng năng lượng khác trên quang phổ điện từ. Ánh sáng được phát ra từ vật thể là do những hiện tượng sau: Nóng sáng: Các chất rắn và chất lỏng phát ra bức xạ có thể nhìn thấy được khi chúng được nung nóng đến nhiệt độ khoảng 1000K. Cường độ ánh sáng tăng lên và màu sắc bề ngoài trở nên sáng hơn khi nhiệt độ tăng. Phóng điện: Khi một dòng điện chạy qua chất khí, các nguyên tử và phân tử phát ra bức xạ với quang phổ mang đặc tính của các nguyên tố có mặt. Phát quang điện: Ánh sáng được tạo ra khi dòng điện chạy qua những chất rắn nhất định như chất bán dẫn hoặc photpho. 8 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Phát sáng quang điện: Thông thường chất rắn hấp thụ bức xạ tại một bước sóng và phát ra trở lại tại một bước sóng khác. Khi bức xạ được phát ra đó có thể nhìn thấy được, hiện tượng được gọi là sự phát lân quang hay sự phát huỳnh quang. 1.4. Các đại lượng đo ánh sáng cơ bản 1.4.1. Quang thông , lumen (lm) 1.4.2. Cường độ sáng I – Candela(cd) Các nguồn sáng thường bức xạ không đều trong không gian. Để đặc trưng cho khả năng phát xạ của nguồn sáng và luôn gắn liền với một phương cho trước, người ta dùng khái niệm cường độ sáng. Cường độ sáng đặc trưng khả năng phát xạ của nguồn sáng theo một phương cho trước. 1.4.3. Góc khối - Ω, steradian (Sr) Góc khối không chỉ dùng cho phép đo ánh sáng, nó cần thiết cho sự lập luận trong không gian (là góc trong không gian). Ký hiệu là Ω Góc khối được định nghĩa là tỷ số của S trên bình phương của bán kính:  = 1.4.4. Độ rọi (độ chiếu sáng)– E, lux, lx Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt chiếu sáng, là mật độ quang thông  trên bề mặt có diện tích S. Khi quang thông vuông góc với bề mặt chiếu sáng thì độ rọi được tính bằng công thức: E = Đơn vị độ rọi là lux, là mật độ quang thông của một nguồn sáng 1 lumen trên diện tích 1 m2. Khi mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung bình đại số của độ rọi các điểm. 1.4.5. Độ chói – L (cd/m2) Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói. Là mật độ phân bố I trên bề mặt theo một phương cho trước 9 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC = Nhận xét: - Độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc vào hướng quan sát bề mặt đó. - Độ chói không phụ thuộc khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát. - Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác. - Độ chói mới phản ánh chất lượng chiếu sáng, còn độ rọi chỉ phản ánh số lượng chiếu sáng mà thôi. - Độ chói của bề mặt phản xạ ánh sáng theo một phương còn gọi là độ trưng. 1.4.6. Độ trưng M, lumen/m2 (lm/ m2) Độ trưng tại một điểm của bề mặt phát xạ M là quang thông phát ra bởi một đơn vị diện tích tại điểm đó, là tỉ số giữa quang thông phát ra bởi một nguyên tố bề mặt chứa điểm đó và diện tích của nó. M = 1.4.7. Định luật Lambert Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt mờ hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, một phần ánh sáng được mặt này phát lại theo hai cách sau đây, trong đó cách nào chiếm ưu thế hơn là tuỳ theo vật liệu sử dụng: - Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học hay định luật Descartes. - Sự phản xạ hoặc truyền khuếch tán theo định luật Lambert Định luật Lambert: E = L Trong đó: : hệ số phản xạ bề mặt E: độ rọi nguồn 10 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC L: độ chói của bề mặt Định luật Lambert có vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng nó cho ta quan hệ giữa độ chói và độ rọi. Căn cứ vào định luật này, người ta có thể tính toán và kiểm tra được độ rọi, độ chói của tất cả các điểm trong trường sáng của bộ đèn. 1.5. Các định luật cơ bản của quang hình học 1.5.1. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng 1.5.2. Sự hấp thụ ánh sáng Khi tia sáng đập vào mặt phân giới một phần năng lượng của nó bị môi trường hấp thụ. Mức độ hấp thụ thay đổi trong phạm vi rất rộng phụ thuộc vào bản chất của vật, vào cấu trúc phân tử, vào bước sóng (màu) của tia tới và góc tới. Vì các vật hấp thụ năng lượng của tia tới có bước sóng khác nhau với mức độ khác nhau, do đó hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng của tia tới. 1.5.3. Sự phản xạ ánh sáng Các bề mặt khác nhau phản xạ tia sáng tới với tỷ lệ phần trăm khác nhau. Có thể cải thiện việc chiếu sáng cho một phòng nhỏ bằng cách sơn màu sáng có hệ số phản xạ cao hơn. Nếu phòng rộng hay khi sử dụng chao đèn để tập trung ánh sáng, sao cho ánh sáng ít chiếu vào tường, trong trường hợp này lớp sơn phủ mặt tường ít ảnh hưởng tới chiếu sáng chung. Bề mặt màu sáng phản xạ phần lớn tia sáng chiếu vào nó trong khi bề mặt màu thẫm hấp thụ phần lớn ánh sáng. Hệ số phản xạ  được định nghĩa bằng tỷ số của quang thông phản xạ p trên quang thông rọi tới bề mặt s. 1.5.4. Sự khúc xạ ánh sáng Khi truyền qua môi trường có chiết suất khác nhau tia sáng bị khúc xạ với góc khúc xạ khắc nhau. Sự khúc xạ có thề là đều, không đều hoặc khúc xạ khuếch tán tùy theo bản chất vật liệu và đặc tính bề mặt của chúng. Sự khúc xạ đều xảy ra khi tia sáng qua bản phẳng. Ánh sáng qua bản bị khúc xạ hai lần, một lần tới bề mặt trên và một lần rời khỏi bề mặt dưới. Nếu bề 11 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC mặt là hai mặt song song thì phương của tia tới và tia rời khỏi hai mặt song song với nhau. Nếu hai mặt không song song thì phương của tia tới và tia rời khỏi bề mặt sẽ khác nhau hay gọi là sự khúc xạ không đều. Sự khúc xạ không đều xảy ra khi ánh sáng truyền qua kính có mặt nhám. Bề mặt này có thể được xem như gồm vô số mặt phẳng rất nhỏ xếp sắp theo đủ mọi hướng làm cho tia khúc xạ phân bố theo đủ các phương. Ta thường gặp trường hợp này khi tia sáng truyền qua các tấm kính mờ. 1.5.5. Sự thấu xạ ánh sáng Sự thấu xạ ánh sáng được đặc trưng bằng hệ số thấu xạ  là tỷ số của quang thông xuyên qua vật thể x và quang thông rọi tới bề mặt s. 1.6. Một số tính năng thị giác 1.6.1. Khả năng phân biệt 1.6.2. Sự thích ứng thị giác 1.6.3. Độ tương phản Gọi Ln là độ chói của nền, Lv là độ chói của vật, ta chỉ có thể phân biệt được vật so với nền nếu thỏa mãn điều kiện độ chênh lệch độ chói tương đối. 1.6.4. Hiện tượng chói lóa Khi có sự chênh lệch quá mức về độ chói nhất là trong tầm nhìn không tránh khỏi nguy cơ bị lóa mắt làm cho tiện nghi nhìn bị suy giảm. Ta phân biệt hai mức độ gây chói lóa: - Chói lóa bất lực là hiện tượng phụ thuộc vào độ chói của nguồn và góc tới của tia sáng đối với người quan sát. - Chói lóa mất tiện nghi là hiện tượng lóa khi nhìn những đối tượng tương phản độ chói cao, nói chung không làm giảm khả năng quan sát nhưng gây cảm giác khó chịu. Mức chói lóa không tiện nghi giảm khi độ chói xung quanh cao. 1.7. Màu của nguồn sáng 1.7.1. Màu và sắc 12 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Màu vô sắc như màu đen, trắng và xám, chúng không có trong phổ ánh sáng mặt trời nên coi là “không màu”. Màu có sắc là tất cả các màu có trong phổ ánh sáng và các màu pha trộn giữa chúng. 