EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE CASO RODRIGO ESTEVES ASCURRA BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador Cuiabá – MT Setembro 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE

CASO

RODRIGO ESTEVES ASCURRA

BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador

Cuiabá – MT Setembro 2013

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MATO GROSSO FACULDADE DE ARQUITETURA, ENGENHARIA E TECNOLOGIA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE EDIFICAÇÕES E AMBIENTAL

EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO TECNOLOGIA LED: UM ESTUDO DE

CASO

RODRIGO ESTEVES ASCURRA

Dissertação apresentada junto ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Edificações e Ambiental da Universidade Federal de Mato Grosso, como requisito para obtenção do título de Mestre.

BISMARCK CASTILLO CARVALHO Orientador

Cuiabá – MT Setembro 2013

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“Os três grandes fundamentos para se conseguir qualquer coisa são, primeiro, trabalho árduo; segundo, perseverança; terceiro, senso comum.”

Thomas A. Edison

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I

RESUMO

ASCURRA, R. E. Eficiência Elétrica em Iluminação Pública Utilizando Tecnologia LED: Um Estudo de Caso. Cuiabá-MT, 2013. 157 p. Dissertação (Mestrado). Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia. Universidade Federal de Mato Grosso.

Este trabalho apresenta a avaliação dos impactos resultantes da implantação de um projeto de eficiência elétrica em iluminação pública com a utilização de lâmpadas LED (Ligth Emitting Diode). No escopo são estudados o comportamento da demanda e do consumo de energia elétrica, análise da viabilidade econômica e da relação custo benefício, análise do impacto sobre a qualidade da energia e a realização do desenvolvimento, por último, a validação experimental de um modelo computacional da luminária utilizada nos estudos. O projeto implementado propiciou a substituição da tecnologia existente na Iluminação Pública (IP) da via de tráfego central da Universidade Federal de Mato Grosso - UFMT, dotada de 40 postes de 20 metros de altura, luminárias de três pétalas com lâmpadas de vapor de sódio de 400 W, cada, por lâmpadas LEDs de 230 W. Desta forma, além da diminuição do consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência ativa, constatou-se também o alivio do sistema em horário de ponta, tornando as instalações elétricas existentes mais eficientes. Por meio da metodologia de cálculo desenvolvida nesta pesquisa, demonstrou-se que o retorno do investimento em eficiência elétrica pode proporcionar a viabilidade técnica e econômica, aferida por uma satisfatória relação custo benefício, mesmo com o custo mais elevado da lâmpada LED em relação à lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão (VSAP). Além disso, também se deve atentar para outros aspectos fundamentais: a economia com os custos de energia e a redução da necessidade de manutenção do sistema de iluminação pública. Aborda-se também, a melhoria da iluminação, aspectos ambientais relacionados com a fabricação dos LEDs e o seu descarte. Conceitos sobre a utilização da atual tecnologia em iluminação pública da UFMT é revisada e estudada de forma a comparar as características das luminárias e lâmpadas existentes com o sistema proposto. É realizada comparação dos resultados das medições, obtidas em laboratório, com relação ao consumo de energia elétrica ativa e demanda de potência ativa dos sistemas utilizados, observando-se, inclusive, os níveis de iluminância antes e após a adoção da tecnologia LED. O estudo também contempla a simulação com auxílio de uma ferramenta computacional, que possibilitou a comparação do sistema de iluminação LED e representação da modelagem do circuito contendo os componentes básicos necessários para o seu funcionamento. Palavras-chave: LED, iluminação pública, eficiência elétrica, eficiência energética, qualidade da energia elétrica, viabilidade econômica, relação custo benefício.

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II

ABSTRACT

ASCURRA, R. E. Electrical Efficiency in Street Lighting Using LED Technology: A Case Study. Cuiabá-MT, 2013. 157 p. Master’s Dissertation. Faculdade de Arquitetura, Engenharia e Tecnologia. Universidade Federal de Mato Grosso.

This paper presents the evaluation of impacts resulting from implementation of a project -efficiency electrical lighting using LED lamps ( Ligth Emitting Diode). In scope are studied behavior of demand and electricity consumption, economic viability analysis and cost benefit analysis of the impact on power quality and realization of the development, finally, the experimental validation of a computational model of the luminaire used in the studies. The project implemented enabled the replacement of existing technology in Public Lighting (IP) traffic via the central Federal University of Mato Grosso - UFMT, endowed with 40 poles, 20 feet high, with three petals lamp high pressure sodium (HPS) 400 W, each, exchanged for LED lamps of 230 W. Thus, in addition to lowering electric power consumption and demand of active power, it was also found relief of the system in peak hours, making the most efficient existing electrical installations. Through the calculation methodology developed in this study, it was shown that the return on investment in electrical efficiency can provide the technical and economic viability, as measured by a satisfactory cost-effective, even with the higher cost of the LED lamp in relation to the lamp High Pressure Sodium (HPS). In addition, attention must be given to other aspects: the economy with energy costs and reducing the need for maintenance of public lighting system. It also discusses the improvement of the lighting, environmental aspects related to the manufacture of LEDs and their discard. Concepts on the use of current technology in lighting UFMT is reviewed and studied in order to compare the characteristics of existing luminaires and lamps with the proposed system. It is performed comparing the results of measurements obtained in the laboratory with relation to the electricity consumption and demand of active power of the systems used, observing even the illuminance levels before and after the adoption of LED technology. The study also includes the simulation with the aid of a computational tool that allows the comparison of the LED lighting system and representation of the modeling circuit containing the basic components necessary for its operation.

Palavras-chave: LED, street lighting, electrical efficiency, energy efficiency, power quality, economic viability, cost-effectiveness.

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III

LISTA DE ABREVIATURAS

ABNT: Associação Brasileira de Normas Técnicas

AC: Alternating current (Corrente alternada)

ANEEL: Agência Nacional de Energia Elétrica

ANSI: American National Standards Institute

CA: Certificado de Aprovação

CO2: Dióxido de carbono

CPF: Coordenação de Planejamento Físico

DC: Direct current (Corrente direta)

DTI: Distorção harmônica total da corrente

DTT: Distorção harmônica total da tensão

EE: Eficiência Elétrica

EPC: Equipamento de proteção coletiva

EPI: Equipamento de proteção individual

FD: Fator de deslocamento

FP: Fator de Potência

FRC: Fator de recuperação de capital

GND: Ground (Terra)

IEC: International Eletrotechnical Comission

IES: Illuminating Engineering Society

IESNA: Illuminating Engineering Society of North America

Im: Iluminância média

INMETRO: Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia

IP: Iluminação Pública

IP66: Ingress Protection (Proteção contra Ingresso) ou International Protection,

(Proteção Internacional) - isolação e proteção do tipo selado contra poeira e jato forte de

água

IRC: Índice de reprodução de cores

LDO: Lei de diretrizes orçamentárias

LED: Light emitting diode (Diodo Emissor de Luz)

