Nghiên cứu thiết kế hệ thống đèn LED sử dụng pin mặt trời chiếu sáng đường phố và công viên

Theo tính toán quy hoạch phát triển năng lượng quốc gia [7], trong giai đoạn 2010-2030, nước ta đang dần đối mặt với tình trạng mất cân đối giữa khả năng cung cấp và nhu cầu sử dụng nguồn điện năng. Cùng với các nước, Việt Nam cũng đang tìm kiếm nguồn năng lượng mới đáp ứng được nhu cầu sử dụng điện đang ngày càng tăng. Hai nguồn năng lượng đang được áp dụng một cách triệt để trên thế giới đó là năng lượng mặt trời (NLMT) và năng lượng gió. Bên cạnh đó, sử dụng đèn LED để thay thế các nguồn sáng truyền thống đã và đang phát triển mạnh mẽ ở cả Việt Nam và trên thế giới. Ở Việt Nam hầu hết sử dụng đèn compact và sợi đốt để chiếu sáng cho công viên, quảng trường và hệ thống chiếu sáng đường giao thông. Tại các khu công viên, quảng trường hệ thống chiếu sáng thường được cấp điện từ các trạm biến áp và để đảm bảo tính thẩm mỹ thì đường dây là đường cáp ngầm. Cho nên kinh phí thiết kế, thi công, bảo dưỡng sẽ rất lớn và việc bảo dưỡng, sữa chữa gặp rất nhiều khó khăn. Cùng với đó, việc chi trả tiền điện chiếu sáng hàng tháng rất lớn, chiếm đến (70-80)% tiền điện. Ngoài ra, việc vận hành hệ thống cần người giám sát, hệ thống vận hành theo tính chủ quan của người giám sát. Việc lãng phí điện sẽ xảy ra khi người giám sát quên không tắt.

Hiện nay, tập đoàn điện lực Việt Nam EVN đang đặt ra mục tiêu quốc gia [8]: sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Trong chiến lược đó có việc khuyến khích phát triển các hệ thống chiếu sáng thông minh, chiếu sáng sử dụng ít năng lượng điện từ lưới nhưng vẫn đảm bảo được yêu cầu kỹ thuật trong chiếu sáng. Đặc biệt là chiếu sáng sử dụng các nguồn năng lượng mới như mặt trời. Do đó, hệ thống bóng đèn Led siêu sáng sử dụng NLMT sẽ đáp ứng sử dụng năng lượng theo nhu cầu, hiệu quả và tiết kiệm, nó sử dụng pin mặt trời để tạo ra nguồn điện cung cấp cho mạng chiếu sáng, các tấm pin mặt trời có thể lắp đặt ngay trên cột, do đó tận dụng được không gian lắp đặt và có rất nhiều ưu điểm: Khả năng tiết kiệm điện của đèn LED với công suất tiết kiệm lên tới 90% so với bóng đèn sợi đốt và 50% so với đèn compact. Tiêu thụ năng lượng rất ít, mỗi bóng Led chỉ tiêu thụ khoảng 1-3W/bóng, giá thành rất rẻ 3.500 đồng/10 bóng, dễ dàng mua, thay thế khi hỏng, dễ lắp ráp…; đèn Led siêu sáng có màu sắc ánh sáng vào khoảng 6.000 độ K trở lên, phát ra các tia sáng trắng hơn ánh sáng ban ngày, chiếu sáng tốt hơn vào ban đêm; nguồn điện trực tiếp được tạo ra từ những tấm pin quang điện, hoàn toàn miễn phí. Mỗi cột đèn sử dụng nguồn điện độc lập, nếu hỏng hóc cần sữa chữa, bảo dưỡng sẽ không gây ảnh hưởng đến toàn hệ thống; Chi phí vận hành thấp, thân thiện với môi trường, có tính thẩm mỹ cao. Việc tích hợp các đèn Led siêu sáng thành hệ thống đèn lớn rồi chiếu sáng cho không gian sẽ tiết kiệm được nhiều chi phí lắp đặt và vận hành. Mặt khác, sử dụng mạch điều khiển bằng cảm ứng trong chiếu sáng sẽ đáp ứng được yêu cầu sử dụng chiếu sáng theo nhu cầu. Tự động chiếu sáng theo nhu cầu sẽ giúp con người thuận tiện hơn khi sử dụng, không cần phải sử dụng công tắc để bật tắt điện.

Pin quang điện hay còn gọi là pin NLMT hay pin mặt trời (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (Solar cells) là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một lượng lớn cảm biến ánh sáng là đi-ốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng. Sự chuyển đổi năng lượng này thực hiện theo hiệu ứng quang điện.