1.7.2. Nhiệt độ màu và tiện nghi môi trường sáng 1.7.3. Chỉ số truyền đạt màu (thể hiện màu, hoàn màu, trả màu) CRI (Colour Rendering Index) 1.8. Các dụng cụ đo ánh sáng 1.8.1. Đo độ rọi Dụng cụ đo độ rọi còn gọi là lux kế là dụng cụ đo cơ bản trong phép trắc quang. Dụng cụ gồm một tế bào quang điện phẳng và đã được hiệu chỉnh độ nhạy phù hợp với đường V (λ), cơ cấu đo là milivôn kế hoặc cơ cấu chỉ thị số. Để giảm sai số của phép đo do độ nghiêng của chùm sáng, người ta sử dụng một linh kiện “hiệu chỉnh côsin”, hay còn gọi là mặt vòm khuếch tán. Mặt này có vai trò quan trọng khi đo độ rọi ở ngoài trời hoặc trong phòng có các tường phản xạ mạnh. Khi thực hiện phép đo, chỉ cần đặt lux kế trên bề mặt cần đo độ rọi và chọn thang đo thích hợp. Trên mặt chỉ thị số sẽ cho kết quả độ rọi tính bằng lux. 1.8.2. Đo cường độ sáng Cường độ sáng của một nguồn sáng theo một phương cho trước được đo thông qua phép đo độ rọi của nguồn điểm và áp dụng luật độ rọi tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách. Phép đo được thực hiện trên bàn trắc quang nhờ so sánh với nguồn sáng có cường độ sáng chuẩn. Phép đo cường độ sáng phải được thực hiện trong phòng tối để hạn chế các ánh sáng ký sinh. 1.8.3. Đo quang thông 13 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đo quang thông là phép đo quan trọng nhất trong các phép trắc quang nguồn sáng. Về mặt lý thuyết, khi biết sự phân bố cường độ sáng của một nguồn sáng trong không gian, người ta có thể tính toán trực tiếp ra quang thông của nó bằng biểu thức: = Trong đó I là cường độ sáng của nguồn sáng phát ra trong góc khối d. Nếu nguồn sáng là đẳng hướng thì: = = 4πI Trong thực tế, để tính toán quang thông là rất phức tạp, nên người ta thường dùng phương pháp so sánh với nguồn sáng chuẩn, có quang thông đã biết. Công việc rất đơn giản như sau: Đầu tiên, mắc đèn chuẩn có quang thông c vào cầu tích phân, ta thu được dòng quang điện Ic. Thay đèn chuẩn bằng đèn có quang thông  cần đo, giả sử thu được dòng quang điện I, ta có:  = c 14 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 2: Cơ sở lý thuyết công nghệ chiếu sáng bán dẫn 2.1. Lịch sử phát triển của công nghệ chiếu sáng Theo nguyên lý hoạt động, ta có thể phân chia các đèn thành hai nhóm chính là đèn sợi đốt và đèn phóng điện. Hình 2.1. Lịch sử phát triển các loại đèn 2.1. Đèn sợi đốt 15 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Đèn sợi đốt (đèn dây tóc, đèn nung sáng) do Thomas Edison phát minh từ năm 1879 bằng sợi đốt cacbon, có hiệu suất quang trung bình 1,4 lm/W, tuổi thọ 40 giờ. Do có cấu tạo đơn giản, giá thành thấp nên vẫn là nguồn chiếu sáng kinh điển và rất phổ biến trong thực tế. 2.2. Đèn huỳnh quang Đèn này là loại đèn phát ra ánh sáng lạnh, ít phát nhiệt so với đèn sợi đốt. Nó dựa trên nguyên tắc phóng điện giữa các điện cực và dưới tác dụng của tia cực tím lên lớp bột huỳnh quang tráng ở bên trong ống đèn thuỷ tinh, làm phát ra ánh sáng. Màu sắc ánh sáng phát ra từ đèn tuỳ thuộc vào thành phần lớp bột huỳnh quang bao gồm các chất tungstat calci, tungstat magne... 2.3. Các đèn phóng điện Các đèn phóng điện có ống hồ quang kích thước nhỏ, cường độ cao làm bằng thạch anh hoặc vật liệu gốm trong suốt. Các ống hồ quang này chứa các điện tích và hơi kim loại làm việc ở nhiệt độ cao và chia thành 3 loại chính là: - Đèn thủy ngân cao áp. - Đèn halogen kim loại (Metal Halide). - Đèn Sodium (Natri). 