MME: Ministério de Minas e Energia

MVM: Multivapor metálico

NBR: Norma Brasileira

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IV

NEC: National Electrical Code

NR10: Norma regulamentadora 10 - Segurança em instalações e serviços em

eletricidade

PEE: Programa de Eficiência Energética das Concessionárias de Distribuição de

Energia Elétrica

PROCEL RELUZ: Programa Nacional de Iluminação Pública e Sinalização

Semafórica Eficientes

PROCEL: Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica

PROPLAN: Pró-Reitoria de Planejamento

QEE: Qualidade da Energia Elétrica

RCB: Relação custo benefício

SINAPI: Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil

SSL: Solid state lighting

Ta: Temperatura ambiente

Tc: Temperatura crítica

TC: Transformador de corrente

TCC: Temperatura de cor correlata

THD: Total harmonic distortion (Distorção Harmônica Total)

Tj: Temperatura junção

UFMT: Universidade Federal de Mato Grosso

UFSM: Universidade Federal de Santa Maria

UV: ultravioleta

VM: Vapor de mercúrio

VSAP: Vapor de sódio de alta pressão

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V

LISTA DE FIGURAS

Figura 01 - Classificação das vias urbanas.....................................................................14

Figura 02 - Farol de Alexandria. ....................................................................................17

Figura 03 - Humphry Davy, químico e inventor inglês, considerado o criador da

primeira Lâmpada de Arco Voltaico. ..........................................................17

Figura 04 - Exemplo de lâmpada a arco voltaico. ..........................................................17

Figura 05 - Thomas Alva Edison, inventor e empresário americano, ............................18

Figura 06 - Modelo de luminária equipada com lâmpada incandescente. .....................19

Figura 07 - Depreciação do fluxo luminoso das lâmpadas. ...........................................21

Figura 08 - Exemplo de temperaturas de cores. .............................................................22

Figura 09 - Trecho da avenida principal da UFMT, que ilustra claramente as diferenças

de índice de reprodução de cor existentes entre um cenário de iluminação

pública rodoviária com base em tecnologia LED (IRC>70) e outro

tradicional, com base na tecnologia de vapor de sódio (VSAP) (IRC<25).24

Figura 10 - Luminária tipo prato com lâmpada incandescente. .....................................26

Figura 11 - Ilustração de alguns exemplares de LED e sua evolução ao longo dos anos.

.....................................................................................................................30

Figura 12 - (a) Processo de eletroluminescência do LED e seu símbolo gráfico em (b).

.....................................................................................................................31

Figura 13 - Exemplo de LED miniatura, utilizado na eletrônica. ..................................32

Figura 14 - Tipos de perturbações elétricas que comprometem a qualidade da energia.

.....................................................................................................................38

Figura 15 - Exemplo ilustrativo de um fluxo de caixa. ..................................................46

Figura 16 - Foto panorâmica da UFMT, campus de Cuiabá/MT...................................50

Figura 17 - Organograma de um processo licitatório de obras. .....................................55

Figura 18 - Planta baixa do campus da UFMT - Cuiabá................................................56

Figura 19 - Vista geral do Campus da UFMT, e em vermelho, o trajeto da iluminação

pública em estudo. .......................................................................................58

Figura 20 - Ilustração que mostra parte da via de tráfego da UFMT e como se dispõe o

poste de 20 metros e o conjunto de luminárias de VSAP............................59

Figura 21 - Foto da luminária de três pétalas utilizadas com as lâmpadas de VSAP, que

mostra como era o sistema tradicional, instalada no topo de um poste de 20

metros de altura. ..........................................................................................59

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VI

Figura 22 - Quadro de comando e proteção utilizado no acionamento da iluminação

pública do canteiro central da Universidade Federal de Mato Grosso. .......60

Figura 23 - Espectro da luz de algumas lâmpadas x curva de sensibilidade do olho

humano. .......................................................................................................61

Figura 24 - Ilustração em CAD do trajeto da IP no canteiro central da UFMT, com a

marcação de todos os pontos de iluminação existentes neste trecho...........63

Figura 25 - Posicionamento e espaçamento médio entre os pontos de iluminação na

avenida principal da UFMT.........................................................................63

Figura 26 – Ilustração do resultado de uma simulação qualquer, feita através do

software Dialux............................................................................................64

Figura 27 - Ilustração da primeira lâmpada analisada para utilização no projeto,

Luminária LED Arealight Modular 120 – 277 V, 202W, 5700 K. .............65

Figura 28 - Tela ilustrativa da simulação computacional realizada para o cálculo

luminotécnico do projeto caso utilizasse a luminária GE Arealight............65

Figura 29 - Módulo de lâmpada pública comercializada pela Samsung, modelo

StreetLight Module 90 W. ...........................................................................66

Figura 30 - Ilustração da luminária LED estudada e escolhida para o projeto, modelo

GreenVision BRP362 de 230 W..................................................................67

Figura 31 - Resultado de simulação computacional realizada através do software

Dialux para avenida principal da UFMT, utilizando duas lâmpadas LED por

poste.............................................................................................................68

Figura 32 - Estimativa de demanda de potência ativa total para os dois tipos luminárias,

VSAP e LED, respectivamente. ..................................................................69

Figura 33 - Estimativa de consumo anual total de energia elétrica................................70

Figura 34 - Ilustração do suporte duplo utilizado para sustentação das luminárias em

poste cônico. ................................................................................................72

Figura 35 - Foto do suporte duplo utilizado na sustentação das luminárias...................73

Figura 36 - Foto do suporte triplo utilizado para a sustentação da luminária de três

pétalas (VSAP), que foi trocado pelo suporte duplo da Figura 35. .............73

Figura 37 - Exemplo de guindaste com cesto, para serviços de manutenção em

instalações elétricas, utilizados em trabalhos com altura elevada, e

sinalização de segurança através de cones...................................................74

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VII

Figura 38 - Registro fotográfico da execução dos serviços de instalação de luminárias

LED, que mostra a utilização de um caminhão munk com cesto tipo gaiola,

pronto para ser içado....................................................................................75

Figura 39 - Registro fotográfico do serviço de retirada das luminárias tradicionais

(VSAP), para posterior colocação das lâmpadas LED, mostra um caminhão

munk conectado a um cesto duplo, utilizado para o trabalho em altura de

dois eletricistas. ...........................................................................................75

Figura 40 - Ilustração do caminhão munk em dois momentos distintos durante o

içamento de dois eletricistas. Primeiramente através de cesto tipo duplo e

posteriormente através de cesto tipo gaiola, respectivamente. Com melhor

atendimento através do cesto tipo gaiola. ....................................................76

Figura 41 - Detalhe ilustrativo das luminárias retiradas, estas que eram utilizadas com

as lâmpadas de vapor sódio de alta pressão (400 W). .................................76

Figura 42 - Registro fotográfico do início da montagem das luminárias LED, in loco,

mostra duas luminárias LEDs sendo preparadas para a instalação do suporte

duplo. ...........................................................................................................77

Figura 43 - Tipo de condutor utilizado na energização da lâmpada LED, no caso, cabo

de cobre flexível triplo (F+F+T) tipo pp de 4 mm². ....................................78

Figura 44 - Foto referente ao serviço de conexão dos condutores elétricos com os

bournes da luminária LED. .........................................................................78

Figura 45 - Ilustração da etapa de montagem da luminária LED, que mostra o ajuste

dos terminais de pressão para conexão do suporte duplo com as duas

pétalas do novo sistema. ..............................................................................79

Figura 46 - Conjunto de luminária LED montada e colocada no cesto tipo gaiola de um

caminhão munk, pronto para ser instalado por dois eletricistas. .................79

Figura 47 - Içamento da luminária LED. .......................................................................80

Figura 48 - Uniforme eletricista. ....................................................................................80

Figura 49 - Ilustração de exemplos de cones de sinalização utilizados na prevenção de

acidentes. .....................................................................................................81

Figura 50 - Ilustração gráfica para representação da malha de inspeção de iluminância.

