Đồ án Các giải pháp tiết kiệm điện năng

7 bậc. Đẩy mạnh công tác truyền thông tuyên truyền về chương trình mục tiêu sử dụng năng lượng tiết kiệm vả hiệu quả. Kết quả của việc thực hiện DSM ngoài việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu còn nâng cao độ tin cậy cung cấp điện, chất lượng điện năng được đảm bảo. Có sự phối hợp giữa các đơn vị điện lực và khách hàng. III.6. Tiết kiệm điện năng trong thiết kế chế tạo, lắp đặt, vận hành sử dụng thiết bị điện công nghiệp III.6.1. Máy biến áp (MBA) 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của máy biến áp Máy biến áp gồm có hai phần chính: lõi thép và dây quấn (hình 2.15). Hình 2.15 Máy biến áp một pha Lõi thép dùng làm mạch dẫn từ, đồng thời làm khung để quấn dây quấn. Lõi thép MBA phải có tính dẫn từ tốt, khi bị từ hóa bằng dòng điện xoay chiều trong mạng tinh thể của lõi thép xuất hiện dòng điện xoáy (dòng điện Fucô) và hiện tượng từ trễ gây tổn hao công suất. Để giảm tổn hao công suất lõi thép được làm bằng lá tôn Silic cán nguội (lá thép kỹ thuật điện) có chiều dầy 0,3-0,5 mm với hàm lượng Silic từ 3-5%. Khi ghép lõi thép người ta thực hiện mối ghép xiên để giảm tổn hao. Dây quấn là bộ phận dẫn điện của máy biến áp, làm nhiệm vụ thu năng lượng vào và truyền năng lượng ra. Kim loại làm dây quấn thường bằng đồng, cũng có thể dùng dây quấn bằng nhôm nhưng không phổ biến. Dây quấn sơ cấp là dây quấn nối với nguồn, dây quấn thứ cấp nối với tải. Nguyên lý Khi từ thông biến thiên hình sin thì sức điện động cảm ứng trong dây quấn sơ cấp có số vòng dây W1 cũng biến thiên hình sin bằng: Tương tự sức điện động cảm ứng trong dây quấn thứ cấp có số vòng dây W2 là: Trong đó : Là giá trị hiệu dụng của các sức điện động dây quấn 1 và 2. Người ta định nghiã tỷ số biến áp của máy biến áp như sau: Nếu bỏ qua điện áp rơi trên dây quấn thì có thể coi do đó k được xem như là tỷ số điện áp giữa dây quấn 1và 2 2. Cơ hội tiết kiệm năng lượng khi thiết kế chế tạo và vận hành sử dụng máy biến áp Khi thiết kế chế tạo máy biến áp: - Chế tạo mạch từ có tiết diện lớn hơn, điều này sẽ làm cho từ cảm B trong mạch từ và tổn hao không tải (tổn hao sắt) sẽ nhỏ hơn so với MBA tiêu chuẩn. Do đó sẽ làm giảm được tổn hao trong máy biến áp. - Chọn dây quấn của MBA có hiệu suất cao có tiết diện lớn hơn MBA tiêu chuẩn, do đó tổn hao đồng nhỏ hơn tổn hao đồng của MBA tiêu chuẩn. -  Thiết kế MBA có tổn hao không tải nhỏ bằng cách sử dụng tôn silic chất lượng cao, sử dụng công nghệ cắt tôn và xử lí tôn sau gia công. Ngày nay do tiến bộ khoa học kỹ thuật, chất lượng thép silic có tổn hao thấp, đưa tổn hao không tải chỉ còn (0,1 ¸ 0,4%)Sđm. Trong đó MBA tiêu chuẩn là MBA được thiết kế với tổng chi phí vật liệu tác dụng và chi phí vận hành nhỏ nhất. Việc thay đổi cấu tạo của MBA tiêu chuẩn thành MBA có hiệu suất cao sẽ làm cho giá thành của MBA hiệu suất cao lớn hơn giá thành MBA tiêu chuẩn, tuy nhiên lợi ích của việc giảm chi phí vận hành do tổn hao công suất giảm sẽ bù lại. Khi vận hành sử dụng máy biến áp: - Không để MBA vận hành không tải hoặc quá non tải MBA có hiệu suất cực đại khi tổn hao đồng bằng tổn hao sắt từ. Theo thống kê, các máy biến áp luôn làm việc non tải (do có tính đến dự trữ công suất), các nhà thiết kế đã cho sản xuất các MBA có hiệu suất cực đại khi hệ số mang tải β = 0,45 – 0,7. Để thấy rõ lợi ích của việc sử dụng MBA hiệu suất cao ta tiến hành so sánh tổn hao, tổn thất hàng năm và chi phí vòng đời sau 15 năm của MBA tiêu chuẩn và MBA có hiệu suất cao có Sdm = 750 kVA, thời gian vận hành 6000 giờ tải với 75% và 2760 giờ không tải. Giả thiết giá 1 kWh = 1000 đ. Bảng 2.4 Lợi ích của máy biến áp hiệu suất cao Các thông số vận hành MBA tiêu chuẩn MBA hiệu suất cao Tổn hao không tải P0 (kW) 1,647 1,018 Tổn hao đồng Pđ (kW) 5,348 3,808 Điện năng tổn hao không tải (kWh) 1,645.8760 = 14410 1,018.8760 = 8918 Điện năng tổn hao đồng 1 năm (kWh) 5,348.6000 = 32088 3,808.6000 = 22848 Tổng điện năng tổn hao 1 năm (kWh) 46498 31766 Giá MBA (triệu đồng) 163 175 Ta nhận thấy MBA hiệu suất cao có hiệu quả so với MBA tiêu chuẩn sau 15 năm sử dụng là: 860,5 – 651,5 = 209 triệu đồng. Cũng MBA ở trên, một ngày đêm chỉ sử dụng điện 8h nếu không cắt điện MBA thì tổn hao năng lượng không tải DA = 0,930.24 = 22,32kWh. Nếu khi không dùng, cắt điện MBA thì tổn hao năng lượng không tải DA = 0,930.8 = 7,44kWh. Tiết kiệm 14,88kWh bằng 66,7%. Hiệu suất là thông số quan trọng, cứ một kW công suất đặt của máy phát điện cần khoảng 7¸ 9 kVA công suất đặt của MBA, vì vậy tiết kiệm được tổn hao công suất ở MBA sẽ tiết kiệm được nhiều năng lượng. Vì vậy khi chế tạo cần chú ý giảm tổn hao Pn, P0(chọn Bm, sử dụng vật liệu hợp lý, sử dụng công nghệ tiên tiến..) MBA thường có hiệu suất cao, những máy có công suất lớn (hàng trăm MVA) hiệu suất đạt tới 99,8%. - Nên đặt MBA ở trung tâm phụ tải để giảm tổn thất trên đường dây Trạm biến áp hạ áp nên đặt gần thiết bị động lực. Tổn thất năng lượng và tổn thất điện áp ở mạng hạ áp lớn hơn mạng cao áp, trạm biến áp hạ áp đặt trung tâm phụ tải hạ áp sẽ tiết kiệm năng lượng hơn. - Trong lưới truyền tải sử dụng MBA tự ngẫu Trong MBA tự ngẫu dây quấn w1, w2 có phần BF chung, tiết kiệm dây quấn đòng thời khi sử dụng tổn hao trên MBA nhỏ hơn. Khối lượng vật liệu tác dụng khi sử dụng MBA tự ngẫu, so với khối lượng vật liệu tác dụng MBA hai dây quấn cùng kích cỡ được tính theo biểu thức: Tương ứng tổn hao trong MBA cũng giảm đi Trong đó GTN, PTN là khối lượng vật liệu tác dụng và tổn hao khi mang tải của MBA tự ngẫu. G, P là khối lượng vật liệu tác dụng và tổn hao khi mang tải của MBA 2 dây quấn. Ta nhận thấy tỉ số biến đổi k của MBA càng gần 1 thì chế tạo MBA tự ngẫu càng tiết kiệm. - Lựa chọn số MBA làm việc song song Để đảm bảo an toàn và liên tục cung cấp điện các MBA thường làm việc song song. Các điều kiện làm việc song song là: Cùng tổ nối dây, nghĩa là cùng số giờ. Cùng cấp điện áp và tỷ số biến đổi. Cùng điện áp ngắn mạch vì hệ số tải của MBA làm việc song song tỷ lệ nghịch với điện áp ngắn mạch. Các điều kiện này nhằm đảm bảo không có dòng điện chạy quẩn giữa các MBA gây tổn hao công suất. Dễ nhận thấy số MBA (k) cho làm việc phụ thuộc vào công suất MBA Sđm, công suất phụ tải S, các tổn hao