2.4. Các nguồn sáng mới 2.4.1. Đèn không điện cực 2.4.2. Đèn Sulfur Đèn Sulfur là loại đèn không có điện cực, ánh sáng phát ra do bức xạ của các nguyên tử sulfur trong môi trường khí Argon khi bị kích thích bằng vi sóng. Đèn Sulfur không điện cực được phát minh năm 1990. Đèn này không chứa thủy ngân, bền màu, ít bị già hóa, thời gian khởi động rất ngắn, bức xạ hồng ngoại ít, bức xạ cực tím cũng rất yếu, hiệu suất cao (khoảng 100 lm/W), công suất cao, rất sáng và phân bố phổ đầy trong vùng nhìn thấy. Đây là đèn lý tưởng để chiếu sáng trong nhà tại những nơi diện tích rộng như nhà máy, kho hàng, nhà thi đấu và các phố buôn bán. Nó cũng là nguồn sáng lý tưởng cho chiếu sáng ngoài trời, cho chiếu sáng kiến trúc. 16 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 2.4.3. Đèn Laser Laser hay máy phát lượng tử là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (sự phát tia sáng đơn sắc dựa trên hiện tượng khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ kích thích). Cấu tạo của laser gồm bốn bộ phận chính: - Môi trường hoạt chất. - Cơ cấu phản xạ. - Bộ phối ghép đầu ra. - Cơ cấu kích thích. Môi trường hoạt chất là tập hợp các nguyên tử, ion, phân tử trong đó xảy ra bức xạ kích thích và là môi trường làm việc của laser. Môi trường có thể là chất rắn, chất lỏng, chất khí hoặc bán dẫn. Tên gọi của laser thường lấy theo môi trường tác dụng. Ví dụ laser hồng ngọc có môi trường tác dụng là tinh thể hồng ngọc (rubi), laser CO2 có môi trường tác dụng khí cacbonic CO2… Bước sóng phát xạ của laser phụ thuộc vào bản chất của môi trường hoạt chất, vì mỗi môi trường có các mức năng lượng xác định. Khi chuyển mức năng lượng chúng giải phóng các photon. Chỉ một số mức năng lượng được sử dụng để khuếch đại bức xạ kích thích do đó mỗi laser chỉ phát một bức xạ với bước sóng nhất định. Cơ cấu phản xạ là các gương ở đầu cuối môi trường hoạt chất, được sử dụng như bộ phản xạ. Gương phản xạ ánh sáng dọc theo trục ống làm tia sáng xếp thẳng hàng tạo nên hốc cộng hưởng ánh sáng. Để duy trì bức xạ kích thích cực đại ánh sáng phải được duy trì với khoảng cách lớn nhất có thể. Hình dáng gương phản xạ xác định quãng đường ánh sáng truyền qua môi trường tác dụng. Gương cầu lõm được sử dụng để đổi hướng tia phản xạ. Bộ phối ghép đầu ra cơ cấu phản xạ duy trì ánh sáng trong hốc cộng hưởng để ánh sáng ra được điều khiển bằng gương phản chiếu có hệ số phản xạ thay đổi tùy loại laser. Laser công suất cao có thể phản xạ dưới 35%, còn 65% được truyền qua gương thành chùm ánh sáng đầu ra. Laser công suất nhỏ có thể 17 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC cần tới 98% ánh sáng phản xạ qua gương và chỉ có 2% ánh sáng thoát ra. Gương truyền một số phần trăm ánh sáng trong hốc công hưởng ra ngoài gọi là bộ phối ghép đầu ra. Cơ cấu kích thích là thiết bị để đưa năng lượng vào môi trường hoạt chất. Thông thường người ta sử dụng ba loại kích thích: kích thích quang, kích thích điện và kích thích hóa. Cơ cấu này cung cấp năng lượng cần thiết để đưa các nguyên tử, ion hay phân tử của môi trường hoạt chất lên trạng thái kích thích. Laser được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học, công nghệ hiện đại. Trong kỹ thuật chiếu sáng laser được sử dụng trong chiếu sáng trang trí và chiếu sáng lễ hội và quảng cáo. 2.4.4. Đèn LED Diod phát quang (LED) đã và đang được ứng dụng trong ngày càng nhiều lĩnh vực. Ban đầu, LED thường chỉ được dùng để chỉ báo các trạng thái logic đơn giản,về sau do có những ưu điểm vượt trội so với các loại đèn chỉ báo