Đề tài Thiết kế hệ thống cung cấp điện chiếu sáng cho cầu Bính – Hải Phòng

mặt vật được chiếu sáng bởi nguồn sáng khác còn độ trưng xét bề mặt của vật mà bản thân nó phát sáng. Đơn vị của độ rọi là Lux cũng khác đơn vị của độ trưng là Lm/m2. + Độ rọi E trên bề mặt được chiếu sáng không phụ thuộc vào hệ số phản xạ bề mặt. Ký hiệu: R Đơn vị : Lm/ m2 là độ trưng của nguồn sáng hình cầu có diện tích mặt ngoài 1m2 phát ra quang thông 1 Lumen phân bố đều theo mọi phương. 1.2.8. Độ chói Khái niệm: + Hai bóng đèn sợi đốt hình tròn có công suất 40W thì có cùng quang thông. Một bóng thuỷ tinh trong, một bóng thuỷ tinh mờ thì bóng thuỷ tinh trong sẽ gây chói mắt nhiều hơn. Điều này giải thích là: với bóng đèn thuỷ tinh mờ, tia sáng bức xạ từ nguồn khi đập vào bề mặt thuỷ tinh mờ (vỏ bóng đèn), nó bị tán xạ theo nhiều hướng và cường độ sáng theo một hướng nhất định giảm đi so vơi cường độ của tia tới do đó ít chói mắt hơn -> độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng. Mặt khác với đèn pha xe máy nếu nhìn trực diện thì ta thấy chói mắt nhưng nếu nhìn nghiêng một góc nào đó thì sẽ bớt chói mắt hơn à độ chói phụ thuộc vào phương quan sát, được đặc trưng bằng diện tích biểu kiến của mặt phát sáng theo phương quan sát. Từ những nhận xét trên ta thấy cần thiết phải đưa ra khái niệm độ chói phụ thuộc vào cường độ sáng của nguồn và diện tích biểu kiến của mặt phát sáng. O M Phương quan sát n dI dS α dS cosα Hình 1.6: Định nghĩa độ chói + Mắt người đặt tại điểm O quan sát bề mặt phát sáng dS theo phương OM. Bề mặt dS nghiêng một góc α với phương OM. Gọi dI là cường độ sáng phát ra bởi dS theo phương OM thì ta có định nghĩa độ chói là: L = Ý nghĩa: + Thể hiện mật độ phân bố cường độ sáng phát ra từ một đơn vị diện tích của bề mặt đó theo một hướng xác định đến một người quan sát. + Độ chói phụ thuộc vào tính chất phản quang của bề mặt và hướng quan sát (không phụ thuộc vào khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát). + Nhìn chung mọi vật thể được chiếu sáng ít nhiều đều phản xạ ánh sáng (đóng vai trò như nguồn sáng thứ cấp) nên cũng có thể gây chói mắt người. Ví dụ ban đêm ánh sáng hắt lên từ mặt đường nhựa được chiếu sáng cũng có thể làm chói mắt người lái xe. + Độ chói đóng vai trò rất quan trọng khi thiết kế chiếu sáng, là cơ sở khái niệm về tri giác và tiện nghi nhìn. + Độ chói trung bình của mặt đường là tiêu chuẩn đầu tiên để đánh giá chất lượng của chiếu sáng đường phố. Ký hiệu: L Đơn vị: Cd/m2. 1 Cd/m2 là độ chói của một mặt phẳng sáng đều có diện tích 1m2 và có cường độ sáng là 1 Cd theo phương vuông góc với nguồn đó. Ví dụ về độ chói của một số bề mặt: + Bề mặt đèn huỳnh quang: 5.000- 15.000 Cd/m2 + Bề mặt đường nhựa chiếu sáng với độ rọi 30lux có độ chói khoảng 2 Cd/m2 + Mặt trời mọc: khoảng 5.106 Cd/m2 + Mặt trời giữa trưa: khoảng 1,5 – 2.109 Cd/m2 1.2.9. Nhiệt độ màu Nhiệt độ màu của một nguồn sáng được thể hiện theo thang Kelvin (K) là biểu hiện màu sắc của ánh sáng do nó phát ra. Tưởng tượng một thanh sắt khi nguội có màu đen, khi nung nóng đều đến khi nó rực lên màu da cam, tiếp tục nung nó sẽ thành màu vàng, và tiếp tục nung cho đến khi nó trở nên nóng trắng. Tại bất kỳ thời điểm nào trong qúa trình nung, chúng ta có thể đo được nhiệt độ của thanh thép theo độ Kelvin (0C + 273) và gán giá trị đó với màu được tạo ra. Độ rọi (lux) Nhiệt độ màu(0K) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 50 100 200 300 400 500 1000 1500 2000 Vùng môi trường tiện nghi Hình 1.7: Biểu đồ kruithof Đối với đèn sợi đốt, nhiệt độ màu chính là nhiệt độ bản thân nó. Đối với đèn huỳnh quang, đèn phóng điện (nói cung là các loại đèn không dùng sợi đốt) thì nhiệt độ màu chỉ là tượng trưng bằng cách so sánh nhiệt độ tương ứng của vật đen tuyệt đối bị nung nóng. Khi nói đến nhiệt độ màu của đèn là người ta có ngay cảm giác là có nguồn sáng “ấm”, “trung tính” hay là “mát”. Nói chung, nhiệt độ càng thấp thì nguồn sáng càng ấm và ngược lại. Để dễ hình dung điều này ta xét một số giá trị nhiệt độ màu sau đây: 25000K - 30000K Lúc mặt trời lặn, đèn sợi đốt 45000K - 50000K Ánh sáng ban ngày quang mây 60000K - 10.0000K Ánh sáng khi trời nhiều mây(ánh sáng lạnh) Khi thiết kế chiếu sáng cần phải chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng phù hợp với đặc điểm tâm sinh lý người, đó là đối với độ rọi thấp thì chọn nguồn sáng có nhiệt độ màu thấp và ngược lại với yêu cầu độ rọi cao thì chọn các nguồn sáng “lạnh” có nhiệt độ màu cao. Đặc điểm sinh lý này đã được biểu đồ Kruithof chứng minh. Qua các công trình nghiên cứu của mình, ông đã xây dựng được biểu đồ Kruithof làm tiêu chuẩn đầu tiên lựa chọn nguồn sáng của bất kỳ đề án thiết kế chiếu sáng nào. Trong biểu đồ Kruithof, vùng gạch chéo gọi là vùng môi trường ánh sáng tiện nghi. Với một độ rọi E (lux) cho trước, người thiết kế chiếu sáng phải chọn nguồn sáng có nhiệt độ màu nằm trong miền gạch chéo để đảm bảo không ảnh hưởng đến tâm sinh lý của con người, nếu không đảm bảo điều kiện này sẽ gây ra hiện tượng “ô nhiễm ánh sáng” có thể gây tổn hại đến sức khoẻ. 1.2.10. Độ hoàn màu (chỉ số thể hiện màu) Cùng một vật nhưng nếu được chiếu sáng bằng các nguồn sáng đơn sắc khác nhau thì mắt sẽ cảm nhận mầu của vật khác nhau, tuy nhiên bản chất màu sắc của vật thì không hề thay đổi. Ví dụ một tờ giấy bình thường màu đỏ, nếu đặt trong bóng tối nó có thể có màu xám, tuy nhiên ta vẫn nói đó là tờ giấy màu đỏ. Như vậy chất lượng ánh sáng phát ra của nguồn sáng còn phải được đánh giá qua chất lượng nhìn màu, tức là khả năng phân biệt màu sắc của vật đặt trong ánh sáng. Để đánh giá sự ảnh hưởng ánh sáng (do nguồn phát ra) đến màu sắc của vật, người ta dùng chỉ số độ hoàn màu hay còn gọi là chỉ số thể hiện màu của nguồn sáng, ký hiệu CRI (Color Rendering Index). Nguyên nhân sự thể hiện màu của vật bị biến đổi là do sự phát xạ phổ ánh sáng khác nhau giữa nguồn sáng và vật được chiếu sáng. Chỉ số CRI của nguồn sáng thay đổi theo thang chia điểm từ 0 đến 100. Giá trị CRI=0 ứng với nguồn sáng đơn sắc khi làm biến đổi màu của vật mạnh nhất, CRI=100 ứng với ánh sáng mặt trời khi màu của vật được thể hiện thực chất nhất. Nói chung chỉ số CRI càng cao thì chất lượng nguồn sáng được chọn càng tốt. Để dễ áp dụng