Chiếu sáng bằng LED: Hướng tiết kiệm điện lâu dài
I. Chiếu sáng bằng LED tiết kiệm điện, giảm ô nhiễm môi trường
Thiếu điện cần phải tiết kiệm điện, đó là vấn đề không phải riêng của một số quốc gia nào. Điện chiếu sáng thông thường chiếm cỡ 20% điện lượng tiêu thụ của mỗi nước, một tỷ lệ rất đáng kể.
Vì vậy để tiết kiệm điện, nước nào cũng nghĩ đến cách tiết kiệm điện chiếu sáng. Nhưng tiết kiệm bằng cách cắt điện, giảm điện chiếu sáng dưới mức cần thiết thì ít nước làm vì ảnh hưởng đến xã hội, giao thông, an ninh, giáo dục.... Hướng quan trọng để tiết kiệm điện chiếu sáng là sử dụng những kỹ thuật chiếu sáng mới, năng lượng điện tiêu thụ ít hơn nhiều nhưng kết quả chiếu sáng không giảm, có khi còn tốt hơn. Kỹ thuật chiếu sáng mới nhất, tiết kiệm nhất nhưng lại có hiệu quả cao nhất là kỹ thuật chiếu sáng bằng chất rắn (SSL - Solid State Lighting) hay nói nôm na chiếu sáng bằng LED (LED: Light emiting diode - điôt phát sáng).
Trước khi nói rõ hơn việc chiếu sáng bằng LED là gì, dựa trên cơ sở nào, tiết kiệm ra sao và các nước trên thế giới đang triển khai như thế nào, ta xét một vài số liệu để có ấn tượng về lợi ích chiếu sáng bằng LED.
Bộ Năng lượng Mỹ báo cáo rằng nếu 50% việc chiếu sáng ở Mỹ hiện nay được thay thế bằng cách chiếu sáng bằng LED, nước Mỹ vẫn được chiếu sáng như vậy nhưng bớt đi được 41 GW điện (GW: gigawatt - nghìn tỷ watt). Một nhà máy điện cỡ trung bình có công suất cỡ 1GW, vì vậy chỉ thay thế 50% cách chiếu sáng hiện nay bằng cách chiếu sáng dùng LED, nước Mỹ có thể giảm đi 41 nhà máy điện. Bỏ đi 41 nhà máy điện, ngoài lợi ích kinh tế, còn đỡ thải ra môi trường một lượng đáng kể khí CO 2gây hiệu ứng nhà kính.
Có thể hình dung lượng khí CO 2thải ra làm tổn hại môi trường qua số liệu lấy từ báo cáo của cơ quan năng lượng quốc tế IEA năm 2006: để có điện thắp sáng như hiện nay trên toàn thế giới mỗi năm phải thải ra 1900 nghìn tỷ tấn khí CO 2, ba lần lớn hơn lượng khí CO 2do máy bay trên toàn thế giới thải ra, bằng 70% lượng khí CO 2do tòan bộ xe ô tô thải ra trong 1 năm.
Tóm lại, có thể không giảm yêu cầu chiếu sáng mà chỉ thay đổi cách chiếu sáng nhờ dùng đèn LED điện năng tiêu thụ giảm đáng kể, lượng khí CO 2làm ô nhiễm môi trường cũng giảm đáng kể. Để dễ thấy ưu việt của cách chiếu sáng bằng LED, ta hãy xét các cách chiếu sáng dùng điện phổ biến hiện nay.
II. Các loại đèn chiếu sáng đang dùng hiện nay.
1. Đèn sợi đốt
Loại đèn này ra đời đã gần 200 năm. Trong bóng thủy tinh đã hút chân không có sợi dây vonfram rất mảnh, thường gọi là sợi tóc. Khi có dòng điện chạy qua, sợi tóc nóng lên đến gần 3000 0C, phát sáng.
Loại đèn này dễ chế tạo, giá rẻ điện áp có thấp thì chỉ bớt sáng. Nhưng hơn 95% năng lượng điện tiêu thụ là để tỏa ra nhiệt, phần biến ra ánh sáng nhìn thấy chưa đầy 5 phần trăm.
Khi nóng, vonfram bị bốc hơi, nhỏ đi điện trở tăng lên, lại càng nóng hơn và dễ dẫn đến đứt. Tuổi thọ đèn này cỡ 1000 giờ.