Hình 1: Cấu tạo cơ bản của một tế bào quang điện	Hình2: Cấu tạo và hoạt động của đèn LED

LED (Light Emitting Diode có nghĩa là đi-ốt phát quang) [1] là các đi-ốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tin hồng ngoại, tử ngoại, gồm 5 bộ phận chính: phần tử phát sáng LED, mạch in của đèn, bộ nguồn, bộ phận tản nhiệt và vỏ. LED hoạt động tương tự như các đi-ốt thông thường khác, tuy nhiên nó giải phóng năng lượng dưới dạng photon ánh sáng (hay các bức xạ điện từ có bước sóng gần đó).

Theo [4], [5], [6] tiến hành thiết kế thực nghiệm mô hình hệ thống cấp điện chiếu sáng cho tải DC với 2 bóng đèn. Đối với mô hình thử nghiệm này, chọn tấm pin quang điện có công suất 12W và 18W.

Nhóm nghiên cứu của bộ môn Hệ thống điện đã tiến hành nghiên cứu, lắp ráp và thử nghiệm (hình 3, hình 4, hình 5), kết quả được trình bày trong hình 6.

Hình 3: Sơ đồ mạch quang trở

Hình 4: Sơ đồ mạch nạp ăc -quy

-          Cách kết nối mô hình thử nghiệm như hình và mô hình sau khi được lắp đặt (hình 5)

Hình 5: Sơ đồ kết nối các môdun trong mô hình thử nghiệm

Hình 6: Mô hình lắp đặt thử nghiệm

-          Số liệu đo đạc thử nghiệm sau khi lắp đặt mô hình:

Thực hiện đo đạc vào 1 ngày đặc trưng của mùa hè và 1 ngày đặc trưng của mùa đông, ta có số liệu thu được trong bảng 1 và bảng 2.

Ngày mùa hè: có nhiệt độ cao nhất là 38,5^oC

Bảng 1. Dòng và áp đi vào ắc – quy ngày mùa hè

Ngày mùa đông: có nhiệt độ cao nhất là 20^oC

Bảng 2. Dòng và áp đi vào ắc – quy ngày mùa đông

Đánh giá kết quả: Lượng bức xạ mặt trời nhận được vào mùa đông chỉ bằng  mùa hè (vào những ngày có nắng). Vào ngày có nhiệt độ lớn nhất cũng là ngày có bức xạ nhận được lớn nhất thì dòng và áp đi vào ắc – quy là cực đại: 18V – 0,55A (gồm 0,05A đi vào mạch nạp và 0,5A đi vào ắc – quy). Số liệu đo được phản ảnh được lượng bức xạ mặt trời và hiệu suất tương đối tốt, hoàn toàn đủ công suất công cấp cho tải. Đối với những ngày mưa thì lượng dự trữ cũng đủ cung cấp cho tải 2,5 ngày (vượt quá thông số tính toán là 2 ngày). Những ngày trời không có nắng thì bức xạ nhiệt tương đối thấp, tuy nhiên vẫn có thể sản xuất ra điện năng đủ để cung cấp cho tải từ 2 – 3h.

Qua quá trình nghiên cứu, thiết kế và lắp đặt thử nghiệm mô hình chiếu sáng bằng đèn LED, đã cho thấy được tính ứng dụng cũng như hiệu quả pin quang điện và đèn LED. Việc chiếu sáng đường phố và công viên bằng đèn LED sử dụng pin quang điện tại Việt Nam hoàn toàn có thể triển khai một cách đồng bộ. Từ đó, có thể thấy được tính hiệu quả kinh tế và đảm bảo an ninh năng lượng của quốc gia.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1.      Lê Văn Doanh (2010), Kỹ thuật chiếu sáng, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật.

2.      TS. Hoàng Dương Hoàng (2015), Năng lượng mặt trời (2 phần), Nxb Bách Khoa.

3.      Trần Minh (2014), Điện mặt trời đang phát triển nhanh trên thế giới, Báo Công nghệ & Khoa học.

4.      TCXDVN 259:2001 Tiêu chuẩn TK chiếu sáng nhân tạo đường, đường phố, quảng trường đô thị.

5.      TCXDVN 333:2005 chiếu sáng nhân tạo bên ngoài các công trình công công và kỹ thuật hạ tầng đô thị - tiêu chuẩn thiết kế.

6.      TCVN 1404:2005 Độ chói và độ roi trung bình của đèn đường.

7.      1855/QĐ-TTg, Quyết định phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng quốc gia của Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2050.

8.      2068/QĐ-TTg, Quyết định phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050.

9.      Vũ Phong, Cường độ bức xạ NLMT tại các khu vực Việt Nam, Web: 10 năm Vũ Phong.

Khoa Cơ-Điện