.....................................................................................................................81

Figura 51 - Luxímetro digital marca Yokogawa, modelo 51001, ..................................82

Figura 52 - Planta geral do campus da UFMT, com a localização dos trechos em que

foram realizadas as medições de iluminância..............................................84

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VIII

Figura 53 - Grade de medições de iluminância (ponto 1), realizadas com lâmpadas de

LED (a) e VSAP (b), em um trecho de 40 metros, compreendido entre dois

pontos de iluminação. ..................................................................................85

Figura 54 - Grade de medições de iluminância (ponto 2), realizadas com lâmpadas de

LED (a) e VSAP (b), trecho de espaçamento igual a 40 metros,

compreendido entre dois pontos de iluminação. .........................................86

Figura 55 - Ilustração do analisador de energia “MARH-21”, utilizado nas medições.89

Figura 56 - Montagem experimental realizada em laboratório, que mostra o

equipamento analisador utilizado para diagnóstico de desempenho da

luminária LED e VSAP. ..............................................................................90

Figura 57 - Ilustração da luminária LED Green Vision com os seus componentes

identificados.................................................................................................90

Figura 58 - Ilustração de uma lâmpada vapor de sódio 400 W, soquete E-40, tipo

tubular. .........................................................................................................91

Figura 59 - Esquema de montagem do analisador de energia e a lâmpada LED de 230

W, conectada a uma rede de 220 V / 60Hz. ................................................91

Figura 60 - Esquema de montagem do analisador de energia e lâmpada de vapor de

sódio de 400 W conectada ao reator eletromagnético, circuito energizado

por uma rede 220 V / 60 Hz. .......................................................................92

Figura 61 - Montagem experimental realizada em laboratório, que mostra um

osciloscópio (Modelo GW INSTEK GDS-2062) conectado a uma luminária

LED. ............................................................................................................92

Figura 62 - Ilustração da montagem experimental do resistor shunt em série com o

circuito da placa LED. .................................................................................93

Figura 63 - Diagrama de montagem do osciloscópio e da placa LED. ..........................93

Figura 64 - Diagrama simplificado da luminária LED...................................................94

Figura 65 - Representação ilustrativa do circuito eletrônico da luminária, contento 1

driver e 1 placa de 64 LEDs. .......................................................................95

Figura 66 - Ilustração do circuito eletrônico da luminária LED, representada através

dos módulos I, II, III, IV e V. ......................................................................95

Figura 67 - Representação gráfica de uma fonte de corrente alternada. ........................96

Figura 68 - Representação gráfica do transformador T1................................................97

Figura 69 - Ilustração do Módulo III, circuito retificador de onda completa.................97

Figura 70 - Representação do funcionamento de um retificador de onda completa. .....98

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IX

Figura 71 - Representação de um filtro capacitivo para circuito retificador de onda

completa.......................................................................................................98

Figura 72 - Diagrama simplificado de uma fonte de alimentação com utilização de

filtro com capacitor......................................................................................99

Figura 73 - Representação gráfica de uma placa com 64 LEDs. ...................................99

Figura 74 - Aspecto da modelagem computacional da representação da fonte de

alimentação da rede de energia, realizada via a interface gráfica do

ATPDraw...................................................................................................101

Figura 75 - Representação da simulação computacional do transformador, realizada via

a interface gráfica do ATPDraw. ...............................................................101

Figura 76 - Aspecto da simulação computacional do circuito da ponte retificadora de

onda completa realizada via software ATPDraw. .....................................102

Figura 77 - Representação gráfica da simulação computacional do circuito do driver e

placa de 64 LEDs, após a inserção do filtro harmônico, desenvolvida

através do software ATPDraw...................................................................103

Figura 78 - Modelagem computacional final do circuito relativo à alimentação de duas

placas, totalizando 128 LEDs, desenvolvida através de software. ............104

Figura 79 - Formas de onda da tensão aplicada na entrada da lâmpada LED, através da

simulação computacional (a), e aferição por meio de medição experimental

(b)...............................................................................................................105

Figura 80 - Formas de onda da corrente elétrica na entrada da luminária LED, feita

através da simulação computacional (a), e da medição experimental (b). 106

Figura 81 - Oscilografia das formas de onda de tensão e corrente elétrica, na entrada do

circuito, obtidas a partir de simulação feita através do software ATP (a), e

realizada através de medição experimental (b)..........................................107

Figura 82 - Gráficos de tensão e corrente (VCC) aplicados na placa de 64 LEDs,

fornecida pelo driver, obtidas a por simulação (a) e medição através de

medição experimental com a utilização do osciloscópio (b). ....................108

Figura 83 - Espectros harmônicos da tensão de entrada do circuito, obtidas por

simulação computacional (a), e medição experimental (b) através da

utilização de analisador de energia. ...........................................................109

Figura 84 - Espectro harmônico da corrente elétrica de entrada, simulação

computacional (a), e medição experimental (b). .......................................110

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X

Figura 85 - Oscilogramas de tensão e corrente da lâmpada LED (a) e da lâmpada VSAP

(b)...............................................................................................................115

Figura 86 - Espectro harmônico de tensão da luminária LED (a) e da lâmpada de VSAP

(b), obtidas na entrada de energia dos dispositivos. ..................................116

Figura 87 - Espectro harmônico de corrente elétrica da luminária LED (230W) e VSAP

(400 W)......................................................................................................117

Figura 88 - Custo total simplificado, com investimento e custo com consumo de

energia elétrica ativa da utilização de lâmpadas de VSAP em 12 anos. ...126

Figura 89 - Custo total simplificado, com investimento e custo com consumo de

energia elétrica ativa da utilização de lâmpadas LED em 12 anos............127

Figura 90 - Exemplo de representação de fluxo de caixa de um projeto. ....................129

Figura 91 - Representação gráfica dos valores de fluxo de caixa do projeto em 12 anos.

