[Khóa luận]thiết kế nâng cấp hệ thống chiếu sáng đô thị quận hồng bàng, sử dụng đèn chiếu sáng hiệu suất cao tiết kiệm năng lượng

Chơng I . ánh sáng và các đại lợng đo ¸nh s¸ng
1.1 ¸nh s¸ng
Mọi sóng điện từ đều tuân theo các định luật vật lý, cụ thể là các định luật
truyền sóng, các định luật khúc xạ và phản xạ, những ảnh hưởng của sóng khác
nhau rõ rệt tùy theo năng lượng được truyền nghĩa là tùy theo bước sóng λ . Mọi
vật ở nhiệt độ lớn hơn độ K o tuyệt đối (độ ok) sẽ không ngừng bức xạ năng lượng
ra khơng gian xung quanh nó dưới dạng sóng điện từ. Tuy nhiên chỉ có một tần
bức xạ trong phạm vi bước sóng rất hẹp từ 380 – 780nm (1nm = 10 -9m) mới tạo
ra trong mắt chúng ta cảm giác sáng gọi là ánh sáng nhìn thấy hoặc đơn giản là
ánh sáng.
Như vậy ánh sáng là sự pha trộn của tất cả các bước sóng điện từ có bước
sóng trong phạm vi từ 780 – 380nm.
1.1.1. C¸c ngn bức xạ ánh sáng
Ngời ta phân ra làm 2 loại bức xạ:
- Bức xạ do bởi nung nóng (nóng sáng) hay nhiệt: nó chứa những bức xạ mà
giới hạn chiều dài sáng bao gồm một số giới hạn nào đó.
- bức xạ do bởi phát quang: nó đợc tạo bởi sự phóng điện trong chất khí mà
trở thành ánh sáng.

1.1.2. Tần số và chiều dài sóng ánh sáng
ánh sáng giống nh sóng điện từ, nó đợc lan truyền với tốc độ
3.108 m/s.
quan hệ giữa tần số và chiều dài sóng là:

=

v
f

trong đó :
: chiều dài sóng ( m )

v: tấc độ của ánh sáng ( m/s )
f: tần số của sóng ( Hz )
1.2 nh sáng trắng
Lng kính tách ¸nh s¸ng tr¾ng thành c¸c tia đơn sắc
1


Ánh sáng là từ phổ thông dùng để chỉ các bức xạ điện từ có bước sóng nằm
trong vùng quang phổ nhìn thấy được bằng mắt thường (tức là từ khoảng 400 nm
đến 700 nm). Giống như mọi bức xạ điện từ, ánh sáng có thể được mơ tả như
những đợt sóng hạt chuyển động gọi là photon. Ánh sáng do Mặt Trời tạo ra còn
được gọi là ánh nắng (hay còn gọi là ánh sáng trắng bao gồm nhiều ánh sáng đơn
sắc biến thiên liên tục từ đỏ đến tím); ánh sáng Mặt Trăng mà chúng ta thấy
được gọi là ánh tr¾ng thực tế là ánh sáng do mặt trời chiếu tới mặt trăng phản xạ
đi tới mắt người; do đèn tạo ra còn được gọi là ánh đèn; do các loài vật phát ra
gọi là ánh sáng sinh học.
“Ánh sáng lạnh” là ánh sáng có bước sóng tập trung gần vùng quang phổ tím.
“Ánh sáng nóng” là ánh sáng có bước sóng nằm gần vùng đỏ. Ánh sáng có
quang phổ trải đều từ đỏ đến tím là ánh sáng trắng; cịn ánh sáng có bước sóng
tập trung tại vùng quang phổ rất hẹp gọi là "ánh sáng đơn sc".

