Trên cơ sở phân tích tình hình phát triển và triển vọng của nền công nghiệp 4.0 và công nghệ LED ứng dụng trong chiếu sáng, “Gather”, một Công ty chuyên Nghiên cứu và Tư vấn về các lĩnh vực công nghệ cao hàng đầu của thế giới đã đưa ra “5 Giai đoạn Phát triển của Công nghệ Chiếu sáng Thông minh”[1].

Với mục tiêu như “Garther” đã nêu là cung cấp thông tin cho các nhà nghiên cứu & phát triển (R&D), các nhà sản xuất và ứng dụng công nghệ chiếu sáng, các nhà hoạch định chính sách và cung cấp tài chính, v.v… nắm bắt được các bước phát triển của công nghệ chiếu sáng thông minh, nhằm định ra chiến lược, kế hoạch phát triển hợp lý cho địa phương mình, chúng tôi xin giới thiệu ý tưởng này và bổ sung một số dữ liệu, ví dụ thực tiễn mới nhất nhằm minh họa cho các đặc điểm, lợi ích của 5 giai đoạn phát triển này.

Nhận biết chiếu sáng thông minh (Smart Lighting)

Hệ thống chiếu sáng thông minh hoàn chỉnh là một hệ thống chiếu sáng được kết nối với mạng Wi-Fi, được giám sát và kiểm soát bởi một “Hệ thống tập trung” hoặc thông qua “Điện toán đám mây” (computing cloud), được thiết kế để tiết kiệm năng lượng tối đa và sử dụng ánh sáng tối ưu nhất. Chiếu sáng thông minh đã và đang được nhiều tập đoàn lớn sử dụng, đang trở nên ngày càng phổ biến trong chiếu sáng công cộng, chiếu sáng công nghiệp, thương mại, văn phòng và nhà ở. Tuy nhiên để đạt được một hệ thống chiếu sáng thông minh hoàn chỉnh, theo “Garther” chúng ta phải thực hiện năm giai đoạn phát triển công nghệ sau đây[1].

Năm giai đoạn phát triển của công nghệ chiếu sáng thông minh

Để đạt được thành công chi phí điện thấp nhất, sự an toàn, tính bảo mật và cải thiện môi trường làm việc, các nhà quản lý, các nhà nghiên cứu & phát triển, các nhà sản xuất và cung cấp dịch vụ các sản phẩm chiếu sáng cần nắm bắt và thực hiện năm giai đoạn cơ bản của công nghệ chiếu sáng thông minh sau đây (Hình 1):

Hình 1: 5 giai đoạn phát triển của công nghệ chiếu sáng thông minh [1].

Giai đoạn 1: Sử dụng đèn LED và OLED thay thế các loại đèn truyền thống

Đèn LED

Đèn huỳnh quang (T8, T5, CFL), đèn sợi đốt, đèn halogen và đèn HID (HPS, MH) sử dụng nhiều năng lượng hơn so với đèn LED để tạo ra cùng một lượng ánh sáng, điều này làm cho đèn LED sử dụng có hiệu quả hơn, lại có độ duy trì quang thông và tuổi thọ cao hơn (Hình 2a). Bên cạnh những chi phí năng lượng giảm này, việc sản xuất đèn LED ngày càng hoàn thiện, chi phí liên tục giảm, giá thành LED chiếu sáng ngày càng rẽ (Hình 2b)a) b)

Hình 2: a) So sánh hiệu quả sử dụng bóng đèn LED với các loại đèn truyền thống; b) Hiệu suất phát sáng trung bình (lượng ánh sáng trên một đơn vị năng lượng tiêu thụ) & chi phí cho mỗi bóng đèn [1,2].

Bóng đèn được chế tạo thông minh nhờ sử dụng điốt phát sáng (LED) hoặc OLED, kết hợp với công nghệ điều khiển thông minh và kết nối với mạng Wi-Fi.

Đèn OLED

OLED, giống như LED, là công nghệ chiếu sáng trạng thái rắn (SSL). OLED có cấu trúc bao gồm các lớp vật liệu hữu cơ mỏng được kẹp giữa hai điện cực. Khi dòng điện một chiều được sử dụng, các hạt mang điện từ cực dương và cực âm được đưa vào các lớp hữu cơ, sự phát sáng xảy ra và ánh sáng nhìn thấy được phát ra (Hình 3).

a) b) c)

Hình 3: a) Cấu trúc của OLED; b) Đèn panen vuông OLED ốp trần dùng để chiếu sáng; và c) So sánh cấu trúc của bộ đèn LED và OLED.

