TRNG I HC BCH KHOA H NI Dng c Duy Lp Vt lý k thut ỏnh sỏng 1 Lời cảm ơn Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Hải Hng và các anh thuộc Phòng Thí Nghiệm Vật lý và Kỹ thuật ánh sáng, Viện Vật lý kỹ thuật, Trờng đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình hớng dẫn, giúp đỡ em có cơ hội tìm hiểu nhiều kiến thức, thực nghiệm và hoàn thành Đồ án này. Đồng thời, Em xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô trong Viện Vật lý kỹ thuật, Trờng đại học Bách Khoa Hà Nội đã truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt những năm học tập và nghiên cứu. Xin gửi lời cảm ơn tới những ngời thân trong gia đình đã luôn tạo điều kiện về thời gian, động viên và giúp đỡ em trong quá trình học tập và hoàn thành Đồ án. Hà nội, tháng 05 năm 2008 Sinh viên Dơng Đức Duy Dơng Đức DuyDơng Đức Duy Dơng Đức Duy TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 2 LỜI NÓI ĐẦU Nhờ có những đặc tính ưu việt như độ bền cao, dải công suất rộng và hiệu suất phát quang lớn nên bộ đèn chiếu sáng dùng nguồn Natri cao áp (Sodium Hight Pressure - HPS) đã và đang thay thế dần các bộ đèn truyền thống như đèn Halogen kim loại (Metal Halide -MH) hoặc đèn hơi thuỷ ngân (Mercury Vapor - MV) trên các công trình chiếu sáng công cộng. Theo tính toán, ngoài những lợi ích về môi trường và sự tiện nghi, người ta còn có thể tiết kiệm được hàng trăm triệu đồng cho một vòng đời của bộ đèn trên một km chiếu sáng công cộng nếu thay thế các bộ đèn khác bằng bộ đèn natri cao áp. Vì những lợi ích như vậy, nên ngay ở nước ta, việc dùng đèn natri cao áp để chiếu sáng công cộng được triển khai khá triệt để. Về ban đêm, chúng ta dễ dàng bắt gặp những công trình chiếu sáng với một màu sáng vàng đặc trưng, đó là màu của đèn natri. Chiếu sáng nói chung và chiếu sáng đường nói riêng, ngoài việc tiêu thụ một lượng điện năng rất lớn, còn gây ra những biến cố cho phụ tải của lưới điện vào những giờ cao điểm. Việc sử dụng những thiết bị chiếu sáng hiệu suất cao đang là một trong những vấn đề được quan tâm thích đáng. Về mặt công nghệ, hiện nay, ngành công nghiệp của chúng ta chưa có khả năng tự sản xuất nguồn sáng Natri mà mới chỉ gia công các phụ kiện, lắp ráp thành bộ đèn và triển khai lắp đặt. Trong điều kiện như vậy, việc nghiên cứu một cách đầy đủ đặc tính của các bộ đèn để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn sáng là việc làm có ý nghĩa thực tiễn lớn. Với nội dung đề tài đồ án: “Nghiên cứu, thức nghiệm bộ đèn Natri cao áp dùng trong chiếu sáng đường”. Tôi đã tiến hành những công việc sau: - Tìm hiểu các thông số quang học như quang thông, nhiệt độ màu, phổ năng lượng đặc trưng, hiệu suất phát quang,… của các nguồn sáng thông dụng trong chiếu sáng đường. - Nghiên cứu cấu trúc của bộ đèn chiếu sáng đường. - Khảo sát các đặc trưng quang học, khai thác thông tin từ biểu đồ cường độ sáng của bộ đèn Natri cao áp. Tất cả các công việc nói trên nhằm mục đích xây dựng hồ sơ kỹ thuật cho bộ đèn chiếu sáng công cộng dùng với nguồn sáng Natri. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 3 Đây là tài liệu cho những người làm công tác thiết kế, lắp đặt và vận hành hệ thống chiếu sáng công cộng. Đồ án này được viết thành 4 chương: Chương I: Bộ đèn Natri cao áp Chương II: Thiết bị đo đạc thực nghiệm. Chương III: Tính toán chiếu sáng đường với bộ đèn Natri cao áp Chương IV: Thực nghiệm Đồ án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý và Kỹ thuật ánh sáng, Viện Vật lý kỹ thuật, Trường Đại học Bách khoa Hà nội. Đây là phòng thí nghiệm chuyên ngành đầu tiên ở nước ta, có hệ thống thiết bị hoàn chỉnh để nghiên cứu, đo lường các thông số đặc trưng của bộ đèn như cầu tích phân (Intergrating sphere), góc kế quang học (Goniophotometer) và nhiều thiết bị chuẩn trắc quang. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 4 CHƯƠNG 1: BỘ ĐÈN NATRI CAO ÁP Bộ đèn được định nghĩa là một thiết bị chiếu sáng hoàn chỉnh, gồm có nguồn sáng (đèn) và các bộ phận kèm theo như bộ phản xạ, khúc xạ và hộp đèn, có chức năng phân bố ánh sáng, định vị, bảo vệ đèn và nối đèn với nguồn điện cung cấp. 1.1. Nguồn sáng Đa số các lắp đặt trong chiếu sáng đường ngày nay sử dụng một trong 3 loại đèn phóng điện cường độ cao (HID) đó là: metal halide (MH) hay đèn hơi thuỷ ngân (MV), đèn Natri áp suất thấp (LPS), đèn Natri áp suất cao (HPS), trong đó đèn Natri áp suất cao là nguồn sáng được sử dụng phổ biến nhất. 1.1.1 Đèn hơi thủy ngân (Mercury Vapor - MV) Đèn hơi thủy ngân là loại đèn HID mà trong đó phần lớn ánh sáng được tạo ra do sự bức xạ của hơi thuỷ ngân hoạt động ở áp suất riêng phần lớn hơn 10 5 Pa. Các đèn thuỷ ngân đầu tiên được phát triển vào năm 1901 nhưng các ống hồ quang compact thì mãi 30 năm sau mới xuất hiện. Vào năm 1960, khi được cải thiện tuổi thọ, đèn hơi thuỷ ngân được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng đường phố và bắt đầu được sử dụng trong chiếu sáng nội thất vào năm 1966 khi màu sắc được cải thiện. Lớp vỏ thuỷ tinh bên ngoài của đèn thuỷ ngân được làm từ thuỷ tinh boro silicate, có thể chịu được nhiệt độ hoạt động cao của đèn. Bầu thủy tinh bên ngoài hấp thụ nhiều các bức xạ tử ngoại phát ra từ hồ quang thuỷ ngân. Một số đèn hơi thuỷ ngân có chế độ tự ngắt để tắt đèn khi bầu thuỷ tinh bên ngoài bị vỡ, tránh bức xạ tử ngoại thoát ra ngoài. Hiệu suất phát sáng cực đại của đèn hơi thủy ngân đạt khoảng 65lm/W, tuổi thọ của đèn cao nhưng sự duy trì quang thông lại kém. Bóng đèn hơi thủy ngân có thể sử dụng rộng rãi ở tất cả các loại đèn giao thông, đường phố và lối đi bộ, công viên và cả trong các công xưởng. 