trong kỹ thuật chiếu sáng, người ta chia CRI thành 4 thang cấp độ theo bảng sau: Bảng 1.2: Chỉ số hoàn màu CRI của nguồn sáng Nhóm hoàn màu Chỉ số hoàn màu CRI Chất lượng nhìn màu Chất lượng nhìn màu và phạm vi ứng dụng 1A CRI > 90 Cao Công việc cần sự hoàn màu chính xác, ví dụ việc kiểm tra in màu, nhuộm màu, xưởng vẽ 1B 80 < CRI < 90 Cao Công việc cần đánh giá màu chính xác hoặc cần có sự hoàn màu tốt vì lý do thể hiện, ví dụ chiếu sáng trưng bày 2 60 < CRI < 80 Trung bình Công việc cần sự phân biệt màu tương đối 3 40 < CRI < 60 Thấp Công việc cần phân biệt màu sắc nhưng chỉ chấp nhận biểu hiện sự sai lệch màu sắc ít 4 20 < CRI < 40 Thấp Công việc không cần phân biệt màu sắc Đối với chiếu sáng nhà dân thường ít quan tâm đến CRI, những gia đình có mức sống cao mới chú ý đến tiêu chuẩn này và tất nhiên khi đó môi trường sống sẽ tiện nghi hơn kèm theo chi phí đầu tư tăng lên. Đối với chiếu sáng đường phố chỉ có mục đích đảm bảo an toàn giao thông là chính hơn nữa chi phí đầu tư ban đầu khá lớn nên gần như không quan tâm đến chỉ số CRI. Cuối cùng cần lưu ý: Chúng ta rất dễ bị nhầm lẫn giữa nhiệt độ màu và độ hoàn màu, do đó ở đây cần nhắc lại: nhiệt độ màu biệu thị màu sắc của nguồn sáng - là nơi ánh sáng phát ra, còn độ hoàn màu biểu thị độ chính xác màu của nguồn khi chiếu lên vật thể. 1.3. CÁC ĐỊNH LUẬT QUANG HỌC VÀ VÀ ỨNG DỤNG TRONG KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG 1.3.1. Sự phản xạ * Sự phản xạ đều: Hiện tượng này tuân theo định luật quang hình đã nghiên cứu trong giáo trình Vật lý đại cương: Góc tới của tia sáng chiếu lên bề mặt phản xạ bằng góc phản xạ. Sự phản xạ đều được đặc trưng bằng hệ số phản xạ đều ρpxđ = < 1, trong đó Фpxđ, Фi lần lượt là quang thông phản xạ đều và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét. Ứng dụng: Sự phản xạ đều là trường hợp phản xạ lý tưởng, xảy ra trên các vật liệu rất mịn, nhẵn tuyệt đối. Hiện tượng này dùng trong nghiên cứu chế tạo tấm phản quang hoặc tính toán độ chói bề mặt các vật liệu mịn, phẳng có phản xạ đều. n r i Đều i= r n In Iα α Khuyếch tán đều Iα = In. cosα In n r Ir Iα i α Khuyếch tán hỗn hợp Iα = In. cosα và i = r n Phân tán Hình 1.8: Các hiện tượng phản xạ * Sự phản xạ khuyếch tán Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình. Đặc điểm là khi có tia sáng chiếu lên bề mặt phản xạ khuyếch tán, các tia sáng phân bố phản xạ đi theo nhiều hướng khác nhau. Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong nào đó. Sự phản xạ khuyếch tán được đặc trưng bằng hệ số phản xạ khuyếch tán ρpxđ = < 1, trong đó Фpxđ, Фi lần lượt là quang thông phản xạ đều và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét. Trong thực tế, trên bề mặt các vật liệu luôn xảy ra đồng thời hai hiện tượng phản xạ đều và phản xạ khuyếch tán do đó người ta định nghĩa hệ số phản xạ hỗn hợp ρpx = ρpxđ + ρpxkt = < 1. Phân loại: + Phản xạ khuyếch tán đều: Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt phản xạ và có tâm nằm trên đường vuông góc với mặt phản xạ. Hiện tượng này tuân theo định luật lambert và được nghiên cứu ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng. + Phản xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp: Các vectơ cường độ sáng phản xạ là hỗn hợp của hiện tượng phản xạ đều và hiện tượng phản xạ khuyếch tán đều. + Phản xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mút các vectơ cường độ sáng phản xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ. Ứng dụng: Trường hợp phản xạ khuyếch tán là loại phản xạ hay gặp trong thực tế được nghiên cứu để tính toán độ chói mặt đường, mặt sàn. 1.3.2. Sự truyền xạ * Sự truyền xạ đều: Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình đã nghiên cứu trong giáo trình Vật lý đại cương. Chỉ lưu ý tia sáng ra khỏi dạng tấm đồng nhất thì song song với tia tới. Sự truyền xạ đều được đặc trưng bằng hệ số truyền xạ đều ρtxd = < 1 trong đó Фtxđ, Фi lần lượt là quang thông truyền xạ đều và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét. Ứng dụng: Nghiên cứu chế tạo kính bảo vệ phẳng cho bộ đèn, chế tạo bóng đèn bằng thuỷ tinh rong suốt (bóng đèn sợi đốt, ống phóng điện). * Sự truyền xạ khuyếch tán: Hiện tượng này không tuân theo định luật quang hình. đặc điểm là khi có tia sáng chiếu tới bề mặt truyền xạ khuyếch tán, các tia sáng phân bố truyền đi theo nhiều hướng khác nhau. Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cong nào đó. Sự truyền xạ khuyếch tán được đặc trưng bằng hệ số truyền xạ khuyếch tán ρtxkt = < 1 trong đó Фtxkt, Фi lần lượt là quang thông truyền xạ khuyếch tán và quang thông rọi tới diện tích bề mặt đang xét. Trong thực tế, trên bề mặt các vật liệu luôn xảy ra đồng thời hai hiện tượng truyền xạ đều và truyền xạ khuyếch tán do đó người ta định nghĩa hệ số truyền xạ hỗn hợp ρtx = ρtxđ + ρtxkt < 1 Phân loại: + Truyền xạ khuyếch tán đều: Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cầu tiếp xúc với mặt truyền xạ và có tâm nằm trên đường vuông góc với mặt truyền xạ. Hiện tượng này tuân theo định luật lambert và được nghiên cứu ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng. + Truyền xạ khuyếch tán kiểu hỗn hợp: Các vectơ cường độ sáng truyền xạ là hỗn hợp của hiện tượng truyền xạ đều và hiện tượng truyền xạ khuyếch tán đều. + Truyền xạ khuyếch tán kiểu phân tán: Đầu mút các vectơ cường độ sáng truyền xạ nằm trên một mặt cong có hình dạng bất kỳ. Đều i= r n i r n i r In Iα α Khuyếch tán đều Iα = In. cosα n i r Ir Iα α In Khuyếch tán hỗn hợp Iα = In. cosα và i = r n i Phân tán Hình 1.9: Hiện tượng truyền xạ Ứng dụng: Hiện tượng truyền xạ khuyếch tán được nghiên cứu để chế tạo kính bảo vệ đèn ánh sáng kiểu khuyếch tán nhằm giảm độ chói cho người quan sát, nghiên cứu chế tạo đèn mờ (đèn tuyp, đèn sơn mờ,). 