2. Đèn halogen
Loại đèn này thực chất là đèn sợt đốt nhưng làm bằng thủy tinh chịu nhiệt hay thạch anh trong có khí thuộc họ halogen. Khi dây vônfram bị đốt nóng bay hơi, hơi vônfram lại quay lại bám vào dây, chỗ nào dây nhỏ, nóng thì hơi vônfram lại bám vào nhiều hơn. Nhờ đó bóng có thể làm nhỏ và dây tóc làm việc ở nhiệt độ cao, ánh sáng phát ra mạnh, có khi đến 9% năng lượng điện tiêu thụ biến ra ánh sáng. Tuổi thọ của đèn có thể đến 2000 giờ.
Một bóng đèn halogen 60W có độ sáng tương đương với bóng đèn sợi đốt thường 100W. Bóng thường được dùng ở đèn trước của ôtô, đèn chiếu ...
Bóng đèn rất nóng, cấu tạo phức tạp, vật liệu cao cấp hơn so với bóng đèn sợi đốt thường, giá thành cao.
3. Đèn hơi natri
Là loại đèn phát sáng nhờ hiện tượng phóng điện trong chất khí. Có hai loại: đèn áp suất thấp và đèn áp suất cao.
- Đèn hơi natri áp suất thấp (đèn thấp áp)
Gồm bóng thủy tinh ở bên ngoài, mặt trong của bóng thủy tinh này có phủ một lớp oxyt inđi. Lớp này ngăn cản làm cho tia hồng ngoại (nhiệt) phản xạ lại còn ánh sáng nhìn thấy thì xuyên qua dễ dàng. Bên trong bóng thủy tinh có một ống hình chữ U có hai điện cực và nạp khí trơ như neon, argom và một ít natri. Tạo điện khí kích thích cho hỗn hợp khí trong ống chữ U phóng điện ban đầu chỉ phát ra ánh sáng màu hồng, hỗn hợp khí hơi bị nóng lên làm cho natri biến thành hơi natri. Hơi natri này bị phóng điện kích thích phát ra ánh sáng màu vàng. Nhờ lớp oxyt inđi nên nhiệt không tỏa ra ngoài mà quay lại làm cho hơi natri dễ phát sáng hơn. Nhờ đó đèn natri có độ phát sáng cao tuổi thọ đến 18.000 giờ.
Đèn natri cho ánh sáng màu vàng thích hợp cho việc làm đèn đường chiếu sáng công cộng, vì màu vàng là màu mắt nhạy cảm nhất.
- Đèn hơi natri áp suất cao (đèn cao áp)
Đèn gồm có ống thạch anh nhỏ, có hai điện cực ở hai đầu, bên trong có hỗn hợp thủy ngân và natri. Khi tạo ra phóng điện giữa hai cực, nhiệt độ trong ống tăng lên dần làm cho điện trở của ống khí giữa hai cực giảm, dòng điện qua ống lại tăng, nhiệt độ trong ống lại tăng thêm nữa. Nhờ bố trí chấn lưu nên dòng điện trong ống chỉ tăng đến một mức giới hạn đủ để áp suất hơi trong ống khá cao, ánh sáng phát ra khá mạnh. Sự phóng điện của hỗn hợp thủy ngân và natri ở áp suất cao cho ra ánh sáng vàng xanh thích hợp cho chiếu sáng quãng trường, đường xá ở thành phố.
Đèn cao áp có cấu tạo phức tạp, giá tiền cao nhưng rất sáng và tuổi thọ bền, cỡ 20.000 giờ.
4. Đèn huỳnh quang
Đèn bắt đầu được dùng từ những năm 1940.
Thường gọi là đèn ống vì có cấu tạo là một ống thủy tinh hàn kín, hai đầu có điện cực và trong ống có khí trơ neon và vài giọt thủy ngân. Bên trong thành ống thủy tinh có phủ một lớp mỏng bột chất huỳnh quang. Nhờ hai bộ phận bên ngòai là tắcte và chấn lưu, có thể mồi cho ống khí neon phóng điện kéo theo thủy ngân bay hơi lên, tia tử ngoại phát ra. Tia tử ngoại này kích thích bột huỳnh quang ở thành ống phát ra ánh sáng nhìn thấy. Màu sắc của đèn huỳnh quang phụ thuộc chất lượng của bột huỳnh quang.
Theo cơ chế này nên đèn huỳnh quang rất ít toả nhiệt, khoảng từ 15 - 25% năng lượng điện tiêu thụ được biến thành ánh sáng, tuổi thọ có thể đến 10.000 giờ.