1.2.1 Các nguồng ánh sáng trắng
Trong một thập kỷ gần đây, LED đà mở rộng vai trò của mình từ một chấm đổ
nhỏ báo hiệu thiết bị điện tử đà đợc bật lên, cho đến nguồn ánh sáng trắng rực rỡ
có khả năng chiếu sáng một căn phòng, huặc làm ®Ìn ®êng, lµm ®Ìn trang trÝ …
HiƯu st cđa ®Ìn LED bây giờ vào khoảng 80lm/w (so với 12lm/w của đèn sợi
đốt), và mỗi LED có thể toả ra hơn 100lm

Hình 1.1 Đèn LED

2


Những loại nguồn sáng
1)ánh sáng
Mặt trời là nơi liên tục xẩy ra những phản ứng hạch tâm và phóng thích ra
vô số năng lợng. Năng lợng này đến trái đất dới dạng bức xạ điện từ. Một phần
của bức xạ này nằm trong phần có thể nhìn thấy mà ta gọi là ánh sáng trắng,
chứa những sóng có chiều dài kháang 380nm ®Õn 780nm
(1nm = 10 9 m). Theo thuyÕt hạt ánh sáng là những hạt mang năng lợng dới
hình thức những thể rất nhỏ gọi là quang tử (photon)
2) Nguồn gốc ánh sáng
Một vật thể bị đốt ở nhiệt ®é cao ®¸ng kĨ sÏ ph¸t ra ¸nh s¸ng tõ sù nãng
s¸ng (incandÐcence), thÝ dơ mét tia chíp, tia lưu còn ở nhiệt độ môi trờng thì
sự toả sáng do sự phát quang (lumnécence) thí dụ con đom đóm , màn ảnh tivi
hay bóng huýnh quang Và chất khí khi co sự phóng điện có thể phát ra ánh
sáng thí dụ nh đèn neon đèn hơi natri hay thuỷ ngân
3) Nguồn sơ cấp
Những nguồn sáng có thể tự phát ra ánh sáng. những nguồn sáng nh mặt
trời, ngôi sao nhng nguồn sáng này gọi là nguồn sáng sơ cấp vì chúng tự phát
ra ánh sáng.
4) Nguồn sáng thứ cấp
Ta không thể thấy một vật khi hoàn toàn không co ánh sáng. Nhng khi nó đợc chiếu sáng,nghĩa là nó phát lại ánh sáng trong mọi chiều hớng thì ta lại thấy
nó. Vật nào mà bị một nguồn sáng chiếu tới cũng phát ra một phần ánh sáng nó
nhận đợc thì đợc gọi là nguồn sơ cấp. Thí dụ mặt trăng là nguồn thứ cấp vì nó
toả ra ánh sáng mặt trời (nguồn sơ cấp) để ta nhìn thấy nó.
1.3 Góc khối-, steradian, sr
Có thể nói đơn giản rằng góc khối, ký hiệu , là góc trong không gian. Ta
giả thuyết rằng một nguồn điểm đặt tại tâm 0 của một hình cầu rỗng bán kính R và

ký hiệu S là tâm nguyên tố mặt của hình cầu này.

3


Hình nón đỉnh 0 cắt S trên hình cầu biểu diễn góc khối , nguồn nhìn mặt S
dới góc đó. đợc định nghĩa là tỉ số của S trên bình phơng của bán kính.
S

=

R

2

Ta đợc giá trị cực đại của khi từ 0 ta chắn cả khoảng không gian tức thời
là toàn bộ hình cầu .
=

S

R

2

=

4 . R

R

2

2

= 4 steradian

Do đó Steradian là góc khối tức là khai triển của hình nón dới góc đó một
ngời quan sát đứng ở tâm một quả cầu bán kính 1m nhìn thấy diện tích 1m 2 trên
mặt cầu này.
2

R
0



S



KS
S
R
KS

Hình.1.1.
1.4. Cờng độ sáng I candela, Cd
Là một thông số đặc trng cho nguồn sáng. Cờng độ sáng luôn luôn liên quan
tới một phơng cho trớc đợc biểu diễn bằng một vectơ theo phơng này và có độ lớn

tính bằng candela.
Cần phải định nghĩa một đơn vị mẫu đặc trng cho candela. Candela vừa có
định nghĩa mới (tháng 10 năm 1979 ) do cơ quan đo lờng S.I. đa ra.
Candela là cờng độ sáng theo một phơng đà cho của nguồn phát một bức xạ
đơn sắt có tần số 540 x 1012 Hz ( = 555nm )và cờng độ năng lợng theo phơng này
là 1/683 oát trên Steradian.
Để công suất càng lớn thì lợng cờng độ sáng có candela cµng nhiỊu.