1.3.3. Sự khúc xạ Khúc xạ là hiện tượng thay đổi hướng của các tia sáng liên tiếp qua các tiết diện lăng kính Trong kỹ thuật chiếu sáng, đa số kính bảo vệ các bộ đèn có dạng phẳng, tuy nhiên kính bảo vệ của một số bộ đèn lại được chế tạo dạng răng cưa ( ở mặt trong ) nhằm mục đích phân tán ánh sáng để giảm độ chói. Thông thường góc ở đỉnh của răng cưa được nghiên cứu rất kỹ để khúc xạ ánh sáng theo mục đích cho trước. Nếu góc ở đỉnh bằng 900 thì ta gọi đó là bộ đèn “hình tổ ong”. Gọi i1 là góc giữa pháp tuyến mặt trong và tia tới (giả sử tia tới vuông góc với mặt ngoài) i4 là góc giữa pháp tuyến mặt ngoài và tia ra khỏi kính đèn. n là chiết suất vật liệu làm kính. α là góc đỉnh. α i1 i4 Tia tới Tia ló Mặt trong Mặt ngoài Kính đèn Hình 1.10: Hiện tượng khúc xạ Ta có quan hệ giữa góc tới và góc của tia ra là sini4 = n.cos Với n = 1,6 (thuỷ tinh), khi α = 300 thì i4 = 800 α = 900 thì i4 = 300 α = 1500 thì i4 = 090 Như vậy góc đỉnh sẽ cho phép điều chỉnh hướng của tia sáng. 1.3.4. Sự che chắn Bộ phận che chụp của một bộ đèn chiếu sáng thường chế tạo bằng các vật liệu màu đen hoặc vật liệu mờ nhằm ngăn cản mắt người nhìn trực tiếp gây ra loá mắt, nó còn có tác dụng chống hơi ẩm và các vật lạ bên ngoài xâm nhập vào bên trong đèn. Phạm vi che chắn đặc trưng bằng góc giữa đường thẳng đứng đi qua tâm nguồn sáng và phương mà mắt người bắt đầu nhìn không bị loá mắt (hoặc không nhìn thấy nguồn sáng). 1.3.5. Sự hấp thụ Khi ánh sáng chiếu vào bất kỳ vật liệu nào cũng bị hấp thụ một phần năng lượng. Mức độ hấp thụ ít hay nhiều phụ thuộc vào một số yếu tố như: loại vật liệu, bước sóng của tia sáng (màu) và góc chiếu của tia vào vật liệu. Để đặc trưng cho sự hấp thụ ánh sáng của vật liệu người ta đưa ra khái niệm hệ số hấp thụ α, đó là tỉ số giữa quang thông mà vật thể hấp thụ Фh và quang thông rọi tới vật liệu Фs. α = Đối với một loại vật liệu cụ thể thì hệ số hấp thụ cũng không phải là hằng số mà còn phụ thuộc vào bước sóng chiếu vào vật liệu. Hệ số hấp thụ của một số vật liệu khi tia tới là ánh sáng trắng được cho trong bảng sau: Bảng 1.3: Hệ số hấp thụ của một số vật liệu với ánh sáng trắng Vật liệu Hệ số hấp thụ (%) Bóng pha lê trong 2-12 Bóng thuỷ tinh sáng 10- 20 Bóng thuỷ tinh vàng nhạt 15- 20 Bóng hạt mịn xanh nhạt 15- 25 Bóng thuỷ tinh nhám 15 -30 Bóng nhựa sáng 20- 40 Bóng thuỷ tinh màu sữa 15- 40 Bóng thuỷ tinh mờ 20- 30 Bóng thuỷ tinh vàng 40- 60 Bóng thuỷ tinh vàng đậm 30- 60 - Ứng dụng: Hiện tượng hấp thụ được nghiên cứu để chế tạo các loại vật liệu có hệ số hấp thụ ít nhất trong đèn chiếu sáng, đặc biệt là các vật liệu che chắn (vỏ đèn), vật liệu truyền xạ (kính bảo vệ đèn), Chương II CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG 2.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ CÁC PHƯƠNG PHÁP, TRÌNH TỰ THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG Thiết kế hệ thống chiếu sáng công cộng thực chất là một chuyên ngành hẹp của chiếu sáng nhân tạo ngoài nhà. Trải qua thời gian, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, các phương pháp và nội dung thiết kế có những biến đổi nhất định. Các thiết bị chiếu sáng ngày càng hiện đại, phương pháp tính toán và thiết kế ngày càng hoàn thiện và chính xác, yêu cầu về chất lượng chiếu sáng ngày càng cao hơn. Trước đây khi mới phát minh ra đèn điện thì hệ thống chiếu sáng chỉ nhằm mục đích là đẩy lùi bóng tối, chính vì vậy phương pháp thết kế lúc đó chỉ đơn giản dựa trên tiêu chí độ rọi của nguồn sáng xuống mặt đường. Khoa học - kỹ thuật ngày càng phát triển, đường phố ngày càng chất lượng, tốc độ lưu thông của phương tiện càng lớn, cuộc sống ngày càng hối hả, tất cả những vấn đề nêu trên đều đặt ra thách thức đối với thiết kế chiếu sáng bằng phương pháp độ rọi vì nó không còn đảm bảo an toàn giao thông. Đây chính là tiền đề để CIE đưa ra phương pháp tỉ số R vào năm 1965. Phương pháp này có xét tới độ chói trung bình, hệ số phản xạ của mặt đường, độ tương phản của ánh sáng trong trường quan sát, là những tác nhân ảnh hưởng đến người lái xe. Phương pháp tỉ số R đã đảm bảo cho người lái xe có tri giác nhìn tối ưu. Tuy nhiên khi khoa học - kỹ thuật ngày càng phát triển, nhất là công nghệ thông tin đòi hỏi việc thiết kế chiếu sáng phải có độ chính xác cao. Nhờ sự trợ giúp của máy tính người ta có thể tính toán độ chói theo từng điểm mặc dù khối lượng tính toán rất lớn. Trên cơ sở này CIE lại tiếp tục công bố một phương pháp mới là “phương pháp độ chói điểm” vào năm 1975. Nói chung với hệ thống chiếu sáng đường thì phương pháp tỉ số R cho phép người thết kế có phương án bố trí ban đầu hệ thống chiếu sáng và kết quả nhận được cũng khá chính xác. Do vậy phương pháp tỉ số R được dùng để thiết kế sơ bộ nhằm xác định quang thông, công suất, số lượng và cách bố trí đèn..., sau đó phải dùng phương pháp độ chói điểm kiểm tra giải pháp thiết kế đã thiết lập có đạt yêu cầu không. 2.2. PHƯƠNG PHÁP TỶ SỐ R Phương pháp tỉ số R về bản chất cũng tính toán dựa trên độ rọi nhưng có xét tới độ chói của mặt đường thông qua tỉ số R : R = Etb: Độ rọi trung bình Ltb: Độ chói trung bình Bằng thực nghiệm người ta nhận thấy R là hằng số đối với mỗi loại đường như sau: Bảng 2.1: Tỷ số R đối với một số loại đường Loại choá đèn R = Bê tông Lớp phủ mặt đường nhựa Hè đường Sạch Bẩn Sáng Trung bình Tối Choá kiểu chụp sâu 11 14 14 19 25 18 Choá kiểu bán rộng 8 10 10 14 18 13 Như vậy với mỗi loại đường ta biết chỉ số R đặc trưng của nó, đồng thời căn cứ vào tiêu chuẩn độ chói trung bình quy định trong tiêu chuẩn TCXDVN259 :2001 cho mỗi cấp đường ta suy ra được độ rọi trung bình Etbvà quá trình tính toán thiết kế chiếu sáng đều xuất phát từ Etb này, do đó ta có thể nói bản chất của nó là phương pháp độ rọi. Phương pháp tỉ số R được coi là phương pháp thiết kế sơ bộ, sau khi hoàn thành phải kiểm tra giải pháp thiết kế này bằng phương pháp độ chói điểm. Tuy nhiên nếu không yêu cầu độ chính xác cao thì phương pháp tỉ số R coi như là giải pháp thiết kế hoàn chỉnh. Ưu điểm của phương pháp này là cho phép tính toán một cách tương đối chính xác mà không cần phải có số liệu của đèn và bộ đèn chiếu sáng. Chỉ sau khi tính ra quang thông ta mới tra catologue để chọn đèn và bộ đèn. Trình tự thiết kế sơ bộ theo phương pháp tỷ số R: - Bước 1: Xác định kích thước hình học, chiều rộng, chiều dài lòng đường, vỉa hè, cấp chiếu sáng, độ phủ mặt đường, sau đó căn cứ vào bảng tiêu chuẩn để chọn cấp chiếu sáng, Lyc, tỉ số R, độ phủ mặt đường. - Bước 2: Xét đến phương án bố trí đèn: cần chọn bộ đèn trên cơ sở đó xác định chiều cao cột, tầm nhô của cần đèn s, a, phương án chiếu sáng, phần này cần cân nhắc lựa chọn ra 1 số phương án so sánh để tính toán và lựa chọn phương án tối ưu. - Bước 3: Xác định khoảng cách giữa các cột (bước cột) theo bảng lmax, h, và kiểu bộ đèn theo bảng. - Bước 4: Tính hệ số sử dụng fu, rồi tính Фtt của bộ đèn cần lắp theo công thức đã có. -Bước 5: Căn cứ vào Фtt để chọn loại bóng đèn phù hợp. Sau khi chọn cần hiệu chỉnh và cân nhắc lại bước cột và Lyc. - Bước 6: Kiểm tra chỉ số tiện nghi chói loá. Tính hàm G -> để so sánh. - Bước 7: Tính toán chiếu sáng cho vỉa hè (nếu có) gọi là chiếu sáng tăng cường -> cần tính chiếu sáng bổ xung phần quang thông còn thiếu sau khi đã nhận được nguồn cấp từ hệ thống chiếu sáng đường để đảm bảo yêu cầu độ rọi của vỉa hè . 