khác, đó là: độ sáng cao và kích thước nhỏ gọn, tiêu thụ năng lượng thấp, hiệu suất cao, độ bền tốt, … LED được ứng dụng ngày càng nhiều, chẳng hạn: các bảng biển chỉ báo, thiết bị chỉ thị, đèn giao thông, lĩnh vực truyền hình (các tivi LED thế hệ mới),… và đặc biệt công nghệ LED đang được ứng dụng tương đối rộng rãi trong Kỹ thuật chiếu sáng, mở ra một hướng phát triển công nghệ -Công nghệ chiếu sáng bán dẫn (Solid-state Lighting -SSL). Để sử dụng trong chiếu sáng, các đèn LED phải được chế tạo sao cho đạt được công suất phát sáng và hiệu suấtcao. Đó là các LED có độ sáng cao (High Brightness - HB LED), và LED siêu sáng (Ultra High BrightnessLED UHB LED). Hiệu suất phát sáng của cácloại LED này hiện đã cao hơn 100 lm/W, và sẽ còn cao hơn và có thể đạt mức 200 lm/W trong tương lai không xa. Việc sử dụng LED trong kỹ thuật chiếu sáng có những ưu điểm sau: - LED có hiệu quả bức xạ cao nên rất có ý nghĩa tiết kiệm năng lượng. - LED có thể tạo ra màu sắc mong muốn mà hạn chế sử dụng các kính lọc màu, và việc sử dụng kính lọc màu cũng làm giảm hiệu suất chiếu sáng. 18 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - Khi cần phải điều chỉnh sáng, LED sẽ không thay đổi màu sắc ánh sáng phát ra khi dòng điện chạy qua thay đổi . - LED có tuổi thọ rất dài, khả năng chịu đựng va đập cơ học cao hơn rất nhiều so với các bóng đèn khác như đèn huỳnh quang hay đèn sợi đốt. - Kích thước của LED nhỏ nên dễ dàng sử dụng trên các bo mạch in. - Do LED không chứa các thành phần độc tố nên giảm thiểu tác hại cho con người và môi trường. Hiệu suất phát quangvà quang thông của một số loại đèn so sánh với LED chiếu sáng trong thời gian đã qua và dự báo sắp tới thể hiện trên bảng 1. Tuy nhiên, hiện nay việc sử dụng LED trong các ứng dụng vẫn tồn tại một số hạn chế: - Chi phí đầu tư ban đầu vẫn rất đắt so với các loại đèn truyền thống. - Hoạt động của LED vẫn phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ môi trường. Khi nhiệt độ tăng quá cao có thể dẫn đến phá hỏng LED nên đòi hỏi giải pháp tản nhiệt tốn kém. - Trong quá trình hoạt động, LED đòi hỏi phải được cấp dòng điện chính xác, ổn định nên đòi hỏi phải cấp nguồn ổn dòng. 19 BÀI TẬP LỚN MÔN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Chương 3: Kỹ thuật điều khiển chiếu sáng Điều khiển chiếu sáng nhằm hai mục tiêu, mâu thuẫn nhau: - Giảm điện năng tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng - Đảm bảo chiếu sáng thỏa mãn điều kiện tiện nghi. Để thực hiện công nghệ chiếu sáng tiện ích vai trò của điều khiển rất quan trọng, kết quả chung của chiếu sáng tiện ích có thể đạt được là: - Giảm điện năng tiêu thụ cho toàn hệ thống; - Giảm yêu cầu công suất đỉnh, san bằng đồ thị phụ tải của hệ thống điện; - Giảm yêu cầu đầu tư thiết bị nguồn, thiết bị truyền tải và phân phối, giảm chi phí vận hành; - Tạo cảnh quan môi trường. Nhờ các biện pháp điều khiển chiếu sáng và sự phát triển mạnh của công nghệ điều khiển có thể tiết kiệm được 35%, 50%; 75% điện năng tiêu thụ. Có hai hình thức điều khiển: - Điều khiển bật -tắt (điều khiển logic); - Điều khiển quang thông liên tục (dimming). Có thể liệt kê một số phương pháp điều khiển chiếu sáng cơ bản sau: - Đặt cảm biến tiệm cận: các loại cảm biến tiệm cận phát hiện sự có mặt của con người trong khu vực chiếu sáng để điều khiển việc bật, tắt theo yêu cầu. - Chiếu sáng theo chương trình: nhờ các bộ rơle thời gian, bộ điều khiển lập trình, thực hiện việc bật, tắt theo lịch đặt trước. 20