...................................................................................................................131

Figura 92 - Valores obtidos para o método do valor presente líquido com juros de 8%

ao ano.........................................................................................................132

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XI

LISTA DE QUADROS

QUADRO 01: Classificação para tráfego de pedestres..................................................15

QUADRO 02: Classificação para tráfego motorizado. ..................................................15

QUADRO 03: Vias Normais (C2)..................................................................................15

QUADRO 04: Vias Secundárias (C3). ...........................................................................16

QUADRO 05: Quantidade e participação por tipo de lâmpada na iluminação pública no

Brasil. .....................................................................................................25

QUADRO 06: Alternativas de substituição propostas. ..................................................27

QUADRO 07: Eficiência e rendimento de vários tipos de lâmpadas.............................28

QUADRO 08: Quantidade de mercúrio por lâmpada. ...................................................33

QUADRO 09: Distribuição detalhada da iluminação no Brasil – 2008.........................35

QUADRO 10: Evolução das lâmpadas no parque de IP. ...............................................36

QUADRO 11: Quadro geral de vagas dos cursos de graduação da UFMT ...................51

QUADRO 12: Resumo e comparação entre as opções de medição e verificação. ........54

QUADRO 13: Resumo dos resultados das lâmpadas.....................................................68

QUADRO 14: Valores utilizados para modelagem da fonte de alimentação de CA. ..101

QUADRO 15: Valores utilizados para modelagem do Módulo II. ..............................102

QUADRO 16: Valores utilizados para modelagem do Módulo IV – Filtro Capacitivo.

..............................................................................................................102

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XII

LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS

°C: Grau Celsius

A: Ampére, unidade de corrente elétrica

cd/m²: Candela por metro quadrado, unidade de luminância

cd: Candela, unidade de intensidade luminosa

E: Iluminância, quantidade de luz que atinge uma unidade de área (lux)

GWh: Gigawatthora, unidade de consumo de energia elétrica

Hz: Hertz, unidade de frequência

h: Hora, unidade de tempo

I: Intensidade de corrente elétrica (A)

K: Kelvin, unidade de temperatura

kVAR: kilo Volt Ampère Reativo, unidade de potência reativa

L: Luminância, medida fotométrica da intensidade luminosa por unidade de área da luz

que viaja numa determinada direção (cd/m²)

lm/W: Lúmen por watt, unidade de eficiência luminosa

lm: Lúmen, unidade de fluxo luminoso

Lx: Lux, unidade de iluminamento

m²: metro quadrado, unidade de área

MWh: Megawatthora, unidade de consumo de energia elétrica ativa

P: Potência ativa (W)

Q: Potência reativa (kVAR)

S: Potência aparente (kVA)

TWh: Terawatthora, unidade de consumo de energia elétrica ativa

U: Fator de uniformidade da iluminância em um determinado plano

V: Volts, unidade de tensão elétrica

VA: Volt Ampére, unidade de potência aparente

Wh/ano: Watthora por ano, unidade de consumo de energia elétrica ativa

φ: Fluxo luminoso, radiação total emitida em todas as direções por uma fonte luminosa

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XIII

LISTA DE TABELAS

TABELA 01: Tabela com as lâmpadas utilizadas na iluminação pública do Brasil. .....25

TABELA 02: Especificações máximas absolutas. .........................................................32

TABELA 03: Estimativa da diminuição da demanda de energia elétrica com a proposta

da iluminação utilizando lâmpadas LED de 230 W. ...............................69

TABELA 04: Estimativa de consumo de energia elétrica..............................................70

TABELA 05: Estimativa de consumo de energia elétrica diário, mensal e anual..........71

TABELA 06: Cálculo das potências e corrente elétrica.................................................71

TABELA 07: Resumo das medições de iluminância realizadas para comparação da

avaliação do desempenho da luminária LED em relação à lâmpada de

VSAP.......................................................................................................87

TABELA 08: Síntese das medições de iluminância com referência à NBR 5101.........87

TABELA 09: Tabela com o resumo dos valores de todos os componentes do circuito da

luminária LED simulada........................................................................103

TABELA 10: Resumo dos estudos realizados para avaliar o desempenho da luminária

LED sob condições ideais e nominais de suprimento ...........................104

TABELA 11: Tabela com dados comparativos entre os resultados computacionais e

experimentais.........................................................................................111

TABELA 12: Dados dos fabricantes das lâmpadas contempladas...............................113

TABELA 13: Resumo dos estudos realizados para avaliar o desempenho das lâmpadas

LED e VSAP .........................................................................................114

TABELA 14: Comparação dos valores obtidos através de medição............................118

TABELA 15: Valor estimado das potências: ativa; reativa; e aparente. De acordo com a

quantidade de pontos de iluminação, com dados das medições realizadas

em laboratório........................................................................................118

TABELA 16: Comparação da corrente harmônica da lâmpada led com os limites de

corrente harmônica para equipamentos tipo classe C da norma IEC

61000-3-2 expressa em percentagem. ...................................................119

TABELA 17: Custos unitários de equipamento, com mão de obra e custos indiretos

para ........................................................................................................123

TABELA 18: Custos unitários de equipamento, mão de obra e custos indiretos para

implantação do sistema de iluminação pública utilizando lâmpadas LED.

...............................................................................................................124

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XIV

TABELA 19: Custo do investimento inicial – Luminária de VSAP e LED ................125

TABELA 20: Estimativa de custo do consumo de energia - VSAP e LED.................125

TABELA 21: Cálculo do custo total com investimento e consumo de energia em 12

Anos - Luminária de VSAP e LED .......................................................126

TABELA 22: Estimativa de Manutenção de Vida Útil e Manutenção das Luminárias de

VSAP e LED .........................................................................................127

TABELA 23: Estimativa de fluxos de benefícios e custos da troca das lâmpadas de

VSAP por LED......................................................................................128

TABELA 24: Valores obtidos para o método do valor presente líquido, com juros de

8% ao ano. .............................................................................................131

TABELA 25: Comparação dos dados Técnicos das Lâmpadas LED e VSAP ............133

TABELA 26: Custos unitários de equipamento, mão de obra e custos indiretos para

implantação do sistema de iluminação pública com a tecnologia LED.