I

OA

=

Lim

dΩ→
O

dΦ
dΩ

4


0

d

A

d

Hình .1.2.
Cờng độ sáng khi nguồn phát đồng đều mọi hớng


I= 4
để thấy rõ hơn ý nghĩa của đại lợng này trong thực tế, sau đây là một số đại
lợng cờng độ sáng của các đại lợng sáng thông dụng:
Ngọn nến

: 0.8 cd (theo mọi hớng)

Đèn sợi đốt 40w/220v

: 35 cd (theo mọi hớng)

Đèn sợi đốt 300w/220v

: 400 cd (theo mọi hớng)

Có bộ phản xạ

: 1500 cd (ở giữa chùm tia)

Đèn iốt kim loại 2Kw

: 14800 cd (theo mọi hớng)

Có bộ phản xạ

: 250000 cd (ở giữa chùm tia).

1.4.1 Quang thông - , lumen, lm
Đơn vị cờng độ sáng Candela do nguồn sáng phát theo hớng tơng ứng với
đơn vị quang thông tính theo lumen.
Lumen là quang thông do nguồn này phát ra trong một góc mở bằng một
Steradian.
Do đó nếu ta biết phân bố cờng độ sáng của nguồng trong kh«ng gian ta cã
thĨ suy ra quang th«ng cđa nó.
Trờng hợp đặc biệt nhng hay gặp, khi cờng độ bức xạ I không phụ thuộc phơng thì quang thông là:
4

=

I .d = 4.I
0

1.5. Độ rọi E, lux, Lx
5


Độ rọi là mật độ quang thông rơi trên một bề mặt, có đơn vị là Lux.
ELx =


lm
Sm2

hoặc 1Lux = 1lm/m2

Khi sự chiếu sáng trên bề mặt không đều tính trung bình số học ở các điển
khác nhau để tính độ rọi trung bình.
Một số giá trị thông dụng khi chiếu sáng tự nhiên và nhân tạo:
Ngoài trời, buổi sáng trời nắng : 100000 Lx; phòng làm việc: 400 600
Lx,
Trời có mây: 2000 10000 Lx; nhà ở: 50 300 Lx.
Trăng tròn: 0,250 Lx; phố đợc chiếu sáng: 20 50 Lx.
Khái niệm về độ rọi, ngoài nguồn ra con liên quan tới vị trí của mặt đợc
chiếu sáng.
Ta coi một nguồn sáng điểm 0 bức xạ một mặt nguyên tố dS ở cách 0 một
khoảng r, một cờng độ sáng I.
Góc là góc tạo bởi pháp tuyến

của dS với phơng r.

n

Góc khối d chắn trên một hình cầu bán kính R.
Một diện tích = dS.Cos
d =

dS .Cos
r2

=

d
I

Từ đó suy ra :
E=

d I .Cos
= r2
dS

n

0



I

d

r
Hình.1.3.

6

dS


1.6. Độ chói L, Cd/m2
Các yếu tố diện tích của các vật đợc chiếu sáng nói chung phản xạ ánh sáng
nhận đợc một cách khác nhau từ mọi phía. Để đặc trng cho các quan hệ của nguồn,
kể cả nguồn thứ cấp và sơ cấp đối với mắt cần phải thêm vào các cờng độ sáng.

Độ chói nhìn nguồn sơ cấp.
L=

I

S

bk

Trong đó: I : cờng độ sáng theo híng γ
Sbk : diƯn tÝch biĨu kiÕn khi nh×n ngn
π
Sbk = π .R2 = 4 .d2

Tiªu chuÈn L= 5000 Cd/m2 là khó chịu

.E


L=

Độ chói khi nhìn nguồn thứ cấp : Do phản xạ, do truyền dẫn.
Trong đó:

: là hệ số phản xạ bề mặt .

