Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công
trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã được
chỉ rõ nguồn gốc.
Hải Phòng, ngày

tháng năm 2015

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Yến

1


LỜI CÁM ƠN
Qua thời gian thực hiện luận văn tốt nghiệp “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu
sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng” đã giúp em tìm hiểu rõ hơn những vấn đề
lý thuyết liên quan đến đề tài và củng cố thêm kiến thức đã học trong trường.
Để hoàn thiện luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, em đã nhận được
sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình của thầy giáo PGS. TS. Trần Xuân Việt và sự giúp
đỡ nhiệt tình của các thầy cô trong Trường Đại học Hàng Hải, các bạn cùng lớp
cao học khóa 2013 – 2015.
Em xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô giáo viện Đào tạo sau đại học, khoa
Điện – Điện tử tàu biển Trường Đại học Hàng Hải, gửi lời cám ơn các bạn cùng
lớp cao học. Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS. TS. Trần
Xuân Việt, người đã dành nhiều thời gian và công sức hướng dẫn, giúp đỡ em
hoàn thành bản luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Yến

2


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................i
LỜI CÁM ƠN........................................................................................................ii
MỤC LỤC.............................................................................................................iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU...........................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................viii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG HIỆU QUẢ VÀ
TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG....................................................................................3
1.1. Sơ lược về lịch sử chiếu sáng...........................................................................3
1.2. Tầm quan trọng của việc chiếu sáng................................................................3
1.3. Thành tựu của chiếu sáng ở Việt Nam..............................................................4
1.4. Các đại lượng đo ánh sáng cơ bản....................................................................5
1.5. Các định luật cơ bản của quang hình học......................................................10
1.6. Một số tính năng thị giác................................................................................13
1.7. Màu của nguồn sáng.......................................................................................16
CHƯƠNG 2. CÔNG NGHỆ CHIẾU SÁNG BÁN DẪN..................................20
2.1. Lịch sử phát triển của công nghệ chiếu sáng..................................................20
2.2. Đèn sợi đốt......................................................................................................20
2.2.1. Cấu tạo của đèn...........................................................................................20
2.2.2. Bóng đèn......................................................................................................21
2.2.3. Phân loại đèn sợi đốt...................................................................................21

2.2.4. Nguyên lý làm việc......................................................................................22
2.2.5. Các đặc tính của đèn sợi đốt........................................................................23
2.3. Đèn huỳnh quang............................................................................................23
2.3.1. Cấu tạo đèn..................................................................................................24
2.3.2. Nguyên lý hoạt động...................................................................................25
2.3.3. Các thông số của đèn ống huỳnh quang......................................................26
3


2.3.4. Đèn huỳnh quang tích hợp (đèn compact)...................................................27
2.4. Các đèn phóng điện........................................................................................28
2.4.1. Đèn hơi thủy ngân.......................................................................................28
2.4.2. Đèn halogen kim loại (Metal Halide)..........................................................29
2.4.3. Đèn Sodium áp suất cao..............................................................................30
2.4.4. Đèn Sodium áp suất thấp.............................................................................31
2.5. Các nguồn sáng mới.......................................................................................31
2.5.1. Đèn không điện cực.....................................................................................31
2.5.2. Đèn Sulfur...................................................................................................32
2.5.3. Đèn Laser.....................................................................................................32
2.5.4. Đèn LED......................................................................................................34
2.5.5. Nguồn tia tử ngoại.......................................................................................37
CHƯƠNG 3. KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN CHIẾU SÁNG...............................39
3.1. Đại cương về điều khiển chiếu sáng...............................................................39
3.2. Các phương pháp điều khiển chiếu sáng........................................................40
3.2.1. Chiến lược điều khiển..................................................................................40
3.2.2. Bộ chuyển mạch..........................................................................................41
3.2.3. Sử dụng bộ cảm biến...................................................................................41
3.2.4. Bộ cảm biến tiệm cận (hiện diện) siêu âm..................................................42
3.2.5. Bộ cảm biến tiệm cận hồng ngoại...............................................................43
3.2.6. Bộ cảm biến quang......................................................................................44

3.2.7. Sử dụng bộ thời gian....................................................................................45
3.2.8. Sử dụng bộ vi điều khiển và bộ logic khả trình PLC..................................46
3.2.9. Hệ thống điều khiển và giám sát từ xa đèn chiếu sáng đường phố qua mạng
...............................................................................................................................47
3.3. Chiếu sáng nội thất công trình công cộng......................................................50
3.3.1. Phân loại......................................................................................................50
3.3.2. Các dữ liệu chiếu sáng nội thất....................................................................51
3.3.3. Lựa chọn độ rọi............................................................................................51
4


3.3.4. Chọn loại đèn...............................................................................................55
3.3.5. Chọn phương pháp chiếu sáng....................................................................56
3.3.6. Chọn cấp bộ đèn..........................................................................................58
3.4. Chiếu sáng tự nhiên........................................................................................59
3.4.1. Đặc điểm của chiếu sáng tự nhiên...............................................................59
3.4.2. Yêu cầu thiết kế chiếu sáng tự nhiên...........................................................60
3.5. Phương pháp thiết kế đơn giản hóa................................................................60
3.5.1. Phân bố các đèn...........................................................................................60
3.5.2. Hệ số sử dụng..............................................................................................63
3.5.3. Tổng quang thông yêu cầu và công suất đèn...............................................64
3.5.4. Kiểm tra điều kiện tiện nghi........................................................................66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHI.............................................................................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................68