Đèn huỳnh quang có nhược điểm là cồng kềnh, cơ chế mồi cho phóng điện phức tạp, không tăng giảm độ sáng được và tắt mở nhiều lần thì đèn chóng hỏng.
5. Đèn compắc
Về bản chất, đèn compăc là đèn huỳnh quang cải tiến. Về hình dạng người ta không làm thành ống dài mà làm gọn lại, hình chữ U hoặc hình xoắn, có đui cài hoặc đui xoáy như ở bóng đèn sợi đốt. Loại mới, phổ biến hiện nay thì tắcte và chấn lưu được thay bằng bộ mồi điện tử, gọn nhẹ để gọn vào trong đui đèn. Cải tiến cơ bản ở đèn compăc là chất liệu ở lớp huỳnh quanh phủ ở bên trong đui đèn. Không những chất liệu phát sáng cao hơn nhưng lại phủ thành nhiều lớp tận dụng được nhiều hơn tia tử ngoại. Một đèn compăc 11W sáng bằng đèn sợi đốt 60W, tuổi thọ cỡ 10.000 giờ.
Ưu việt của đèn compăc rất rõ nên đã hàng chục năm nay trên thế giới đã có phong trào kêu gọi tiết kiệm điện bằng cách dùng đèn compăc. Tuy nhiên đèn compăc có một số nhược điểm: cần điện thế cao để mồi cho phóng điện phát sáng, thời gian từ tắt chuyển sang bật sáng lâu, không thích hợp cho việc thay đổi đóng ngắt nhiều lần.
Trong đèn huỳnh quang cũng như đèn compăc luôn có thuỷ ngân, tuy ít nhưng là chất dễ bay hơi, rất độc hại, dễ phân tán vào môi trường gây ô nhiễm đường hô hấp. Ở các nước tiên tiến có yêu cầu nhà máy làm đèn huỳnh quang, đèn compăc phải thu hồi sản phẩm đèn hỏng để tái chế, chủ yếu là thu lại thuỷ ngân không để phân tán.
Các loại đèn chiếu sáng trình bày ở trên mỗi loại đèn có ưu nhược điểm riêng. Hiểu biết được nguyên lý hoạt động ta dễ dàng phân tích, so sánh phạm vi ứng dụng của từng loại đèn.
Tuy nhiên, có thể nói trong sử dụng đại trà đèn sợi đốt có nhiều nhược điểm nhất và đèn compăc có ưu điểm nhất. Chính phủ Úc đã quyết định đến năm 2010 sẽ không dùng bóng đèn sợi đốt để thắp sáng nữa.
Nhưng có phải đèn compăc có nhiều ưu điểm nhất hay không? Trong phần tới chúng ta sẽ thấy đèn LED gần đây phát triển có những ưu điểm và không có những nhược điểm của hầu hết các đèn nói trên.
III. Đèn LED, loại đèn chiếu sáng hiện đại nhất
LED là ghép ba chữa đầu của cụm từ tiếng Anh Light emiting diode nghĩa là điôt phát sáng. Phần chủ yếu của LED là một mảnh nhỏ chất bán dẫn có pha tạp chất sao cho trong đó tạo ra được hai miền: Miền p dẫn điện bằng lỗ trống (hạt tải mang điện dương) và miền n dẫn điện bằng điện tử (hạt tải mang điện âm), giữa hai miền là lớp tiếp xúc p - n. Giống như điôt (đèn hai cực chỉnh lưu bán dẫn) dòng điện dễ dàng đi từ miền P sang miền n (đi theo chiều thuận) chứ không đi được theo chiều ngược lại. Khi nối điện đi theo chiều thuận lỗ trống và điện tử bị đẩy theo hai chiều ngược nhau, chúng gặp nhau ở lớp tiếp xúc p - n, tổ hợp lại và phát ra ánh sáng. Tuỳ theo các mức năng lượng ở hai bán dẫn tiếp xúc, ánh sáng phát ra có một màu xác định.
Ban đầu, vào những năm 1960 người ta mới làm được LED hồng ngoại và LED màu đỏ. Dần dần làm được LED màu vàng và màu da cam. Những LED này rất nhỏ gọn, chỉ to bằng hạt đỗ xanh, dùng làm đèn chỉ thị rất tốt vì gọn ít tốn điện, công suất chỉ cỡ 0,01W có hiệu quả như đèn sợi đốt công suất vài trăm lần lớn hơn. Bắt đầu từ những năm 1970 hầu hết đèn màu chỉ thị, báo hiệu ở máy móc thiết bị đều được thay thế bằng đèn LED màu.