Các hệ số phản xạ:
Mằu trắng sáng, thạch cao trắng:

= 0.8

Các màu rất sáng, mằu trắng nhạt:

=0.7

Màu vàng, xanh lá cây, màu xi măng: = 0.5
Các màu rực rỡ, gạch: = 0.3
Các màu tối, kính:

= 0.1

Để hạn chế độ chói ta không nên chọn nguồn công suất quá lớn. Vì vậy ta
phải làm ra nhiều bóng.
1.7. Độ tơng phản C
Đối với con mắt quan sát một vật có độ chói L0 trên một nền có độ chói Lf
chỉ có thể phân biệt đợc ở mức chiếu sáng vừa đủ.
C=
Trong đó:

L0 If
If

0.01

L0 : là độ chói khi nhìn tơng ®èi
7


Lf : là độ chói khi nhìn nền.
Để phân biệt đối tợng nhìn C 0,01.

Trong thực tế kích thớc và mằu sắc của vật cũng tác động đến khả năng phân
biệt của mắt điều đó là kéo theo là mức độ chiếu sáng phải phù hợp với công
trình chiếu sáng.
1.7.1. Tiện nghi nhìn và sự loá mắt
Sự loá mắt là sự suy giảm hoặc tức thời mất đi cảm giác nhìn do sự tơng
phản quá lớn.
Nói chung ngời ta chấp nhận độ chói nhỏ rất cho mắt nhìn thấy là 10-5 Cd/
m2 và bắt đầu gây ra loá mắt ở 5000 Cd/ m2
1.8. Độ nhìn rõ và các tính năng nhìn
Tất nhiên cách chúng ta nhìn thấy các vật phụ thuộc vào độ tơng phản của
nó nhng cũng phụ thuộc vào kích thớc của vật và độ chói của nền, điều đó dẫn tới
sự kích hoạt của các tế bào hình nón (thị giác ngày) hoặc các tế bào hình que (thị
giác ban đêm).
Định nghĩa tơng phản C =

L0 − Lf
If

chøng tá mét vËt s¸ng trÌn nỊn tèi,

C > 0 biến thiên từ 0 + đối với vật tối trên nền sáng C < 0 biến thiên
từ 0 → -1. ®èi víi mét ®é chãi cđa nỊn và kích thớc của vật đà cho ta có thể xác
định ngỡng tơng phản Cs ứng với giá trị của C cho phép phân biệt đợc vật. Black
Well đà đa ra quan niệm độ nhìn rõ nh tỉ số C/Cs cho phép đánh giá tính năng nhìn.
Đối với độ nhìn rõ l, giá trị của ngỡng tơng phản càng thấp khi vậy càng
rộng và nền càng sáng.
Ta cũng nhận thấy rằng dới vài phần trăm Cd/m2 là thị giác đêm và trên vài
Cd/m2 trở nên là thị giác ngày.

8

1

Vis = 12

0

Vis = 5

-1

Vis = 1

Mơc tiªu hĐp 0,06

-2
Vis = 1

-4 -2

0

2

4

Thị giác đêm

6

Mục tiêu rộng 2

Log If

Thị giác ngày

Hình.1.4.
1.9. Định luật Lambert
Dù ánh sáng qua bề mặt trong suốt hoặc ánh sáng đợc phản xạ trên mặt mờ.
Hoặc ánh sáng chịu cả hai hiện tợng trên bề mặt trong mờ, một phần ánh sáng đợc
bề này phát lại theo hai cách sau đây:
- Sự phản xạ hoặc khúc xạ đều tuân theo định luật quang hình học hay tuân
theo định luật Đescartes.
-Sự phản xạ hoặc truyền khuyếch tán theo định luật Lambert.
.E = L.

