Chương 11. Kỹ thuật chiếu sáng

11/2/2011 131 Chương 11. KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG 11.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG - Có thể coi việc phát hiện và chế ngự ngọn lửa là bước khởi đầu cho Kỹ thuật chiếu sáng. - Nguồn sáng nhân tạo đầu tiên là ngọn nến đã được sử dụng từ 5000 năm về trước. - 1669 Newton đã phát hiện ánh sáng trắng là tổ hợp của ánh sáng bẩy màu khi cho tia sáng mặt trời chiếu qua lăng kính. - Năm 1756 M. Lomonosov lần đầu tiên phát hiện các loại tế bào thị giác và đề xuất học thuyết ba màu của ánh sáng. - Thế kỷ 19, Maxwell đã đề xuất Lý thuyết trường điện từ thống nhất và tiên đoán sự tồn tại của sóng điện từ. Năm 1888 Henry Hertz đã thu được sóng điện từ đầu tiên. Công cụ phân tích phổ do R.Bunsen và G. Kirchhoff phát triển, nhờ đó màn bí mật của ánh sáng được phát hiện. - Cuối thế kỷ 19, Albert Einstein tác giả của cơ học lượng tử và lý thuyết tương đối là người đầu tiên đề xuất bản chất sóng-hạt của ánh sáng và giải thích ánh sáng gồm vô số hạt nhỏ mang năng lượng là các phôton. - Năm 1879, đèn sợi đốt đầu tiên do Thomas Edison chế tạo từ sợi các bon, tạo nên nhiệt độ 39000K, hiệu quả ánh sáng 2lm/W, tuổi thọ 600 giờ. Năm 1908 Siemens đã sử dụng sợi đốt Vonfram-Nicken. 11/2/2011 132 11.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ CHIẾU SÁNG - Năm 1910, đèn huỳnh quang ra đời, năm 1933 xuất hiện đèn ống huỳnh quang đầu tiên. - Năm 1960, các đèn halogen kim loại (Metal Halide) do công ty General electric chế tạo ra đời. - Gần đây các nguồn sáng dựa trên hiện tượng phát quang trong chất bán dẫn được ứng dụng trong các điôt phát quang (LED). - Từ năm 1990 với sự ra đời và hoàn thiện của các nguồn sáng mới, của các phương pháp tính toán và công cụ phần mềm chiếu sáng mới, kỹ thuật chiếu sáng đã chuyển từ giai đoạn chiếu sáng tiện nghi sang chiếu sáng hiệu quả tiết kiệm điện năng gọi tắt là chiếu sáng tiện ích. - Chiếu sáng tiện ích có nội dung cơ bản là tối ưu hóa toàn bộ kỹ thuật chiếu sáng từ việc sử dụng nguồn sáng có hiệu quả cao, loại bỏ và thay thế các loại đèn sợi đốt bằng đèn compact, sử dụng rộng rãi các đèn huỳnh quang thế hệ mới, điều chỉnh ánh sáng theo mục đích và yêu cầu sử dụng, sử dụng có hiệu quả của chiếu sáng tự nhiên. Kết quả của chiếu sáng tiện ích phải đạt tiện nghi nhìn tốt nhất, tiết kiệm điện, góp phần bảo vệ môi trường. 11/2/2011 133 11.2. BẢN CHẤT SÁNH SÁNG Ánh sáng có hai thuộc tính cơ bản là sóng và hạt:  Sóng ánh sáng là sóng điện từ phát xạ khi có sự chuyển mức năng lượng của các điện tử trong các nguồn sáng. Trong vật chất ánh sáng có vận tốc: v = c/n (km/s) c-vận tốc ánh sáng trong chân không, c = 300.000 km/s n-chiết suất của môi trường. Giữa tần số f và bước sóng  liên hệ bởi biểu thức:  = v/f  Tính chất hạt của ánh sáng thể hiện qua tương tác của ánh sáng với môi trường chất. Ánh sáng gồm vô số các hạt nhỏ mang năng lượng gọi là phôton. Mắt người là bộ cảm biến quang vô cùng tinh tế và linh hoạt cảm nhận được ánh sáng trong dải bước sóng đi từ 380 đến 760 nm (1 nm = 10-9 m). 