Bảng 1 so sánh một số thông số chính của đèn LED và OLED đã đạt được tại thời điểm hiện nay (2018).

Bảng1: Bảng so sánh đèn LED và OLED [3].

	Huỳnh quang	LEDs	OLEDs
Hiệu suất (Phòng thí nghiệm)		231 lm/W (trắng lạnh) 150 lm/W (trắng ấm)	133 lm/W
Hiệu suất (Thương mại)	90 lm/W	100-120 lm/W (trắng lạnh)	65 lm/W (trắng ấm)
Chỉ số hoàn màu	80-85	85 (trắng lạnh) 95 (trắng ấm)	Cho đến 95
Yếu tố hình thức	Ống thủy tinh dài hoặc compact chứa khí, thủy ngân	Nguồn sáng điểm cường độ cao, có thể tổ hợp thành đèn có dạng khác nhau	Nguồn sáng khuếch tán, mỏng, nhẹ, trong suốt, linh hoạt
Tuổi thọ (giờ)	20,000	50,000	40,000@3000 cd/m2
Giá ($/klm)	1.0	3.0	100-250

Hình 4a cho thấy chỉ trong vong 5 năm (2014 – 2018) chất lượng đèn LED của Hãng Philips đã được cải thiện một cách đáng kể, ví dụ, hiệu suất phát quang đã tăng từ 60 Lm/W lên 130Lm/W; Tuổi thọ theo tiêu chuẩn LM70 tăng từ 15.000 giờ lên 40.000 giờ. Hình 4b dự báo giá cả của OLED giảm rất nhanh và thị trường tiêu thụ OLED toàn cầu tăng một cách đột biến.

a) b)

Hình 4: 4a) Dự báo lộ trình cải thiện chất lượng đèn OLED; b) Dự báo giá thành và thị trường OLED toàn cầu cho đến năm 2025 [4].

Một số dạng đèn OLED sử dụng trong chiếu sáng được trình bày trên Hình 5 và Hình 6 là hai ví dụ điển hình về sử dụng đèn OLED để chiếu sáng trong nhà siêu tiết kiệm điện năng và lượng nhiệt tỏa ra rất thấp.

Hình 5: Một số dạng đèn chiếu sáng OLED

Hình 6: Đèn OLED được sử dụng để chiếu sáng trong nhà

Các lợi ích của việc sử dụng đèn LED thay thế các loại đèn truyền thống được mô tả tóm tắt trên Hình 7.

Hình 7: Các lợi ích của sử dụng đèn LED trong chiếu sáng [5].

Ví dụ 1: Hệ thống chiếu sáng xưởng sản xuất bằng đèn “LED Highbay” tại công ty Trần Thành do Công ty Cổ phần Bóng đèn Phích nước Rạng đông (Ralaco) sản xuất và thực hiện trong năm 2018 (Hình 8).

Số lượng đèn CFL(80W)	Số lượng đèn LED (120W) lắp đặt	Tổng công suất lắp đặt phương án cơ sở	Tổng công suất lắp đặt phương án thay thế	Điện năng tiết kiệm so với thiết kế cũ	Giảm phát thải khí nhà kính hàng năm
753	208	49,9 kW	24,96 kW.	58%	94 tấn CO2

Hình 8: Chiếu sáng xưởng sản xuất bằng đèn LED Highbay tại công ty Trần Thành (công ty Ralaco) [6].

Ví dụ 2: Hệ thống chiếu sáng tòa nhà ươm tạo công nghệ, 17 tầng, của Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam sử dụng đèn LED do Công ty cổ phần Bóng đèn Điện Quang sản xuất và thực hiện trong năm 2017 – 2018 (Hình 9).

Số lượng đèn Huỳnh quang các loại thay thế	Số lượng đèn LED các loại lắp đặt	Tổng công suất lắp đặt phương án cơ sở	Tổng công suất lắp đặt phương án thay thế	Điện năng tiết kiệm so với thiết kế cũ	Giảm phát thải khí nhà kính hàng năm
1276	1276	29,1 kW	12 kW.	42,2%	3.625 tấn CO2

Hình 9: chiếu sáng tòa nhà ươm tạo công nghệ của viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam bằng đèn LED (công ty Điện Quang) [6].