2.2.1. Các thông số hình học bố trí đèn Các thông số hình học liên quan đến việc phân bố ánh sáng, khi bố trí đèn phải tuân thủ các quy tắc trong TCXDVN 259: 2001 mới đảm bảo giá trị R là hằng số với từng loại đường cụ thể. h : Chiều cao treo đèn l : Chiều rộng lòng đường e : Khoảng cách giữa 2 cột đèn liên tiếp s : Độ vươn cần đèn (khoảng cách hình chiếu đèn đến chân cột) thực tế thường dùng s = 1,2 ; 1,5 ; 2,4 ; 3m a : Khoảng cách hình chiếu của đèn đến mép đường α : Góc nghiêng của cần đèn Hình 2.1 : Các thông số hình học bố trí đèn - Góc nghiêng α của cần đèn: khoảng 50-150 là tốt nhất. Khi thiết kế không nên mở rộng α lớn hơn 150 vì làm tăng khoảng cách tới điểm cần chiếu sáng nên độ rọi giảm và làm tăng sự chói loá cho người lái xe. Lưu ý là góc chiếu của bộ đèn không hoàn toàn đồng nghĩa với góc nghiêng cần đèn vì cấu tạo vị trí lắp bóng đèn trong bộ đèn cho phép điều chỉnh được góc chiếu, tuy nhiên phạm vi điều chỉnh khá hẹp. - Khoảng cách cột và chiều cao treo đèn: Để đảm bảo độ đồng đều dọc trục U1 khi sử dụng các loại choá đèn khác nhau thì khoảng cách cột (e) và chiều cao treo đèn (h) phải đảm bảo điều kiện sau: Bảng 2.2: Khoảng cách cột và chiều cao treo đèn Loại choá đèn Phương pháp bố trí đèn Max Ghi chú Choá kiểu rộng (0- trên 750) - Một bên, hai bên đối xứng, trên dải phân cách - Hai bên so le 0.4 3,7 hạn chế dùng Choá kiểu bán rộng (0- trên 750) - Một bên, hai bên đối xứng, trên dải phân cách - Hai bên so le 3,5 3,2 Choá kiểu hẹp (0- 650) - Một bên, hai bên đối xứng, trên dải phân cách - Hai bên so le 3,0 2,7 Qua quá trình thiết kế, ứng dụng thực tế cũng như nghiên cứu thực nghiệm người ta đã đưa ra được độ cao treo đèn thông thường đối với các loại đường như sau (bảng này chỉ để tham khảo, không bắt buộc áp dụng): Bảng 2.3: Độ cao treo đèn thông thường đối với các loại đường Độ cao treo đèn thông thường Phạm vi ứng dụng Bề rộng lòng đường 5 – 6,5 (m) Khu dân cư, các đường phụ 3 – 5m 8 – 10 (m) Các đường đông dân 5,5 – 7,5m 10 – 12 (m) Các đường đông dân 10,5m 12 – 15 (m) Đường cao tốc, đường có dải phân cách ở giữa 15m Ngoài ra đối với đường có cấp chiếu sáng C và D thì TCXDVN 259: 2001 còn quy định độ cao treo đèn tối thiểu bắt buộc phải áp dụng như sau: Bảng 2.4: Độ cao treo đèn tối thiểu bắt buộc đối với đường có cấp chiếu sáng C, D. TT Tính chất đèn Tổng quang thông lớn nhất của các bóng đèn được treo trên 1 cột (lm) Độ cao treo đèn thấp nhất (m) Bóng đèn nung sáng Bóng đèn phóng điện 1 Đèn nấm tán xạ ánh sáng Từ 6000 trở lên Dưới 6000 3.0 4.0 3.0 4.0 2 Đèn phân bố ánh sáng bán rộng Dưới 5000 Từ 5000 đến 10000 Từ 10000 đến 20000 Từ 20000 đến 30000 Từ 30000 đến 40000 Trên 40000 6.5 7.0 7.5 7.0 7.5 8.0 9.0 10.0 11.5 3 Đèn phân bố ánh sáng rộng Dưới 5000 Từ 5000 đến 10000 Từ 10000 đến 20000 Từ 20000 đến 30000 Từ 30000 đến 40000 Trên 40000 7.0 8.0 9.0 7.5 8.5 9.5 10.5 11.5 13.5 Căn cứ vào các yêu cầu trên người ta đề xuất các phương án bố trí đèn như sau: 2.2.2 Các phương án bố trí đèn * Bố trí đèn 1 bên đường Phương án này sử dụng khi bề rộng lòng đường hẹp (l ≤ 7,5m) hoặc một phía có hàng cây hoặc đường uốn cong để dẫn hướng Điều kiện áp dụng: để ánh sáng phân bố đều theo chiều ngang thì h ≥ l. Đây là điều kiện ràng buộc để chọn chiều cao cột và chiều rộng đường. Hình 2.2: bố trí đèn một bên đường * Bố trí đèn hai bên so le Áp dụng khi đường đôi có lưu thông 2 chiều, phố có nhiều cây xanh. Nhược điểm: tính dẫn hướng thấp, độ đồng đều dọc trục của độ rọi không cao, chi phí xây dựng lớn. Hệ số đồng đều của độ rọi đảm bảo khi 1,5h ≥ l ≥ h hay l ≥ h ≥2/3l Hình 2.3: Bố trí đèn hai bên so le * Bố trí 2 bên đối diện Áp dụng khi lòng đường rất rộng, nhiều làn xe đi hoặc khi cần phải đặt đèn lên rất cao. Độ đồng đều của độ rọi đảm bảo khi l > 1,5h. Ưu điểm là dẫn hướng tốt, thuận lợi cho trang trí chiếu sáng, kết hợp chiếu sáng vỉa hè. Nhược điểm: chi phí lắp đặt cao. Hình 2.4: Bố trí đèn hai bên đối diện * Bố trí đèn trên dải phân cách trung tâm Áp dụng khi trục đường nhiều cây, chiều rộng dải phân cách ≥1,5 m và nhỏ hơn ≤ 6m. Ưu điểm: dẫn hướng tốt, hệ số sử dụng cao, chi phí xây dựng thấp. Nhược điểm phân bố ánh sáng không đều, hạn chế chiếu sáng vỉa hè. Điều kiện đảm bảo độ rọi đồng đều là l ≤ h, trong đó l là bề rộng dải phân cách Hình 2.5: Bố trí đèn trên dải phân cách trung tâm Một số quốc gia (Pháp, các nước Bắc Âu) người ta lại sử dụng kiểu đèn lắp trên dây treo. Trên dải phân cách người ta lắp những cột đỡ được bố trí rất xa nhau, lắp dây cáp trên các cột đỡ này để treo đèn dọc dải phân cách. 2.2.3. Xác định khoảng cách cực đại giữa các đèn Tính đồng đều của độ chói theo chiều dọc con đường quyết định sự lựa chọn khoảng cách giữa 2 bộ đèn liên tiếp và nó phụ thuộc vào: * Kiểu đèn * Kiểu bố trí đèn * Độ cao đặt đèn Khoảng cách cực đại của các đèn emax có thể xác định theo tỷ số (e/h)max theo bảng sau: Bảng 2.5 : Khoảng cách cực đại giữa các đèn (emax) Kiểu bố trí đèn (e/h)max theo kiểu đèn Che hoàn toàn Nửa che Một bên, đối nhau 3 3,5 So le 2,7 3,2 Từ bảng trên, biết độ cao treo đèn ta xác định được khoảng cách cực đại giữa các đèn. emax = 2.2.4. Hệ số sử dung fu, quang thông của bộ đèn Фtt * Hệ số sử dụng fu Định nghĩa: hệ số sử dụng quang thông (fu) là tỉ số giữa quang thông nhận được trên mặt đường và quang thông nhận được từ bộ đèn. fu = = f1 + f2. - fu gồm 2 thành phần : - Hệ số sử dụng phía trước f1 - Hệ số sử dụng phía sau f2 +Nếu a > 0 : fu = f1 + f2 +Nếu a < 0 : fu = f1 – f2 Trước Sau a h f1 f2 Hình 2.6 - Nhà sản xuất phải cho trong lí lịch đường cong hệ số sử dụng của bộ đèn. Hình 2.7 : Đường cong hệ số sử dụng VD: đường cong