Dùng điện mặt trời để chiếu sáng bằng led ở Nha Trang

Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  65 THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC DÙNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỂ CHIẾU SÁNG BẰNG LED Ở NHA TRANG SOLAR LED LIGHT IN NHA TRANG TS. Trần Tiến Phức Phòng Quản trị - Thiết bị, Trường Đại học Nha Trang TÓM TẮT Công nghệ sử dụng pin năng lượng mặt trời để chiếu sáng bằng điốt phát quang (Light Emitting Diode – LED) đang tiếp tục hoàn thiện để ứng dụng cho nhiều nơi khác nhau như đường phố, bãi đỗ xe. Nha Trang, thành phố biển ở Miền trung Việt Nam, nơi có nhiều nắng nên việc dùng pin mặt trời để chiếu sáng bằng LED là sự lựa chọn đúng vì năng lượng sạch và phát triển bền vững. Tại đây, chúng tôi đã thay thế đèn huỳnh quang compact CSC 4U/75W bằng LED chiếu sáng 12VDC 40W với tấm pin mặt trời 75W đạt kết quả rất tốt cho bãi đỗ xe và đường phố. Chiếu sáng bằng LED dùng pin mặt trời có tính kinh tế và hiệu quả cao ở những nơi có giá mua điện lưới đắt hoặc khó khăn. Từ khóa: Điện mặt trời, chiếu sáng bằng LED, điều khiển độ sáng. ABSTRACT Solar LED street light presents the perfect and cost-effective solution for residential streets, parking lots and other general lighting applications areas. Nha Trang, one of well-known coastal city in middle Vietnam, has very good sunshine, solar LED light is a right choice for the clean energy with the sustainable develop- ment. Here we have removed the traditional CSC 4U/75W compact fl uorescent lamp by installing our 12VDC LED light, 40W, with the 75W solar panel. The obtained results demonstrate this solution is very good for light- ing the parking lots and street. Solar LED light can be economically viable and effi cient in areas where the cost of providing electricity is expensive or problematic. Keyword: Solar LED light, clean energy, solar panel. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong vài năm gần đây, nhiều nước có chính sách ưu tiên cho các nghiên cứu phát triển nguồn năng lượng sạch mà trong đó có điện mặt trời. Sự quan tâm của Nhà nước được thể hiện ở các chương trình trọng điểm về nghiên cứu vật liệu quang – điện hiệu suất cao, giá rẻ; giảm thuế cho các nhà máy sản xuất pin năng lượng mặt trời; ưu tiên các đề tài nghiên cứu triển khai sử dụng điện mặt trời; mua lại điện mặt trời với giá cao hơn. Nhờ những chính sách đó mà thị trường điện mặt trời tăng trưởng từ 200 - 400%/ năm và sẽ còn tiếp tục tăng cao hơn nữa trong tương lai [1]. Ở Việt Nam, nhà máy pin năng lượng mặt trời đầu tiên tại tỉnh Long An đã đi vào hoạt động. Một số nghiên cứu triển khai ứng dụng điện mặt trời cho hải đảo, vùng sâu, vùng xa, địa danh lịch sử đã được thực hiện (Phú Quốc; Buôn Chăn; Đắk Lắk; Sóc Bom Bo; Bình Phước; quần đảo Trường Sa; đảo Cồn Cỏ; Ngã ba Đồng Lộc). Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ 08 độ đến 23 độ Vĩ Bắc và có nhiều vùng khí hậu nên cường độ nắng và số giờ nắng trong năm rất khác nhau. Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011 66  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG Vì vậy, việc triển khai hệ thống điện mặt trời một cách tối ưu với một mục đích sử dụng cụ thể (chiếu sáng công cộng, điện dân dụng) tại mỗi địa phương cần được nghiên cứu thận trọng. Khánh Hòa là một tỉnh ở khu vực Nam Trung bộ, số ngày có dông trung bình hàng tháng trong năm luôn ở mức thấp so với các tỉnh ven biển của cả nước Việt Nam [2]. Khuôn viên cơ sở chính của Trường Đại học Nha Trang (ĐHNT) tại Số 02 đường Nguyễn Đình Chiểu, thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa có vị trí tọa độ 120 16’ N; 1090 12’ E. Nơi đây có khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, chịu ảnh hưởng của biển, với hai mùa rõ rệt: mùa khô dài, mùa mưa rất ngắn (Bảng 1). Đây là nơi có nhiều lợi thế để triển khai ứng dụng năng lượng điện mặt trời mà trước hết là phục vụ chiếu sáng đường nội bộ và là tiền đề quan trọng để tiếp tục nghiên cứu hệ thống cung cấp điện mặt trời cho nhà bè nuôi thủy sản trên sông, trên biển – nơi không thể nối với hệ thống điện lưới quốc gia và việc chạy máy phát điện gây nhiều bất lợi. Trên cơ sở các tấm pin năng lượng mặt trời và LED công suất hiện có ở thị trường Việt Nam cùng tiêu chuẩn TCXDVN 333: 2005, tác giả đã nghiên cứu xác định được cấu hình tối ưu cho hệ thống chiếu sáng đường phố kết hợp bãi đỗ xe hoạt động rất ổn định và đạt hiệu suất cao. Bảng 1: Tham số môi trường trung bình hàng năm tại Đại học Nha Trang [2] Tham số Chỉ số Tham số Chỉ số Nhiệt độ 26,5 0C Số ngày có sương mù 10 đến 15 ngày Tốc độ gió 2 đến 5 m/s Số ngày có dông 30 đến 40 ngày Độ ẩm tương đối 80 % Lượng mưa trung bình 1643 mm/năm Tổng số giờ nắng 2200 giờ/năm Số cơn bão 0,75 cơn bão/năm II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Điện mặt trời được tạo ra vào ban ngày mà công suất phụ thuộc vào tấm pin và cường độ nắng, trong khi đó, chiếu sáng công cộng lại thực hiện vào ban đêm. Vì vậy, cấu hình tối ưu của hệ thống bao gồm năm phần: pin năng lượng mặt trời; mạch điều khiển nạp bình ắc quy; bình ắc quy; mạch điều khiển đèn chiếu sáng và loại đèn chiếu sáng (Hình 1) được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. 1. Đèn chiếu sáng Trong đề tài này, LED chiếu sáng hiệu suất cao được lựa chọn nhằm tăng hiệu suất sử dụng năng lượng của bình ắc quy được tích điện từ pin mặt trời. Trên thị trường đã có các loại LED phát ánh sáng trắng [3], hiệu suất phát quang lớn hơn 1,5 lần và tuổi thọ cao hơn 8 đến 10 lần so với đèn huỳnh quang. LED là sản phẩm thân thiện với môi trường và giá thành của nó ngày càng rẻ [4]. Nhiều tác giả đã và đang nghiên cứu ứng dụng LED vào chiếu sáng theo các hướng: - Mạch điện tử ổn định dòng điện qua LED khi điện áp thay đổi [5]; - Lập trình điều chỉnh độ sáng của LED tùy theo yêu cầu của đối tượng [6]; - Tối ưu tham số hệ thống chiếu sáng để tận dụng tối đa điện năng của tấm pin [7]. Mạch điều khiển đèn chiếu sáng Pin mặt trời tạo ra điện áp một chiều, nếu dùng đèn huỳnh quang thì cần mạch nghịch lưu tạo dao động cho điện áp đầu ra hình sine, giả sine, sóng vuông [4], sóng bậc thang. Một số hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất lớn có bộ nghịch lưu tạo thành điện áp ba pha để có thể hòa vào lưới điện khi dùng tại chỗ không hết. Có bộ nghịch lưu sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống vì tiêu hao năng lượng của mạch điện. Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  67 Tuy nhiên, nếu chiếu sáng bằng LED thì không cần bộ nghịch lưu mà thay vào đó là mạch điều chỉnh độ rọi. 2. Bình ắc quy Bình ắc quy dùng để tích điện vào ban ngày và cấp điện cho đèn vào ban đêm. Từ công suất của tấm pin năng lượng mặt trời, công suất tiêu thụ của đèn, tính chất thời tiết của khu vực và yêu cầu số đêm duy trì chiếu sáng khi trời không nắng kéo dài để chọn dung lượng bình ắc quy phù hợp. 3. Pin năng lượng mặt trời Với công nghệ hiện nay của thế giới, hiệu suất quang – điện của pin mặt trời đạt khoảng 15% đến 18%. Do hoạt động ngoài trời và để hứng được ánh nắng nhiều nhất nên các tấm pin được thiết kế có tính năng và chất liệu đặc biệt, chịu đựng được sự khắc nghiệt của thời tiết, khí hậu [3]. Công suất của tấm pin được chọn tùy thuộc cường độ nắng, số giờ nắng nơi lắp đặt và dung lượng ắc quy cần nạp đầy. 4. Mạch điều khiển nạp điện Mạch có chức năng điều tiết quá trình nạp điện vào ắc-quy, chống nạp quá mạnh vào lúc nắng to. Ngoài ra, mạch bảo vệ trong bộ điều khiển sẽ ngắt mạch khi ắc quy đã được nạp đầy. Trên bộ điều khiển có chỉ báo tình trạng nạp điện từ pin mặt trời vào ắc quy giúp cho người sử dụng kiểm soát được chất lượng của hệ thống. Trong đề tài này tác giả chú trọng nghiên cứu xác lập cấu hình tối ưu hệ thống, đồng thời, thiết kế và lắp ráp mạch điều khiển LED đạt chất lượng cao. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Nghiên cứu về chất lượng chiếu sáng Đường nội bộ trong khuôn viên Trường ĐHNT đã được thiết kế và thi công trong dự án xây dựng cơ sở hạ tầng. Trục đường chính đi lên từ cổng trường có dải phân cách cứng rộng 2 mét; lòng đường mỗi bên rộng 4,6 mét, cột đèn chiếu sáng ở giữa cao 6 mét. Độ rọi đo được ở mặt đường khu vực các cột sử dụng đèn huỳnh quang đang hoạt động trên cùng tuyến đường là 6 lx. Kết quả đó cho thấy dự án đã thiết kế chiếu sáng theo tiêu chuẩn tại Bảng 8 của TCXDVN 333: 2005 với đối tượng là đường nội bộ trong trường học (≥5 lx). Tuy nhiên, ngoài chiếu sáng phục vụ giao thông, vị trí lắp đèn chiếu sáng trong nghiên cứu này còn có dịch vụ giữ xe cho các lớp học ca tối nên cần chọn đối tượng là nơi đỗ xe (≥10 lx) [8]. Hệ thống chiếu sáng trình bày tại Hình 1 đã hoạt động ổn định từ tháng 9 năm 2010. Chất lượng chiếu sáng đảm bảo mức yêu cầu của đối tượng là bãi đỗ xe theo TCXDVN 333: 2005. Trong những ngày mưa bão, không Hình 1: Hệ thống chiếu sáng đường nội bộ dùng điện mặt trời tại ĐHNT Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011 68  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG có nắng kéo dài, hệ thống duy trì chiếu sáng được 03 đêm. 2. Nghiên cứu lựa chọn và bố trí LED trong đèn LED trắng siêu sáng loại HG-SW4X-5W (Bảng 2) được chọn nhằm hạn chế phát nhiệt tập trung. Mỗi đèn có 8 LED mắc thành 4 nhánh song song, trên mỗi nhánh có 2 LED mắc nối tiếp. Mạch điều chỉnh độ rộng xung điện áp có thể thay đổi độ rọi đến mức cực đại 19 lx. Bảng 2: Tham số của LED: HG-SW4X-5W được chọn sử dụng trong đèn [9] Hình dạng Tham số Chỉ số Tham số Chỉ số Màu sắc Trắng Công suất chiếu