11/2/2011 134 1.2. BẢN CHẤT SÁNH SÁNG m 9. Võng mạc 8. Ðiểm vàng 7. Thủy tinh thể 6. Trục mắt 5. Thủy tinh dịch 4. Con ngươi 3. Thủy tinh thể 2. Lòng đen 1. Giác mạc 11/2/2011 135 11.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG 1. Quang thông Φ/F (lumen/lm): là thông lượng ánh sáng do nguồn phát ra trong không gian. 14.800 theo mọi phương 250.000 ở tâm chùm tia Đèn Iodua kim loại 2kW có bộ phản xạ 1500 ở tâm chùm tiaĐèn sợi đốt 300W có bộ phản xạ 35 theo mọi phươngĐèn sợi đốt 40W 0,8 theo mọi phươngNgọn nến Cường độ sáng (candela)Nguồn sáng 2. Cường độ sáng I (Candela/cd): được xác định bằng lượng ánh sáng phát ra từ nguồn sáng theo một phương nhất định. Phụ thuộc vào hình dạng và tính đối xứng của choá đèn, choá đèn được chia thành 2 loại: loại chùm tia hẹp và loại chùm tia rộng. 11/2/2011 136 11.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG 3. Ðộ rọi E (lux/lx): Ðộ rọi xác định một khu vực sáng như thế nào khi được chiếu sáng bằng một nguồn sáng. Nó là tỷ số giữa quang thông và diện tích được chiếu sáng: E = Φ/S (1lm/m2 = 1lx). Ví dụ: 5-100Khu vực dành cho người đi bộ 500-750Khu làm việc được chiếu sáng tốt 0,25Ðêm trăng sáng 0,01Ðêm trăng non 3.000Ngoài trời mùa đông có mây 20.000Ngoài trời mùa hè có mây 60.000-100.000Ngoài trời nắng mùa hè Đội rọi E (lx)Địa điểm 11/2/2011 137 11.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG 4. Ðộ chói L (cd/m2 hoặc cd/cm2): là ấn tượng ánh sáng mà người quan sát có được ở khu vực được chiếu sáng: Ðộ chói thường có ý nghĩa hơn độ rọi khi xác định chất lượng chiếu sáng. 5. Hiệu suất phát quang/Quang hiệu K (lm/W): thể hiện hiệu quả của sự chuyển đổi điện năng thành ánh sáng. Nó đồng thời là đơn vị đo hiệu suất của bóng đèn. 6. Quan hệ giữa độ rọi và độ chói: Lambert (1728- 1777) đã chứng minh quan hệ giữa độ rọi E nhận được trên mặt có hệ số phản xạ  và độ chói L theo biểu thức: E = L S IL  11/2/2011 138 11.3. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐO ÁNH SÁNG 7. Hệ số phản xạ ρ, hấp thụ α và xuyên sáng τ ánh sáng: Nếu có một lượng quang thông Fi tới đập vào bề mặt vật liệu thì có thể xảy ra các trường hợp sau:  Một phần quang thông tới sẽ phản xạ từ bề mặt đó, ký hiệu Fρ;  Một phần quang thông tới sẽ bị vật liệu hấp thụ, ký hiệu Fα;  Một phần quang thông tới sẽ xuyên qua vật liệu, ký hiệu Fτ. Khi đó: Fi = Fρ + Fα + Fτ Nếu gọi: Fρ /Fi = ρ là hệ số phản xạ ánh sáng; Fα /Fi = α là hệ số hấp thụ ánh sáng; Fτ /Fi = τ là hệ số xuyên sáng Thì: ρ + α + τ = 1 Các trị số của ρ, α, τ thay đổi tùy thuộc đặc tính quang học của vật liệu (tra trong sổ tay thiết kế chiếu sáng). 