P0, Pn. Quan hệ giữa các đại lượng trên được biểu diễn bằng công thức: Hình 2.16 vẽ quan hệ = f(k) ứng với một số trường hợp =1/2; 1/3; 1/4; 1/5; 1/6 khi xí nghiệp có 6 MBA. Hình 2.16 = f(k) ứng với =1/2; 1/3; 1/4; 1/5; 1/6. Giả sử có =1/4, < 0,65 sử dụng 1 MBA làm việc 0,65<< 1,25 sử dụng 2 MBA làm việc 1,25<< 1,75 sử dụng 3 MBA làm việc 1,75<< 2,25 sử dụng 4 MBA làm việc 2,25<< 2,75 sử dụng 5 MBA làm việc > 2,75 sử dụng 6 MBA làm việc - Không đặt các thiết bị phụ trợ khi chưa cần thiết: Khi sử dụng ổn áp, kháng điện để khử điều hòa bậc cao và cân pha, chúng đều tiêu thụ năng lượng, khi thật cần mới sử dụng. - Đặt thiết bị bù để nâng cao hệ số : Để cải thiện hệ số công suất của mạng điện, cần một bộ tụ điện làm nguồn phát công suất phản kháng cách giải quyết này được gọi là bù công suất phản kháng. III.6.2. Động cơ không đồng bộ 1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Động cơ không đồng bộ (ĐCKĐB) gồm stato và rôto. Stato gồm lõi thép và dây quấn ba pha. Có hai loại rôto: Rôto lồng sóc (hình 2.17) có cấu tạo đơn giản nhưng điện trở của nó không đổi. Hình 2.17 Động cơ rôto lồng sóc Rôto dây quấn (hình 2.18) có dây quấn rôto nối hình sao, một đầu đựoc nối với 3 vành trượt cho phép nối dây quấn rôto với biến trở mở máy. Hình 2.18 Động cơ rôto dây quấn Khi cho dòng điện xoay chiều ba pha vào 3 dây quấn tạo nên từ trường quay với tốc độ quay: Trong đó f - tần số, p - số đôi cực. Từ trường quay cảm ứng trong dây quấn rôto các sức điện động. Do dây quấn rôto khép kín mạch nên có dòng điện cảm ứng chạy trong dây quấn. Lực tác dụng tương hỗ giữa từ trường quay với dòng điện cảm ứng, sinh ra mô men quay, kéo rôto quay với tốc độ n cùng chiều với từ trường quay. Tốc độ quay của roto luôn nhỏ hơn tốc độ quay của từ trường (n <n1). Chiều quay của từ trường phụ thuộc vào thứ tự dòng điện vào các pha dây quấn, thay đổi thứ tự của 2 trong 3 dây quấn, chiều quay của từ trường thay đổi dẫn đến chiều quay của động cơ cũng thay đổi Hệ số trượt Khi rôto đứng yên (n= 0), hệ số trượt s =1; khi rôto quayvới tốc độ định mức hệ số trượt nằm trong khoảng sđm = 0,02 đến 0,06. 2. Cơ hội tiết kiệm năng lượng đối với ĐCK ĐB Thiết kế chế tạo động cơ có hiệu suất cao: ĐCKĐB có hiệu suất cao có kích thước vật liệu tác dụng (tiết diện lõi thép, tiết diện dây quấn) lớn hơn động cơ thông dụng. Động cơ hiệu suất cao được thiết kế chuyên dụng để tăng hiệu suất hoạt động so với động cơ tiêu chuẩn. Các cải tiến thiết kế tập trung vào việc làm giảm tổn thất bên trong động cơ, bao gồm việc sử dụng thép silic có tổn thất sắt từ thấp hơn, dây dày hơn (để giảm trở kháng), sử dụng đồng thay cho các thanh nhôm trong rôto v.v.... Động cơ hiệu suất cao có dải công suất thiết kế và mức đầy tải rộng. Hiệu suất cao hơn động cơ tiêu chuẩn từ 3% tới 7%. Theo IEC quy định hiệu suất cho động cơ theo 2 loại hiệu suất cao EFF1, động cơ có hiệu suất tiêu chuẩn EFF2 được cho trong bảng 2.5. Bảng 2.5 Hiệu suất của động cơ KĐB tiêu chuẩn và động cơ hiệu suất cao Công suất P (kW) EFF2 2p=1 EFF1 2p =1 EFF2 2p=2 EFF1 2p=2 1,1 76,2 82,6 76,2 83,8 1,5 78,5 84,1 78,5 85,0 2,2 81,0 85,6 81,0 86,4 3 82,6 86,7 84,2 88,3 4 84,2 87,6 84,2 88,3 5,5 85,7 88,6 85,7 89,2 7,5 87,0 89,5 87,0 90,1 11 88,4 90.5 88,4 91,0 15 89,4 91,3 89,4 91,8 18,5 90,0 91,8 90,0 92,2 22 90,5 92,2 90,2 92,6 30 91,4 92,9 91,4 93,2 37 92,0 93,3 92,0 93,6 45 92,5 93,7 92,5 93,9 55 93,0 94,0 93,0 94,2 75 93,6 94,6 93,6 94,7 90 93,9 95,0 93,9 95,0 Tiềm năng điện năng của động cơ hiệu suất cao: Sản lượng điện Việt Nam năm 2008 là 70 tỉ kWh, trong đó sản lượng điện sử dụng trong công nghiệp chiếm 50% là 35 tỉ kWh do sử dụng các động cơ có hiệu suất tiêu chuẩn. Việc thay động cơ tiêu chuẩn bằng động cơ được nâng cao hiệu suất lên 1% sẽ có khả năng tiết kiệm như bảng sau đây. Bảng 2.6 Hiệu quả sử dụng động cơ hiệu suất cao Phương án thay thế Động cơ tiêu chuẩn Động cơ hiệu suất cao Công suất đặt của động cơ (kW) Pđ ==3,995.106 Pđ . 1% = 39950 Điện năng tiêu thụ trong năm (tỉ kWh) 35 39950.8760=0,3499 Lượng than tiêu thụ (tỉ kg) 35.0,5 = 17,5 0,3499.0,5 = 0,1749 Lượng CO2 tiêu thụ ( tỉ kg CO2) 17,5.1,83= 32,025 0,1749.1,83=0,3201 Tiền điện trong 1 năm (tỉ đồng) 35.1000=35000 0,3201.1000=320.1 Như vậy việc sử dụng động cơ hiệu suất cao đem lại: - Tiền điện tiết kiệm được hàng năm: 35000 – 34990 = 34679.9 (tỉ đồng) - Lượng than tiết kiệm được: 17,5 – 0,1749 = 17.3251 ( tỉ kg) - Lượng CO2 cắt giảm là: 32,025 – 0,3201 = 31,7049 ( tỉ kg CO2) Điều này cho ta thấy việc sử dụng động cơ hiệu suất cao mang lại hiệu quả tiêt kiệm điện năng rất lớn, không những đảm bảo được yêu cầu kinh tế mà còn có tiềm năng bảo vệ môi trường rất lớn. Vận hành và sử dụng động cơ KĐB: - Tiết kiệm điện cho ĐCKĐB bằng cách sử dụng biến tần: Biến tần là thiết bị biến đổi dòng điện xoay chiều với tần số của lưới thành dòng xoay chiều có tần số khác với tần số của lưới. Biến tần có tác dụng điều tiết nguồn điện vào động cơ một cách hợp lý tuỳ theo mức độ công suất hoạt động ở từng thời điểm nhất định. Về cấu tạo biến tần gián tiếp gồm bộ chỉnh lưu biến đổi điện áp tần số lưới f1 thành điện áp một chiều. Qua mạch một chiều trung gian điện áp được lọc, tiếp theo là mạch nghịch lưu IGBT biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều tần số f2. .Mạch đầu vào có bộ lọc nhiễu EMC, tất cả được điều khiển bằng vi xử lý như hình 2.19. Hiệu suất năng lượng của các bộ biến tần rất cao vì sử dụng các bộ linh kiện bán dẫn công suất hiện đại. Hình 2.19 ĐCKĐB làm việc với biến tần Bộ biến tần làm việc theo nguyên lý thay đổi tần số (đồng thời thay đổi điện áp theo quan hệ U/f không đổi) đảm bảo mô men khởi động đủ lớn hơn mô men tải ngay cả khi ở tốc độ rất thấp. Đồng thời dòng điện đưa vào động cơ không tăng, do phối hợp giữa điện áp và tần số để giữ cho từ thông đủ để sinh mô men. Dòng khởi động lớn nhất của hệ truyền động biến tần chỉ bằng dòng định mức, vì vậy không làm sụt áp lưới khi khởi động, đảm bảo các ứng dụng khác không bị ảnh hưởng và tiết kiệm điện năng khi khởi động. Bản chất tiết kiệm điện năng của biến tần như sau: Với những ứng dụng đặc tính tải thay đổi, như truyền động băng tải, khi non tải động cơ hoạt động non tải hiệu suất thấp. Trong trường hợp này