5


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÍ HIỆU
Chữ viết tắt

CRI
LED
CIE
PLC

Giải thích
Colour Rendering Index (chỉ số truyền đạt màu)
Light Emitting Diode (điốt phát quang)
International Commission on Illumination (ủy ban
quốc tế về chiếu sáng)
Programmable Logic Controller (thiết bị lập trình
được)

DANH MỤC CÁC BẢNG
1.1

Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng
6

5


1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9

2.1
2.2
2.3
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7

Cường độ sáng của một số nguồn sáng
Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp
Độ chói của một số nguồn sáng thông dụng
Hệ số hấp thụ ánh sáng của một số vật liệu
Hệ số phản xạ của một số vật liệu
Phân loại mức độ công việc tinh xảo
Nhiệt độ màu của một số nguồn sáng
Tác động tâm lý của màu sắc lên con người
Quang thông của đèn sợi đốt 220V
Quang thông trung bình và đặc tính đèn huỳnh quang
Đặc tính kỹ thuật đèn compact Rạng đông
Chỉ dẫn lựa chọn thiết bị điều khiển chiếu sáng
Tính năng của các bộ cảm biến hiện diện
Yêu cầu độ rọi tối thiểu của chiếu sáng trong nhà
Sau đây trình bày các phương pháp chiếu sáng
Chọn cấp bộ đèn huỳnh quang
Khoảng cách giữa các đèn
Cấp, hiệu suất và IP của một số bộ đèn công nghiệp

6
8
9
11
12
14
17
18
23
26
27
40
43
51
57
58
61
65

DANH MỤC CÁC HÌNH
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
2.1
2.2
2.3

Định nghĩa cường độ sáng
Góc khối
Quan hệ độ rọi, cường độ sáng và khoảng cách
Định nghĩa độ chói
Độ trưng
Tia tới, phản xạ và khúc xạ
Biểu đồ Kruithof
Lịch sử phát triển các loại đèn
Năng lượng bức xạ của sợi đốt theo bước sóng
Cấu tạo đèn huỳnh quang
7

6
6
7
8
9
10
18
20
21
24


2.4
2.5
2.6
2.7
3.1

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.1

Đèn hơi thủy ngân
Đèn Metal Halide
Sơ đồ máy phát laser hồng ngọc
Cấu tạo của LED
Hệ thống điều khiển chiếu sáng dùng cảm biến
Cảm biến siêu âm
Vùng cảm nhận của bộ cảm biến siêu âm
Bộ cảm biến hồng ngoại
Các bộ cảm biến quang
Chấn lưu hai mức
Điều khiển chiếu sáng bằng bộ vi điều khiển
Bộ điều chỉnh điện áp xoay chiều điện tử công suất
Chiến lược điều khiển điện áp theo thời gian
Tủ điều khiển PLC

0
3.11 Tủ điều khiển đèn
3.1 Phân bố các đèn
2

29
29
33
34
41
42
42
43
45
45
46
47
48
48
49
61

8


MỞ ĐẦU
Trong công cuộc đổi mới đất nước, song song với quá trình công nghiệp hóa
- hiện đại hóa thì việc xây dựng cơ sở hạ tầng cũng được tiến hành. Quá trình nâng
cấp, xây dựng hệ thống chiếu sáng ở các khu đô thị cũng không nằm ngoài kế
hoạch. Hiện nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, đời sống nhân dân
cũng được nâng cao một cách nhanh chóng. Yêu cầu của họ trong các lĩnh vực:
công nghiệp dịch vụ, du lịch và sinh hoạt tăng trưởng không ngừng. Chính do
những yêu cầu này, đòi hỏi các nhà kĩ thuật, mỹ thuật, nhà khoa học phải nghiên
cứu, tìm hiểu để tạo ra các sản phẩm nhằm đáp ứng các nhu cầu của họ. Thiết kế hệ
thống chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng là một việc làm khó. Nó không

chỉ đòi hỏi chiếu sáng đơn thuần mà còn phải đáp ứng yêu cầu về kỹ thuật mức độ
tiện nghi, đảm bảo không bị chói…. Ngoài ra nó còn phải đảm bảo các yêu cầu về
thẩm mỹ và có tính kinh tế cao như tiết kiệm được điện năng, chi phí đầu tư nhỏ,
cho ánh sáng đẹp, đảm bảo mỹ quan…. Để có được một bản thiết kế trên đòi hỏi
người thiết kế ngoài kiến thức chuyên môn còn phải có sự hiểu biết nhất định về
xã hội, về môi trường và về các đối tượng thiết kế. Tránh thiết kế sai gây dư thừa
lãng phí nguyên vật liệu và làm mất tính thẩm mỹ….
Với đề tài “Nghiên cứu kỹ thuật chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện
năng” tôi đã trình bày khái quát cơ sở lý thuyết chiếu sáng và vận dụng những
kiến thức đã học về kỹ thuật chiếu sáng để làm đề tài trên.
1. Lý do chọn đề tài
Tiết kiệm năng lượng đang là một chương trình hành động quyết liệt đối với
nhiều quốc gia trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng. Lĩnh vực chiếu sáng
chiếm khoảng 15-20% năng lượng điện toàn cầu, do đó yêu cầu chiếu sáng có hiệu
quả, tiết kiệm là một yêu cầu vừa cấp bách vừa lâu dài.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài

1


Nghiên cứu các phương pháp chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng.
Hầu hết những người sử dụng năng lượng trong công nghiệp và thương mại đều
nhận thức được vấn đề tiết kiệm năng lượng trong các hệ thống chiếu sáng. Thông
thường có thể tiến hành tiết kiệm năng lượng một cách đáng kể chỉ với vốn đầu tư
ít và một chút kinh nghiệm. Thay thế các loại đèn hơi thuỷ ngân hoặc đèn nóng
sáng bằng đèn halogen kim loại hoặc đèn natri cao áp sẽ giúp giảm chi phí năng
lượng và tăng độ chiếu sáng. Lắp đặt và duy trì thiết bị điều khiển quang điện,
đồng hồ hẹn giờ và các hệ thống quản lý năng lượng cũng có thể đem lại hiệu quả
tiết kiệm đặc biệt. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải xem xét việc sửa
đổi thiết kế hệ thống chiếu sáng để đạt được mục tiêu tiết kiệm như mong đợi. Cần

hiểu rằng những loại đèn có hiệu suất cao không phải là yếu tố duy nhất đảm bảo
một hệ thống chiếu sáng hiệu quả.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu: các mô hình chiếu sáng công cộng hiệu suất cao và
tiết kiệm điện hiện nay như: Trường học, chiếu sáng đường phố, trong ngõ xóm,
trong các công sở…
Phạm vi nghiên cứu: từ kỹ thuật chiếu sáng truyền thống, nghiên cứu ứng
dụng các giải pháp tiên tiến để chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm điện năng.
4. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu: Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và tham khảo
tài liệu quy trình công nghệ rút ra được đặc trưng của các giải pháp nâng cao hiệu
quả chiếu sáng và tiết kiệm điện năng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài được thể hiện một trong các trọng
tâm của đề tài là nghiên cứu các phương pháp chiếu sáng hiệu quả và tiết kiệm
điện năng.

2


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT CHIẾU SÁNG HIỆU
QUẢ VÀ TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG
1.1. Sơ lược về lịch sử chiếu sáng
Kỹ thuật chiếu sáng nói chung cũng như kỹ thuật chiếu sáng công cộng nói
riêng từ một nửa thế kỷ nay đã và đang không ngừng phát triển. Do việc nâng cao
các tính năng của các đèn, bộ đèn, cải tiến liên tục của các phương pháp chiếu
sáng.
Ngày nay do sự phát triển mạnh mẽ của các ngành kinh tế kỹ thuật, đời sống
nhân dân được nâng cao. Vì vậy nhu cầu chiếu sáng ngày càng đòi hỏi cao hơn,
việc chiếu sáng các đô thị, khu công nghiệp, công trình văn hoá thể thao, các xa lộ

v.v…là một nhu cầu cấp thiết đòi hỏi các nhà thiết kế chiếu sáng phải quan tâm
làm sao vừa đảm bảo mỹ thuật vừa đảm bảo kỹ thuật lại có tính kinh tế cao. Ngày
trước chiếu sáng chỉ nhằm đáp ứng nhu cầu “ xua tan bóng tối” thì ngày nay chiếu
sáng không chỉ đẩy lùi bóng tối mà còn đảm bảo tiện nghi, tính mỹ thuật ở mức
cao nhất. Từ những năm 1940 đã xuất hiện các chỉ dẫn nhằm đảm bảo độ đồng
đều của ánh sáng, yêu cầu cho an toàn giao thông lúc bấy giờ. Từ năm 1965 uỷ ban
quốc tế về chiếu sáng (CIE) đã công bố một phương pháp gọi là tỷ số R, trong đó
khái niệm về độ rọi đã phải nhượng bộ một bước cho độ chói trung bình của mặt
đường có xét đến hiện tượng tương phản và do đó đã chú ý đến chi giác nhìn.
1.2. Tầm quan trọng của việc chiếu sáng
Trong sự nghiệp công nghiệp hoá - hiện đại hoá ngành điện chiếu sáng giữ
một vai trò rất lớn. Nó không chỉ chiếu sáng đơn thuần mà nó còn góp phần vào
công việc sản xuất, xây dựng, bảo vệ đất nước. Đối với chiếu sáng trong nhà, ngoài
chiếu sáng tự nhiên còn phải sử dụng chiếu sáng nhân tạo.
Hiện nay người ta thường dùng điện để chiếu sáng nhân tạo. Sở dĩ như vậy
vì chiếu sáng điện có nhiều ưu điểm: thiết bị đơn giản, sử dụng thuận tiện.Ví dụ
3


trong xí nghiệp dệt, nếu độ rọi tăng lên 1,5 lần thì thời gian để làm các thao tác chủ
yếu sẽ giảm từ 8%→ 25%, năng suất lao động tăng 4%→ 5%.
Trong phân xưởng nếu ánh sáng không đủ, công nhân sẽ phải làm việc trong trạng
thái căng thẳng, hại mắt, sức khỏe, kết quả gây ra hàng loạt phế phẩm và năng suất
lao động sẽ giảm v.v… Ngoài ra còn rất nhiều công việc không thể tiến hành được
nếu thiếu ánh sáng hoặc ánh sáng không gần giống với ánh sáng tự nhiên (bộ phận
kiểm tra chất lượng máy, nhuộm màu v.v…). Nếu chiếu sáng ngoài trời được đảm
bảo một cách tối đa thì sẽ giảm được rất nhiều tai nạn giao thông, giúp việc giao
thông thuận tiện hơn, giảm nhiều tệ nạn xã hội. Mặt khác nếu chiếu sáng đô thị
được bố trí một cách hợp lý hơn thì sẽ làm tăng được vẻ đẹp của đô thị cũng như
các công trình văn hoá khác.

Vì vậy, vấn đề chiếu sáng là một vấn đề quan trọng nên được các nhà
nghiên cứu chú ý nghiên cứu trên nhiều lĩnh vực chuyên sâu như nguồn sáng,
chiếu sáng công nghiệp, nhà ở, các công trình văn hoá nghệ thuật, chiếu sáng sân
khấu v.v…
1.3. Thành tựu của chiếu sáng ở Việt Nam
Nhận biết được tầm quan trọng của chiếu sáng các nhà chiếu sáng Việt Nam
cũng đã áp dụng nhũng thành tựu của khoa học chiếu sáng trên thế giới và lĩnh
vực chiếu sáng nước nhà. Hiện nay, hầu hết các thành phố lớn, các đô thị cũng như
các tuyến đường giao thông đã được chiếu sáng với các mức độ khác nhau nhưng
cũng phát huy được tối đa hiệu quả của chiếu sáng như giảm được tai nạn giao
thông, tăng vẻ đẹp của các đô thị, giảm tệ nạn xã hội v.v… Trong chương trình đưa
điện về nông thôn thì điện chiếu sáng cũng đã xuất hiện nhằm phục vụ sản xuất.
Hiện nay các thành phố cũng đang tiến hành nâng cấp hệ thống chiếu sáng đồng
thời xây dựng các hệ thống chiếu sáng mới với công nghệ hiện đại, thay cho việc
đóng cắt bằng tay ở đây đã dùng hệ thống đóng cắt tự động. Tất cả các công viên,
vườn hoa, các tuyến đường, nhà máy, xí nghiệp, trường học, bệnh viện…trong
thành phố cũng như ngoại thành đều đã được chiếu sáng.

4


1.4. Các đại lượng đo ánh sáng cơ bản
1.4.1. Quang thông , lumen (lm)
Quang thông  là phần năng lượng của sóng điện từ được đánh giá bằng mắt
người theo tác động của nó.
Trong phổ ánh sáng nhìn thấy quang thông bằng:
=

(1.1)

Trong đó: V λ là hàm độ nhạy tương đối của mắt theo bước sóng.
K = 683 lm/W là hệ số chuyển đổi đơn vị năng lượng sang đơn vị
cảm nhận thị giác.
Đơn vị của quang thông là lumen (lm). Quang thông là đại lượng đặc trưng
cho khả năng của nguồn bức xạ ánh sáng trong không gian.
Bảng 1.1. Quang thông của một số nguồn sáng thông dụng
Nguồn sáng
Đèn sợi đốt 60W
Đèn compac 11W
Đèn huỳnh quang 40W
Đèn Na cao áp 400W
Đèn Halogen kim loại 2kW

Quang thông (lumen)
685
560
2700
47000
180.000

1.4.2. Cường độ sáng I – Candela(cd)
Các nguồn sáng thường bức xạ không đều trong không gian. Để đặc trưng
cho khả năng phát xạ của nguồn sáng và luôn gắn liền với một phương cho trước,
người ta dùng khái niệm cường độ sáng.
Cường độ sáng đặc trưng khả năng phát xạ của nguồn sáng theo một
phương cho trước.
Ta xét cường độ sáng của nguồn O tới điểm A:
Giả thiết nguồn sáng phát quang thông d trong góc khối d hướng tới A (hình
1.1).

5


Hình 1.1. Định nghĩa cường độ sáng
Cường độ sáng của nguồn tới điểm A được định nghĩa là:
IOA =

(1.2)

Đơn vị đo cường độ ánh sáng là candela (cd). Từ tháng 10 – 1979, CIE đưa
ra định nghĩa mới của candela: Candela là cường độ sáng theo một phương của
nguồn sáng đơn sắc có tần số 540 1012 Hz (bước sóng 555 nm) có cường độ năng
lượng theo phương này là 1/683 oát trong góc khối một steradian.
Bảng 1.2. Cường độ sáng của một số nguồn sáng
Nguồn sáng
Ngọn nến
Đèn sợi đốt 40 W
Đèn sợi đốt 300W có bộ phản xạ
Đèn Halogen kim loại 2 kW