hệ số sử dụng của bộ đèn H = 10m ; a = 1m ; l = 10m ; -> Tính α : tgα1 = 0,9 => f1 = 0,275 tgα2 = 0,1 => f2 = 0,025 => f = f1 + f2 = 0,275 + 0,025 = 0,3. - Khi f2 quá nhỏ thì làm tuyến tính hoá từng đoạn để tính tỉ lệ. VD : vẫn bộ đèn trên bố trí khác h α1 f2 10h 0,5h Hình 2.8 tgα1 = 1.05 tgα2 = 0.05 => f1 = 0.3 ; f2(0.1) = 0.025 => f2(0.05) = 0.0125 => f = f1 – f2 = 0.2875 -> Nhận xét: Hệ số fu càng lớn quang thông nhận được trên mặt đèn càng nhiều. Nếu cần đèn dài hoặc đặt cột đèn gần mép vỉa hè thì hệ số sử dụng quang thông càng lớn. Mặt khác chiều cao đặt đèn càng nhỏ thì fu càng lớn. VD : Bố trí trục giữa fu = fuA + fuB ; -> Tra fu a G/2 α4 α3 α1 α2v l Hình 2.9 : Bố trí đèn trên giải phân cách ; ->Tra cạnh sau đèn fuB = f3 – f4 (Nếu tgα2 > 1 thì lấy tgα2 = 1 để kiểm tra) * Quang thông của bộ đèn Фtt - Quang thông tính cho 1 năm sử dụng theo công thức : Фtt = Trong đó : + Ltc : độ chói tiêu chuẩn. Tra theo tiêu chuẩn phụ thuộc cấp đường + l, e là các kích thước của đường + V : Hệ số suy giảm quang thông ; V = V1.V2 = - V1: phụ thuộc thời gian quản lí - V2 : phụ thuộc môi trường - : hệ số bù quang thông. TCVN : = 1,3 : sợi đốt . = 1,7: phóng điện 2.2.5. Chọn công suất và bộ đèn Với các đường có hoạt động vận chuyển chủ yếu chọn bộ đèn phân bố ánh sáng bán rộng, còn các đường đi bộ thì có thể chọn bộ đèn phân bố ánh sáng rộng. Bước đầu tiên khi thiết kế hệ thống chiếu sáng là chọn nhiệt độ màu của nguồn sáng theo biểu đồ kruitchof, sau đó mới tính toán quang thông để chọn bộ đèn phù hợp. Trên cơ sở quang thông tính toán ta chọn công suất đèn có quang thông gần nhất theo catolgue của các nhà chế tạo. Bảng 2.6: Công suất và quang thông các loại đèn phóng điện thông dụng Loại bóng đèn Công suất (W) Quang thông (lm) Loại bóng đèn Công suất (W) Quang thông (lm) Cao áp thuỷ ngân 80 3.800 Cao áp Sodium hình trụ trong 150 14.500 125 6.300 250 27.000 250 13.000 400 48.000 400 22.000 1000 130.000 700 40.000 Cao áp Metal Halide 250 20.000 1000 58.000 400 32.000 Cao áp Sodium bầu đục mờ 70 5.600 1000 80.000 150 14.000 250 25.000 400 47.000 1000 120.000 Sau khi đã nhận được Фtt , ta chọn Фđ thường khác nhau , do đó cần hiệu chỉnh bước cột e. Chọn lại e theo công thức : = VD : Tính được Фtt = 22000 lm Biết đèn Hg cao áp : P = 250W có Фđ = 14000 lm P = 400W có Фđ = 24000 lm -> Nếu chọn P = 250W thì phải rút ngắn e rất nhiều do đó ta chọn P = 400W khi đó ethực = e. 2.2.6. Kiểm tra trị số tiện nghi chói loá Sự chói loá mất tiện nghi do đèn gây ra là một trong những nguyên nhân gây tai nạn. Nó được coi là tiêu chuẩn thứ 3 để đánh giá chất lượng các giải pháp chiếu sáng đường phố. Do vậy sau khi tính toán ta phải kiểm tra chỉ số chói loá. Để hạn chế chói loá người ta đưa ra một đại lượng gọi là “chỉ số chói loá”, ký hiêu bằng chữ G, được xác định: G = ISL + 0,97lg(Ltb) + 4,41lg(h’) – 1,46lg(P) Trong đó : - Ltb là độ chói trung bình của đường phố. - h’ là độ cao của đèn so với mắt người; h’ = h – 1,5m - P số lượng đèn trên 1km đường - ISL: chỉ số riêng của đèn, do nhà sản xuất cung cấp; ISL = 3 ÷ 6 Theo thực nghiệm: - G = 1 chói loá quá mức chịu đựng - G = 9 không cảm thấy chói loá - G = 5 chói loá ở mức chịu được Theo TCXDVN 259 : 2001 thì đường giao thông phải dùng bộ đèn có G ≥ 4 còn theo tiêu chuẩn CIE thì G ≥ 5. Nếu hai bên đường có ánh sáng phụ (ví dụ ánh sáng quảng cáo, ánh sáng nhà dân) thì có tác dụng làm giảm ảnh hưởng của sự chói loá của đèn đường tới người lái xe. Khi thiết kế chiếu sáng đường cần lưu ý đặc điểm này để có thể giảm giá trị của G. 2.2.7. Chiếu sáng vỉa hè * Theo TCVN quy định thì: - Các đường mà có hè đường ≥ 5m thì phải tăng cường chiếu sáng để bảo vệ + Etb > 31lx và Uo ≥ 0,25 + Độ chói lđ ≤ 2000 cd/m² . - Nếu vỉa hè có độ rộng ≤ 5m thì có thể có hoặc ko cần chiếu sáng thêm (chỉ chiếu sáng khi có yêu cầu đặc biệt). Tính chiếu sáng vỉa hè nhờ hệ thống đèn đường : fu = f1 – f2. Tính tgα1 -> f1 tgα2 -> f2 => Evh là độ rọi do hệ thống chiếu sáng lòng đường cấp . E1vh = = Фvh = fu.v.Фđ h α2 α1 V l Hình 2.10: Độ rọi vỉa hè do chiếu sáng lòng đường cấp - Xác định độ rọi còn thiếu bổ xung : E2vh = Eycvh – E1vh. Độ rọi này cần được thiết kế và bổ xung bằng hệ thống tăng cường của vỉa hè . 2.3. PHƯƠNG PHÁP ĐỘ CHÓI ĐIỂM Phương pháp tỉ số R mới tính đến độ rọi trung bình trên mặt đường, chưa xét đến độ chói từng điểm trong tầm nhìn của người lái xe. Độ chói này phải thoả mãn tiêu chuẩn về độ đồng đều chung và độ đồng đều dọc trục đường. Do vậy phương pháp tỉ số R chủ yếu để dùng thiết kế sơ bộ nhằm bố trí đèn ban đầu. Để khắc phục nhược điểm, đồng thời kiểm tra giải pháp thiết kế thực hiện theo phương pháp tỉ số R người ta phải sử dụng đến phương pháp độ chói điểm và phải có sự trợ giúp của máy tính vì khối lượng tính toán lớn. Hình 2. 11: Xác định độ chói 1 điểm trên mặt đường do 1 đèn gây ra 2.3.1. Độ chói của một điểm trên mặt đường Lớp phủ mặt đường nói chung không có tính chất phản xạ khuyếch tán đều (tuân theo định luật Lambert) mà có tính chất phản xạ hỗn hợp, tức là độ chói nhìn theo các hướng khác nhau thì khác nhau. Xét điểm P trên mặt đường trong tầm quan sát của người lái xe được chiếu sáng bởi 1 đèn như trên hình 2.10. Hệ số phản xạ tại điểm này phụ thuộc các yếu tố sau đây : - Góc nhìn của người lái xe α. - Góc lệch khi quan sát β. - Góc tia sáng tới điểm P là γ (tức là góc kinh tuyến của bộ đèn). Công thức định luật Lambert cho phản xạ khuyếch tán đều là L = E nhưng mặt đường không tuân theo định luật này nên mối quan hệ giữa độ chói L và độ rọi E phải là L = qE, trong đó q = q(α, β, γ ) Tầm nhìn của người lái xe 60 - 170m tương ứng với góc quan sát α = 1,40 - 0,50, do đó có thể coi tầm quan sát trung bình α ≈10 = const, như vậy q = q(β, γ). Theo định luật tỉ lệ nghịch bình phương ta có độ rọi tại điểm P là E = cosγ = cosγ = cos3γ Do đó độ chói tại điểm P do 1 đèn gây ra là : L = q(β, γ).E = q(β, γ).cos3γ = R(β, γ) Hệ số R(β, γ) = q(β, γ)cos3γ gọi là hệ số độ chói quy dổi được xác định bằng thực nghiệm. Giá trị này phụ thuộc vào tính chất của mặt đường và được lập thành bảng để sử dụng. Sau đây ta xem xét tính chất quang học của các lớp phủ mặt đường khác nhau. 2.3.2. Phân loại các lớp phủ mặt đường Tính chất phản xạ ánh sáng của mặt