biến tần giảm điện áp đặt vào động cơ, làm tăng hệ số cosφ (thường khoảng 0,96). Đặc tính khởi động của biến tần làm giảm dòng khởi động của động cơ, tăng hiệu suất sử dụng điện, giảm tổn thất cho lưới. Biến tần điều chỉnh tốc động động cơ cho phù hợp với yêu cầu tải thực tế, tối ưu được việc sử dụng điện năng. Biến tần đáp ứng được dải công suất rộng, đặc tính mômen thay đổi cũng như cố định, phù hợp với tất cả các loại động cơ điện trong công nghiệp. Các biến tần đều được thiết kế có bộ lọc nhiễu tần số radio, tương thích với chuẩn EN55011/1A (có thể sử dụng lắp đặt ở bất kỳ nơi nào, không gây ảnh hưởng đến điều kiện làm việc của các loại thiết bị điện tử tin học, viễn thông khác trong dây chuyền sản xuất), thiết kế thân thiện với người sử dụng, dễ dàng lắp đặt, cài đặt và vận hành. Đa số trường hợp động cơ kèm theo biến tần giảm có thể giảm 35% điện năng tiêu thụ, vì thế hệ truyền động động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc kèm theo biến tần trở nên rất thông dụng. Trên thị trường thường gập biến tần của các hãng nổi tiếng như ALTIVAR của Schneider, MCD của Danfoss, ACS của ABB... Ngày nay việc sử dụng rộng rãi các hệ truyền động cho máy bơm và quạt đi kèm biến tần hình 2.20 (Variable Speed Driver VSD) đã mang lại hiệu quả rõ rệt: Tiết kiệm năng lượng 25-50%. Giảm thiểu tác động biến thiên điện áp lên hệ truyền động, tăng tuổi thọ động cơ Giảm ảnh hưởng của nhiễu điện từ. Hình 2.20 Bộ điều chỉnh tốc độ động cơ VSD Hiệu quả thực tế khi sử dụng biến tần: Trong thực tế, VSD được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống bơm, quạt và đã mang lại nhiệu lợi ích như phân tích sau đây: Hình 2.21 đầu tư biến tần cho hệ thống quạt chi phí 36.000 ơrô, tiết kiệm 300.000 kWh/năm, khấu hao sau 15 tháng. Hình 2.8 VSD cho hệ thống quạt Hình 2.22 VSD cho máy bơm công suất 75 kW, tiết kiệm 60.000 kWh, giảm phát phát thải 30.000 kg CO2. Ngoài ra hệ thống VSD còn giảm áp suất nước ở giờ cao điểm và kéo dài tuổi thọ của động cơ và máy bơm. Hình 2.22 VSD cho máy bơm Hình 2.23 áp dụng VSD cho hệ thống xử lý không khí gồm 7 quạt tiết kiệm 500.000 kWh, đầu tư 65.000 ơrô, thu hồi vốn sau 16 tháng. Bộ lọc + Điều hòa KK Hình 2.23 VSD cho hệ thống xử lý không khí Sử dụng biến tần đi kèm ĐCKĐB cho phép điều chỉnh công suất của động cơ phù hợp với yêu cầu của tải cho phép tiết kiệm 35% điện năng tiêu thụ. Kết quả so sánh được cho trong bảng sau đây: Bảng 2.7 Hiệu quả sử dụng biến tần Phương án truyền động Động cơ KĐB 15 kW, , Động cơ + Biến tần ALTIVAR 31 Chi phí đầu tư thiết bị điều khiển VNĐ 1000000 8000000 Công suất tiêu thụ (Kw) 0,65.Pd = 10,84 Điện năng tiêu thụ 1 năm (kWh) 16,67.8760 = 146029 94958 Tiền điện trong 1 năm (triệu đồng) 146,029 94,958 Hiệu quả đầu tư của phương án sử dụng biến tần: 146,029 – (94,958 + 8) = 43,071 (triệu đồng). - Lựa chọn động cơ có công suất thích hợp Lựa chọn động cơ có công suất thích hợp tránh vận hành non tải. Khi động cơ non tải hệ số công suất giảm rõ rệt, ví dụ, một động cơ khi mang tải 100% có cosj = 0,8 thì khi mang tải 50% có cosj = 0,65, mang tải 30% có cosj = 0,51. Vì vậy việc thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn sẽ nâng được hệ số công suất cho thiết bị làm giảm tổn hao trong hệ thống cũng như bản thân động cơ. - Giảm điện áp ở những động cơ thường xuyên làm việc non tải Khi không có khả năng thay các động cơ thường xuyên làm việc non tải bằng các động cơ có công suất nhỏ hơn có thể giảm điện áp ở các động cơ bằng cách: Đổi nối tam giác sang sao; phân đoạn các quận dây stato; chuyển đổi đầu phân áp của máy biến áp. Hiệu quả của việc đổi nối tam giác sang sao khi động cơ làm việc non tải trong bảng 2.8. Bảng 2.8 Hiệu quả của việc đổi nối tam giác sang sao cosjđm Tỉ số cosjY/ cosjD khi hệ số mang tải kt 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,78 1,94 1,8 1,64 1,49 1,35 0,80 1,85 1,73 1,58 1,43 1,30 0,82 1,78 1,67 1,52 1,37 1,26 0,84 1,72 1,61 1,46 1,32 1,22 0,86 1,66 1,55 1,41 1,27 1,18 0,88 1,60 1,49 1,35 1,22 1,14 0,90 1,57 1,43 1,29 1,17 1,10 0,92 1,50 1,36 1,29 1,11 1,06 III.6.3. Máy điện một chiều Máy điện một chiều là loại thiết bị biến đổi điện cơ được chế tạo để làm việc với nguồn điện một chiều, có thể ở chế độ máy phát, chế độ động cơ hoặc dùng trong điều khiển làm động cơ chấp hành, máy điện khuếch đại… Động cơ điện một chiều có đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt vì vậy được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp có yêu cầu cao về điều chỉnh tốc độ như cán thép, giao thông vận tải… Nhược điểm của máy điện một chiều chế tạo phải dùng nhiều kim loại màu hơn, chế tạo và bảo quản cổ góp phức tạp, giá thành cao hơn các máy điện khác. 1. Cấu tạo: Máy điện một chiều (hình 2.24) gồm 2 phần chính: Stato còn gọi là phần cảm, gồm cực từ chính có dây quấn kích từ, cực từ phụ dùng để cải thiện đổi chiều, hạn chế tia lửa trên chổi than và vành góp, dây quấn kích từ của cực từ phụ nối tiếp với dòng điện phần ứng. Gông từ để khép kín mạch từ cũng dùng làm vỏ máy. Ngoài ra còn có chổi than và một số chi tiết phụ khác. Roto còn gọi là phần ứng, gồm lõi thép và dây quấn phần ứng. Lõi thép hình trụ, được ghép từ các lá thép kỹ thuật điện dày 0,5mm thành hình trụ tròn bên ngoài có xẻ rãnh để đặt dây quấn. Dây quấn phần ứng gồm nhiều phần tử nối tiếp nhau qua các phiến đổi chiều. Các phiến đổi chiều ghép lại với nhau thành hình trụ đặt ở đầu trục roto gọi là cổ góp hoặc vành đổi chiều. Hình 2.24 Máy điện một chiều Chổi than cố định tiếp xúc với các phiến đổi chiều có tác dụng đổi chiều dòng điện. Nguyên lý làm việc của máy phát điện một chiều: Hình 2.25 là sơ đồ máy điện một chiều làm việc ở chế độ máy phát. Quay phần ứng theo chiều như hình vẽ, các thanh dẫn trong dây quấn phần ứng sẽ cảm ứng suất điện động, chiều suất điện động xác định bằng quy tắc bàn tay phải. Khi mạch ngoài nối với phụ tải sẽ có dòng điện chạy qua tải. Trong dây quấn phần ứng, chiều dòng điện trùng chiều suất điện động. Khi phần ứng quay được nửa vòng, các thanh dẫn chuyển sang cực từ khác tên nên sđđ đổi chiều; nhờ chổi than và các phiến đổi chiều mà dòng điện ở mạch ngoài không thay đổi chiều. Hình 2.25 Nguyên lý máy điện một chiều Các phần tử của dây quấn đặt