Cường độ sáng (candela)
0,8 theo mọi phương
35 theo mọi phương
1500 ở tâm chùm tia
14800 theo mọi phương

có bộ phản xạ

250000 ở tâm chùm tia

1.4.3. Góc khối - Ω, steradian (Sr)
Góc khối không chỉ dùng cho phép đo ánh sáng, nó cần thiết cho sự lập luận
trong không gian (là góc trong không gian). Ký hiệu là Ω
Góc khối được định nghĩa là tỷ số của S trên bình phương của bán kính:
 =

(1.3)

Hình 1.2. Góc khối
Trong đó: S là số nguyên tố mặt của hình cầu, R bán kính mặt cầu
1.4.4. Độ rọi (độ chiếu sáng) – E, lux, lx
6


Độ rọi là đại lượng đặc trưng cho bề mặt chiếu sáng, là mật độ quang thông
 trên bề mặt có diện tích S. Khi quang thông vuông góc với bề mặt chiếu sáng thì
độ rọi được tính bằng công thức: E =

(1.4)

Đơn vị độ rọi là lux, là mật độ quang thông của một nguồn sáng 1 lumen
trên diện tích 1m2. Khi mặt được chiếu sáng không đều độ rọi được tính bằng trung
bình đại số của độ rọi các điểm.

Hình 1.3. Quan hệ độ rọi, cường độ sáng và khoảng cách
Độ rọi là mật độ phân bố quang thông trên bề mặt chiếu sáng, có đơn vị là
lux:
Biểu thức tính: Elx =

hoặc 1 lux = 1 lm/ m2

(1.5)

Khi sự chiếu sáng trên bề mặt không đều nên tính trung bình số học ở các
điểm khác nhau để tính độ rọi trung bình. Khái niệm về độ rọi ngoài nguồn ra còn
liên quan tới vị trí của mặt được chiếu sáng. Ta coi một nguồn sáng điểm O, bức
xạ tới một mặt nguyên tố dS ở cách O một khoảng r, một cường độ sáng I.
Gọi α là góc hợp bởi pháp tuyến n của dS với phương r. Góc khối dΩ chắn
trên một hình cầu bán kính r, một diện tích bằng dS.cosα.

Bảng 1.3. Độ rọi trên một số bề mặt thường gặp
Địa điểm được chiếu sáng
Ngoài trời giữa trưa nắng

Độ rọi (lux)
100.000
7


Ngoài trời giữa trưa đầy mây
Trăng tròn
Phòng làm việc
Lớp học
Đường phố về ban đêm
1.4.5. Độ chói – L (cd/m2)

10.000
0,25
300 – 500
300 – 400

20 - 50

Để đặc trưng cho khả năng bức xạ ánh sáng của nguồn hoặc bề mặt phản xạ
gây nên cảm giác chói sáng đối với mắt, người ta đưa ra định nghĩa độ chói.
Là mật độ phân bố I trên bề mặt theo một phương cho trước
=

(1.6)

Nhận xét:
- Độ chói của một bề mặt bức xạ phụ thuộc vào hướng quan sát bề mặt đó.
- Độ chói không phụ thuộc khoảng cách từ mặt đó đến điểm quan sát.

Hình 1.4. Định nghĩa độ chói
Độ chói đóng vai trò cơ bản trong kỹ thuật chiếu sáng, nó là cơ sở của các
khái niệm về tri giác và tiện nghi thị giác.
Độ chói mới phản ánh chất lượng chiếu sáng, còn độ rọi chỉ phản ánh số
lượng chiếu sáng mà thôi.
Độ chói của bề mặt phản xạ ánh sáng theo một phương còn gọi là độ trưng.

Bảng 1.4. Độ chói của một số nguồn sáng thông dụng
Độ chói cd/m2
165. 107
2500
1500
1000
6. 106

Nguồn sáng
Bề mặt mặt trời

Bề mặt mặt trăng
Bầu trời xanh
Bầu trời xám
Đèn sợi đốt 100W
8


Đèn huỳnh quang 40W
Giấy trắng khi độ rọi 400 lux
Độ chói của mặt đường

7000
80
1-2

1.4.6. Độ trưng M, lumen/m2 (lm/ m2)
Độ trưng tại một điểm của bề mặt phát xạ M là quang thông phát ra bởi một
đơn vị diện tích tại điểm đó, là tỉ số giữa quang thông phát ra bởi một nguyên tố bề
mặt chứa điểm đó và diện tích của nó. M =

Hình 1.5. Độ trưng
Đơn vị đo độ trưng bức xạ: W/m2;
Đợn vị đo độ trưng ánh sáng: lm/ m2;
1.4.7. Định luật Lambert
Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt hoặc ánh sáng được phản xạ trên bề mặt
mờ hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tượng trên bề mặt trong mờ, một phần ánh sáng
được mặt này phát lại theo hai cách sau đây, trong đó cách nào chiếm ưu thế hơn là
tuỳ theo vật liệu sử dụng:
- Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo các định luật của quang hình học
hay định luật Descartes.