...............................................................................................................136

TABELA 27: Valores da Tabela Horo-Sazonal Azul, relativos ao custo unitário de

demanda e energia. ................................................................................139

TABELA 28: Valores de consumo de energia e demanda coincidente e fator de carga

...............................................................................................................139

TABELA 29: Valores das variáveis LP, LE e LE1 para k=0,15...................................140

TABELA 30: Valores das variáveis LE2, LE3, LE4 para K=0,15..................................140

TABELA 31: Constantes de perda de demanda e de energia, variáveis LP, LE, LE1,

LE2, LE3 e LE4 de acordo com a tabela de fator de carga e K=0,15. .....141

Page 20: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

XV

SUMÁRIO

RESUMO .......................................................................................................................... I

ABSTRACT ..................................................................................................................... II

LISTA DE ABREVIATURAS........................................................................................III

LISTA DE FIGURAS ......................................................................................................V

LISTA DE QUADROS .................................................................................................. XI

LISTA DE SÍMBOLOS E MEDIDAS..........................................................................XII

LISTA DE TABELAS .................................................................................................XIII

1. INTRODUÇÃO ...................................................................................................1

1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO DA PROBLEMÁTICA ..............................................1

1.2. JUSTIFICATIVA..................................................................................................3

1.3. OBJETIVO GERAL..............................................................................................4

1.3.1. Objetivos Específicos ...........................................................................................4

1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO ..........................................................................5

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA...........................................................................7

2.1. ILUMINAÇÃO PÚBLICA ...................................................................................7

2.1.1. Evolução da iluminação pública...........................................................................8

2.1.2. Eficiência Elétrica em Sistemas de Iluminação Pública (IP) – Conceitos e

recomendações .....................................................................................................9

2.1.3 Tipos de Acionamento Geralmente Utilizados em Lâmpadas de IP ..................11

2.1.4. Normas Técnicas Aplicáveis ..............................................................................12

2.1.4.1.Classificação da via pública (NBR 5101) ...........................................................12

2.1.5. Evolução da Iluminação Pública Artificial.........................................................16

2.2 CONCEITOS BÁSICOS REFERENTES À ILUMINAÇÃO ............................20

2.3. ASPECTOS DE EFICIÊNCIA COMUMENTE CONSIDERADOS EM

ILUMINAÇÃO PÚBLICA .................................................................................24

2.3.1. Eficiência e rendimento e lâmpadas comumente utilizadas em IP.....................27

2.4. TECNOLOGIA LED...........................................................................................28

2.4.1 Histórico sobre o LED........................................................................................29

2.4.2. Diodos emissores de luz .....................................................................................31

2.5. A POLUIÇÃO AMBIENTAL E EMISSÃO DE RAIOS ULTRAVIOLETAS .32

2.6. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO

BRASIL...............................................................................................................34

Page 21: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

XVI

3. ASPECTOS CONCEITUAIS SOBRE A QUALIDADE DA ENERGIA

ELÉTRICA (QEE) E AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA .37

3.1. A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA (QEE).........................................37

3.1.1. Distúrbios na amplitude da tensão......................................................................38

3.1.2. Distúrbios na frequência do sinal .......................................................................39

3.1.3. Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos..............................40

3.1.4. Deformações na forma de onda do sinal. ...........................................................41

3.1.4.1 Instrumentação utilizada para medição de harmônicos.......................................44

3.2. AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA ..........................................44

3.2.1. Fluxo de Caixa....................................................................................................45

3.2.2. Valor Presente Líquido.......................................................................................46

3.2.3. Considerações adicionais....................................................................................48

4. PROJETO DE EFICIÊNCIA ELÉTRICA NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA

DO CANTEIRO CENTRAL DA UFMT ........................................................49

4.1. ASPECTOS GERAIS SOBRE A CONCEPÇÃO DO PROJETO DE

ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO CANTEIRO CENTRAL DO CAMPUS DA

UFMT EM CUIABÁ...........................................................................................49

4.1.1. A UFMT .............................................................................................................49

4.1.2. Aspectos básicos a serem considerados num projeto de Iluminação pública ....51

4.1.3. Aspectos técnicos a serem observados num projeto de eficiência energética de IP

............................................................................................................................53

4.1.4. Procedimentos administrativos internos à UFMT..............................................54

4.1.5. Recomendações adicionais para elaboração de projeto de IP ............................56

4.2. CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DE ESTUDO ............................................58

4.3. PROJETO DESENVOLVIDO............................................................................62

4.4. DETERMINAÇÃO DO NÍVEL DE ILUMINAMENTO POR MEIO DE

SIMULAÇÃO .....................................................................................................64

4.4.1. Escolha da luminária LED..................................................................................64

4.5. ESTIMATIVA DE DEMANDA E CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA ...68

4.6. PROCEDIMENTOS PARA EXECUÇÃO DA REVITALIZAÇÃO DO

SISTEMA DE IP CENTRAL DA UFMT...........................................................72

4.6.1. Suporte duplo......................................................................................................72

4.6.2. Utilização de equipamento para retirada das luminárias antigas e instalação das

luminárias LED ..................................................................................................74

Page 22: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

XVII

4.6.3. Montagem e instalação da luminária LED .........................................................77

4.6.4. Sinalização e segurança......................................................................................80

4.7. MEDIÇÃO DE ILUMINÂNCIA........................................................................81

5. RESULTADOS..................................................................................................89

5.1. MONTAGEM EXPERIMENTAL......................................................................89

5.2. MODELAGEM COMPUTACIONAL DA LÂMPADA LED ...........................94

5.2.1. Identificação da luminária LED e circuito equivalente......................................94

5.2.1.1 Módulo I: Fonte de corrente alternada (rede de baixa tensão 220 V) .................96

5.2.1.2 Módulo II: Transformador...................................................................................97

5.2.1.3 Módulo III: Circuito Retificador .........................................................................97

5.2.1.4 Módulo IV: Filtro Capacitivo..............................................................................98

5.2.1.5 Módulo V - Placa de LEDs .................................................................................99

5.2.2. Implementação computacional no software ATP e validação experimental....100

5.3. AVALIAÇÃO DO IMPACTO NA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA

COM A SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA DO

CAMPUS...........................................................................................................112

5.3.1. Dados e especificações técnicas .......................................................................113

5.3.2. Resultados.........................................................................................................114

5.4. ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA E CÁLCULO DE RELAÇÃO

CUSTO BENEFÍCIO DO PROJETO PROPOSTO..........................................120

5.4.1 Estudo de Viabilidade Econômica....................................................................123

5.4.2. Cálculo de Relação de Custo Benefício (RCB)................................................132

5.4.2.1 Levantamento dos Dados Técnicos dos Equipamentos.....................................133

5.4.2.2 Redução de Demanda na Ponta e Energia Economizada ..................................134

5.4.2.3 Fator de Recuperação de Capital (FRC)............................................................135

5.4.2.4 Levantamento do Custo de Investimento do Projeto.........................................136

5.4.2.5 Custo Anualizado do Valor Investido ...............................................................137

5.4.2.6 Custo Evitado de Demanda e Consumo de Energia Elétrica Ativa...................137

5.4.2.7 Cálculo do Valor do Benefício Anualizado.......................................................141

5.4.2.8 Relação Custo Benefício (RCB)........................................................................142

5.4.2.9 Considerações Adicionais .................................................................................142

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS..........................................................................144

6.1. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS ..............................................148

7. REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICAS.............................................................149

Page 23: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

XVIII

Page 24: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

1

1. INTRODUÇÃO

O presente capítulo introdutório contextualiza a pesquisa a ser apresentada, sua

problemática e expõe as justificativas para o desenvolvimento desta dissertação, além de

seus objetivos e a estruturação do documento.