1.1.2 Đèn halogen kim loại (Metal Halide - MH) Là một loại đèn HID mà phần lớn ánh sáng được tạo ra do sự bức xạ của kim loại halogen và của các sản phẩm phân ly của nó kết hợp với các hơi kim loại khác (thuỷ ngân). Các đèn halogen kim loại được phát triển năm 1965 và được quảng cáo là TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 5 “tốt hơn đèn thuỷ ngân” vì chúng có hiệu suất cao hơn, tạo ra ánh sáng trắng và sự duy trì quang thông tốt hơn, thường dùng cho chiếu sáng công nghiệp và chiếu sáng bên ngoài. Giống như các đèn thuỷ ngân, hoạt động của đèn halogen kim loại tạo ra các bức xạ tử ngoại. Phần lớn các bức xạ tử ngoại này bị hấp thụ bởi bầu thủy tinh. Các đèn này có thể được phủ một lớp phốt pho để chuyển bức xạ tử ngoại dư thừa thành ánh sáng khả kiến để cải thiện chỉ số CRI của đèn trong quá trình sử dụng . Trong hỗn hợp hơi thủy ngân và Halogen áp suất cao như Iodua natri hoặc tali, sự phóng điện cho phép ta thu được một màu rất trắng từ 4000 K đến 6000 K. 1.1.3 Đèn Natri áp suất thấp (Low Pressure Sodium lamps - LPS) Đèn có dạng hình ống và hình chữ U bằng thuỷ tinh borosilicat, chứa một lượng nhỏ Na ở thể rắn và một hỗn hợp khí Neon, Argon được đặt trong một ống đèn bằng thuỷ tinh, hút chân không, mặt trong có phủ lớp phản xạ hồng ngoại làm bằng Oxit Indi (vật liệu bán dẫn cho ánh sáng khả kiến truyền qua và giữ lại các tia hồng ngoại). Hỗn hợp khí Neon-Argon dùng để mồi sự phóng điện trong đèn. Khi được bật lên, đèn phát ra ánh sáng mờ màu hồng. Dòng hồ quang này sẽ nung nóng Natri và trong vài phút, Natri bay hơi phát vạch kép (589,0 nm đến 589,6 nm) màu vàng da cam. Hơi Natri hoạt động ở áp suất riêng phần cỡ (0,1 ÷ 1,5).10 4 Pa . Đèn Natri áp suất thấp cho ánh sáng gần như đơn sắc, chỉ số hoàn màu CRI = 0, khi được chiếu sáng bằng nguồn này thì màu sắc của vật chỉ hiện lên màu vàng hoặc màu xám, cho nên, các đèn LPS rất ít được sử dụng. Tuy nhiên, đèn Natri áp suất thấp là nguồn sáng tiêu thụ năng lượng điện hiệu quả nhất, hiệu suất sáng của đèn có thể lên tới 180lm/W nên được dùng rộng rãi chiếu sáng đưòng phố, chiếu sáng bảo vệ …những nơi không quan tâm lắm đến sự hoàn màu. Mặt khác, đèn Natri áp suất thấp hầu như không bị giảm quang thông theo thời gian trong quá trình hoạt động . Chú ý: Trong công nghiệp, đèn Natri áp suất thấp thường được coi là loại đèn HID mặc dù về mặt kỹ thuật điều này là không đúng vì đèn này là một nguồn sáng phóng điện ở áp suất thấp. TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 6 1.1.4 Đèn Natri áp suất cao (Hight Pressure Sodium lamps- HPS) Đèn Natri áp suất cao (HPS) là loại đèn phóng điện có cường độ cao HID, được phát triển năm 1961. Ánh sáng trong đèn Natri áp suất cao được tạo ra do sự bức xạ từ hơi Natri hoạt động ở một áp suất riêng phần khoảng 1,33.10 5 Pa. Loại đèn này có thể có lớp vỏ thủy tinh trong và vỏ thuỷ tinh mờ. Bầu đèn của đèn Natri áp suất cao được chế tạo bằng một loại thuỷ tinh borosilicate, nó có thể chịu được nhiệt độ hoạt động cao của đèn. Sự phóng điện hồ quang được tạo bởi một hỗn hống Na –Hg trong ống hồ quang làm bằng oxit nhôm đa tinh thể [10]. Cấu