- Sự phản xạ hoặc truyền khuếch tán theo định luật Lambert
Định luật Lambert:

 E = L

(1.7)

Trong đó:
: hệ số phản xạ bề mặt
E: độ rọi nguồn
L: độ chói của bề mặt
9


Định luật Lambert có vai trò rất quan trọng trong kỹ thuật chiếu sáng nó cho
ta quan hệ giữa độ chói và độ rọi. Căn cứ vào định luật này, người ta có thể tính
toán và kiểm tra được độ rọi, độ chói của tất cả các điểm trong trường sáng của bộ
đèn.
1.5. Các định luật cơ bản của quang hình học
1.5.1. Định luật phản xạ và khúc xạ ánh sáng
Trong môi trường trong suốt, đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo
đường thẳng. Khi gặp mặt phân cách các môi trường khác nhau, ánh sáng có thể
truyền qua, bị hấp thụ, phản xạ hoặc khúc xạ.
Nếu tia sáng vuông góc với bề mặt nó có thể được truyền thẳng hoặc phản
xạ cùng phương với tia tới. Nếu tia tới làm với bề mặt một góc khác 900 thì ánh
sáng được truyền qua với góc thay đổi, ta gọi ánh sáng bị khúc xạ trong môi trường
hoặc bị phản xạ với góc phản xạ bằng góc tới.

Hình 1.6. Tia tới, phản xạ và khúc xạ
Toàn bộ tia sáng bị phản xạ và không có tia khúc xạ gọi là hiện tượng phản

xạ toàn phần. Như vậy, muốn xảy ra hiện tượng phản xạ toàn phần phải có hai điều
kiện:
- Tia sáng phải truyền từ môi trường chiết suất lớn hơn sang môi trường
chiết suất nhỏ hơn.
- Góc tới của tia sáng phải lớn hơn góc giới hạn.
1.5.2. Sự hấp thụ ánh sáng
Khi tia sáng đập vào mặt phân giới một phần năng lượng của nó bị môi
trường hấp thụ. Mức độ hấp thụ thay đổi trong phạm vi rất rộng phụ thuộc vào bản
10


chất của vật, vào cấu trúc phân tử, vào bước sóng (màu) của tia tới và góc tới. Vì
các vật hấp thụ năng lượng của tia tới có bước sóng khác nhau với mức độ khác
nhau, do đó hệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng của tia tới.
Hệ số hấp thụ quang thông  của vật thể được định nghĩa bằng tỷ số của
quang thông mà vật thể hấp thụ k và quang thông rọi tới s.
=

(1.8)

Bảng 1.5. Hệ số hấp thụ ánh sáng của một số vật liệu
Vật liệu
Bóng pha lê trong
Bóng thủy tinh sáng
Bóng thủy tinh vàng nhạt
Bóng hạt mịn xanh nhạt
Bóng thủy tinh nhám
Bóng nhựa sáng
Bóng thủy tinh màu sữa
Bóng thủy tinh mờ

Bóng thủy tinh vàng
Bóng thủy tinh vàng đậm

Hệ số hấp thụ (%)
5 – 12
10 - 20
15 – 20
15 – 25
15 – 30
20 – 40
15 - 40
20 - 30
40 - 60
30 - 60

1.5.3. Sự phản xạ ánh sáng
Các bề mặt khác nhau phản xạ tia sáng tới với tỷ lệ phần trăm khác nhau. Có
thể cải thiện việc chiếu sáng cho một phòng nhỏ bằng cách sơn màu sáng có hệ số
phản xạ cao hơn. Nếu phòng rộng hay khi sử dụng chao đèn để tập trung ánh sáng,
sao cho ánh sáng ít chiếu vào tường, trong trường hợp này lớp sơn phủ mặt tường
ít ảnh hưởng tới chiếu sáng chung.
Bề mặt màu sáng phản xạ phần lớn tia sáng chiếu vào nó trong khi bề mặt
màu thẫm hấp thụ phần lớn ánh sáng.
Hệ số phản xạ  được định nghĩa bằng tỷ số của quang thông phản xạ p trên
quang thông rọi tới bề mặt s.
=

(1.9)

Bảng 1.6. Hệ số phản xạ của một số vật liệu

Vật liệu

Hệ số phản xạ (%)
11


Bạc đánh bóng

92

Thạch cao trắng

90

Sơn trắng

75 – 90

Gương tráng bạc

75 – 85

Giấy trắng

80

Men sứ

70 – 80

Nhôm đánh bóng

67

Hợp kim thiếc

60 – 80

Đồng đỏ đánh bóng

60 – 70

Thép đánh bóng

60

Vàng đánh bóng

50 – 55

Đồng đánh bóng

40 – 50

Giấy nâu đậm

13

Giấy đen

5

Giấy màu sôcôla đậm

4

Vải đen
1.5.4. Sự khúc xạ ánh sáng

1,2

Khi truyền qua môi trường có chiết suất khác nhau tia sáng bị khúc xạ với
góc khúc xạ khắc nhau. Sự khúc xạ có thề là đều, không đều hoặc khúc xạ khuếch
tán tùy theo bản chất vật liệu và đặc tính bề mặt của chúng.
Sự khúc xạ đều xảy ra khi tia sáng qua bản phẳng. Ánh sáng qua bản bị khúc
xạ hai lần, một lần tới bề mặt trên và một lần rời khỏi bề mặt dưới. Nếu bề mặt là
hai mặt song song thì phương của tia tới và tia rời khỏi hai mặt song song với
nhau.
Nếu hai mặt không song song thì phương của tia tới và tia rời khỏi bề mặt sẽ
khác nhau hay gọi là sự khúc xạ không đều. Sự khúc xạ không đều xảy ra khi ánh
sáng truyền qua kính có mặt nhám. Bề mặt này có thể được xem như gồm vô số
mặt phẳng rất nhỏ xếp sắp theo đủ mọi hướng làm cho tia khúc xạ phân bố theo đủ
các phương. Ta thường gặp trường hợp này khi tia sáng truyền qua các tấm kính
mờ.
12