1.1. CONTEXTUALIZAÇÃO DA PROBLEMÁTICA

Como resposta às crises energéticas (do petróleo em 1972 e 1979 e o apagão

entre 2001 e 2002), o aumento dos juros internacionais e na busca da sustentabilidade,

empresas, órgãos governamentais e sociedade tem buscado alternativas objetivando a

racionalização do consumo de energia elétrica, tais como o desenvolvimento de projetos

com o objetivo de identificar oportunidades de melhorias nos equipamentos e nos

processos (UFSM, 2012).

Com os movimentos em prol do meio ambiente e com os tratados relacionados

às mudanças climáticas, a eficiência energética foi colocada na condição de instrumento

privilegiado e, por vezes, preferencial para a mitigação de efeitos decorrentes das

emissões de gases causadores do efeito estufa e destruidores da Camada de Ozônio. Ao

mesmo tempo, aumentou a percepção de que o aumento de eficiência pode constituir

uma das formas mais econômicas e ambientalmente favorável de atendimento a parte

dos requisitos de energia de programas de eficiência energética, como o Programa

Nacional de Conservação de Energia Elétrica (PROCEL) e o Programa de Eficiência

Energética (PEE).

Com a edição da Lei n° 9.991, de julho de 2000, foi regulamentada a

obrigatoriedade de investimentos em programas de eficiência energética no uso final,

por parte das empresas brasileiras distribuidoras de energia elétrica. Esta Lei consolidou

a destinação de um montante importante de recursos para ações de Eficiência

Energética, o chamado Programa de Eficiência Energética das Concessionárias de

Distribuição de Energia Elétrica (PEE). Este programa totaliza ate o momento, mais de

R$ 2 bilhões em investimentos realizados ou em execução. Em 2010, foi promulgada a

Lei n° 12.212, que alterou o percentual destinado aos consumidores de baixa renda. Por

meio desta Lei, as concessionárias e permissionárias de distribuição de energia elétrica

deverão aplicar, no mínimo, 60% dos recursos dos seus programas de eficiência

energética em unidades consumidoras beneficiadas pela tarifa social, (MME, 2010).

Page 25: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

2

Nessa direção, para a definição do uso de insumos energéticos, é de grande

importância na tomada de decisões, além do aspecto de custo, também as implicações

climáticas que as emissões associadas ao consumo de energia acarretam. A maneira

como se utiliza a energia elétrica é uma questão chave neste processo. Por este motivo,

o aumento da eficiência energética nas atividades em órgãos públicos é imprescindível

para se atingirem os objetivos deste novo modelo de desenvolvimento, denominado

sustentável, tanto pela diminuição da demanda energética global quanto pelo aumento

dos correspondentes resultados econômicos.

De acordo com estudos conduzidos pela Eletrobrás em 2008, a iluminação

pública representa aproximadamente 3,96% do total de energia elétrica consumida no

Brasil, correspondendo a 10.624 GWh/ano. Este dado evidencia a necessidade de se

avaliar o potencial de economia neste segmento, pois a IP (Iluminação Pública) faz

parte deste montante de consumo de energia elétrica utilizada pelo país, (MME, 2010).

Muitos projetos de eficiência nesta área utilizam lâmpadas de alta pressão na sua

concepção, porém, novas tecnologias surgem como alternativas e tendências futuras.

Exemplo disto é a evolução tecnológica das luminárias LED (light emitting diode), de

baixo consumo de energia elétrica. Que vem reduzindo a predominância da tecnologia

consolidada de lâmpadas de descarga, vislumbrando-se um grande potencial de

economia de energia. Anualmente são consumidos no mundo 151,2 teraWatt-hora

(TWh), em média, de energia elétrica em iluminação pública, com o uso de dispositivos

mais eficientes grande percentual deste valor pode ser economizado, com a substituição

por luminárias LED. Esta tecnologia, dessa forma, coloca-se na linha de frente no

combate à poluição ambiental, vez que, além dos pontos já focados, não utilizam

componentes tóxicos na sua composição, ao contrário do que acontece com algumas das

tecnologias tradicionais, como, por exemplo, as lâmpadas de mercúrio e de sódio de alta

pressão, assim como também, no tocante ao desperdício de energia, (BLUESPAN,

2009).

Outra vantagem na utilização de luminárias LED é a redução do custo

operacional com manutenção, pois as luminárias LED possuem vida útil superior às

lâmpadas tradicionais. Por outro lado, também é significativo o aumento da qualidade

da iluminação pública, pois à luz emitida pelo LED apresenta um índice de reprodução

de cor - IRC mínimo de 70, contra um máximo de 25 das lâmpadas de Vapor de Sódio

de Alta Pressão – VSAP.

Page 26: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

3

A maior eficiência energética mencionada constitui-se como uma valiosa

oportunidade para a Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT) buscar economia

nos custos com energia elétrica, e oportunizando uma utilização de forma mais racional.

Também deve ser registrado, que o estudo e uso de novas tecnologias serve de exemplo

para a sociedade. Muito embora o sistema de iluminação pública atualmente utilizado

pela UFMT e pelas concessionárias de energia atinjam o padrão de eficiência estipulado

pela Eletrobrás, pretende-se com este estudo, demonstrar que se pode atingir níveis de

economia superiores aos relatados nos manuais de eficiência energética comumente

utilizados para os investimentos nesta área.

1.2. JUSTIFICATIVA

A necessidade de conservação de energia no setor elétrico brasileiro, com o

propósito de diminuir os recursos destinados a expansão da geração e transmissão, tem

levado à adoção de alguns programas pelo governo federal, com intuito de promover

uma forma de utilização mais racional da energia elétrica. Um dos mais importantes é o

programa PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) da

Eletrobrás. Dentro deste programa, o Reluz, objetiva a implantação de sistemas de

Iluminação Pública – IP mais eficientes, o que requer a utilização de tecnologias de

lâmpadas que apresentem maior relação lúmens/Watts, proporcionando economia,

devido ao baixo consumo de energia elétrica e, ainda, melhorar a qualidade na

iluminação. Como resultado positivo da implementação deste programa, destaca-se uma

melhoria significativa da eficiência energética, com a utilização maciça de Lâmpadas a

Vapor de Sódio de Alta Pressão – LVSAP.

Dentro das tecnologias que estão despontando, as lâmpadas a LED oferecem um

grande potencial de aplicação devido a sua alta eficiência aliada ao bom desempenho

luminotécnico e ao impacto positivo em relação ao meio ambiente, constituindo-se

como uma boa alternativa, ocupando maior espaço no mundo. É de se esperar, portanto,

que sistemas de IP a LED no Brasil acompanhem esta tendência, seja fazendo parte de

parques de IP híbridos, formados por lâmpadas a descarga e lâmpadas a LED, ou

somente por lâmpadas LED.

As fontes primárias de energia são limitadas. Mesmo a água, que embora seja

renovável, nem por isso é inesgotável, sofre variações pluviométricas e por vezes

calamitosas como foi à experiência pela qual o Brasil passou em 2001. Sendo assim, é

Page 27: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

4

mais um fato que evidencia a necessidade de investimentos em projetos de eficiência

energética, em particular nos sistemas de iluminação pública nos municípios brasileiros,

bem como ações para se alcançar o potencial técnico de economia de energia para este

segmento e explorar o potencial de energia utilizado em um ambiente específico,

adequando-o a um aproveitamento mais econômico da energia fornecida.