Người ta nghĩ rằng nếu có cách nào để có đèn LED phát ra ánh sáng trắng để chiếu sáng thì vô cùng có lợi. Nhưng về nguyên tắc, ánh sáng ở mỗi đèn LED phát ra do sự nhảy từ hai mức năng lượng nhất định ở hai bán dẫn tiếp xúc nhau của đèn LED đó, vì vậy mỗi LED chỉ cho một màu xác định. Không thể tạo ra nhiều mức năng lượng gần nhau để LED đồng thời phát ra nhiều màu tạo thành màu trắng.
Nhưng đến năm 1993 Shuji Nakamura đã chế tạo được đèn LED cho ánh sáng xanh lam rất sáng đã hé mở ra nhiều cách từ LED tạo ra ánh sáng trắng.
Một số cách chủ yếu như sau:
- Dùng ba LED màu đỏ, lục, lam (RGB - red, green, blue), trộn bao màu lại với nhau, có được ánh sáng trắng.
- Dùng LED màu lam có phủ lớp photpho mỏng. Ánh sáng màu lam do LED phát ra kích thích photpho phát ra hai màu đỏ và lục. Hai màu này cộng với màu lam còn lại sau khi truyền qua lớp photpho cho ra màu trắng vì đó chính là tổ hợp RGB cộng lại.
- Dùng LED phát ra tử ngoại, chiếu vào phôtpho để kích thích phát ra ánh sáng trắng tương tự như ở đèn compăc.
- Dùng OLED tức là LED hữu cơ. Vì là chất hữu cơ nên dễ tạo ra trong đó những hạt phát ra ánh sáng lục, ánh sáng đỏ và ánh sáng lam. Tổng hợp ánh sáng phát ra từ ba loại hạt đó cho ra ánh sáng trắng.
Hiện naycách dùng LED màu lam có phủ lớp phôtpho để cho ánh sáng màu lục và màu đỏ cộng lại thành ánh sáng trắng là đơn giản, phổ cập, có hiệu quả hơn cả. Hầu hết LED trắng đang dùng hiện nay là được chế tạo theo cách này. Tuy nhiên nhiều cách chế tạo LED trắng khác đang được đẩy mạnh nghiên cứu nhằm làm cho cách chiếu sáng bằng LED có nhiều ưu việt hơn.
IV. Khả năng và ứng dụng của đèn LED hiện nay
1. Đèn LED màu
Đối với đèn màu, ưu việt nhất của đèn LED là trực tiếp cho được màu mong muốn, không cần lọc, rất tiết kiệm điện. Thí dụ trước đây đèn xanh, đèn đỏ, đèn vàng ở nút giao thông bên trong là một bóng đèn sợi đốt cỡ 140W, bên ngoài là một cái hộp kín có khoét lỗ tròn đặt kính lọc màu. Bây giờ thay bằng cách các đèn LED trực tiếp cho ra màu xanh, màu đỏ, màu vàng công suất chỉ 14W, nghĩa là chỉ bằng 1/10 công suất của đèn sợi đốt. Đèn LED lại dễ dàng bật tắt nhanh, nhiều lần không chậm chạp và mau hỏng như đèn compăc.
Các loại đèn hậu, đèn xi nhan của xe ô tô ở Châu Âu hiện nay trên 80% là dùng đèn LED, rất tiết kiệm xăng, hầu như không phải thay đèn, cả đời xe chỉ dùng một đời đèn. Tương tự, trang trí ở các show - room người ta dùng đèn LED màu sắc rực rỡ hơn, rất ít tốn điện hơn và đặc biệt là không nóng.
2. Đèn LED trắng
Hiện nay hiệu suất phát sáng của đèn LED trắng mới xấp xỉ bằng hiệu suất phát sáng ở đèn huỳnh quang compăc nhưng có nhiều uư việt nổi bật so với đèn compăc.
1. Đèn LED không có sợi đốt nên không lo bị đứt, không có khí bên trong nên không dễ bị suy thoái, không có điện cực phóng điện nên không dễ bị hư hỏng.
2. Tuổi thọ trung bình của đèn LED là 100.000 giờ, mười lần hơn tuổi thọ của đèn compăc. Nói chung tuổi thọ 100.000 giờ có nghĩa là nếu dùng đèn 24 giờ một ngày, mỗi tuần dùng 7 ngày thì bóng đèn LED có thể dùng 11 năm mới hỏng.