11/2/2011 139 11.4. PHÂN LOẠI CÁC HÌNH THỨC CHIẾU SÁNG Chiếu sáng Chiếu sángtự nhiên Chiếu sáng Nhân tạo Làm việc Trang trí Trong nhàSự cố Ngoài trời Chung Cục bộ Hỗn hợp 11/2/2011 140 11.5. THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG CÁC LOẠI ĐÈN SỢI ĐỐT Thông thường Có bổ sung khí halogen PHÓNG ĐIỆN Huỳnh quang CA Thủy ngân Natri (Sodium) Halogen kim loại (Metal Halide) Áp suất thấp Áp suất cao Compact 11/2/2011 141 CÁC LOẠI NGUỒN SÁNG 11/2/2011 142 PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA MỘT SỐ LOẠI ĐÈN THÔNG DỤNG 11/2/2011 143 1. ĐÈN SỢI ĐỐT 11/2/2011 144 1. ĐÈN SỢI ĐỐT 11/2/2011 145 1. ĐÈN SỢI ĐỐT Đặc điểm của đèn sợi đốt:  Ưu điểm:  Có chỉ số thể hiện màu rất cao (≈ 100) cho phép sử dụng trong chiếu sáng chất lượng cao.  Nối trực tiếp vào lưới điện; kích thước nhỏ; bật sáng tức thời và giá thành thấp.  Nhược điểm:  Hiệu quả năng lượng thấp, đạt 10-20lm/W; Phát nóng;  Tuổi thọ thấp, phụ thuộc vào điện áp: trung bình 1000h nhưng khi U tăng 5%Uđm tuổi thọ chỉ còn 500h.  Từ năm 1960, ngoài khí trơ người ta còn bổ sung Halogen (Iốt, Brom) khi đó vonfram bốc hơi lắng đọng trên sợi đốt mà không bị ngưng đọng trên thành bóng đèn cho phép đạt nhiệt độ 31000K, hiệu quả ánh sáng từ 20-27lm/W tuổi thọ trung bình 2000h. 11/2/2011 146 2. ĐÈN HUỲNH QUANG 11/2/2011 147 2. ĐÈN HUỲNH QUANG  Chấn lưu điện từ-Tắc-te được nối với bóng đèn như hình vẽ. Khi ®Æt vµo ®iÖn ¸p, x¶y ra phãng ®iÖn trong t¾c-te thanh l­ìng kim biÕn d¹ng do nhiÖt vµ tiÕp xóc víi ®iÖn cùc kia. Dßng ®iÖn ch¹y qua t¾c-te vµ ®èt nãng c¸c ®iÖn cùc cña ®Ìn. Sau khi x¶y ra hå quang gi÷a c¸c ®iÖn cùc cña t¾c-te, thanh l­ìng kim nguéi ®i vµ "më m¹ch". Hë m¹ch dÉn ®Õn t¹o nªn qu¸ ®iÖn ¸p c¶m øng (do chÊn l­u) lµm ®Ìn th¾p s¸ng. Khi lµm viÖc binh th­êng chÊn l­u h¹n chÕ dßng ®iÖn vµ æn ®Þnh phãng ®iÖn. 11/2/2011 148 2. ĐÈN HUỲNH QUANG Đèn HQ với nối với chấn lưu điện tử 11/2/2011 149 11.6. THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG CS cục bộ và chiếu sáng sự cố cần căn cứ vào hoàn cảnh cụ thể để quyết định. Ở đây sẽ trình bày cách thiết kế chiếu sáng chung. 