1.3. OBJETIVO GERAL

O objetivo geral desta pesquisa é realizar uma comparação entre dois tipos de

tecnologias utilizados na iluminação pública. No caso, a lâmpada utilizada na UFMT, a

mesma utilizada na maioria das vias públicas de Cuiabá, realizada por meio de

lâmpadas de Vapor de Sódio de Alta Pressão (VSAP), e o novo modelo adotado neste

estudo - a tecnologia LED, considerada uma tecnologia inovadora nos sistemas de IP.

São principalmente abordados aspectos como eficiência energética, consumo de energia

elétrica ativa, demanda de potência ativa do sistema e o custo de investimento e

manutenção do sistema de iluminação pública, responsáveis por uma parcela

significativa da operação de um sistema de IP.

O estudo tem como foco também, avaliar a viabilidade econômica e aspectos

técnicos tais como a eficiência luminosa, vida útil das lâmpadas, índice de reprodução

de cores (IRC). Inclusive a nível ambiental, são abordadas questões como a poluição

gerada pelo material construtivo das lâmpadas.

Os estudos realizados contemplam as metodologias experimental e simulação

por meio de recursos computacionais, voltados para avaliar a operação da lâmpada LED

estudada.

1.3.1. Objetivos Específicos

Como objetivos específicos destacam-se:

a) Levantar o estado da arte sobre as lâmpadas LED, sua utilização, características

técnicas e aspectos ambientais relacionados à fabricação dos LEDs.

Page 28: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

5

b) Estudo comparativo entre lâmpadas LED e VSAP, para tanto abordando:

1) Níveis de iluminância antes e depois da adoção da tecnologia LED, da área

escolhida;

2) Análise do impacto da sua utilização sobre o consumo de energia elétrica

ativa e demanda de potência ativa;

3) Análise de viabilidade econômica e da relação custo benefício;

4) Análise do impacto sobre a qualidade da energia;

5) Desenvolvimento e validação experimental de um modelo computacional da

luminária utilizada nos estudos, por meio de simulações.

1.4. ESTRUTURA DO TRABALHO

A presente dissertação está organizada em capítulos, que complementarmente a

este capítulo introdutório, apresenta os capítulos seguintes.

Capítulo 2 - trata dos temas centrais relacionados à iluminação pública: sua

evolução e conceitos básicos referentes à iluminação artificial, aspectos comumente

considerados em eficiência de iluminação pública, conceitos e histórico sobre o LED.

Capítulo 3 - trata dos aspectos conceituais sobre a qualidade da energia elétrica

(QEE) e a avaliação da viabilidade econômica, sob a ótica da eficiência elétrica.

Capítulo 4 - Aborda a metodologia empregada neste trabalho, desde a concepção

do projeto da UFMT e caracterização do local de estudo. Prosseguindo, atenta-se para a

legislação para a elaboração de projetos luminotécnicos, determinação do nível de

iluminamento, escolha da luminária, estimativa de demanda de potência ativa e

consumo de energia elétrica ativa, as etapas para sua implementação, medições de

iluminamento (com medições de iluminância antes e após a implantação do novo

sistema) para comparação dos valores medidos entre a lâmpada de vapor de sódio e a

lâmpada LED.

Capítulo 5 – Apresenta os resultados e discussões alcançados com a pesquisa,

discorre-se sobre os impactos na qualidade da energia elétrica, a viabilidade econômica

e a relação custo benefício levando-se em consideração os custos da energia elétrica,

custos de investimento e custos com manutenção.

Page 29: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

6

Capítulo 6 – Apresenta o registro das considerações finais da dissertação,

principais avanços alcançados bem como a indicação de possíveis estudos futuros sobre

o tema.

Na parte final do trabalho, relacionam-se as principais referências utilizadas para

o desenvolvimento deste estudo.

Page 30: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

7

2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

Neste capítulo são abordados, a evolução da iluminação pública artificial, fontes

utilizadas em iluminação pública, aspectos ambientais, conceitos sobre iluminação,

vantagens e desvantagens da tecnologia LED, normas relacionadas à iluminação

pública, qualidade da energia e viabilidade econômica.

2.1. ILUMINAÇÃO PÚBLICA

A Iluminação Pública, alvo desta dissertação, encontra-se definida na Resolução

da Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL n.º 414/2010, como - o serviço que

tem por objetivo prover de luz, no período noturno ou nos escurecimentos diurnos

ocasionais, os logradouros públicos, inclusive aqueles que necessitem de iluminação

permanente no período diurno. A resolução estabelece classes e subclasses para efeito

de aplicação de tarifas. O inciso VI versa sobre a Iluminação Pública e define a

abrangência do fornecimento de energia elétrica:

Fornecimento para iluminação de ruas, praças, avenidas, túneis, passagens

subterrâneas, jardins, vias, estradas, passarelas, abrigos de usuários de

transportes coletivos, e outros logradouros de domínio público, de uso

comum e livre acesso, de responsabilidade de pessoa jurídica de direito

público ou por esta delegada mediante concessão ou autorização, incluído o

fornecimento destinado à iluminação de monumentos, fachadas, fontes

luminosas e obras de arte de valor histórico, cultural ou ambiental,

localizadas em áreas públicas e definidas por meio de legislação específica,

excluído o fornecimento de energia elétrica que tenha por objetivo qualquer

forma de propaganda ou publicidade (ANEEL, 2010).

Também determina a celebração de contrato de fornecimento de energia elétrica

para a iluminação pública com a inclusão de condições específicas a serem cumpridas:

Art. 25. Para o fornecimento destinado a Iluminação Pública deverá ser

firmado contrato tendo por objeto ajustar as condições de prestação do

serviço, o qual, além das cláusulas referidas no art. 23, deve também

disciplinar as seguintes condições:

I - propriedade das instalações;

Page 31: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

8

II - forma e condições para prestação dos serviços de operação e

manutenção, conforme o caso;

III - procedimentos para alteração de carga e atualização do cadastro;

IV - procedimentos para revisão dos consumos de energia elétrica ativa

vinculados à utilização de equipamentos automáticos de controle de carga;

V - tarifas e impostos aplicáveis;

VI - condições de faturamento, incluindo critérios para contemplar falhas no

funcionamento do sistema;

VII - condições de faturamento das perdas referidas no art. 61;

VIII - condições e procedimentos para o uso de postes e da rede de

distribuição;

IX - datas de leitura dos medidores, quando houver, de apresentação e de

vencimento das faturas, (ANEEL, 2010).

Em relação à cobrança feita pela Concessionária à Prefeitura, a resolução

determina:

Art. 60. Para fins de faturamento de energia elétrica destinada à iluminação

pública ou iluminação de vias internas de condomínios fechados, será de

360 (trezentos e sessenta) o número de horas a ser considerado como tempo

de consumo mensal, ressalvado o caso de logradouros públicos que

necessitem de iluminação permanente, em que o tempo será de 24 (vinte e

quatro) horas por dia do período de fornecimento, (ANEEL, 2010).