đường phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: - Chất kết dính (nhựa đường, bêtông, bêtông atphal,) - Cấp phối mặt đường (tỷ lệ vật liệu cấu thành) - Kích thước hạt và màu của các loại vật liệu - Công nghệ thi công lớp phủ (thủ công, trải thảm, ) - Sự mài mòn của xe cộ đi trên đường, bụi phủ mặt đường. - Các điều kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí trên mặt đường,) Từ những liệt kê trên ta thấy nếu xét về mặt quang học, mặt đường phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố có tính dao động lớn, điều đó nói lên mức độ phức tạp khi cần tính toán chính xác độ chói mặt đường. Do đó CIE thống nhất đưa ra 4 loại lớp phủ mặt đường tiêu chuẩn ký hiệu R1÷R4 dựa trên hai chỉ tiêu là độ nhìn rõ Q0 và các hệ số sử dụng S1, S2. Dưới đây trình bày về các hệ số này để tham khảo còn giá trị của R1÷R4 đã được lập thành bảng nên khi thiết kế ta chỉ việc tra bảng để sử dụng a. Hệ số nhìn rõ Q0 Q0 là giá trị trung bình của hệ số độ chói: Q0 = Lấy tích phân bán cầu trên với mỗi điểm tính toán trên toàn bộ ô lưới. Q0 đặc trưng cho khả năng phản xạ trung bình của mặt đường, có gía trị từ 0,05 (mặt đường tối) đến 0,11 (mặt đường sáng). b. Các hệ số sử dụng S1, S2: S1 là tỷ số giữa hệ số độ chói R tại điểm cách hình chiếu của đèn bằng 2 lần chiều cao và tại điểm cách hình chiếu của đèn bằng 2 lần chiều cao và tại điểm hình chiếu của đèn: S1 = . Như vậy S1 càng lớn thì mặt đường càng sáng. S1 = chỉ là hệ số trung gian để xác định giá trị S1 R(0,0) ứng với điểm P là hình chiếu của đèn. R(0,2) ứng với điểm P nằm trên đường vuông góc với trục đường, đi qua trụ đèn và cách hình chiếu đèn 2 lần chiều cao. Trong cả 2 trường hợp trên, hướng quan sát nằm trên phương độ vươn cần đèn c. Các lớp phủ mặt đưòng Căn cứ trên các chỉ tiêu Q0, S1, S2, bằng thực nghiệm CIE phân cấp các lớp phủ mặt đường như sau : Bảng 2.7: Phân cấp các lớp phủ mặt đường Cấp S1 S1 điển hình Q0 điển hình R1 R2 R3 R4 < 0,45 0,45 – 0,85 0,85 – 1,35 > 1,35 0,25 0,58 1,11 1,55 0,10 0,07 0,07 0,08 Mô tả cấu tạo các lớp phủ mặt đường : - R1 : + Đường có bitum < 15% vật liệu nhân tạo màu sáng hoặc 30% đá rất sáng. + Các viên sỏi đa số màu trắng hoặc 100% đá mà rất sáng + Đường bêtông ximăng - R2: + Đường có bitum từ 10 - 15% mà trắng nhân tạo, nhiều hạt kích thước < 10mm. + Nhựa đường đang ở trạng thái còn mới sau khi thi công. - R3 : Bitum nguội có hạt < 10mm với kết cấu chắc - R4 : Đường nhựa sau nhiều tháng sử dụng 2.3.3. Tính toán độ chói và độ rọi điểm - Mạng lưới tính toán: là một lưới hình chữ nhật nằm giữa hai cột liền kề dọc theo trục đường, cạnh đầu tiên của hình chữ nhật nằm ngang hàng với cột đèn thứ nhất (hình 2.12). Nếu bố trí hai bên so le thì hai cột liền kề có tính cả các cột ở hai bên. Mắt lưới được xác định như sau : theo phương trục đường, bắt đầu từ cột gần với vị trí quan sát nhất (trên hình 2.12 là cột đèn số 3) lấy bề rộng ô lưới khoảng 3 - 5m, theo phương ngang đường lấy bề rộng ô lưới bằng 1/3 bề rộng của mỗi làn đường. Trong TCXDVN259: 2001 có hướng dẫn cách chia mạng lưới theo chiều dọc như sau : + Khi e ≤ 18m thì lấy 3 điểm với khoảng cách lưới ≤ e/3. + Khi 18 < e ≤ 36m thì lấy 6 điểm với khoảng cách lưới ≤ e/6. + Khi 36 < e ≤ 54m thì lấy 6 điểm với khoảng cách lưới ≤ e/9. Quy định này xác định độ rộng tối đa của ô lưới, do đó muốn chính xác hơn ta cần chia ô lưới càng nhỏ càng tốt. Mỗi mạng lưới tính toán có thể có 1 cột đèn nằm trong mạng lưới nếu phép chia e cho bề rộng ô lưới không phải là số nguyên (ví dụ 31m/5m = 6 điểm còn dư 1) hoặc 2 cột đèn nếu chia e cho bề rộng ô lưới là số nguyên (ví dụ 35m/5m = 7 điểm) - Vị trí quan sát: theo phương trục đường vị trí quan sát cách cột đèn đầu tiên 60m (trong tầm nhìn của lái xe), theo phương ngang đường vị trí quan sát cách mép đường 1/4 bề rộng toàn bộ lòng đường (có thể nằm phía bên trái hoặc bên phải đường). Tại vị trí quan sát người lái xe nhìn toàn bộ các điểm trong mạng lưới. Độ rọi tại diểm P do 3 đèn gây ra xác định theo công thức: E3 = cos3γ Độ rọi tại diểm P do 3 đèn gây ra xác định theo công thức: L3 = R(β, γ) Trong đó R được tra theo bảng tuỳ vào loại đường, h là độ cao treo đèn đã biết. Riêng giá trị I3 do nhà chế tạo cung cấp dưới dạng bảng tra hoặc tính từ đường cong trắc quang. Giá trị của I3 là hàm số hai biến số I3(ϕ, γ), trong đó γ là góc kinh tuyến còn ϕ là góc vĩ tuyến Hình 2.12: Ô lưới tính toán độ chói và vị rí quan sát Độ rọi (hoặc độ chói) tính toán tại bất kỳ điểm nào thuộc mắt lưới bằng tổng độ rọi (hoặc độ chói) do tất cả các đèn nằm trong mạng lưới rọi đến cộng với tổng độ rọi (hoặc độ chói) của tất cả các đèn ở trước và sau mạng lưới có ảnh hưởng đến điểm này (lưu ý nếu bố trí đèn hai bên đường thì phải xét cả hai hàng đèn). Để xem xét đèn nào nằm bên ngoài mạng lưới ảnh hưởng đến điểm đang tính toán ta phải xác định độ rọi (hoặc độ chói) do đèn đó chiếu đến, nếu giá trị này rất bé không ảnh hưởng đến kết quả tính toán thì ta không xét ảnh hưởng của nó. Ví dụ trên hình 2.12 ta xét điểm 8 có đèn 3 nằm trong mạng lưới, giả thiết các đèn 1, 2, 4 có ảnh hưởng đến điểm 8, ngoài ra các đèn còn lại không ảnh hưởng. Như vậy ta có độ chói tổng là: L8 = L8 (đèn1) + L8 (đèn2) + L8 (đèn3) + L8 (đèn4) và độ rọi tổng là: E8 = E8 (đèn1) + E8 (đèn2) + E8 (đèn3) + E8 (đèn4). Qua ví dụ trên ta thấy khối lượng tính toán độ chói và độ rọi tại tất cả các điểm của ô lưới là khá lớn, nếu tính bằng tay mất rất nhiều thời gian và công sức nhưng nhờ sự trợ giúp của máy tính nên trở ngại này không cần quan tâm. Chương III THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CẦU BÍNH – HẢI PHÒNG * Hệ số suy giảm quang thông của bóng đèn sau 1 năm sử dụng: V = V1.V2 Trong đó: + V1 : Sự già hoá của bộ đèn theo thời gian sử dụng. Hệ số này có thể do nhà chế tạo cung cấp. Tuy nhiên ta có thể xác định theo bảng sau: Bảng 3.1: Sự già hóa của bộ đèn theo thời gian sử dụng Thời gian sử dụng thực tế của đèn Hệ số V1 Sodium cao áp Đèn ống huỳnh quang Bóng huỳnh quang Sodium thấp áp 3000h 0,95 0,90 0,85 0,85 6000h 0,90 0,85 0,80 0,80 9000h 0,85 0,80 0,75 Thời gian sử dụng thực tế của đèn là: 10.365 = 3650 h. Với đèn sodium cao áp thì V1 = 0,95 + V2 : Sự bám bẩn của hạt bụi trong không khí. Được xác