sáng 230 - 260 lm Công suất (max) 5 Watt Điện áp (max) 7V Nhiệt độ màu 6000–7000 K Dòng điện (max) 700 mA Bảng 3 là kết quả đo được độ rọi bằng đồng hồ Digitales Luxmeter MS-1500 vào 20 giờ ngày 28 tháng 11 năm 2010 (ngày 23 tháng 10 năm Canh Dần). Hình 2 là đồ thị phân bố độ rọi lên mặt đường quanh cột đèn. Toàn bộ hệ thống đã hoạt động ổn định từ tháng 9 năm 2010. Chất lượng chiếu sáng đảm bảo mức yêu cầu của đối tượng là bãi đỗ xe theo TCXDVN 333: 2005. Trong những ngày mưa bão, không có nắng kéo dài, hệ thống duy trì chiếu sáng được 03 đêm. Bảng 3: Phân bố độ rọi trên mặt đường quanh cột đèn (đơn vị đo lx) Ngang Dọc 5m 4m 3m 2m 1m 0m 1m 2m 3m 4m 5m 5m 2.74 3.78 4.55 4.93 5.42 5.75 4.94 4.91 4.20 3.84 3.14 4m 4.09 5.05 5.74 6.78 7.48 7.83 6.96 6.70 5.74 4.69 3.64 3m 5.12 6.53 8.11 9.21 9.41 10.3 10.06 9.16 7.73 6.20 5.14 2m 5.72 8.08 9.96 11.77 12.89 13.54 13.15 11.30 9.35 7.17 5.21 1m 6.39 8.68 11.48 13.93 15.43 15.87 15.61 13.33 10.85 7.85 6.24 0m 6.51 9.06 11.46 14.72 16.34 16.89 16.33 14.26 10.35 8.60 6.10 1m 6.40 8.65 11.41 14.11 15.74 15.92 15.20 13.45 10.92 7.56 6.30 2m 5.50 7.46 9.71 12.04 13.16 13.43 12.94 11.51 9.63 7.37 5.66 3m 4.57 6.00 7.47 9.45 10.54 10.83 10.25 9.01 7.52 6.09 4.64 4m 3.57 4.50 5.74 6.82 7.65 7.98 7.33 6.85 5.84 4.88 3.58 5m 2.74 3.24 3.91 4.78 5.68 5.87 5.16 4.81 4.10 3.62 2.70 3. Nghiên cứu mạch điều khiển (Hình 3) Khi ánh sáng chiếu vào tấm pin tạo nên điện áp lớn hơn 3,5 V thì transistor Q1 thông; điện áp điều khiển vào chân 1 của IC2 (ổn áp có điều khiển đóng/mở) ở mức thấp; IC2 ngắt mạch; không có điện áp nguồn cung cấp cho toàn bộ mạch tự dao động tạo xung dùng IC2 nên Q2 cấm và LED không sáng. Các linh kiện R1 và Dz1 là một mạch hạn chế bảo vệ cho Q1 khi ánh sáng mạnh làm điện áp tấm pin tăng cao quá mức giới hạn UBC phân cực cho transistor Q1. Điện áp điều khiển vào bazơ Q1 biến đổi rất chậm nên có thể coi như tín hiệu một chiều. Các tụ điện C1, C2, C3 có tác dụng lọc nhiễu điện áp cảm ứng do hệ thống dây dẫn từ tấm pin xuống. Các tụ hóa C6 và C7 có giá trị lớn để lọc Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011 TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG  69 phẳng điện áp nguồn trước và sau mạch ổn áp dùng IC2. Khi trời tối, điện áp của pin giảm dần xuống dưới mức 3,5 V thì Q1 chuyển sang trạng cấm, UCQ1 ở mức điện áp cao tác động vào chân 4 của IC2 làm đóng mạch ổn áp có lối ra 09VDC. IC1 và các linh kiện phụ thuộc là một mạch tự dao động tạo xung vuông. Ta có thể điểu chỉnh độ Bằng cách thay đổi VR ta có thể thay đổi được thời gian phát xung tx tức là thay đổi được độ rọi của đèn LED [10]. Hình 3: Sơ đồ nguyên lý mạch điều chỉnh độ sáng đèn bằng độ rộng xung Khi điện áp bình ắc quy quá thấp (≤ 10,5V) thì UCQ1 < 0,8V (ngưỡng đóng/ngắt của PQ09RF1) làm IC2 sẽ ngắt nguồn cung cấp cho phần mạch tự dao động tạo xung, đèn tắt. Khi IC2 ngắt mạch, bình ắc quy có thể hồi phục điện áp lên cao gây đóng mạch làm đèn sáng nhấp nháy. Khắc phục hiện tượng này, thông qua các linh kiện Dz4, mắc nối tiếp với một trong số 4 điện trở từ R4 đến R7 (tùy thuộc vị trí chuyển mạch) sẽ có một dòng điện tiêu thụ rất nhỏ qua IC1 tiếp tục duy