Ta gọi độ sáng M là tỉ số quang thông phát bởi nguyên tố diện tích dù
nguyên nhân phát có là phản xạ, truyền dẫn hoặc phát xạ nội tại nh mặt màn hình
của máy thu hình.
Độ sáng tính bằng Lumen.m-2 (nhng không phải là Lux ) bởi vì đó là quang
thông phát chứ không phải là quang thông thu.
Khi độ sáng khuyếch tán, định luật Lambert đợc tổng quát hoá là:
M = L. π

9


1.10. Lux kế và đo cờng độ sáng
Lux kế: là dụng cụ đo tất cả các đại lợng ánh sáng. Dụng cụ gồm tế bào

Sêlen quang điện (pin quang điện) biến đổi năng lợng nhận đợc thành dòng điện và
cần đợc nối với một miliampe kế.
Đo cờng độ sáng: nếu tế bào chiếu sáng trực tiếp bằng một nguồn đặt ở
khoảng cach r và toả tia có cờng độ sáng I theo phơng phản tuyến với tế bào. Biểu
thức I = E.r2 cho giá trị của cờng độ sáng.
Sử dụng phơng pháp này bao gồm một điều là không có bất cứ nguồn thứ
cấp nào khác chiếu sáng nh các vật hay các thành phần phản xạ đà làm, vì thế ngời ta sơn mặt đen ( = 0.05). Chỗ tiến hành đo cờng độ sáng.
Đo độ chói : Ta xác định đợc ngay độ chói L nhờ định luật lambert và hệ số
phản xạ.
1.11. Chỉ số màu (thể hiện màu hoàn màu)
Đo là khái niệm cực kỳ quan trọng đối với sự lựa chọn tơng lai của các
nguồn sáng.
Cùng một vật đợc chiếu sáng bằng các nguồn sáng chuẩn khác nhau sẽ suất
hiện các màu khác nhau nhng không chịu bất kỳ sự biến đổi màu nào.
So sánh với một vật đen có cùng nhiệt độ màu, một vật nào đó làm biến màu
của các vật đợc chiếu sáng, sự biến đổi màu này do sự phát xạ phổ khác nhau đợc
đánh giá xuất phát từ các độ sai lệch màu và gán cho nguồn một chỉ số màu (IRC)
nó biến thiên từ không với một ánh sáng đơn sắc đến 100 đối với vật đen.
Trong thực tế ta chấp nhận sự phân loại sau đây:


Ra < 50: Chỉ số không có ý nghĩa thực tế, các màu hoàn toàn
bị
biến đổi.



Ra < 70: Các sử dụng công nghiƯp khi sù thĨ hiƯn mµu thø
u.



70 < Ra < 85: Các sử dụng thông thờng ở đó sự thể hiện màu
không quan trọng.

10


Ra > 85: Các sử dụng trong nhà ở hay ứng dụng trong công nghiệp đặc
biệt.

Chơng II. Chiếu sáng công cộng
2.1. Nguyên lý chiếu sáng cơ bản
Các tiêu chuẩn chiếu sáng đờng bộ thực chất đòi hỏi cho phép một tri giác
nhìn nhanh chóng, nhìn chính xác và tiện nghi. Về phơng diện này ta lu ý:
- Độ chói trung bình của mặt đờng do ngời lái xe quan sát khi nhìn mặt đờng ở tầm xa 100m

khi thời tiết khô yêu cầu phụ thuộc vào loại đờng (mật độ

giao thông, tốc độ, vùng đô thị hay nông thôn) trong các điều kiện làm việc bình
thờng.
Mặt đờng đợc xét đều đợc quan sát dới góc 0.50 đến 105 và chải dài 60 đến
170m trớc ngời quan sát.

1,5m
0,5
170m

1,5

1
60m

Hình.2.1.
- Độ đồng ®Ịu ph©n bè biĨu kiÕn cđa ®é chãi lÊy ë các điểm khác nhau của
bề mặt. Độ chói không giống nhau theo mọi hớng (sự phạn xạ không phải là vuông
góc mà là phản xạ hỗn hợp), điều quan trọng là chỉ rõ hình dạng lới của chỗ
quan sát.
Nói chung trên đờng giao thông ngời ta đa ra 2 điểm đo theo chiều ngang và
một tập hợp cách nhau gần 5m giữa các cột đèn đối với số lần đo theo chiÒu däc.