tạo của đèn được mô tả trên hình 1.1. Hình 1.1 Cấu trúc của đèn Natri cao áp. Đèn Natri cao áp có kích thước nhỏ hơn so với đèn Natri áp suất thấp và trong đèn chứa thêm các nguyên tố phụ như Hg. Vì vậy, khi mới bật lên, đèn phát ánh sáng mờ màu hồng sẫm, sau đó chuyển sang màu da cam pha hồng khi đèn nóng. Giữa hai trạng thái này, trong một khoảng thời gian ngắn, ánh sáng đèn có màu hơi trắng pha xanh tím. Đó là do sự phát sáng của hơi Hg trước khi Na ở trong đèn được bốc hơi hoàn toàn. Vạch D của Na là bức xạ chính của đèn Natri cao áp, vạch này bị mở rộng khi áp suất trong đèn cao. Màu sắc của các vật thể khi được chiếu sáng TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 7 bằng loại đèn này có thể phân biệt được. Do đó, người ta thường sử dụng đèn Natri cao áp chiếu sáng trong các khu vực cần để ý đến sự hoàn màu. Phổ ánh sáng của Natri được đặc trưng bởi vạch sáng kép – Vạch D với các bước sóng 589,0 nm và 589,6 nm. Trên hình về sự chuyển mức năng lượng thì chính là bức xạ phát ra khi có sự chuyển mức từ 3P xuống 3S. Bức xạ 589,0 nm có cường độ lớn gấp 2 lần bức xạ 589,6 nm. Năng lượng Hình 1.2 Sự chuyển mức năng lượng trong đèn Natri cao áp Bước sóng (nm) Hình 1.3 Phổ đèn Natri cao áp Năng lượng (%) TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 8 Hình 1.4 Hiệu suất sáng của các đèn HID. Ở nhiệt độ trên 1000 o C và có áp suất cao, Natri phát các vạch khác trong phổ nhìn thấy cho nên cho ánh sáng trắng hơn, có màu trắng ấm. Sự duy trì quang thông của nó là rất tốt. Thời gian mồi đèn là 10 phút, mồi lại đèn khi đèn đang nóng là 60 giây. Loại đèn Natri cao áp này có kích thước nhỏ hơn rất nhiều so với đèn Natri áp suất thấp. Đèn Natri cao áp có hiệu suất khá cao nên được sử dụng rộng rãi trong chiếu sáng đường phố, sân chơi thể thao, hiểu biết về sự thay đổi độ nhạy thị kiến về màu sắc của mắt người khi chuyển từ nhìn ngày sang nhìn trong ánh sáng yếu và nhìn đêm rất quan trọng trong tính toán thiết kế chiếu sáng đường phố. Hiệu suất sáng (lm/W) Năm TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 9 Bảng 1.1: So sánh các đặc trưng của các đèn HID (Các giá trị này sẽ thay đổi theo công suất của đèn và lớp phủ phốt pho) Loại đèn Hơi thuỷ ngân (MV) Halogen kim loại (MH) Natri cao áp (HPS) Natri thấp áp (LPS) Công suất danh định (W) 40 - 1000 23 - 1500 35 - 1000 18 - 180 Quang thông ban đầu (lm) 12000 - 13000 19500 - 26300 23000 - 28500 33000 Hiệu suất sáng (lm/W) 30 - 65 70 - 125 60 - 140 100 - 180 Chỉ số hoàn màu CRI 15 - 20 60 - 96 22 - 65 0 Nhiệt độ màu (K) 5600 - 7000 3000 - 6000 2100 - 2200 1800 Sự hoàn màu Màu xanh Sáng trắng Vàng cam Vàng Thời gian khởi động (s) 3-5 2-10 3-5 7-15 Thời gian tái khởi động (s) 5 15 3-4 Ngay lập tức Thời gian sống trung bình (h) 10000 – 16000 3000 – 20000 10000 – 24000 16000 - 18000 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Dương Đức Duy Lớp Vật lý kỹ thuật ánh sáng 10 Bảng 1.2: Ưu và nhược điểm của các đèn HID Loại đèn Ưu điểm Nhược điểm Hơi thuỷ ngân -Tuổi thọ dài -Kiểm soát ánh sáng tốt -Kích thước nhỏ -Thời gian tái khởi động dài -Sự suy giảm quang thông lớn -Hiệu suất sáng thấp Halogen kim loại -Chỉ số hoàn màu cao -Hiệu suất sáng cao -Kiểm soát ánh sáng tốt -Kích thước nhỏ -Thời gian tái khởi động dài -Sự suy giảm quang thông lớn -Hiệu suất sáng thấp Natri cao áp -Tuổi thọ dài -Hiệu suất sáng cao -Kiểm soát ánh sáng tốt -Kích thước nhỏ -Suy giảm quang thông nhỏ -Chỉ số hoàn màu thấp -Cần thời gian tái khởi động Natri thấp áp -Thời gian tái khởi động ngắn -Hiệu suất sáng cao -Sự suy giảm quang thông rất nhỏ -Chi phí thay thế cao -Tuổi thọ ngắn -Không hoàn màu 1.2 Mạch điện hoạt động của đèn Natri cao áp Đèn Natri cao áp hoạt động thích hợp từ 30 0 C tới 100 0 C, xét trong mạch nối tiếp với ballast. Một đèn HPS theo tiêu chuẩn sẽ được kích từ 2kV đến 5kV sau 30 tới 90 giây từ trạng thái ban đầu, phụ thuộc vào đặc tính của đèn Điện cực Ống hồ quang Oxit nhôm Phóng hồ quang Hỗn hống Na - Hg [...]... thì ánh sáng do i phát ra có ph hoàn toàn gi ng v i ph c a ngu n kh o sát Như v y, xác nh nhi t màu c a m t ngu n sáng c n ph i so sánh ph ánh sáng c a nó v i ph ánh sáng b c x c a en tuy t kho ng 2000 c a b n thân nó mà i ư c t nóng t n 10000K CIE quy nh các ngu n ánh sáng tr ng tiêu chu n như sau: - Ánh sáng chu n A: là ánh sáng do bóng èn dây tóc tungsten b c x , có nhi t màu Tm = 2854 K - Ánh sáng. .. là ánh sáng M t Tr i gi a trưa, có Tm = 4879K - Ánh sáng chu n C: là ánh sáng b u tr i trung bình, có Tm = 6740K Th c nghi m cho th y, các ngu n sáng có nhi t h p cho nh ng nơi có yêu c u Dương c Duy màu th p ch dùng thích r i th p Ngư c l i, nh ng nơi có yêu c u 13 r i L p V t lý k thu t ánh sáng TRƯ NG cao l i òi h i các ngu n sáng có nhi t màu l n (ánh sáng l nh) Vì v y, trong thi t k chi u sáng. .. 23 sáng vào bi u m u báo cáo L p V t lý k thu t ánh sáng TRƯ NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CHI U SÁNG Ư NG V I B ÈN NATRI CAO ÁP 3.1 Chi u sáng ư ng Chi u sáng ư ng là m t trong nh ng ng d ng chi u sáng công c ng quan tr ng nh t, không ch nh m cung c p ánh sáng cho các phương ti n giao thông mà còn góp ph n t o d ng s hài hòa c nh quan trong c u trúc t ng th Các h th ng chi u sáng. .. t tr c quang c a ánh sáng theo các góc xác Goniophotometer cho phép chúng ta o v i áp ng sáng c a m t ngư i, o quang h c mà có phân b ánh sáng và l y m u các nh sáng c a các ngu n sáng mà tương ng r i, o các to màu c a các ngu n b c x nh hư ng, o quang thông, chói, ki m tra u thu b c x Thông thư ng, trong kĩ thu t ánh sáng, goniophotometer ư c dùng phân b cư ng sáng và cư ng os sáng trung bình c a... ng ánh sáng Năng lư ng i n = (công su t i n)×(th i gian s d ng) ơn v c a năng lư ng i n ( Wh ho c kWh) Năng lư ng i n cho bi t lư ng i n năng tiêu th c a èn Thông lư ng ánh sáng = (quang thông )×(th i gian chi u sáng) ơn v c a thông lư ng ánh sáng (lm.h) Thông lư ng ánh sáng cho bi t năng lư ng ánh sáng phát ra khi tiêu th năng lư ng i n nói trên èn có hi u su t phát sáng cao là èn cho thông lư ng ánh... nhanh chóng Natri và th y ngân trong ng h quang 4 Như m t s b c hơi kim lo i, èn phát ra ánh sáng vàng - tr ng m, c ánh sáng phát ra và i n áp s tăng t i giá tr ho t ng n V i ph n l n các èn HPS, 4 bư c trên s x y ra t 4 nh n 6 phút 1.3 B ph n ph n x và khúc x B ph n x ư c dùng thay i phương c a ánh sáng phát ra, ánh sáng theo hư ng mong mu n Trong khi ó, b khúc x sáng phát ra t i u ch nh hư ng ánh èn và... a ngu n sáng 12 L p V t lý k thu t ánh sáng TRƯ NG I H C BÁCH KHOA HÀ N I Ngoài nh ng ch c năng như ã trình bày, m t h th ng chi u sáng v i các b èn và c t èn hài hòa s góp ph n áng k vào vi c làm èn không ư c b t sáng ngay c khi các b 1.5 Các p c nh quan ô th , c trưng quang h c c a b Các nhân t nh hư ng èn Natri cao áp n giá thành và hi u qu c a vi c l p t, v n hành, duy tu, b o dư ng ánh sáng bao... như c n móng Trong thi t k chi u sáng ư ng, cao c a c t èn nh hư ng t i cư ng chi u sáng, di n tích ư c chi u sáng, s ư cl p hơn và ng u r i và lóa Các b t trên các c t càng cao thì trư ng sáng càng ư c m r ng, lóa nhưng èn ng u r i trên m t ư ng l i b gi m i nâng cao hi u qu chi u sáng, c n ph i căn c vào các tham s c th c a i tư ng và h th ng chi u sáng như: lo i ư ng, cao c t èn, vươn c a c n èn, giãn... V t lý k thu t ánh sáng TRƯ NG Hình 1.6 Các ki u phân b Nói chung, các ki u phân b I H C BÁCH KHOA HÀ N I i x ng c a èn tr n i x ng như trên ít ư c s d ng trong th c ti n vì èn chưa ư c b o v và trư ng sáng chưa phù h p Mu n có trư ng sáng phù h p v i t ng lo i hình chi u sáng, ngư i ta ph i l p b ph n x và khúc x phân b l i trư ng sáng phát ra t èn Hình 1.7 Trư ng sáng c a ngu n l p trong b èn Như... su t phát sáng cao là èn cho thông lư ng ánh sáng l n mà tiêu th năng lư ng i n ít Hi u su t phát sáng c a èn dùng ánh giá hi u qu năng lư ng chi u sáng c a èn : Quang thông do èn do èn phát ra Hi u su t sáng = Công su t i n tiêu th Hi u su t sáng o b ng t s gi a quang thông do èn phát ra và công su t i n, ơn v là lumen /Watt (lm/W) Hi u su t sáng càng cao thì càng có tiêu th l i Ngày nay ã t ư c hi . Thiết bị đo đạc thực nghiệm. Chương III: Tính toán chiếu sáng đường với bộ đèn Natri cao áp Chương IV: Thực nghiệm Đồ án được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Vật lý và Kỹ thuật ánh sáng, Viện Vật. nguồn sáng thông dụng trong chiếu sáng đường. - Nghiên cứu cấu trúc của bộ đèn chiếu sáng đường. - Khảo sát các đặc trưng quang học, khai thác thông tin từ biểu đồ cường độ sáng của bộ đèn Natri. thuật ánh sáng 4 CHƯƠNG 1: BỘ ĐÈN NATRI CAO ÁP Bộ đèn được định nghĩa là một thiết bị chiếu sáng hoàn chỉnh, gồm có nguồn sáng (đèn) và các bộ phận kèm theo như bộ phản xạ, khúc xạ và hộp đèn,