1.5.5. Sự thấu xạ ánh sáng
Sự thấu xạ ánh sáng được đặc trưng bằng hệ số thấu xạ  là tỷ số của quang
thông xuyên qua vật thể x và quang thông rọi tới bề mặt s.

=

(1.10)

Hệ số thấu xạ còn gọi là hệ số truyền dẫn quang.
Vì tổng của các quang thông phản xạ p quang thông truyền qua x và quang
thông hấp thụ h bằng quang thông rọi tới bề mặt, do đó
++=1

(1.11)

Các hệ số này phụ thuộc vào bản chất vật liệu, màu sắc của vật thề và
thường được cho trong các bảng đặc tính vật liệu.
1.6. Một số tính năng thị giác
1.6.1. Khả năng phân biệt
Khả năng phân biệt (thị giác) được xác định bằng góc mà người quan sát có
thể phân biệt được hai điểm hoặc hai vạch đặt gần nhau. Hai điểm trong không
gian được nhìn một cách phân biệt nếu hình ảnh do nó tạo nên cảm giác của hai tế
bào thần kinh thị giác khác nhau, tương ứng với góc trông cỡ 17.10-3 độ, đó là khả
năng phân biệt của mắt.
Sự nhìn là bình thường nếu góc phân biệt là 1 phút. Để đọc sách cần góc
phân biệt 3 -5 phút. Khả năng phân biệt được xem xét khi định tiêu chuẩn độ rọi
cho các công việc khác nhau.
Nói chung vật có kích thước càng lớn thì càng dễ phân biệt, giữa kích thước
d của vật và khoảng cách nhìn D có quan hệ với nhau và có liên quan đến độ rọi.
Hội chiếu sáng Pháp đưa ra tỷ lệ D/d cùng với khả năng phân biệt theo mức độ tinh
xảo của công việc.
Bảng 1.7. Phân loại mức độ công việc tinh xảo
Phân loại công việc
1. Rất tinh xảo

Góc phân biệt

D/d

(Phút, giây)
0’ 50”
13

Ví dụ công việc

4100

Sửa chữa đồng hồ, sản xuất

3600

dụng cụ tinh xảo


2. Rất chính xác

1’ 05”

3. Chính xác cao

1’ 25”

4. Chính xác

’

”

1 50

5. Trung bình

2’ 20”

6. Thô

4’ 03”

3200

Vẽ, đồ họa

2800
2450

In
May, thêu tay

2150
1900

Lắp ráp các chi tiết chính xác

1700

1500
1300
1150
1000
850

May công nghiệp
Lắp ráp các chi tiết trung bình
Làm việc với máy thô
Điều chỉnh thô
Sản xuất gạch ngói

1.6.2. Sự thích ứng thị giác
Mắt phải hoạt động trong những điều kiện chiếu sáng hết sức khác nhau từ
nơi có độ rọi cao hàng vạn lux như ngoài trời nắng đến những nơi có độ rọi rất
thấp vài phần mười lux như trong bóng tối. Để đảm bảo hoạt động ấy, mắt đồng
thời thay đổi độ nhạy của các tế bào nhạy sáng trên võng mạc, đồng thời thay đổi
thông lượng. Chùm sáng rọi vào mắt: ở chỗ tối con ngươi tự động mở ra, ở chỗ
sáng lại tự động thu nhỏ lại. Cả hai quá trình thay đổi độ nhạy và thay đổi kích
thước con ngươi đều diễn biến một cách tự động nhưng nhanh chậm không đều.
Khi điều kiện chiếu sáng thay đổi, mắt không thích nghi một cách tức thời mà mất
một thời gian có khi khá dài. Hiện tượng này gọi là sự thích nghi thị giác. Nếu
chuyển đột ngột từ chỗ sáng vào chỗ tối hoặc ngược lại, thì mắt không kịp thích
nghi, trong vài giây đầu hầu như mắt không nhìn thấy gì, ta nói mắt bị lóa. Vì vậy,
người thiết kế chiếu sáng cần chú ý đến đặc điểm này để tránh gây đột ngột trong
cảm nhận ánh sáng.
1.6.3. Độ tương phản

14

Gọi Ln là độ chói của nền, Lv là độ chói của vật, ta chỉ có thể phân biệt được
vật so với nền nếu thỏa mãn điều kiện độ chênh lệch độ chói tương đối.
Độ tương phản được định nghĩa bằng: C =

(1.12)