Giai đoạn 2: Cảm biến và điều khiển (Sensors and controls)

Bộ hẹn giờ được lên lịch để chiếu sáng, cảm biến chuyển động và lắp đặt đèn huỳnh quang được biết đến rộng rãi là cách để giảm mức tiêu thụ năng lượng (Hình 11). Ví dụ về các công nghệ này là khả năng kiểm soát môi trường chiếu sáng của bạn trên bảng điều khiển và hệ thống kết nối cảm biến có thể phát hiện vị trí của bạn bằng GPS / Bluetooth bằng cách sử dụng bóng đèn định vị và có thể tắt đèn nếu cảm biến phát hiện ra rằng bạn không còn ở trong khu vực sáng.

Hình 10: Các cảm biến và điều khiển dùng cho chiếu sáng trong nhà và ngoài trời

Ví dụ 3: Hệ thống chiếu sáng đường Quốc lộ 22A Tp. Hồ Chí Minh – Tây Ninh do Công ty cổ phần Chiếu sáng công cộng thành phố Hồ Chí Minh (SAPULICO) thực hiện trong năm 2017, sử dụng đèn LED công ty Schreder và owlet control & sensor, (Hình 11).

Số lượng đèn HID các loại thay thế	Số lượng đèn LED các loại lắp đặt	Tổng công suất lắp đặt phương án cơ sở	Tổng công suất lắp đặt phương án thay thế	Điện năng tiết kiệm so với thiết kế cũ/năm	Giảm phát thải khí nhà kính hàng năm
1276 đèn	1.276 đèn và owlet control, sensor	491,98 kW.	263,02 kW	53,4%	3.625 tấn CO2

Hình 11: Chiếu sáng đường Quốc lộ 22A Tp. Hồ Chí Minh – Tây Ninh do Công ty cổ phần Chiếu sáng công cộng Tp. Hồ Chí Minh thực hiện (SAPULICO) [6].

Ví dụ 4: Hệ thống chiếu sáng học đường sử dụng đèn LED và cảm biến di động do công ty Ralaco sản xuất thay thế đèn huỳnh quang ở 8 lớp học thuộc các trường TH, THCS tại Hà Nội thực hiện trong năm 2018 (Hình 12).

Số lượng đèn HID các loại thay thế	Số lượng đèn LED các loại lắp đặt	Tổng công suất lắp đặt phương án cơ sở	Tổng công suất lắp đặt phương án thay thế	Điện năng tiết kiệm so với thiết kế cũ/năm	Giảm phát thải khí nhà kính hàng năm
101 đèn	119 đèn và cảm biến di động	31.76 kW.	15.92 kW	50,1%	4 tấn CO2

Hình 12: Phương pháp đấu nối cảm biến với các bộ đèn LED chiếu sáng phòng học [6].

Ví dụ 5: Hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng đèn LED và bộ điều khiển trung tâm do trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh phối hợp với công ty Cổ phần Bóng đèn Điện Quang thiết kế, chế tạo lắp đặt tại khuôn viên trường Đại học Quốc gia Tp.Hồ Chí Minh, Q. Thủ Đức thực hiện trong năm 2018-2019 (Hình 13).

Số lượng đèn HID các loại thay thế	Số lượng đèn LED các loại lắp đặt	Tổng công suất lắp đặt phương án cơ sở	Tổng công suất lắp đặt phương án thay thế	Điện năng tiết kiệm so với thiết kế cũ/năm	Giảm phát thải khí nhà kính hàng năm
101 đèn	119 đèn và Điều khiển trung tâm	31.76 kW.	15.92 kW	50,1%	4 tấn CO2

Hình 13: Hệ thống chiếu sáng thông minh sử dụng đèn LED và bộ điều khiển trung tâm do trường ĐHBK Tp. Hồ Chí Minh phối hợp với Công ty Ralaco lắp đặt tại khuôn viên trường ĐHQG Tp.Hồ Chí Minh, Q. Thủ Đức [6].

