Đề tài Vận dụng kiến thức liên môn Lý- Hóa - Địa lý - GDCD trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị chiếu sáng nhắm tiết kiệm năng lượng

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO LÀO CAI
TRƯỜNG THPT SỐ 4 THÀNH PHỐ LÀO CAI
BÀI DỰ THI
VẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN LÝ- HÓA - ĐỊA LÝ -GDCD 
TRONG VIỆC NÂNG CAO HIỆU QUẢ SỬ DỤNG CÁC THIẾT BỊ CHIẾU SÁNG NHẮM TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
	- Địa chỉ: Thôn Xi Măng II xã Cam Đường- thành phố Lào Cai- Lào Cai
	- Điện thoại: 0203 852 092
	- Email: thptlaocai4@laocai.edu.vn 
	- Họ và tên học sinh: Phạm Tiến Mạnh
	- Lớp 11A5 trường THPT số 4 thành phố Lào Cai
 Lào Cai, tháng 01 năm 2015
I. Tên tình huống:
	Vận dụng kiến thức liên môn Lý- Hóa- Địa lý- GDCD trong việc nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị chiếu sáng nhằm tiết kiệm năng lượng. 
II. Mục tiêu giải quyết tình huống: 
	Hiện nay điện năng sử dụng cho mục đích chiếu sáng chiếm tỷ trọng khá lớn trong cơ cấu tiêu thụ điện. Theo các số liệu của các cơ quan thống kê điện năng tiêu thụ cho chiếu sáng chiếm từ 20% đến 40% toàn bộ điện năng sản xuất ra. Do đó phải tìm các biện pháp giảm tiêu thụ điện năng của những thiết bị chiếu sáng một cách hiệu quả nhất đang trở nên ngày một cấp thiết. 
( Hình ảnh đẹp của thành phố Lào Cai về đêm nhờ các thiết bị chiếu sáng)
Đây chính là một ý tượng giúp em tìm hiểu các thiết bị chiếu sáng hiện nay trên thị trường và các giải pháp tiết kiệm điện năng hiệu quả, thân thiện với môi trường.
Như vậy: 
- Giải pháp nào để sử dụng các thiết bị chiếu sáng nhằm giảm điện năng tiêu thụ.
- Giáo dục ý thức tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường. 
III. Tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến việc giải quyết tình huống:
Để giải quyết tình huống và mục tiêu đặt ra, em đã tìm hiểu và cần đến kiến thức của các bộ môn liên quan sau: 
 1. Môn vật lý:
- Tìm hiệu cấu tạo và hoạt động của điốt- ( vật lý lớp 11). 
- Tìm hiểu cấu tạo và hoạt động của các bóng đèn LED ( tài liệu tham khảo mạng internet).
- Tìm hiểu việc sử dụng bóng đèn LED trong chiếu sáng hiện nay.( tài liệu tham khảo mạng internet).
2. Môn hóa: 
- Liên kết hóa học và cấu tạo nguyên tử, cấu trúc mạng tinh thể (Hóa học lớp 10)
3. Môn địa lý:
- Tìm hiểu về cơ cấu nghành công nghiệp điện và vấn đề ô nhiễm môi trường trong nghành công nghiệp này. ( Địa lý 10) 	
4. Môn GDCD
Việc lồng ghép nội dung nâng cao hiệu quả sử dụng các thiết bị chiếu sáng nhằm giáo dục ý thức tiết kiệm năng lượng và sử dụng các thiết bị chiếu sáng thân thiện với môi trường.
 IV. Giải pháp giải quyết tình huống: 
1. Giải pháp lý thuyết: 
- Nghiên cứu các thiết bị chiếu sáng hiện nay đang được sử dụng trên thị trường.
- Nghiên cứu cấu tạo và hoạt động của các bóng đèn LED và hiệu quả về tiết kiệm điện năng của nó.
2. Giải pháp thực tiễn:
- Tính toán thực tiễn về một hộ gia đình khi sử dụng các thiết bị chiếu sáng bằng các bóng đèn LED so với các thiết bị chiếu sáng hiện tại
V. Thuyết minh tiến trình giải quyết tình huống: 
* Quá trình thực hiện:
- Tìm hiểu những thiết bị chiếu sáng hiện nay trên thị trường
- Tìm hiểu thiết bị chiếu sáng là các bóng đèn LED (cấu tạo, ứng dụng)
- Tính toán thực tiễn về một hộ gia đình khi sử dụng các thiết bị chiếu sáng bằng các bóng đèn LED
 - Những ưu việt của sử dụng đèn LED - giáo dục ý thức tiết kiệm năng lượng 
1. Những thiết bị chiếu sáng hiện nay trên thị trường
Những năm gần đây, ở Việt Nam, nhiều giải pháp tiết kiệm năng lượng cho các thiết bị chiếu sáng cũng đã được nghiên cứu và ứng dụng như: sử dụng công nghệ đèn chiếu sáng hiệu suất cao (đèn huỳnh quang T5, T8; đèn huỳnh quang compact; đèn LED; đèn OLED; đèn hơi natri áp xuất thấp hoặc cao; đèn hơi halogen kim loại; đèn không điện cực LVD); nâng cao hiệu suất các thiết bị trong bộ đèn (choá đèn, chấn lưu).  