lệch nhau trong không gian tạo nên suất điện động tổng bằng phẳng, không thay đổi. Độ lớn suất điện động cảm ứng được tính bằng công thức: Eư = = kEnF Trong đó: p - ố đôi cực N - số thanh dẫn a - số đôi mạch nhánh song song n - tốc độ quay của phần ứng (vòng/ph) F - từ thông (Wb) Eư - suất điện động (V) Nguyên lý động cơ: Hình 2.26 vẽ mặt cắt dọc một máy điện một chiều đang làm việc ở chế độ động cơ. Khi đặt điện áp 1 chiều vào dây quấn phần ứng abcd , có dòng điện theo chiều abcd. Dòng điện I tác động tương hỗ với từ trường của nam châm N – S, tạo nên mômen làm quay khung dây. Dễ nhận thấy, nhờ hệ thống chổi than và vành đổi chiều, dòng điện trong khung dây đổi chiều để giữ mômen tác dụng vào khung dây không đổi chiều. Hình 2.26 Sơ đồ động cơ điện một chiều Độ lớn mômen điện từ tác dụng vào roto được tính bằng công thức: Mđt = FIư = kMFIư Trong đó: p  - số đôi cực N - số thanh dẫn A - số đôi mạch nhánh song song Iư - dòng điên của phần ứng (A) F - từ thông (Wb) Mđt - Moomem điện từ (Nm) 2. Tiết kiệm năng lượng khi thiết kế tính toán và sử dụng động cơ một chiều + Máy điện một chiều sử dụng nguồn một chiều không thông dụng, thường phải sử dụng các bộ biến đổi từ xoay chiều sang một chiều, ngoài tổn thất ở máy điện một chiều còn thêm ở thiết bị biến đổi. Chỉ sử dụng máy điện một chiều khi thật cần. + Cắt điện nguồn khi không sử dụng. + Máy điện một chiều có cổ góp dễ hư hỏng, cần được bảo dưỡng để không xẩy ra sự cố, luôn đạt hiệu suất thiết kế. Ngày nay ĐCKĐB đi kèm biến tần có các đặc tính tương tự như động cơ điện một chiều do đó máy điện một chiều dần bị loại bỏ. III.6.4 Máy điện đồng bộ Máy điện đồng bộ có tốc độ quay của rôto bằng tốc độ quay của từ trường wr = w0. Máy điện đồng bộ có phần cảm thường đặt ở rôto, phần ứng đặt ở stato. Máy điện đồng bộ chủ yếu làm việc ở chế độ máy phát. Công suất đơn vị của máy phát điện đồng bộ đạt tới 1200 MW - 3000 vòng/phút và 1600 MW - 1500 vòng/phút. Máy phát-tuabin cực ẩn, có kích thước: Đường kính rôto đến 16,1m, đặt đứng, chiều cao lõi thép 1,75m. Hiệu suất đạt tới 98,2%. Nặng 1650 tấn. Máy phát-thủy điện cực lồi, công suất 500MW, có kích thước: Đường kính rôto đến 1,25m, chiều dài tới 7 m. Hiệu suất đạt tới 99%. Khi quay rôto có từ trường quét lên thanh dẫn của dây quấn phần ứng, cảm ứng trên các dây quấn sđđ xoay chiều hình sin có giá trị hiệu dụng là: E0 = 4,44fW1kdq1F0 Trong đó E0, f, W1, kdq1, F0 là sđđ pha, tần số, số vòng dây một pha, hệ số dây quấn phần ứng, từ thông của cực từ rôto. Hình 2.27 Máy phát điện đồng bộ kích từ bán dẫn Nếu rôto có p đôi cực, khi rôto quay được 1 vòng, sđđ phần ứng biến thiên p chu kỳ, do đó tần số f của sđđ sẽ là: Dây quấn 3 pha có trục lệch nhau trong không gian môt góc là 1200 điện, cho nên sđđ các pha lệch nhau góc pha là 1200 Khi nối với tải sẽ có dòng điện 3 pha chạy trong dây quấn tạo ra từ trường quay với tốc độ , tốc độ từ trường quay bằng tốc độ rôto, vì vậy loại máy điện này gọi là máy điện đồng bộ. Hình 2.27 Rôto máy phát điện đồng bộ của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình. Hệ thống kích từ của máy điện đồng bộ (hình 2.26) thường bằng mạch điện tử công suất. Hình 2.27 là rôto máy phát điện đồng bộ của nhà máy thuỷ điện Hoà Bình. Tiết kiệm điện năng trong thiết kế, vận hành sử dụng máy điện đồng bộ 1. Máy phát điện đồng bộ Máy phát điện đồng bộ là nguồn chủ yếu sản xuất ra điện năng, phần máy điện đồng bộ công suất lớn hiện nay đã được thiết kế chế tạo theo tiêu chuẩn, có hiệu suất cao hệ thống thiết bị điều khiển, bảo vệ hợp bộ đảm bảo độ tin cậy cao làm việc hiệu quả. Máy phát điện đồng bộ công suất nhỏ còn nhiều chủng loại, hiệu suất chưa cao, cần quan tâm khi thiết kế chế tạo và đưa vào sử dụng loại này. Khi sử dụng cần lựa chọn chủng loại và công suất hợp lý đồng thời phối hợp tối đa với điện năng của lưới. Máy phát điện nằm trong hệ thống điện có yêu cầu hiệu suất cao, hệ thống điều khiển và bảo vệ tin cậy. Điều độ phân phối công suất hợp lý, sử dụng hợp lý máy phát máy phát có nguồn động lực rẻ tiền hơn sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn. 2. Động cơ điện đồng bộ Động cơ điện đồng bộ có hiệu suất cao, ưu tiên sử dụng thay thế động cơ không đồng bộ khi công suất đơn chiếc lớn; sử dụng động cơ đồng bộ còn cải thiện hệ số công suất cho lưới điện. Động cơ đồng bộ dùng làm động cơ bơm nước hoặc quạt gió có công suất đơn chiếc tới hàng chục (MW). Công ty chế tạo điện cơ Hà nội đã chế tạo được động cơ đồng bộ công suất tới 500kW. Chương III CHIẾU SÁNG TIẾT KIỆM VÀ HIỆU QUẢ I. Tổng quan về chiếu sáng Chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả là cung cấp ánh sáng thích hợp cho người dùng nhưng vẫn đảm bảo đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiêu thụ điện năng thấp và góp phần bảo vệ môi trường. Theo thống kê của IEA (cơ quan năng lượng quốc tế) năm 2005 điện năng sử dụng cho chiếu sáng trên toàn thế giới là 2650 tỷ kWh, chiếm 19% sản lượng điện, hơn nữa lại sử dụng vào giờ cao điểm tối khiến cho đồ thị phụ tải càng tăng vọt. Tổng chi phí cho điện năng chiếu sáng toàn cầu lên tới 460 tỷ USD/năm trong đó chiếu sáng cho dân cư chiếm 31%, thương mại và dịch vụ chiếm 43%, công nghiệp chiếm 18%. Theo số liệu của EVN điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng toàn quốc chiếm khoảng 25,3% tổng điện năng tiêu thụ, trong đó 40% cho chiếu sáng khu vực dân cư, 35% cho thương mại và dịch vụ, 10% cho công nghiệp. Hội chiếu sáng đô thị Việt Nam đã chủ trì nhiều hội thảo quốc gia về các giải pháp thực hiện chiếu sáng công cộng tiết kiệm và hiệu quả với mục tiêu đến 2010 tiết kiệm 163,4 GWh. II. Các loại đèn thường dùng: Theo nguyên lý hoạt động ta có hai nhóm đèn thường dùng là: 1. Đèn sợi đốt 2. Đèn phóng điện. Trong loại đèn sợi đốt có hai loại là đèn sợi đốt thông thường và đèn sợi đốt có bổ sung khí halogen. Trong loại đèn phóng điện trong chất khí gồm bốn nhóm: Đèn huỳnh quang Đèn hơi thủy ngân Đèn Sodium (Natri) Đèn Halogen kim loại (Metal halide). ®Ìn sîi ®èt th­êng ®Ìn sîi ®èt halogen ®Ìn Huúnh quang ®Ìn thñy ng©n ®Ìn NATRI ®Ìn metal halide C¸C LO¹I ®Ìn ®Ìn sîi ®èt ®Ìn AS hçn hîp ®Ìn phãng ®iÖn ®Ìn H.quang èng ®Ìn H.quang compac ®Ìn sodium ¸p suÊt cao ®Ìn sodium ¸p suÊt thÊp