trì mức điện áp thấp sau R8 để IC2 giữ trạng thái ngắt ổn định. Sang ngày hôm sau, nếu trời nắng, bình được nạp đủ điện thì hệ thống hoạt động trở lại với chu kỳ bình thường. Mỗi tấm pin mặt trời 75W, qua mạch nạp vào bình ắc quy loại 12V-100A, mạch điều khiển đèn chiếu sáng, trong đèn có 8 LED mắc 4 nhánh song song. So với các mạch điện điều khiển độ sáng cho LED đã được các tác giả khác công bố thì mạch điện trong bài báo này này có một số ưu điểm nổi bật: Mạch sử dụng các linh kiện rất phổ thông trên thị trường, dễ lắp ráp, kết quả đồng đều. Số linh kiện tham gia vào mạch ít hơn. Những linh kiện làm việc vào ban ngày thì ban rộng xung bằng VR để thay đổi độ rọi theo yêu cầu của đối tượng chiếu sáng như tiêu chuẩn xây dựng quy định. Tần số xung được tính theo công thức (1) 1 ƒ =  (1) ln (2).C 4 .(R9 + 2Rtd ) Trong đó, Rtd là điện trở tương đương của ba linh kiện: VR tại một vị trí cụ thể của con chạy, RD1 và RD2 với giá trị điện áp phân cực tương ứng. Độ rộng xung (hay còn gọi là thời gian phát xung) được tính theo công thức (2). tx = ln (2).(R9 + Rtd ). C4 (2) Hình 2: Biểu đồ phân bố độ rọi Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn Soá 2/2011 70  TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG đêm bị cấm và ngược lại nên có độ an toàn cao. Dải điều chỉnh độ sáng rộng (từ 0 đến 19 lx), không có cảm giác nhấp nháy khi xung hẹp. IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ Việt Nam có tiềm năng rất lớn về điện mặt trời và đặc biệt là ở Nha trang, Khánh Hòa nơi có nhiều giờ nắng trong năm so với cả nước. Chiếu sáng công cộng dùng năng lượng mặt trời với cấu hình hệ thống như trên rất phù hợp và có hiệu quả kinh tế cao đối với khu vực chưa có hoặc xa lưới điện quốc gia phải chạy máy phát bằng nhiên liệu hóa thạch. Với kinh phí đầu tư cải tạo một trụ đèn chiếu sáng đường nội bộ từ dùng bóng đèn compact CSC 4U/75W/E40 sang dùng LED trong hệ thống pin năng lượng mặt trời thì sau khoảng 5 năm mới cân bằng được với tiền mua điện từ lưới quốc gia, vật tư thay thế và bắt đầu có lãi. Hiện tại, đầu tư điện mặt trời ở nơi có lưới điện thì hiệu quả kinh tế thể hiện chưa rõ rệt. Tuy nhiên, với giá điện ngày càng tăng, giá LED và tấm pin năng lượng mặt trời ngày càng giảm nhanh và vấn đề môi trường đang là mối quan tâm của toàn cầu thì nghiên cứu sử dụng điện mặt trời là xu hướng không thể đảo ngược. Cần tiếp tục nghiên cứu hệ thống điện mặt trời cung cấp cho tàu khai thác thủy sản, lồng bè nuôi thủy sản trên sông, trên biển, trại nuôi thủy sản trên cánh đồng xa lưới điện với các phụ tải khác nhau như: chiếu sáng, thiết bị thông tin liên lạc, động cơ điện cho các máy sản xuất. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Mai Vọng (01/07/2010), Điện mặt trời cho mỗi nhà. Thanh nien online. 2. Trung tâm quy hoạch và kiểm định xây dựng Khánh Hòa. 2008. Thuyết minh quy hoạch chi tiết xây dựng tỷ lệ 1/500 khu dân cư tổ 32-33 phường Vĩnh Thọ, thành phố Nha Trang, Khánh Hòa. 3. 4. www.scientifi camerican.com 5. www.ti.com/sc/device/ 6. softled, phần mềm lập trình LED 7. 8. Bộ Xây dựng. 2005. Tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam TCXDVN 333: 2005. 9. 10.