Bảng thay thế các thiết bị chiếu sáng cũ bằng các đèn tiết kiệm điện
Đèn đang dùng
Thay thế bởi
Khả năng tiết kiệm năng lượng (%)
Đèn nung sáng
Đèn compact
38-75
Đèn hơi thuỷ ngân cao áp
45-54
Halogen kim loại
66
Đèn hơi natri cao cấp
66-73
Đèn tuýp tiêu chuẩn
Đèn tuýp mỏng
9-11
Đèn halogen volfam
Đèn tuýp
31-61
Đèn hơi thuỷ ngân cao áp
54-61
Halogen kim loại
48-73
Đèn hơi Natri cao cấp
48-84
Đèn hỗn hợp thuỷ ngân
Đèn hơi thuỷ ngân cao áp
41
Đèn hơi thuỷ ngân cao áp
Halogen kim loại
37
Đèn hơi Natri cao áp
34-57
Đèn hơi Natri hạ áp
62
Halogen kim loại
Đèn hơi Natri cao áp
35
Đèn hơi Natri hạ áp
42
Đèn hơi Natri cao áp
Đèn hơi Natri hạ áp
42
2. Đèn LED cấu tạo và ứng dụng
* Đèn LED đã có mặt từ những thập niên 60, hầu hết chỉ dùng hiển thị thời gian của đồng hồ báo thức hay dung lượng pin của máy ghi hình. Một thời gian dài, đèn LED đã không được dùng làm nguồn sáng bởi vì chúng chỉ cho ánh sáng đỏ, xanh lá cây và vàng mà không cho ánh sáng trắng. Đến năm 1993, công ty hoá chất Nichia của Nhật Bản cho ra đời loại đèn LED xanh dương, là sự kết hợp giữa ánh sáng đỏ và xanh lá cây để cho ra ánh sáng trắng.
* Cấu tạo: LED hoạt động dựa trên hiệu ứng điện quang
* Nguyên lý hoạt động: 
- LED là chất dẫn điện 1 chiều, phần tử dẫn diện bên trong là lớp bán dẫn P - N được tạo từ 2 chất bán dẫn (AlInGaP và InGaN). Dòng điện chỉ chạy theo chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N. Ở giữa miền tiếp xúc giữa 2 lớp bán dẫn có ánh sáng phát ra, vì điểm phát sáng rất bé nên phía trên phải có dạng nửa hình cầu để có thể phát ánh sáng tán xạ trong phạm vi 180 độ về mọi hướng giúp người ta nhìn thấy nó. Để có màu sáng khác nhau, người ta sẽ đưa thêm một số tạp chất khác nhau vào hoặc là trong lớp "nhựa" cho thêm các chất huỳnh quang. 
- LED có dòng định mức cực đại là 350mA và có hiệu điện thế định mức là 10V.Thường LED làm bằng chất bán dẫn (vô cơ hay hữu cơ - OLED). Người ta tìm cách dùng điện thế trực tiếp đưa điện tử trong bán dẫn từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao. Hiện nay dùng OLED tức là LED hữu cơ (organic) để làm LED cho ánh sáng trắng. Đưa thêm một số tạp chất khác nhau vào hoặc trong lớp nhựa cho thêm các chất huỳnh quang để có màu sáng khác nhau.
* Ưu điểm của đèn LED: 
- Hiệu suất phát sáng tăng lên 100 lần. LED trắng đang bắt đầu phổ biến vì nó kết hợp được ưu việt về tiết kiệm điện của đèn huỳnh quang, đèn compact và ưu việt về tính nhỏ gọn, tập trung, tắt bật nhanh chóng, dễ dàng của bóng đèn tròn.
- Kích thước LED rất nhỏ so với các bóng đèn hiện nay, cỡ chỉ vài mm, tiêu hao điện năng ít, có thể nối tiếp các LED thành các dải đèn dài hoặc thành từng cụm. 
- Đèn điốt phát sáng mới gọi là “LED for AC” sử dụng dòng điện xoay chiều có thể tiết kiệm đến 80% điện.