định theo điều kiện môi trường nơi lắp đặt đèn như bảng sau: Bảng 3.2: Hệ số V2 của của bóng đèn Kiểu bộ đèn Loại môi trường Hệ số V2 Không có chụp Có chụp Bị ô nhiễm 0,65 0,70 Không ô nhiễm 0,90 0,95 Với bộ đèn có chụp và môi trường không bị ô nhiễm nên ta có V2 = 0,95 Như vậy ta tính được hệ số suy giảm quang thông V sau một năm sử dụng: V = V1.V2 = 0,95.0,95 = 0,9 3.1. THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐÈN TRÊN GIẢI PHÂN CÁCH TRUNG TÂM (PHƯƠNG ÁN 1) * Các thông số hình học của mặt bằng thiết kế - Chiều rộng lòng đường: l = 23,5m - Chiều dài thân cầu: 1300m - Chiều dài mặt đường hai bên chân cầu: + Bên Hải Phòng: 700m + Bên Thuỷ Nguyên: 600m - Lớp phủ mặt đường nhựa: Trung bình - Cấp chiếu sáng: A - Sơ đồ mặt bằng : - Tính toán thiết kế đèn chân cầu bên Hải Phòng : - Ta chọn độ vươn cần đèn: S = 1,2 m - Xác định thông số hình học bố trí theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN)259: 2001. - Tra bảng độ chói yêu cầu của TCXDVN 259: 2001 với đường cấp A, lưu lượng xe từ 1000 ÷ 3000(xe/ h) thì : Ltb =1,2 (cd / m2) ≤ 3,5 : Điều kiện độ cao treo đèn cực đại l ≤ h : Điều kiện đảm bảo độ đồng đều (l: bề rông dải phân cách) - Do đường đỏi hỏi mĩ quan nên độ cao treo đèn tối thiểu: h = 10 m - Do tính chất đối xứng ta chỉ xét một bên phải, kết quả tính được áp dụng cho bên trái. - Xác định thông số hình học bố trí theo TCXDVN 259: 2001, theo độ cao treo đèn cực đại ta có: emax = 3,5.h = 3,5.10 = 35 (m) - Số cột đèn cần lắp là: + 1 = 21 (cột). + Tính toán hệ số sử dụng : Hình 3.2: Bố trí đèn trên giải phân cách A B K1B K’2A K1B K’’2A 11,25m 1m 11,25m 1,2m - Vì đề bài không cho đường cong hệ số sử dụng để tra hệ số KA và KB nên ta tính gần đúng theo công thức trong TCXDVN259 : 2001 như sau : - Với cách bố trí đèn như trên ta có : K = KB+ KA = (K1B + K2B) + (K’2A - K’’2A) - Với đèn A chỉ có nhánh K2 ảnh hưởng đến tuyến đường bên phải L’2A = 11,25 + 1,2 – 0,5 = 11,95 (m) => = = 1,195 L’’2A = 1,2 + 0,5 = 1,7 (m) => = = 0,17 - Ta chọn đèn sodium áp suất cao vỏ thuỷ tinh mờ, độ nghiêng 150. Theo TCXDVN 259: 2001 với = 0,5 thì K = 0,2 = 0,1 thì K = 0,25 Bằng cách nội suy ta có : K’2A = f () = 0,2 + (0,25 - 0.2) = 0,27 K’’2A = f () = 0,2 + (0,25 - 0.2) = 0,167 - Đèn B có cả nhánh K1 và K2 đều ảnh hưởng đến tuyến đường bên phải. L1B = 11,25 – (1,2 – 0,5) = 10,55 (m) => = = 1,055 L2B = 1,2 – 0,5 = 0,7 (m) => = = 0,07 Bằng phương pháp nội suy ta có : K1B = f () = 0,2 + (0,25 - 0.2) = 0,2555 K2B = f () = 0,2 + (0,25 - 0.2) = 0,157 Như vậy ta có : K = (K1B + K2B) + (K’2A - K’’2A) = (0,2555 + 0,157) + (0,27 - 0,167) = 0,5155 Chọn đèn: Tra bảng với mặt đường nhựa trung bình, đèn bán rộng có R = 14 Quang thông của đèn là: Ф = Ф = = 14258 lm Tra phụ lục ta chọn đèn cao áp bầu dục hình trụ có công suất: 150W – 14000 lm. Quang thông tính toán lớn hơn quang thông của đèn không đáng kể nên ta có thể bỏ qua. Số lượng cột trên 1 km là : p = 1000/35 + 1 = 30 Kiểm tra tỷ số tiện nghi G : G = SIL + 0,97lgLtb + 4,41lgh’ – 1,46lgp = 3,3 + 0,97lg1,2 + 4,41lg(10 – 1,5) – 1,46lg30 = 5,32 Tính độ rọi trung bình Etb = = = 16,5 lx Công suất trên đoạn chân cầu phía bên Hải Phòng: Công suất mỗi bộ đèn 160W (gồm đèn sodium cao áp 150W, chấn lưu 10 W) => P11 = 21.2.160 = 6720 W Với cách bố trí đèn trên dải phân cách trung tâm đối với cầu và chân cầu phía bên Thuỷ Nguyên ta có các thông số lắp đặt đèn như sau : - Lắp đặt đèn trên cầu Bính: + Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 150w – 14000 lm. Chiều cao treo đèn 10 (m). + Số lượng cột đèn cần lắp đặt là: + 1 = 38 (cột) + Công suất: P12 = 38.2.160 = 12160 W - Lắp đặt đèn chân cầu bên Thuỷ Nguyên: + Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 150w – 14000 lm. Chiều cao treo đèn 10 (m). + Số lượng cột đèn cần lắp đặt là: + 1 = 18 (cột) + Công suất : P13 = 18.2.160 = 5760 W => Tổng công suất: = P11 + P12 + P13 = 6720 + 12160 +5760 = 24640 W = 24,64 KW 3.2. THIẾT KẾ LẮP ĐẶT ĐÈN HAI BÊN ĐƯỜNG ĐỐI DIỆN (PHƯƠNG ÁN 2) Các thông số mặt bằng thiết kế tương tự như phần trên - Tính toán thiết kế đèn chân cầu bên Hải Phòng: - Ta chọn độ vươn cần đèn S = 2,4 m - Xác định thông số hình học bố trí theo tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam (TCXDVN)259: 2001. - Tra bảng độ chói yêu cầu của TCXDVN 259: 2001 với đường cấp A, lưu lượng xe từ 1000 ÷ 3000(xe/ h) thì : Ltb =1,2 (cd / m2) + = 3,5 : Điều kiện độ cao treo đèn cực đại + l >1,5h : Điều kiện đảm bảo độ đồng đều Với điều kiện đảm bảo độ đồng đều: h < = 15,67 (m) Ta chọn h = 15 m để phù hợp với loại hiện có trên thị trường. Do đó emax = 3,5h = 3,5. 15 = 52,5 (m). Ta chọn e = 50 (m) Số cột đèn cần lắp đặt là: + 1= 15 đèn + Tính toán hệ số sử dụng: Để nâng cao hệ số sử dụng của bộ đèn, bố trí cột đèn nằm trên vỉa hè cách mép đường 0,3m. Như vậy, do S > 0,3m nên hình chiếu của đèn nằm trên mặt đường như hình vẽ: Bố trí đèn hai bên đối diện A K1A B K2B K1B K2A 23,5mA 0,3m 2,4m Vì hai đèn là đối xứng nên: K = 2KA = 2(K1A + K2A) Hình chiếu của đèn nằm trên mặt đường nên cả nhánh K1A và K2A đều ảnh hưởng xuống nền đường l1A = 23,5 – (2,4 – 0,3) = 21,4 (m) => = = 1,4 l2A = 2,4 – 0,3 = 2,1 (m) => = = 0,14 Ta chọn đèn sodium áp suất cao vỏ thuỷ tinh mờ, độ nghiêng 150. Theo TCXDVN 259: 2001 với = 0,5 thì K = 0,2 = 0,1 thì K = 0,25 Bằng phương pháp nội suy ta có : K1A = f () = 0,2 + (0,25 - 0.2) = 0,29 K2A = f () = 0,2 + (0,25 - 0.2) = 0,164 => K = 2(K1A + K2A) = 2(0,29 + 0,164) = 0,91 Chọn đèn: - Tra bảng với mặt đường trung bình, đèn bán rộng có R = 14 Quang thông của đèn là: Ф = Ф = = 24103 lm Tra phụ lục đèn có áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 250 W - 25000 lm. Quang thông tính toán lớn hơn quang thông của đèn không đáng kể nên ta có thể bỏ qua. Số lượng cột trên 1 km là : p = 1000/50 + 1 = 21 Kiểm tra tỷ số tiện nghi G : G = SIL + 0,97lgLtb + 4,41lgh’ – 1,46lgp = 3,3 + 0,97lg1,2 + 4,41lg( 15– 1,5) – 1,46lg21 = 6,43 Tính độ rọi trung bình Etb = = = 17,4 lx Công suất trên đoạn chân cầu phía bên Hải Phòng: Công suất mỗi bộ đèn 270W (gồm đèn sodium cao áp 250W, chấn lưu 20 W) Công suất: P21 = 15.2.270 = 8100 W Với cách bố trí đèn hai bên đối diện đối với cầu và chân cầu phía bên Thuỷ Nguyên ta có các thông số lắp đặt