H×nh 3.1 Ph©n lo¹i c¸c ®Ìn Để đảm bảo tiện nghi nhìn thì đèn phải có ánh sáng gần với ánh sáng tự nhiên nhất nghĩa là phải có chỉ số thể hiện màu cao. Do đó khi thiết kế chiếu sáng ta cần quan tâm lựa chọn lựa chọn các loại đèn và các thông số đặc trưng của đèn như quang thông, công suất tiêu thụ, hiệu suất sáng, nhiệt độ màu, chỉ số thể hiện màu một cách thích hợp. Trên bảng 3.1 trình bày thông số của các loại đèn thường dùng trong chiếu sáng. Bảng 3.1 Thông số của một số loại đèn thông dụng Loại đèn Công suất P (W) Quang thông (lm) Hiệu suất sáng (lm/W) Nhiệt độ màu T (K) Chỉ số thể hiện màu CRI Tuổi thọ TB (h) sợi đốt halogen 100 1600 16,0 2800-3200 100 2000 150 2400 16,0 200 3520 17,6 300 5600 18,7 500 9900 19,8 1000 24200 24,2 1500 36300 24,2 2000 48400 24,2 H. Quang ống 20 1350 67,5 2700-6500 85 10000 40 3350 83,8 60 5200 86,7 H. Quang Compact 15 900 60,0 2700-4000 85 10000 20 1200 60,0 23 1500 65,2 CA thủy ngân 80 3700 46,3 3900-4300 33-49 2500 125 6200 49,6 250 12700 50,8 400 22000 55,0 ca SODIUM 70 5600 80,0 2100-2500 25-65 8000 150 15000 100,0 250 28000 112,0 400 48000 120,0 1000 125000 125,0 metal halide 70 5100 72,8 3000-6500 65-90 4000 150 11000 73,3 250 17000 68,0 400 30500 76,3 1000 81000 81,0 2000 183000 91,5 III. Các giải pháp tiết kiệm năng lượng cho chiếu sáng Có một số loại giải pháp kỹ thuật và quản lý khác nhau nhằm thực hiện chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả. Sau đây là một số giải pháp nên dùng: III.1 Lựa chọn đèn có hiệu suất năng lượng cao Yếu tố đầu tiên quyết định hệ thống chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả là chỉ số quang thông do đèn phát ra trên công suất tiêu thụ lm/W do đó cần chọn đèn có lm/W cao nhất. Một số chỉ dẫn về việc lựa chọn nguồn sáng cho chiếu sáng nội thất: Đèn sợi đốt: Đèn sơi đốt có ưu điểm cơ bản là hệ số thể hiện màu rất cao, CRI = 100, cấu tạo đơn giản rẻ tiền, nối trực tiếp vào lưới điện tuy nhiên do hiệu suất năng lượng thấp (max 15 lm/W) và tuổi thọ ngắn (nhỏ hơn 1000 giờ), 95 % điện năng biến thành nhiệt nên Chương trình chiếu sáng tiết kiệm và hiệu quả khuyến nghị nên loại bỏ và thay thế đèn sợi đốt bằng đèn huỳnh quang compact. Đèn sợi đốt halogen: Đèn sợi đốt halogen là cải tiến quan trọng của đèn sợi đốt thông thường có những ưu điểm nổi bật của đèn sợi đốt là hệ số thể hiện màu cao, tuổi thọ và hiệu suất tăng đáng kể so với đèn sợi đốt thông thường (27 lm/W, 2000 giờ). Đây là sự lựa chọn ưu tiên cho chiếu sáng chất lượng ánh sáng rất cao như chiếu sáng phòng tranh, viện bảo tàng, phòng họp quan trọng. Đèn huỳnh quang: là loại đèn thích hợp nhất cho chiếu sáng nội thất, với ưu điểm nổi trội là có hiệu suất sáng cao 60-70 lm/W, hệ số thể hiện màu tương đối cao CRI = 65 - 90, tuổi thọ cao 12000 giờ. Đèn compact là loại đèn huỳnh quang có cấu tạo đặc biệt cũng được sử dụng rộng rãi cho chiếu sáng nội thất, những nơi cần chiếu sáng nhấn, thay thế cho các đèn sợi đốt. Thích hợp nhất là các đèn huỳnh quang thế hệ mới T8 /36/32 W. So với đèn thế hệ cũ cụng suất tiêu thụ giảm 10-20% quang thông tăng 20%. Đối với đèn T5 công suất tiêu thụ chỉ còn 28 W tiết kiệm năng lượng đáng kể. Tuy nhiên cần chú ý đến các chỉ tiêu chất lượng khác của nguồn sáng như nhiệt độ màu, chỉ số thể hiện màu. Đèn Metal halide cũng là sự lựa chọn ưu tiên cho chiếu sáng nội thất, tại những nơi cần chiếu sáng bổ sung như cửa hàng, phòng tranh, triển lãm. Chúng có hệ số thể hiện màu cao (CRI = 70-80), hiệu quả ánh sáng cao (50-100 lm/W). Đèn Sodium áp suất cao có hiệu quả ánh sáng cao 90 lm/W, tuổi thọ cao 12000 giờ, hệ số thể hiện màu tương đối thấp (CRI = 20-35) nên thường được sử dụng trong chiếu sáng công nghiệp và chiếu sáng đường phố. Đèn Sodium áp suất thấp có hiệu suất sáng rất cao 190 lm/W, tuổi thọ cao nhưng hệ số thể hiện màu gần bằng không thường được sử dụng trong chiếu sáng giao thông, ở khu vực xa khu dân cư. III.2. Sử dụng bộ đèn và phương pháp chiếu sáng thích hợp Bộ đèn gồm đèn và các phụ kiện như đui, tăcte, máng phản xạ, chao đèn cho phép tập trung ánh sáng vào các khu vực cần thiết. Khi chiếu sáng có sử dụng bộ đèn cần lưu ý bộ phản xạ cho phép tập trung ánh sáng nhưng chao đèn cũng hấp thụ một lượng ánh sáng của đèn. Hiệu quả ánh sáng của bộ đèn tính bằng quang thông của bộ đèn phát ra chia cho quang thông của bóng đèn khi không có máng và chao đèn. Nếu không có yêu cầu cao về chiếu sáng thẩm mỹ thì không nên sử dụng các phương pháp chiếu sáng gián tiếp và bán gián tiếp vì các phương pháp này có hiệu quả ánh sáng thấp. Việc bố trí đèn cần chú ý đến đặc điểm khu vực chiếu sáng. Trong mọi trường hợp khi trần cao thì nên hạ thấp đèn đèn so với trần vì độ rọi trên mặt làm việc tỷ lệ nghịch với bình phương của chiều cao treo đèn. Các phương pháp chiếu sáng được tóm tắt trong bảng 1.4 trong đó ưu tiên cho chiếu sáng trực tiếp vì hiệu quả sử dụng ánh sáng cao nhất. Bảng 3.2 Các phương pháp chiếu sáng trong nhà PP chiếu sáng Đặc điểm Áp dụng Trực tiếp - hẹp - rộng -Từ 90 đến 100% ánh sáng được chiếu xuống mặt làm việc. Hiệu quả chiếu sáng cao nhất - Dễ gây chói loá, sấp bóng. - Quang thông tập trung vào mặt phẳng làm việc, tường bên bị tối. - Quang thông phân bố rộng trong nửa không gian phía dưới, tường bên được chiếu sáng. - Chiếu sáng văn phòng, lớp học, của hàng lớn, nhà xưởng. - Địa điểm có độ cao lớn Bán trực tiếp - Từ 60 đến 90% ánh sáng được chiếu xuống không gian - Từ 10 đến 40% ánh sáng được chiếu lên trần. Môi trường được cải thiện cả tường và trần được chiếu sáng. Văn phòng, phòng khách, phòng trà, nhà ăn Gián tiếp - Từ 90 đến 100% ánh sáng được chiếu lên trần và phản xạ xuống. - Đây là phương pháp chiếu sáng có hiệu quả sáng thấp nhất. - Tiện nghi nhìn được cải thiện, không gây chói loá, sấp bóng. Phòng khán giả, nhà hàng ăn Bán gián tiếp - Từ 60 đến 90% ánh sáng chiếu hắt lên. - Các tường và trần được chiếu sáng. - Tạo ấn tượng dễ chịu. - Không gây chói loá, sấp bóng - Văn phòng, nhà ở Hỗn hợp - 40 đến 60 % ánh sáng chiếu hắt lên - Phối hợp ưu điểm của chiếu sáng trực tiếp và gián tiếp. - Địa điểm có tường và trần phản xạ mạnh. Chiếu sáng chung - Chiếu sáng thông dụng nhất. - Đèn được bố trí theo mạng lưới - Tạo nên độ rọi tương đối đều - Thương