11


Hạn chế loá mắt không tiện nghi, nguồn cản trở và sự mệt mỏi do số lợng và
quang cảnh của các đèn xuất hiện trên thị trờng, liên quan đến ®é chãi trung b×nh
cđa con ®êng .
Do ®ã ngêi ta định nghĩa một chỉ số loá mắt G (Glare index) chia theo thang
từ 1 (không chịu đợc) đến 9 (không cảm nhận đợc) và cần phải giữa ít nhất ở mức
5 (chấp nhận đợc).
- Hiệu quả dẫn hớng khi lái phụ thuộc vào vị trí của các điểm sán trên các đờng cong, loại nguồn sáng trên 1 tuyến đờng và tín hiệu báo trớc nhng nơi cần lu ý
(đờng vòng, ngà t) cũng các lối vào của con đờng.
2.2. Các cấp chiếu sáng
Đối với các tuyến đờng ô tô quan trọng, C.I.E xác định 5 cấp chiếu sáng khi
đa ra các giá trị tối thiểu phải thoả mÃn chất lợng phục vụ.
Bảng 2.1
Độ chói
Loại đờng

Mốc

Độ đồng

Chỉ số

trung bình
Cấp

Độ đồng đều
nói chung

đều chiều

tiện

dọc

nghi

cd/m2
Ltb

A

Xa lộ

B

Xa lộ cao tốc
Đờng cái

Sáng

C

Đờng hình tia
Thành phố hoặc

Tối
Sáng

1 đến 2
2

đờng có ít ngơi

Tối

Sáng

2

bán
Đờng vắng

Sáng

0.5

E

0.4

L min
L max

1

Tối

Ul=

1

Các phố buôn

L min
Ltb

2

D

2

U0=

0.7

G

6
5

0.4
0.4

0.7

6
5

0.7

6

0.7

4

đi bộ
Các phố chính
0.4

4

12

0.5

5

Cần lu ý sự khác nhau của công thức hệ số đồng đều: giá trị của U 0
từ 0.4 có thể đảm bảo thị giác nhìn chính xác khi nhìn mặt đờng thấy phong cảnh
thấp thoáng, còn gọi là hiƯu øng bËc thang”. NÕu ®é ®ång ®Ịu theo chiỊu dọc U l
lớn hơn 0.7 thì hiệu ứng không con nữa.
2.3. Phơng pháp tỷ số R
Do sự phản chiếu không vuông của các lớp phủ mặt đờng, thoạt đầu ta
không thể xác định đợc quan hệ giữa độ chói và ®é räi ngang cđa nỊn ®êng. Tuy
nhiªn cho thÊy víi các thiết bị phân phối ánh sáng đối xứng, tính đồng đều của độ
rọi phụ thuộc vào hình dáng bố trí đèn và độ chói trung bình liên quan đến nhiều
độ rọi trung bình của loại thiết bị chiếu sáng và lớp phủ mặt đờng.
2.3.1 Chiều cao của đèn và cách bố trí đèn

h
o

s

e

l

Hình.2.2.
h: chiều cao của đèn
l: chiều rộng của mặt đờng
e: khoảng cách giữa 2 bộ đèn liên tiếp
o: khoảng cách hình chiếu của đèn đến mép đờng
s: khoảng cách hình chiếu của đèn đến chân của đèn
Sự bố trí của các bộ đèn có thể là :

13


+ ở một bên đờng : đó là trờng hợp đờng tơng đối hẹp, một phía có hàng cây hoặc
chỗ uốn cong.

Hình.2.2.a.
Sự đồng đều của độ rọi đợc đảm bảo bằng giá trị h l.
Chú ý: Trờng hợp này không đợc bố trí đèn ở chỗ uốn cong sẽ ảnh hởng tới
tâm nhìn của ngời lái xe.
+ Hai bên so le: dành cho các đờng hai chiều, độ rọi trung bình sẽ nhiều hơn
nhng tránh uốn khúc.
Sự đ