1. Các yêu cầu cơ bản khi thiết kế chiếu sáng  Nắm được các tiêu chuẩn trong chiếu chiếu sáng  Độ rọi đồng đều trên bề mặt cần chiếu sáng  Thu thập thông tin, số liệu – Mặt bằng xí nghiệp, phân xưởng, vị trí các máy đặt trên mặt bằng phân xưởng; – Mặt bằng và mặt cắt nhà xưởng thiết kế để xác định vị trí treo đèn; – Những đặc điểm của quá trình công nghệ (làm việc chính xác, cần phân biệt màu sắc, v.v...). Các tiêu chuẩn về độ rọi của các khu vực làm việc; – Số liệu về nguồn điện, nguồn vật tư 11/2/2011 150 2. THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG Ở NHỮNG NƠI KHÔNG ĐÒI HỎI ĐỘ CHÍNH XÁC CAO • Bước 1: Căn cứ vào tính chất của đối tượng cần chiếu sáng, chọn suất phụ tải chiếu sáng p0 (W/m2) thích hợp (P.lục chiếu sáng) • Bước 2: Căn cứ suất chiếu sáng p0, xác định tổng công suất cần chiếu sáng cho khu vực có diện tích S (m2): PCS = p0.S , W • Bước 3: Chọn loại đèn (đền sợi đốt hoặc đèn huỳnh quang), công suất mỗi bóng đèn Pd, rồi xác định tổng số bóng đèn n cần dùng chiếu sáng cho khu vực: • Bước 4: Căn cứ vào diện tích S của khu vực cần chiếu sáng; số bóng đèn n và tính chất, yêu cầu của công việc bố trí đèn hợp lý trong khu vực chiếu sáng. • Bước 5: Thiết kế mạng điện chiếu sáng: vẽ sơ đồ mặt bằng đấu dây từ bảng điện đến từng bóng đèn; sơ đồ nguyên lý mạng điện chiếu sáng và tiến hành chọn các phần tử trên sơ đồ (loại bảng điện, dây dẫn, công tắc, áptômát, cầu chì bảo vệ,...). dP Pn CS 11/2/2011 151 2. THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG Ở NHỮNG NƠI ĐÒI HỎI ĐỘ RỌI TIÊU CHUẨN VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CAO a. Khi dùng đèn sợi đốt: • Bước 1: Xác định độ treo cao đèn • Bước 2: Dựa vào tỷ số L/H hợp lý (P.lục CS), xác định khoảng cách giữa hai đèn kề nhau L (m) • Bước 3: Căn cứ vào bố trí đèn trên mặt bằng, mặt cắt xác định hệ số phản xạ tường, trần tư, tr, (%). • Bước 4: Xác định chỉ số phòng (có kích thước ab): • Bước 5: Từ tư, tr,  tra bảng tìm hệ số sử dụng Ksd • Bước 6: Xác định quang thông tính toán của đèn: Trong đó: K - hệ số dự trữ, tra PL E - độ rọi yêu cầu của nhà xưởng (lx); S - diện tích nhà xưởng (m2); Z - hệ số tính toán, Z= 0,81,4; n - số bóng đèn sau khi đã bố trí đèn trên mặt bằng • Bước 7: Tra sổ tay tìm công suất bóng có quang thông F  Ftt; • Bước 8: Thiết kế mạng cấp điện chiếu sáng H h1 h2 h L L L LL L L  baH ba    lm nK KEF sd tt , SZ  11/2/2011 152 2. THIẾT KẾ CHIẾU SÁNG Ở NHỮNG NƠI ĐÒI HỎI ĐỘ RỌI TIÊU CHUẨN VỚI ĐỘ CHÍNH XÁC CAO b. Khi dùng đèn huỳnh quang: • Giai đoạn 1: Thiết kế sơ bộ (làm như trường hợp chiếu sáng khi không đòi hỏi độ chính xác cao). • Giai đoạn 2: Kiểm tra độ rọi yêu cầu: Trong đó: F - quang thông trên đơn vị nguồn sáng: n - số bóng đèn trong nguồn sáng; F0 - quang thông một bóng đèn, lm; L - chiều dài nguồn sáng, m. - tổng độ rọi tương đối trên điểm cần kiểm tra, trị số ei tìm được bằng cách tra trên đồ thị dựa vào tỷ số và . Tra đồ thị trang sau lxe h FE ii ,1000  mlm L FnF /,. 0  ie A B h h pA pB L l"B h p h l 11/2/2011 153 Đồ thị xác định độ rọi theo và 0 1 2 3 4 1 2 3 4 5 170 150 100 70 50 40 30 20 15 10 h p h l h p h l A B h h pA pB L l"B