Có ba loại tương phản: tương phản độ sáng, tương phản hình ảnh và tương
phản màu. Việc tăng độ tương phản giữa vật và môi trường xung quanh làm tăng
khả năng nhìn và giảm yêu cầu chiếu sáng.
Trong thực tế kích thước và màu sắc của vật cũng tác động đến khả năng
phân biệt của mắt do vậy độ rọi phải phù hợp với loại công trình cần chiếu sáng.
Tăng độ tương phản đặc biệt có hiệu quả trong chiếu sáng các biển hiệu hoặc trong
nhà kho nơi cần tăng khả năng nhìn khi độ rọi thấp.
1.6.4. Hiện tượng chói lóa
Khi có sự chênh lệch quá mức về độ chói nhất là trong tầm nhìn không tránh
khỏi nguy cơ bị lóa mắt làm cho tiện nghi nhìn bị suy giảm.
Ta phân biệt hai mức độ gây chói lóa:
- Chói lóa bất lực là hiện tượng phụ thuộc vào độ chói của nguồn và góc tới
của tia sáng đối với người quan sát.
- Chói lóa mất tiện nghi là hiện tượng lóa khi nhìn những đối tượng tương
phản độ chói cao, nói chung không làm giảm khả năng quan sát nhưng gây cảm
giác khó chịu. Mức chói lóa không tiện nghi giảm khi độ chói xung quanh cao.
1.7. Màu của nguồn sáng
1.7.1. Màu và sắc
Màu vô sắc như màu đen, trắng và xám, chúng không có trong phổ ánh sáng
mặt trời nên coi là “không màu”.
Màu có sắc là tất cả các màu có trong phổ ánh sáng và các màu pha trộn
giữa chúng.
Ánh sáng trắng ban ngày mà chúng ta nhìn thấy là ánh sáng phức hợp của

nhiều ánh sáng đơn sắc có phổ tần số liên tục trong miền bức xạ nhìn thấy, tuy vậy
chất lượng ánh sáng ban ngày thay đổi đáng kể theo điều kiện khí hậu, thời tiết.

15


Khi cảm thụ ánh sáng, con người chịu tác động tâm lý của màu sắc ánh sáng
do cơ chế “liên tưởng”. Ví dụ màu đỏ, da cam liên tưởng đến ngọn lửa và gây cảm
giác nóng. Các màu lam làm ta liên tưởng đến bầu trời, biển khơi và gây cảm giác
lạnh.
Sự liên tưởng trên tạo ra mối liên hệ nhiệt độ - màu, có nghĩa là ứng với mỗi
màu tương ứng với một nhiệt độ.
1.7.2. Nhiệt độ màu và tiện nghi môi trường sáng
Nhiệt độ màu của nguồn tính theo Kelvin diễn tả màu của các nguồn sáng so
với màu của vật đen được nung nóng từ 2000 đến 10.0000K. Nói chung, nhiệt độ
màu không phải là nhiệt độ thực của nguồn sáng mà là nhiệt độ của vật đen tuyệt
đối cho khi được đốt nóng đến nhiệt độ này thì ánh sáng do nó bức xạ có phổ hoàn
toàn giống phổ của nguồn sáng khảo sát.
Nhiệt độ màu cho ta cảm giác định tính về vùng cực đại trong phổ năng
lượng của nguồn sáng.
Bảng 1.8. Nhiệt độ màu của một số nguồn sáng
Nguồn sáng

Nhiệt độ màu (K)

Bầu trời xanh

10.000 – 30.000

Ánh sáng trời mây

6000 – 8000

Đèn huỳnh quang ánh sáng ngày

6200

Đèn huỳnh quang ánh sáng ấm

3000

Đèn Metal Halide

4100

Đèn sợi đốt

2500

Ngọn nến

1800
16


Các công trình nghiên cứu sinh lý thị giác cho thấy các nguồn sáng có nhiệt
độ màu thấp chỉ chấp nhận với độ rọi thấp, trong khi đó khi độ rọi cao cần nhiệt độ
màu cao hơn. Môi trường chiếu sáng tiện nghi nằm trong miền gạch chéo trên biểu
đồ Kruithof (hình 1.7).
Biểu đồ Kruithof là tiêu chuẩn đầu tiên cho sự lựa chọn nguồn sáng. Ta nhận

thấy muốn có độ rọi với tiện nghi cao thì nguồn sáng phải có nhiệt độ màu thích
hợp. Bảng 1.8 cho nhiệt độ màu của một số nguồn sáng. Bảng 1.9 tổng kết các tác
động tâm lý của màu sắc đến hoạt động của con người.

Bảng 1.9. Tác động tâm lý của màu sắc lên con người
Màu sắc
Đỏ
Cam
Vàng
Vàng lục
Lục
Xanh lục
Xanh
trời
Lam
Tím
Tía
Trắng
Xám
trắng
Xám tối
Đen

Nón
g

Lạnh Nhẹ

X
X

X
X

Nặng

Lõm

X

X
X
X

X
X
X
X
X

Lồi

Kích

Áp

Yên

động

chế

tĩnh

X
X
X

X

X
X

X
X
X

X

X

X

X
X

X

X
X

X
X
X

X

X
X

X

X
X
X
X

X
X
17