mại, công nghiệp, văn phòng, nhà ở... Chiếu sáng làm việc - AS trực tiếp đến mặt làm việc. - Bổ sung cho chiếu sáng chung - Thương mại, công nghiệp, nhà ở... Chiếu sáng nền - Tạo khoảng 1/3 độ rọi chiếu sáng chung, phần còn lại do hệ thống chiếu sáng làm việc đảm nhiệm - Các phòng tiếp tân, triển lãm, địa điểm rộng. III.3. Chiếu sáng đường giao thông Hệ thống chiếu sáng đường phố phải đảm bảo: - Chất lượng chiếu sáng đáp ứng yêu cầu theo tiêu chuẩn quy định. - Đảm bảo chức năng định vị dẫn hướng cho các phương tiện tham gia giao thông. - Có tính thẩm mỹ, hài hoà với cảnh quan môi trường xung quanh. - Có hiệu quả kinh tế cao, mức tiêu thụ điện năng thấp, sử dụng nguồn sáng có hiệu suất năng lượng cao, tuổi thọ của thiết bị chiếu sáng cao, duy trì tính năng kỹ thuật trong quá trình sử dụng. - Thuận tiện trong vận hành và duy trì bảo dưỡng. Các tiêu chuẩn chất lượng chiếu sáng đường phố thực chất đòi hỏi phải tạo nên tri giác nhìn nhanh chóng, chính xác và tiện nghi. Ta cần lưu ý các vấn đề sau đây: - Độ chói trung bình của mặt đường do lái xe quan sát khi nhìn mặt đường ở tầm xa khoảng một trăm mét khi thời tiết khô. Mức độ chói trung bình này phụ thuộc vào loại đường (mật độ giao thông, tốc độ cho phép, vùng đô thị hay nông thôn...). Độ chói trung bình của mặt đường đóng vai trò quan trọng hơn độ rọi vì để phân biệt một vật trong màn đêm từ khoảng cách xa thì mặt đường được chiếu sáng sẽ trở thành nguồn sáng thứ cấp và phải đạt được độ chói quy định thì mới phân biệt được vật trên mặt đường so với màn đêm. Tiêu chuẩn độ chói trung bình và độ đồng đều nói chung được cho trong tiêu chuẩn thiết kế chiếu sáng giao thông. Việc chiếu sáng đường phải thoả mãn tiêu chuẩn này. III.4. Sử dụng chấn lưu điện từ tổn hao thấp và chấn lưu điện tử Chấn lưu đóng vai trò quan trọng trong việc mồi đèn và duy trì sự phóng điện hồ quang ổn định. Bản thân chấn lưu sắt từ cũng tiêu thụ công suất khoảng 15-20% công suất đèn. Để giảm công suất tiêu tán này có thể thực hiện hai giải pháp: 1. Sử dụng chấn lưu sắt từ có tổn hao thấp. Đó là các chấn lưu được chế tạo từ các lá tôn silic chất lượng cao. Với việc sử dụng đèn huỳnh quang thế hệ mới và chấn lưu điện từ tổn hao thấp có thể tiết kiệm điện năng khoảng 10-20 % so với phương án truyền thống. Chấn lưu điện từ có đặc điểm: Cấu tạo đơn giản chắc chắn. Gây nhiễu điện từ và tiếng ù. Khó thực hiện biện pháp giảm quang thông bằng cách giảm điện áp. Gây hiệu ứng nhấp nháy ảnh hưởng tới thị giác của người lao động khi làm việc với máy quay. Thời gian mồi lâu. Tuổi thọ cao. Việc sử dụng lõi từ chất lượng cao và thiết kế tối ưu có thể tạo nên chấn lưu sắt từ chất lượng cao. 2. Chấn lưu điện tử có nhiều ưu điểm so với chấn lưu điện từ: Tiêu thụ công suất rất nhỏ, khoảng 1% công suất đèn. Mồi đèn nhanh, gần như tức thời. Không có hiện tượng nhấp nháy. Tăng quang thông của đèn khoảng 20% so với sử dụng chấn lưu sắt từ. Hệ số công suất cao, có thể bằng 1. Về lý thuyết tuổi thọ của chấn lưu điện tử cao hơn chấn lưu điện từ. Cho phép điều khiển quang thông bằng cách giảm điện áp. Hình 3.2 Chấn lưu sắt từ và chấn lưu điện tử Thực chất chấn lưu điện tử là bộ biến tần, biến đổi từ tần số lưới 50Hz sang tần số cao trên 20 kHz và dưới 40 kHz (hình 3.2). Trên 20 kHz để tránh tần số nghe thấy còn dưới 40 kHz là tần số dùng trong điều khiển hồng ngoại của các thiết bị điện tử. Sơ đồ khối của chấn lưu điện tử gồm: - Bộ lọc nguồn - Bộ chỉnh lưu AC-DC biến đổi điện áp nguồn 50 Hz thành điện áp một chiều. - Bộ nghịch lưu DC-AC biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có tần số cao từ 20-40 KHz. Với tần số cao sự phóng điện trong chất khí có hiệu quả cao hơn. - Mạch mồi và điều khiển ánh sáng. Để đảm bảo tuổi thọ đèn cao và không bị đen đầu thì thiết kế chấn lưu điện tử phải đảm bảo chỉ được đặt điện áp lên đèn sau khi catốt đã được đốt nóng ban đầu. Mặt khác dòng điện sau biến tần phải đảm bảo đối xứng, không bị nhọn đầu và càng gần hình sin càng tốt. Hệ số đỉnh của dòng điện phải nhỏ hơn 1,7. Hệ số đỉnh của dòng điện hình sin là 1,41. III.5. Sử dụng ánh sáng tự nhiên Một vài phương pháp kết hợp chiếu sáng ban ngày là: + Các thiết kế đổi mới có thể phù hợp vì chúng loại trừ độ chói của ánh sáng ban ngày và rất hợp với nội thất. Các dải kính chạy suốt bề ngang của mái nhà theo các khoảng đều có thể cung cấp chiếu sáng tốt, đồng nhất trong các xưởng công nghiệp và các nhà kho. + Một thiết kế tốt kết hợp với các cửa sổ ở trần nhà làm bằng chất liệu FRP cùng với trần giả trong suốt và trong mờ có thể cung cấp chiếu sáng không có ánh sáng chói, trần giả cũng giảm hơi nóng từ ánh sáng tự nhiên. + Sử dụng cửa với mái vòm FRP có kiến trúc cơ bản có thể loại trừ việc sử dụng đèn điện trong hành lang của các nhà cao tầng. + Nên sử dụng ánh sáng tự nhiên từ cửa sổ. Tuy nhiên, cửa sổ nên được thiết kế tốt để tránh ánh sáng chói. Nên sử dụng các giá ánh sáng để cung cấp ánh sáng tự nhiên không có ánh sáng chói. Hình 3.3a Chiếu sáng tự nhiên bằng mái che cacbon tổng hợp Hình 3.3b Chiếu sáng tự nhiên bằng cửa mái vòm FRP Kỹ thuật chiếu sáng hiện đại luôn luôn quan tâm đến nguồn sáng tự nhiên vì các lý do sau đây: + Ánh sáng ban ngày phù hợp nhất với hệ thống thị giác của con người, được mọi người ưa thích. + Tiết kiệm năng lượng vì có thể chủ động tắt đèn khi độ rọi do ánh sáng tự nhiên vượt quá ngưỡng cho phép. Tiềm năng tiết kiệm điện năng trong thực tế: Nâng cấp hệ thống chiếu sáng của xí nghiệp may sử dụng 500 bộ đèn T10-40W, chấn lưu sắt từ tổn hao cao, giả thiết giá điện 1000 đ/năm. Các phương án nâng cấp hệ thống chiếu sáng có thể áp dụng trong xí nghiệp: - Phương án 1 sử dụng đèn T8-36W chấn lưu sắt từ có công suất 10W. - Phương án 2 sử dụng đèn T8-32W, chấn lưu điện tử có công suất 6W. - Phương án 3 sử dụng đèn T8-32W kết hợp với sử dụng ánh sáng tự nhiên cắt bớt 1/4 đèn Việc so sánh 4 phương án nâng cấp chiếu sáng được cho trong bảng sau đây: Bảng 3.3 N©ng cấp hệ thống chiếu s¸ng xí nghiệp may Chiếu s¸ng nội thất PA hiện tại PA 1 PA2 PA3 1. Loại đÌn F40T10 F36T8 F32T8 F32T8 2. C«ng suất bãng đÌn (W) 40 36 32 32 3. Chi phÝ mua đÌn (ngh×n VND) 10000 12000 2500 25000 4. Loại chấn lưu chấn lưu sắt từ tổn hao cao chấn lưu sắt từ tổn hao thấp chấn lưu điện tử chấn lưu điện tử 5.C«ng suất chấn lưu (W) 10 6 3 3 6. Chi phÝ chấn lưu (VNĐ) 15000 30000 60000 0 7. C«ng suất 1 bộ đÌn 50 42 35 35 8. Tổng c«ng suất đặt (W) (1000 đÌn) 50000 42000 35000 8750 9. Thời gian sử dụng trong n¨m (giờ) 3000 3000 3000 3000 10. Hệ số tiết kiệm do điều khiển ¸nh s¸ng 1 0.8 0.8 0.8 11.