- LED có tuổi thọ 80.000-100.000 giờ, gấp 50 lần so với bóng đèn 60W. Điều này có nghĩa là chúng có thể thắp sáng liên tục trong vòng 6 năm.
- LED có thể phát ra ánh sáng có màu khác nhau, từ xanh lá cây, đỏ, đến trắng...
- Do tiêu hao nhiệt rất ít, LED hầu như không nung nóng môi trường xung quanh và khác với các loại bóng đèn khác, ánh sáng LED không gây chói, mỏi mắt, không phát ra tia cực tím.
* Ứng dụng của đèn LED:
- Trị nám bằng ánh sáng: Công nghệ điều biến tế bào dựa trên cơ sở ánh sáng không nhiệt LED được áp dụng phổ biến trong lĩnh vực y khoa, đặc biệt hiệu quả trong lĩnh vực làm đẹp. Vấn đề cải thiện tình trạng lão hóa da, nhất là nám da sẽ có thêm một giải pháp tích cực để lựa chọn.
- Trang trí nội thất- máy chiếu đèn LED: Những bồn tắm, vòi nước, vòi sen và bàn ghế... phát sáng các sắc đỏ, vàng, trắng, xanh dương và xanh lá cây.
- Bảng điện tử LED
- Trong giao thông và một số thiết bị khác: 
3. Tính toán thực tiễn về một hộ gia đình khi sử dụng các thiết bị chiếu sáng bằng các bóng đèn LED
Ví dụ: So sánh giữa đèn LED thay cho đèn Compact thông thường:
- Công suất tiêu thụ của đèn LED bóng tròn 3W- QP303
- Công suất tiêu thụ của đèn Compact : 15W
Mỗi bóng LED tiết kiệm được : 12W
Trung bình mỗi ngày ta sử dụng : 5 giờ
Một ngày ta sẽ tiết kiệm được : 0.06Kwh/1bóng
Vậy sẽ tiết kiệm được : 21,9Kwh/1năm/1bóng
* Tính toán hiệu quả kinh tế cho một hộ gia đình:
+ Sử dụng đèn LED thay cho đèn Compact.
Thời gian tính toán : 5 năm
Giá thành 01 LED bóng tròn QP303 công suất 3W : 50.000 đồng
Giá thành 01 bóng đèn Compact công suất 15W :100.000 đồng
Số lượng đèn sử dụng cho 1 hộ : 20 bóng
- Tuổi thọ của đèn : Hiện nay các loại đèn Compact thông dụng trên thị trường đa phần là đèn Trung Quốc sản xuất, tuổi thọ bình quân khoảng 1200h sử dụng. Trung bình ngày dùng 5h thì trong 01 năm phải 1,5 lần thay bóng đèn duy trì nguồn sáng.
- Khi dùng đèn LED trong suốt 5 năm bạn không phải thay bóng.
A. Chi phí lắp đặt :
+ Khi dùng đèn Compact.
Vật liệu 100.000đ/b x 20b x 1,5lần x 5năm = 15.000.000 đồng
Nhân công lắp đặt 5.000đ/b x 20b x 1,5lần x 5năm = 750.000 đồng
Tổng cộng = 15.750.000 đồng
+ Khi dùng đèn LED
Vật liệu 50.000 đ/b x 20b = 1.000.000 đồng
Nhân công lắp đặt 5.000đ/b x 20b = 100.000 đồng
Tổng cộng = 1.100.000 đồng
B. Chi phí vận hành :
+ Khi dùng đèn Compact.
Điện năng tiêu thụ 0.015kW x 5h x 365ngày x 5năm =136,875 Kwh
Giá thành 1Kwh = 1500 đồng 
Tổng cộng 136.875Kwh x 20b x 1500đ =4.106.250 đồng
+ Khi dùng đèn LED
Điện năng tiêu thụ 0.003kW x 5h x 365ngày x 5năm = 27.375Kwh
Giá thành 1Kwh = 1500 đồng
Tổng cộng 27.375Kwh x 20b x 1500đ = 821.250 đồng
C. Tổng chi phí lắp đặt và vận hành trong 5 năm :
+ Khi dùng đèn Compact : 19.856.250 đồng
+ Khi dùng đèn LED : 1921.250 đồng
=> Chênh lệch : 20.677.000 đồng
Vậy chi phí tiết kiệm được nếu sử dụng đèn 20 bóng LED thay thế cho đèn Compact trong 5 năm là: 20.677.000 đồng.
(Bài toán so sánh mới chỉ tính trong thời gian 5 năm, đèn LED nếu mỗi ngày thắp sáng khoảng 8 giờ thì độ bền trên 20 năm, như vậy lợi ích kinh tế của 15 năm tiếp theo còn vô cùng lớn) 
VI. Ý nghĩa của việc giải quyết tình huống:
Đèn LED có thay thế đèn compact, đèn huỳnh quang hay không?