đèn như sau : - Lắp đặt đèn trên cầu Bính: + Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 250W – 25000 lm. Chiều cao treo đèn 15 (m). + Số lượng cột đèn cần lắp đặt là: + 1 = 27 đèn + Công suất: P22 = 27.2.270 = 14580 W - Lắp đặt đèn chân cầu bên Thuỷ Nguyên: + Sử dụng đèn cao áp sodium bầu dục hình trụ có công suất 250W – 25000 lm. Chiều cao treo đèn 15 (m). + Số lượng cột đèn cần lắp đặt là: + 1 = 13 đèn + Công suất: P22 = 13.2.270 = 7020 W => Tổng công suất : = P21 + P22 + P23 = 8100 + 14580 + 7020 = 29700 W = 29,7 KW 3.3. LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN LẮP ĐẶT ĐÈN - Lắp đặt đèn trên giải phân cách trung tâm: + Sử dụng loại bộ đèn sodium cao áp, bầu dục hình trụ có công suất 150 W – 14000 lm, chấn lưu 10 W + Số lượng cột đèn cần lắp đặt: 77 cột + Khoảng cách giữa các cột đèn liên tiếp: 35m + Chiều cao treo đèn: 10 m + Độ vươn cần đèn: S = 1,2 m, độ nghêng 150 + Tổng công suất của các bộ đèn = 24,64 KW - Lắp đặt đèn hai bên đường đối diện: + Sử dụng loại bộ đèn sodium cao áp, bầu dục hình trụ có công suất 250 W – 25000 lm, chấn lưu 20 W. + Số lượng cột đèn cần lắp đặt: 110 cột + Khoảng cách giữa các cột đèn liên tiếp: 50 m + Chiều cao treo đèn: 15 m + Độ vươn cần đèn: S = 2,4 m, độ nghêng 150 + Tổng công suất của các bộ đèn = 29,7 KW => Để đảm bảo tính kinh tế và tiết kiệm năng lượng và tính thẩm mỹ trong thiết kế ta bố trí đèn như sau: Trên cầu đòi hỏi mỹ quan và trang trí cao nên ta chọn phương pháp bố trí đèn hai bên đối diện. Hai bên chân cầu do có nhiều cây cối hai bên đường và không đòi hỏi mỹ quan cao nên ta có thể chọn phương pháp bố trí đèn trên giải phân cách trung tâm để tiết kiệm kinh phí lắp đặt và điện năng tiêu thụ. 3.4. LỰA CHỌN MÁY BIẾN ÁP VÀ TIẾT DIỆN DÂY DẪN 3.4.1. Lựa chọn máy biến áp Với phương pháp bố trí đèn như trên, tổng công suất của các bộ đèn: = P11 + P22 +P13 = 6720 + 14580 +5760 = 27060 W = 27,06 KW Vì hệ số công suất của bóng đèn tương đối cao nên ta chọn cosφ = 0.95. Ta có công suất toàn phần: = = = 28,5 KVA Tra sổ tay tra cứu, ta thấy loại TM 30/6 có công suất định mức SBA = 30 KVA, máy biến áp ba pha hai cuộn dây do Liên Xô chế tạo. Điện áp phía thứ cấp U = 0,4 KV = 400 V 3.4.2. Lựa chọn tiết diện dây dẫn Mạch cung cấp là mạch ba pha hình sao có dây trung tính, các đèn được phân bố đêu trên từng pha. Để đảm bảo điện áp rơi đến đèn cuối nhỏ hơn giá trị cho phép ta bố trí máy biến áp đặt tại chân cầu phía bên Hải Phòng. Ta có sơ đồ mạng chiếu sáng như sau: A B C D 700m 600m IAB IAB IAD 1300m Hình 3.4: Sơ đồ mạng chiếu sáng a. Tiết diện dây dẫn đoạn chân cầu bên Hải Phòng (đoạn AB) Dòng điện đầu đường dây: IAB = = = 10,2 A Điện áp rơi trên đoạn AB: ΔU = Với ΔU = 2,5%U = 10 V và ρ = 22 Ω/km/mm2 ta tính được tiết diện: FAB ≥ = = 13,6 mm2, chọn FAB = 14 mm2 b. Tiết diện dây dẫn của đoạn cung cấp cho cầu (đoạn AC) Dòng điện đầu đường dây: IAC = = = 22 A Điện áp rơi trên đoạn AC: ΔU = Với ΔU = 2,5%U = 10 V và ρ = 22 Ω/ km/ mm2 ta tính được tiết diện: FAC ≥ = = 54 mm2 , chọn FAC = 60 mm2 c. Tiết diện dây dẫn của đoạn cung cấp cho chân cầu bên Thủy Nguyên (đoạn AD) Dòng điện đầu đường dây: IAD = = = 8,75 A Điện áp rơi trên đoạn AC: ΔU = Với ΔU = 2,5%U = 10 V và ρ = 22 Ω/ km/ mm2 ta tính được tiết diện: FAD ≥ = = 53,3 mm2, chọn FAD = 60 mm2 => Để các tiết diện không chênh lệch ta chọn FAB = FAC = FAD = 60mm2 Tiến hành kiểm tra ΔU trên từng đoạn. Điện áp rơi ΔU không được vượt quá 2,5%Uđm = 10V ΔUAB = = = 2,3 V ΔUAC = = = 9,1 V ΔUAD = = = 8,9 V Các ΔU đều thỏa mãn nên ta chọ tiết diện dây dẫn F = 60 mm2 3.5. PHÂN PHA Mạch cung cấp là mạch ba pha hình sao có dây trung tính, các bóng đèn đựợc phân bố đều cho từng pha. + Đoạn AB: 21 cột đèn. Bố trí đèn trên giải phân cách trung tâm, mỗi cột đèn có 2 đèn đối xứng nhau. Ta chia đều các cặp đèn cho các pha, như vậy ta có: 1 Pha B Pha C Pha A 4 7 10 13 16 19 2 5 8 11 14 17 3 6 9 12 15 20 18 20 17 14 11 8 5 2 21 18 21 N IC IA IB + Đoạn AC: Bố trí đèn hai bên đối diện. Với 2 đèn đối diện nhau đấu nối vào 1 pha. Sơ đồ phân pha như sau: Pha C Pha B Pha A 1 4 7 10 13 16 19 IC IA IB 22 25 2 5 8 11 14 17 20 23 26 3 6 9 12 15 18 21 24 27 N 1 Pha B Pha C Pha A 4 7 10 13 16 2 5 8 11 14 17 3 6 9 12 15 18 N IC IA IB + Đoạn AD: Tương tự đoạn AB ta có: Bố trí đèn trên sơ đồ mặt bằng như sau: KẾT LUẬN Sau 12 tuần làm đồ án tốt nghiệp, nhờ sự giúp đỡ hướng dẫn tận tình của thầy giáo Th.S Đặng Hồng Hải cùng các thầy cô trong bộ môn và sự cố gắng tích cực của bản thân. Đến nay bản đồ án của em đã được hoàn thành với ba chương: Chương I : Tổng quan về chiếu sáng Lịch sử chiếu sáng và vai trò của chiếu sáng đô thị, các đại lượng cơ bản đo ánh sáng, các định luật quang học và ứng dụng trong kỹ thuật chiếu sáng là nội dung được trình bày trong chương này. Chương II : Các phương pháp thiết kế chiếu sáng Trong chương này ta sơ lược về lịch sử các phương pháp, trình tự thiết kế và đi sâu tìm hiểu về hai phương pháp thiết kế chiếu sáng đường là phương pháp tỷ số R và phương pháp độ chói điểm. Chương III : Thiết kế chiếu sáng cho cầu Bính –Hải Phòng Chương ba với nội dung là tính toán thiết kế lắp đặt đèn cho cầu Bính và hai bên chân cầu, lựa chọn máy biến áp và tiết diện dây dẫn, phân các đèn cho ba pha điện áp. Tuy bản thân đã có nhiều cố gắng nhưng do thời gian nghiên cứu không có nhiều và trình độ chuyên môn còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót cần bổ xung và hoàn thiện. Vì vậy em kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô giáo và các bạn để đồ án này được hoàn thiện hơn. Hải Phòng, ngày 6 tháng 7 năm 2009 Sinh viên thực hiện Nguyễn Duy Thanh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đặng Văn Đào, Lê Văn Doanh (2008), Kỹ thuật chiếu sáng – chiếu sáng tiện nghi và hiệu quả năng lượng, Nhà xuất bản Khoa Học và kỹ thuật. [2]. Ngô Hồng Quang và Vũ Văn Tầm (2001), Thiết kế cấp điện, Nhà xuất bản Khoa Học và kỹ thuật. [3]. Nguyễn Mạnh Hà – Trường đại học kiến trúc Đà Nẵng (2 - 2009), Bài giảng kỹ thuật chiếu sáng đô thị. [4]. Kỹ thuật chiếu sáng – www.google.com.vn [5]. Giáo trình kỹ thuật chiếu sáng – www.google.com.vn [6]. Nguyễn Xuân Phú – Nguyễn Công Hiền – Nguyễn Bội khuê (2001), Cung cấp điện, Nhà xuất bản Khoa Học và kỹ thuật.