Điện năng tiªu thụ ( triệu kWh/năm) 150 100,8 84 21 12. Tiền điện (tỉ đ/ n¨m) 150 100,8 84 21 Như vậy, việc thay thế các bóng đèn cũ lạc hậu và chấn lưu có tổn hao cao bằng các bóng đèn có hiệu suất năng lương cao với chấn lưu có tổn hao thấp, đặc biết là kết hợp với chiếu sáng tự nhiên đã mang lại hiệu quả tiết kiệm điện rõ rệt mà vẫn đảm bảo được tiện nghi nhìn trong chiếu sáng. IV. Điều khiển hệ thống chiếu sáng để tiết kiệm năng lượng IV.1. Đại cương về điều khiển chiếu sáng Điều khiển chiếu sáng nhằm hai mục tiêu : - Giảm điện năng tiêu thụ của hệ thống chiếu sáng. - Duy trì chất lượng 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 phải đạt được : Giảm điện năng tiêu thụ cho toàn hệ thống chiếu sáng. 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 điện, giảm chi phí vận hành chung. Nâng cao chất lượng lao động do chất lượng chiếu sáng tốt hơn. Tạo cảnh quan môi trường chiếu sáng tốt hơn. Trước đây việc điều khiển chiếu sáng chỉ đơn thuần là bật tắt đèn, ngày nay yêu cầu chiếu sáng phức tạp hơn nhiều. Nhờ các biện pháp điều khiển chiếu sáng và sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ điều khiển có thể tiết kiệm 50 % điện năng tiêu thụ đối với công trình hiện có và 35 % đối với các công trình mới. IV.2. Các phuơng pháp điều khiển chiếu sáng để tiết kiệm năng lượng Có hai giải pháp điều khiển cơ bản là điều khiển kiểu bật-tắt đèn (On-Off) và điều khiển giảm thấp điện áp dẫn đến giảm quang thông của đèn (dimming). Tín hiệu điều khiển do các cảm biến đặt trong môi trường chiếu sáng phản ảnh. Để giảm chi phí vận hành và nâng cao chất lượng chiếu sáng có thể thực hiện các biện pháp điều khiển sau đây: - Đặt cảm biến tiếp cận: Các loại cảm biến tiếp cận phát hiện sự có mặt của con người trong khu vực chiếu sáng để điều khiển việc bật, tắt đèn theo yêu cầu. - Chiếu sáng theo chương trình: Nhờ các rơle thời gian, bộ điều khiển lập trình, bộ thời gian có thể thực hiện việc bật, tắt đèn theo một lịch trình đặt trước. - Điều chỉnh điện áp cho thiết bị chiếu sáng (dimming), chấn lưu có nhiều mức công suất làm thay đổi quang thông do đó thay đổi công suất tiêu thụ - Phối hợp với ánh sáng ban ngày bằng cách tắt bớt số đèn khi ánh sáng tự nhiên từ các cửa hoặc từ trần có độ rọi thích hợp, trong trường hợp này cần sử dụng các bộ cảm biến quang. Các phần tử của hệ thống điều khiển chiếu sáng nói chung thường bao gồm: - Bộ cảm biến lắp trên tường. - Bộ cảm biến lắp trên trần. - Bộ thời gian. - Bộ điều chỉnh điện áp điều khiển từ xa. Bảng 3.4 sau đây đưa ra một số chỉ dẫn lựa chọn thiết bị điều khiển Bảng 3.4 Chỉ dẫn lựa chọn thiết bị điều khiển chiếu sáng Không gian chiếu sáng Thiết bị điều khiển Không gian sử dụng không xác định nhà kho, bênh viện Bộ thời gian Cảm biến tiếp cận Không gian sử dụng xác định, có thời gian sử dụng quy định Thiết bị hẹn giờ Chiếu sáng ngoài trời, mặt nhà, bãi đỗ xe Cảm biến quang Thiết bị hẹn giờ Chiếu sáng nội thất có cửa sổ rộng Cảm biến quang Chuyển mạch nhiều mức Khu vực cần thay đổi mức chiếu sáng theo thời gian Bộ điều chỉnh điện áp Chuyển mạch nhiều mức IV.2.1. Sử dụng bộ cảm biến Xét sơ đồ điều khiển hệ thống chiếu sáng cho trên hình 3.4. Bộ cảm biến nằm trong môi trường cảm nhận các thông số của đối tượng làm tác động cơ cấu bật, tắt đèn hoặc làm thay đổi quang thông của đèn. Có ba loại cảm biến thường sử dụng là: - Cảm biến siêu âm. - Cảm biến hồng ngoại. - Cảm biến quang. Hình 3.4 Điều khiển sử dụng cảm biến Bộ cảm biến tiếp cận (hiện diện) siêu âm Bộ cảm biến siêu âm sử dụng tinh thể thạch anh làm nguồn phát sóng siêu âm trong không gian và cảm nhận sóng phản xạ từ đối tượng. Theo hiệu ứng Doppler tần số của sóng siêu âm phản xạ sẽ thay đổi nếu đối tượng chuyển động, do đó có thể phát hiện sự có mặt đối tượng trong vùng phủ sóng. Để tránh lẫn với các tần số khác như máy trợ thính các bộ cảm biến siêu âm hoạt động ở tần số trên 32 kHz. Bộ cảm biến siêu âm thế hệ mới của Siemens có thể phát hiện vật kích thước 6 cm ở tầm 10 m, ngay cả trong điều kiện có sương mù. Hình 3.5 Cảm biến siêu âm Hình 3.6 trình bầy biểu đồ định hướng của bộ cảm biến siêu âm treo trên tường, có thể cảm nhận chuyển động của các bộ phận trên cơ thể con người. Hình 3.6 Vùng cảm nhận của bộ cảm biến siêu âm Vùng phủ sóng của bộ cảm biến siêu âm liên tục, không có khoảng trống và nhạy hơn bộ cảm biến hồng ngoại. Ví dụ chuyển động của bàn tay được phát hiện ở khoảng cách 7,5 m, cánh tay ở 9 m, toàn thân ở 12 m, tuy nhiên tín hiệu hiện diện (ON) có thể bị sai do có dòng khí, do của mở... Đa số bộ cảm biên siêu âm làm việc tốt trong không gian với trần thấp hơn 4,2 m, tuy nhiên cũng có một số bộ phát hiện người di chuyển ở độ cao tới 9 m. Bộ cảm biến tiếp cận hồng ngoại Bộ cảm biến hồng ngoại cảm nhận năng lượng nhiệt hồng ngoại do con người phát ra. Chúng nhạy với đối tượng chuyển động và cảm nhận tia hồng ngoại có bước sóng 10mm. Bộ cảm biến hồng ngoại được chế tạo từ vật liệu có hiệu ứng hoả nhiệt (pyroelectric) biến nhiệt lượng hồng ngoại thành tín hiệu điện. Do sử dụng nhiều thấu kính xung quanh bộ cảm biến và tiêu tụ năng lượng tia hồng ngoại nên vùng phát hiện của chúng có dạng hình quạt nên vùng phát hiện là một hình nón mở rộng (hình 3.7). Ở khoảng cách 12 m bộ cảm biến hồng ngoại tạo nên khoảng trống rộng tới 2,4 m có thể phát hiện sai. Đa số bộ cảm biến hồng ngoại có thể cảm nhận chuyển động của cánh tay ở khoảng cách 4,5 m, toàn thân ở 12 m. Bộ cảm biến hồng ngoại ít nhạy với tín hiệu hiện diện (ON) so với bộ cảm biến siêu âm. Vùng phát hiện tốt nhất trong khoảng 6 m. Hình 3.7 Bộ cảm biến hồng ngoại Các bộ cảm biến siêu âm và hồng ngoại được lắp đặt theo bốn kiểu: - Lắp trên trần - Lắp trên tường cao hoặc góc nhà - Lắp trong hộp treo tường gần lối vào. - Đặt gần vị trí làm việc hoặc khu vực điều khiển. Phụ tải cực đại của các bộ cảm biến này từ 800-1000W ở 120 V và 2000W ở 220 V. Các bộ cảm biến