Đèn chỉ có hai điện cực làm việc với điện thế thấp một chiều cỡ dưới 5V, chỉ cần tạo ra được dòng điện nhỏ chạy qua là thắp sáng được đèn. Do đó sử dụng ít nguy hiểm, dễ dàng sử dụng với những nguồn điện là ăcquy, là điện tái tạo như pin mặt trời, pin nhiệt điện, thủy điện nhỏ, điện gió … Điện áp nếu bị thay đổi ít nhiều thì đèn sáng ít hay sáng nhiều hơn chứ không dễ bị hư hỏng, không làm việc được như đèn compăc.
Đây là đèn lý tưởng để chiếu sáng nhờ pin mặt trời
Đèn compăc cũng tiết kiệm điện như đèn LED nhưng cồng kềnh dễ vỡ hơn, đặc biệt là khi nguồn điện thấp như ăcquy phải có bộ điện tử phức tạp để nâng cao điện thế mới mồi, tạo ra phóng điện được. Bộ phận này rất hay hỏng nhất là khi điện thế bị sụt xuống.
Các đèn chiếu sáng cầm tay dùng pin hay ăcquy trong mấy năm gần đây đều chuyển sang dùng đèn LED trắng.
Hiện nay, đã bắt đầu phổ biến loại đèn LED trắng “tự trị”. Thí dụ để thắp sáng đường đi vào ban đêm, người ta dùng một tấm nhỏ pin mặt trời, ban ngày lấy điện nạp vào ăcquy hoặc siêu tụ điện ban đêm điện chứa ở ăcquy, ở siêu tụ được dùng để thắp sáng đèn LED trắng. Cách thắp sáng này không cần đến điện lưới, không cần nối với dây điện ngoằn ngoèo từ ngoài đến, ít phải bảo quản kỹ thuật chỉ lo bảo vệ cho khỏi mất.
3. Không như ở cuối thế kỷ XX, sang đến đầu thế kỷ XXI người ta đã chế tạo được đèn LED trắng đủ loại công suất đáp ứng nhiều yêu cầu chiếu sáng: đèn LED trắng để thắp sáng ở gia đình, ở công xưởng, ở đèn trước của xe ôtô, đèn ở đầu tàu hoả, thắp sáng đèn đường… Xét từng bóng đèn LED trắng thì công suất nhỏ nhất cỡ 0,1W; loại lớn nhất cỡ 1W. Để có độ sáng mong muốn, cách đơn giản nhất hiện nay là ghép nhiều bóng LED trắng lại. Thí dụ để thay thế đèn huỳnh quang 40W, có thể ghép 40 đèn LED trắng 1W vẫn tiết kiệm được như cũ nhưng lâu bền hơn gấp 10 lần, tính tất cả các mặt thì chi phí thấp hơn.
Có thể tham khảo vài thông tin gần đây về chiếu sáng bằng LED: Ngày 23 tháng 10 năm 2006 ở Anh đã có thông báo là cung điện Buckingham về mùa đông sẽ được chiếu sáng cả vào ban ngày vì khách du lịch phàn nàn rằng trời nhiều mây u ám, không thắp đèn thì không nhìn thấy cung điện. Nhưng để tiết kiệm, cung điện Buckingham sẽ được chiếu sáng bằng LED.
Trung Quốc đã có kế hoạch chiếu sáng bằng đèn LED cả bên trong lẫn bên ngoài các toà nhà nhân dịp Olympic 2008 và từ đó về sau đẩy mạnh việc chiếu sáng bằng LED thay các cách chiếu sáng khác hiện nay.
Nếu trước đây hơn 15 năm, các nước tiên tiến hô hào tiết kiệm điện chiếu sáng bằng cách dùng đèn compăc còn ở nước ta mãi đến vài năm gần đây mới tuyên truyền dùng đèn compăc. Hiện nay các nước tiên tiến đang đẩy mạnh kế hoạch chiếu sáng bằng LED và hy vọng đến năm 2025 trên 50% đèn chiếu sáng là LED. Nên chăng các nhà hoạch định chính sách tổ chức nghiên cứu cụ thể lợi hại các mặt để không phải 15 năm nữa mà ngay từ bây giờ đẩy mạnh việc chiếu sáng bằng LED ở nước ta.