Giai đoạn 3: Kết nối (Connectivity)

Bằng cách kết nối Wi-Fi, kết hợp sử dụng các cảm biến / các bộ điều khiển, chiếu sáng thông minh có thể giúp giảm thêm chi phí / năng lượng từ 25 đến 50%, theo ông Dean Freeman, cựu phó chủ tịch Công ty Nghiên cứu và Tư vấn “Gartner”. Chiếu sáng kết nối đang trở thành dòng chính hiện nay. Hình 14, 15 và 16 là sơ đồ nguyên lý chiếu sáng được kết nối với mạng Wi-Fi (gọi tắt: chiếu sáng được kết nối) ứng dụng để chiếu sáng ngoài trời và trong nhà.

Thêm các giai đoạn thứ tư và thứ năm, liên quan đến Phân tích và Thông minh hơn (sẽ được trình bày tiếp theo), điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng có thể giảm nhiều hơn nữa và chiếu sáng lấy lợi ích và sự tiện nghi của con người làm trung tâm sẽ được chú trọng nhiều hơn.

Hình 14: Sơ đồ nguyên lý chiếu sáng được kết nối với mạng Wi-Fi (gọi tắt: chiếu sáng được kết nối) [1].

Hình 15: Chiếu sáng ngoài trời được kết nối Wi-Fi

Hình 16: Chiếu sáng trong nhà được kết nối Wi-Fi [7].

Tóm tắt các công nghệ kết nối mạng Wi-Fi, phạm vi và lĩnh vực ứng dụng nói chung và cho các hệ thống chiếu sáng nói riêng với ba dải băng thông của các mạng Wi-Fi khác nhau được mô tả trên Bảng 2, Hình 18.

Bảng 2: Các công nghệ kết nối mạng Wi-Fi cho hệ thống chiếu sáng [8].

Băng thông hẹp	Băng thông trung	Băng thông rộng
· Điều khiển chiếu sáng cơ bản · Giám sát môi trường	Điều khiển chiếu sáng cơ bản Giám sát môi trường Điều khiển chiếu sáng tiên tiến Giám sát giao thông Bãi đậu xe thông minh Quản lý chất thải Bảng hiệu kỹ thuật số	Điều khiển giao thông Truyền hình mạch kín độ nét cao – HD CCTV (camera quan sát, camera an ninh, camera giám sát, camera chống trộm…) Wi-Fi công cộng

Hình 17: Phạm vi và lĩnh vực ứng dụng của các băng thông mạng Wi-Fi cho thành phố thông minh [8].

Hình 18 giới thiệu hệ thống đèn đường kết nối với các trạm 4G, 5G cho phép thực hiện thêm các chức năng khác của thành phố, giảm chi phí quản lý và cung cấp vùng phủ sóng tốt hơn cho các thành phố và Hình 20 trình bày 10 thành phố hàng đầu ở các nước đã lắp đặt hệ thống chiếu sáng đường bộ kết nối với Wi-fi.

Hình 18: Đèn đường kết nối với các trạm 4G, 5G cho phép thực hiện thêm các chức năng khác của thành phố, giảm chi phí quản lý và cung cấp vùng phủ sóng tốt hơn cho các thành phố [9].

Hình 19: 10 thành phố hàng đầu trên thế giới đã thực hiện “Đèn đường kết nối”với mạng Wi-Fi [9].

Các lợi ích của việc sử dụng đèn LED kết nối với mạng Wi-Fi được mô tả tóm tắt trên Hình 20.

Hình 20: Các lợi ích của chiếu sáng kết nối với mạng Wi-Fi [5].

Giai đoạn 4: Phân tích (Analytics)

Phân tích mức tiêu thụ năng lượng cho chiếu sáng cho phép phát hiện các mẫu và so sánh bằng con người hoặc máy tính để tối ưu hóa trong sử dụng ánh sáng. Các nhà quản lý tòa nhà có thể phân tích dữ liệu các khu vực chiếu sáng công cộng, các văn phòng kinh doanh, khu nhà ở để có thông tin liên quan đến nghề nghiệp, thói quen và xu hướng sử dụng ánh sáng. Dựa trên kết quả phân tích đó, đưa ra các giải pháp có thể được thực hiện để tối đa hóa việc giảm chi phí hoặc thậm chí tăng cường an ninh và môi trường cho người sử dụng.

Giai đoạn 5: Sự thông minh (Intelligence)

Giải pháp chiếu sáng thông minh (Smart) có thể trở nên thông minh hơn (more intelligent) bằng cách sử dụng công nghệ “Dữ liệu lớn” (Big Data)1 và “Trí tuệ nhân tạo” (I.A.)2 .