lắp trên trần gần như vạn năng, ứng dụng cho các khu vực khác nhau. Hệ thống điển hình gồm có bộ cảm biến phát hiện di chuyển (siêu ân hoặc hồng ngoại), điều khiển đóng cắt áp tô mát theo tính hiệu do cảm biến hiện điện đưa tới, ở vị trí lắp trên cao chúng tạo nên vùng phủ từ 20 – 180m2. Tuy nhiên chúng cũng được dùng cho không gian hẹp như hành lang, nhà kho với phoảng cách phát hiện 30m. Bộ cảm biến lắp trên tường thường được sử dụng cho không gian hẹp hơn. Khi lắp trong hộp gắn trên tường nên đặt ở độ cao 1,2m. Một số nhà chế tạo đưa ra bộ cảm biến di động cỡ nhỏ lắp ở khoảng cách 1m so với vị trí làm việc dùng để điều khiển chiếu sáng riêng. Bộ cảm biến này có vùng phủ hẹp được nối với công tắc chuyển mạch riêng và có ưu điểm so với bộ cảm biến đặt cố định là: Đặt gần đối tượng nên phát hiện chắc chắn. Có thể phối hợp điều khiển bằng tay. Có thể sử dụng để điều khiển một số tải. Bộ cảm biến quang Các bộ cảm biến quang thường được sử dụng trong việc điều chỉnh chiếu sáng tự nhiên nhằm điều chỉnh quang thông của đèn theo mức ánh sáng ban ngày. Chúng cảm nhận mức chiếu sáng trong không gian và điều khiển áptômát đóng mở hoặc giảm quang thông của đèn. Các loại tế bào quang điện có điện trở rất lớn (điện trở tối) khi không có ánh sáng chiếu vào, điện trở này suy giảm đột ngột khi có ánh sáng tới làm tác động cơ cấu điều khiển (hình 3.8). Việc điều khiển chiếu sáng theo ánh sáng tự nhiên ở các toà nhà có cửa lấy ánh sáng rộng có thể tiết kiệm từ 30 – 50 % điện năng. Hình 3.8 Một số bộ cảm biến quang IV.2.2. Sử dụng bộ thời gian Việc bật tắt đèn theo thời gian phụ thuộc vào mùa và thời gian trong ngày do cơ cấu đồng hồ quyết định. Để điều khiển quang thông của đèn phóng điện có thể sử dụng chấn lưu nhiều mức. Vào giờ cao điểm đèn được nối với cuộn dây của chấn lưu đảm bảo công suất định mức. Vào giờ thấp điểm tín hiệu điều khiển làm chuyển mạch cuộn dây chấn lưu về mức số vòng nhiều hơn do đó điện áp trên đèn nhỏ hơn và công suất tiêu thụ nhỏ hơn. Hình 3.9 là sơ đồ chấn lưu hai mức công suất của công ty Vinakip. Hình 3.9 Chấn lưu hai mức cụng suất của Vinakip Thuộc loại điều khiển theo thời gian có tủ điều khiển chiếu sáng đường của Hapulico. Trong tủ sử dụng hai công tắc tơ ứng với hai chế độ chiếu sáng toàn bộ đèn trong giờ cao điểm và cắt bớt một nửa hoặc một phần ba số đèn trong giờ thấp điểm và cắt toàn bộ đèn ở chế độ ban ngày. Các loại tủ khác có điện áp điều chỉnh nhiều nấc cho phép tiết giảm điện năng cho chiếu sáng trong giới hạn rộng hơn (hình 3.10) Hình 3.10 Tủ điều khiển tiết giảm điện năng chiếu sáng đường Trung tâm điều khiển chiếu sáng đô thị của Hapulico có khả năng điều khiển giám sát các tủ điều khiển đèn bằng PLC S7-200 của Siemens với mạch ra điều khiển 6, 8, 16, 24 và 32 nhóm tín hiệu. Phương án này đơn giản, tiết kiệm điện năng nhưng tạo nên ánh sáng không đều do một số đèn bị cắt vào giờ thấp điểm. IV.2.3. Sử dụng bộ vi điều khiển và bộ logic khả trình PLC Bộ vi điều khiển là bộ vi xử lý chuyên dụng có thể lập trình để thực hiện đóng cắt và điều chỉnh quang thông của đèn theo yêu cầu. Hình 3.11 trình bầy sơ đồ sử dụng bộ vi điều khiển để đóng cắt hoặc giảm quang thông của đèn theo tín hiệu cảm nhận từ các bộ cảm biến quang và cảm biến hiện diện. Trong các tòa nhà hiện đại có nhiều thiết bị chiếu sáng với những mục đích khác nhau hoặc trong các công trình văn hóa thể thao cần điều chỉnh độ rọi theo yêu cầu của thi đấu và biểu diễn để điều khiển chiếu sáng cho đối tượng này thường sử dụng các bộ logic khả trình. Đây là các bộ logic khả trình chuyên dụng có nhiều đầu vào và nhiều đầu ra với công suất đầu ra lớn có thể lập trình cho mục đích điều khiển theo yêu cầu của người sử dụng. Hình 3.11 Điều khiển chiếu sáng bằng bộ vi điều khiển Để tiết kiệm điện năng cho hệ thống chiếu sáng đường phố thường sử dụng hai giải pháp: 1. Tắt một nửa số đèn vào giờ thấp điểm khi mật độ phương tiện giao thông giảm. Phương án này được dùng phổ biến ở Việt nam với tủ điều khiển hai mức công suất bằng công tắc tơ do Công ty chiếu sáng đô thị Việt nam chế tạo hàng loạt. Phương án này đơn giản, hiệu quả tiết kiệm điện năng cao nhưng chiếu sáng không đều, gây hiệu ứng “ánh sáng bậc thang”, ảnh hưởng xấu tới người lái xe. 2. Sử dụng bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều cho từng đèn và thực hiện giảm điện áp theo một chiến lược định trước để giảm công suất tiêu thụ vào đêm khuya. Phương án này có thể tiết kiệm 30% điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng và đảm bảo chiếu sáng đồng đều. Hệ thống điện tử công suất này thường được điều khiển từ xa qua mạng thông tin và giúp cho trung tâm vận hành đèn chiếu sáng biết được trạng thái hoạt động của từng đèn. Kết luận Điện năng là ngành quan trọng của nền kinh tế, cũng là một trong những ngành có tác động mạnh mẽ đến môi trường, gây ra nhiều chất thải do hoạt động khai thác và sử dụng các dạng năng lượng, đặc biệt là năng lượng hóa thạch. Để phát triển bền vững, cần đẩy mạnh thực hiện chương trình mục tiêu Sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả do nhà nước đặt ra. Việc thực hiện các giải pháp tiết kiệm điên năng không những tiết kiệm được chi phí sản xuất nhằm hạ giá thành sản phẩm từ đó tăng sức cạnh tranh, đáp ứng được tiện nghi nhìn, sử dụng năng lượng một cách hiệu quả nhất cho các hệ thông tiêu thụ năng lượng mà còn giảm sự phát sinh chất thải đồng thời góp phần bảo vệ môi trường. Các giải pháp tiết kiệm điện năng có thể triển khai áp dụng ở bất kì cở sở nào, nhất là trong thời điểm chủ trương của nhà nước đang kêu gọi người dân sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Tài liệu tham khảo [1]. Kỹ Thuật Điện – Tác giả: Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh. [2]. Bảo Toàn Năng Lượng - Sử Dụng Hợp Lý, Tiết Kiệm và Hiệu Quả Trong Công Nghiệp – Tác giả: Nguyễn Xuân Phú & Nguyễn Thế Bảo - NXB Khoa học & Kỹ thuật 2006. [3]. Quản Lý và Tiết Kiệm Năng Lượng – Sở Khoa học và Công nghệ TP.HCM – NXB ĐHQG TP.HCM 2004 [4]. Kỹ thuật chiếu sáng – Người dịch: Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh – NXB Khoa học & Kỹ thuật. [5]. Máy điện – Tác giả: Đặng Văn Đào – Lê Văn Doanh. [6]. Cung cấp điện – Tác giả: Nguyễn Công Hiền.