- Theo các kết quả nghiên cứu về đèn LED, đèn LED tiết kiệm khoảng 90% so với đèn sợi đốt và 50% điện năng tiêu thụ so với đèn compact. Đèn LED có thể đạt được điều này do hệ số công suất của đèn LED đạt 0.97 trong khi các loại đèn truyền thống chỉ đạt 0.1 - 0.5. Bên cạnh đó, hệ thống tản nhiệt độc đáo của sản phẩm đèn LED còn giúp giảm công suất điều hòa nhiệt độ. Việc này đồng nghĩa người tiêu dùng tiết kiệm đến 2 lần khi sử dụng đèn LED thay các loại đèn khác.
- Ánh sáng đèn LED có nhiệt độ màu 3000K và 5300K hoàn toàn phù hợp sử dụng đèn LED cho mọi không gian chứ không riêng cho không gian gia đình. Ngoài ra, đèn LED không nhấp nháy trong quá trình thắp sáng nên đèn LED không gây hại cho mắt, các sản phẩm đèn LED còn có biện pháp chống chói tối đa nhằm bảo vệ mắt. 
- Và một điều quan trọng, sản phẩm đèn LED không chứa các chất độc hại (thủy ngân, chì, Camium) và tia bức xạ nên đèn LED sẽ an toàn hơn cho người sử dụng, đặc biệt là các em nhỏ.
- So với các đèn compact, hiệu quả năng lượng của đèn LED đạt được đến 70%. Bên cạnh đó, độ suy giảm quang thông của đèn compact rất nhanh, trong khi đó đèn LED đảm bảo tuổi thọ 50.000 giờ theo tiêu chuẩn L70, tức là sau 50.000 thì lượng quang thông còn lại của đèn LED là 70%. Qua một vài con số đơn giản về đèn LED, tôi nghĩ rằng người tiêu dùng có thể chọn được sản phẩm tốt nhất cho gia đình của mình và không nên bỏ qua đèn LED.
- Lợi ích lâu dài mà đèn LED mang lại: tuổi thọ đèn LED đạt đến 50.000 giờ, tương đương khoảng 20 năm (nếu sử dụng đèn LED chiếu sáng 8 giờ/ngày). Đồng thời, đèn LED giúp tiết kiệm toàn bộ chi phí bảo trì bảo dưỡng đèn LED trong suốt thời gian sử dụng.
- Lợi ích sức khỏe mà đèn LED mang lại: đèn LED không chứa chất độc hại và các tia bức xạ nên rất có lợi cho người tiêu dùng, đặc biệt các cháu nhỏ.
- Đèn LED tỏa nhiệt ít hơn so với các thiết bị đèn chiếu sáng khác do đèn LED có cấu trúc tương tự như bóng đèn tròn nhưng không có dây tóc ở giữa, đèn LED có nhiệt độ làm việc thấp hơn đèn huỳnh quang từ 13 - 250 độ C. Đèn LED cũng tạo ra nhiều ánh sáng hơn so với các loại đèn khác.
-  Đèn LED không chứa các chất độc hại, đèn LED giúp giảm 80% lượng phát thải khí CO2, do những ưu điểm đó mà đèn LED vừa có lợi cho sức khỏe người tiêu dùng vừa thân thiện với môi trường.
- Do có những ưu điểm vượt trội về nguyên lý phát sáng như vậy mà đèn LED đã mang lại những lơi ích thiết thực cho người sử dụng và cộng đồng như: thân thiện với môi trường do đèn LED giảm lượng khí thải CO2,đèn LED không sử dụng thuỷ ngân và tối thiểu hoá lượng rác thải ra môi trường; giảm áp lực nguồn cho ngành điện do đèn LED tiết kiệm điện năng. Bên cạnh đó, đèn LED rất an toàn cho người sử dụng, giảm nguy cơ cháy nổ và không gây nhức mỏi mắt do được tối thiểu hoá tia cực tím và bức xạ hồng ngoại, không nhấp nháy.
- Đèn LED có tuổi thọ lớn hơn so với các loại đèn khác và không bị ảnh hưởng bởi số lần tắt bật đèn như các loại đèn khác.
	Em nhận thấy đây chính là một giải pháp hiệu quả trong việc tiết kiệm điện và thân thiện với môi trường.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô Lý- Hóa- Địa lý- GDCD đã trợ giúp trong quá trình tìm hiểu và hoàn thiện bài viết. 
 TÁC GIẢ
 Phạm Tiến Mạnh