1 “Dữ liệu lớn” là một thuật ngữ cho việc xử lý một tập hợp dữ liệu rất lớn và phức tạp mà các ứng dụng xử lý dữ liệu truyền thống không xử lý được. Dữ liệu lớn bao gồm các thách thức như phân tích, thu thập, giám sát dữ liệu, tìm kiếm, chia sẻ, lưu trữ, truyền nhận, trực quan, truy vấn và tính riêng tư. Đối với khái niệm big data để làm việc, các tổ chức cần phải có cơ sở hạ tầng để thu thập và chứa dữ liệu, cung cấp quyền truy cập và đảm bảo thông tin trong khi lưu trữ và chuyển tiếp.

2 “Trí tuệ nhân tạo” là một ngành thuộc lĩnh vực khoa học máy tính, là trí tuệ do con người lập trình tạo nên với sự trợ giúp của máy tính để tự động hóa các hành vi thông minh như con người.

Các lợi ích của việc sử dụng đèn LED kết nối với mạng Wi-Fi kèm trong bối cảnh của thành phố thông minh được mô tả tóm tắt trên Hình 21.

Hình 21: Các lợi ích của chiếu sáng kết nối với Wi-Fi trong bối cảnh của thành phố thông minh [5].

Ví dụ 6: Robot di động dùng để khai thác khoáng sản trong lòng đất (Hình 22).

Hình 22: Mining-RoX- Robot di động dùng để khai thác khoáng sản trong lòng đất [10].

Ví dụ 6: Robot giám sát môi trường, ví dụ: ứng dụng robot giám sát môi trường trong trồng trọt (Hình 23).

Hình 23: Robot giám sát nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng môi trường và ví dụ ứng dụng robot trong trồng trọt [11].

Kết luận

Để đạt được mức độ thành công cao nhất và giảm tối đa chi phí cho chiếu sáng, cả 5 giai đoạn phát triển của “smart ligting” cần phải được thực hiện một cách hợp lý, hài hòa, tùy theo trình độ công nghệ, trí thức, hạ tầng kiến trúc, khả năng tài chính của mỗi quốc gia, vùng lãnh thổ. Các giai đoạn 1,2 và 3: chiếu sáng LED, cảm biến, điều khiển và kết nối Wi-Fi hiện nay đang là 3 giải pháp công nghệ được biết đến và áp dụng ngày càng phổ biến ở trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Giai đoạn 4 và 5 đang trên đà nghiên cứu phát triển đồng hành cùng với lộ trình phát triển “Thành phố Thông minh” ở các nước cũng như ở Việt Nam.

Trong các loại nguồn sáng, LED và OLED là hai loại nguồn sáng tiết kiệm điện năng tốt nhất; Tại thời điểm hiện nay, đèn LED có thị trường cao nhất và đèn OLED có thị trường thấp nhất. Tuy nhiên trong những năm tới, đèn OLED sẽ được phát triển nhanh và sẽ được sử dụng chủ yếu ở một số lĩnh vực chiếu sáng chuyên biệt.

Giai đoạn 4 và 5 “Phân tích” và “Thông minh” sẽ liên quan đến công nghệ “Dữ liệu lớn” (Big Data) và “Trí tuệ nhân tạo” (A.I.), nhằm sử dụng đèn LED và OLED tối ưu hóa hơn, lấy lợi ích và sự tiện nghi của con người làm trung tâm và tiết kiệm năng lượng có thể đạt đến 90% so với các công nghệ chiếu sáng trước đây. Ở Giai đoạn 4 và 5 này, các nhà nghiên cứu và phát triển, các nhà sản xuất, cung cấp thiết bị và dịch vụ chiếu sáng có thể tận dụng hiệu quả nhất các dữ liệu do các cảm biến ghi nhận, phân tích bằng công nghệ “Dữ liệu lớn” để điều khiển chất lượng chiếu sáng một cách thông minh nhất.

Cách thức mà công nghệ thông tin IoT tạo ra ở cả năm giai đoạn về các giải pháp chiếu sáng thông minh trình bày ở trên tạo ra chuỗi giá trị, thể hiện sự thay đổi cơ bản trong các công nghệ thông minh để góp phần hiện thực hóa các thành phố thông minh.