O consumo de energia elétrica da IP é calculado por estimativa, o valor apurado

depende diretamente do cadastro de IP do município, cabendo a este e à concessionária

zelar por mantê-lo sempre atualizado, conforme previsto no Inciso III do art. 25

sobredito. O art. 62 destaca-se que:

Art. 62. Caso sejam instalados equipamentos automáticos de controle de

carga, que reduzam o consumo de energia elétrica do sistema de iluminação

pública, a concessionária deverá proceder a revisão da estimativa de

consumo e considerar a redução proporcionada por tais equipamentos,

(ANEEL, 2010).

2.1.1. Evolução da iluminação pública

A evolução da iluminação pública tem ocorrido ao longo da história da

humanidade como indispensável para as atividades realizadas no período noturno e

Page 32: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

9

diurno. Estas são das mais distintas naturezas: como guiar um automóvel pelas ruas,

passeio de pedestres, e até mesmo iluminar toda uma universidade. Sendo assim, é

necessária a iluminação pública de forma eficaz para que sejam desenvolvidas várias

atividades no período da noite.

Ilumina-se o ambiente à noite para alcançar certos objetivos sociais (ou

econômicos), que incluem segurança, apoio ao desenvolvimento, destaque

às áreas históricas ou espaços verdes públicos ou para enviar mensagens

(MASCARÓ, 2006).

Evidentemente, várias das atividades noturnas hoje rotineiras, surgiram como

resultado da evolução da tecnologia empregada na iluminação. Ou seja, a rotina das

pessoas foi se alterando e as atividades exercidas foram se multiplicando. Hoje é

praticamente impensável viver sem vida noturna. Para tanto, é necessário que a

iluminação seja adequada de acordo com as atividades a serem realizadas,

possibilitando aos cidadãos uma percepção de iluminação mais eficiente, atentando para

o tipo de atividade envolvida, de forma a melhor aproveitar a luz produzida.

No caso em tela, é levada em consideração a iluminação pública da

Universidade Federal de Mato Grosso (UFMT), onde existem vias de tráfego, calçadas,

acesso de veículos e pedestres, estacionamento e prédios, de maneira que a iluminação

deve ser projetada considerando a NBR-05101-1992 (Iluminação Pública), de forma a

satisfazer seus utilitários.

2.1.2. Eficiência Elétrica em Sistemas de Iluminação Pública (IP) – Conceitos e

recomendações

O Brasil vem passando por uma sensível melhoria na qualidade na prestação do

serviço de iluminação pública. Novas tecnologias vêm sendo desenvolvidas e adotadas,

que potencialmente podem aumentar a eficiência dos sistemas de iluminação pública

existentes, reduzindo o consumo de energia elétrica nesse segmento. Desde 1993, com a

aplicação de recursos em projetos de eficiência energética, a Eletrobrás, por meio do

PROCEL, financia a eficientização da iluminação pública tendo como mutuaria as

concessionárias, (MME, 2010).

Page 33: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

10

Quando se desenvolvem projetos de eficiência energética para sistemas de

iluminação em geral, alguns problemas são frequentemente relatados. Em particular,

sejam empresas públicas ou privadas, os sistemas de iluminação geralmente se

encontram fora dos padrões técnicos adequados. Os tipos mais comuns dessas

ocorrências são:

1) Sobredimensionamento (iluminação em excesso);

2) Falta de aproveitamento da iluminação natural;

3) Uso de equipamentos com baixa eficiência luminosa;

4) Falta de comandos (interruptores) das luminárias;

5) Ausência de manutenção, depreciando o sistema;

6) Hábitos de uso inadequados.

Portanto, em projetos luminotécnicos eficientes, deve-se sempre buscar:

1) Boas condições de visibilidade;

2) Boa reprodução de cores;

3) Economia de energia elétrica;

4) Facilidade e menores custos de manutenção;

5) Preço inicial compatível;

6) Utilizar iluminação local de reforço;

7) Combinar iluminação natural com artificial.

Para que sejam alcançados os objetivos em um projeto de iluminação, deve-se

definir o nível de iluminância no local, de acordo com a destinação do ambiente. Para

isso, existem normas técnicas que orientam ou recomendam os níveis recomendados em

função da atividade, características dos usuários, dentre outros.

Os níveis recomendados variam, também, com a duração do trabalho sob

iluminação artificial, devendo ser mais elevado para as longas jornadas. Deve-se buscar

preferencialmente uma correta reprodução das cores dos objetos e ambientes

Page 34: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

11

iluminados. A impressão da cor de um objeto depende da composição espectral da luz

que o ilumina, de suas refletâncias espectrais e do sentido da visão humana. Portanto, a

cor não é exatamente uma propriedade fixa e permanente de um objeto, mas o que se

enxerga como cor é o fluxo luminoso refletido pelo mesmo, (RODRIGUES, 2002).

Na escolha dos aparelhos de iluminação, ou seja, conjunto lâmpada, luminária e

acessórios, os aspectos que devem ser observados são: tipos de lâmpadas que podem ser

empregadas; dispositivos mais econômicos; vida útil e manutenção de suas

características com o tempo e análise das características do ambiente em questão.

Dessa forma, além dos aspectos quantitativos devem também ser aferidos

também os qualitativos, de modo a criar uma iluminação que responda a todos os

requisitos que o usuário exige do espaço iluminado.

2.1.3 Tipos de Acionamento Geralmente Utilizados em Lâmpadas de IP

As lâmpadas de descarga, no que se refere à emissão do fluxo luminoso, não se

comportam da mesma maneira na partida a frio e a quente. Na iluminação pública esta

característica requer atenção, pois dependendo do local e do tipo de utilização, o tempo

de acendimento e/ou re-acendimento pode ser muito importante.

Para partida a frio, o fluxo luminoso das lâmpadas de descarga não atinge de

imediato 90% de seu valor nominal, índice considerado mínimo para a lâmpada estar

acesa, necessitando de 2 a 7 minutos para alcançar este valor, este tempo depende da

tecnologia da lâmpada.

Em caso de um novo re-acendimento, o tempo é ainda maior, podendo chegar a

15 minutos. Isso em locais de grande circulação de veículos e aglomeração de pessoas

pode ocasionar sérios distúrbios e problemas de segurança.

No caso da iluminação pública utilizando lâmpadas LED não existe esse

problema, pois esta tecnologia dispensa ignitor ou reator, de modo que o seu

acionamento é imediato. Portanto, interrupções momentâneas do suprimento de energia

elétrica não teriam grande impacto, uma vez que, quando do restabelecimento da

energia, o acendimento é imediato, minorando, desta forma, o risco de pânico que possa

ser gerado, preservando a ordem e a segurança dos usuários do sistema.

Diferentemente das lâmpadas tradicionais, que têm seu tempo de vida reduzido

com a redução do tempo entre as partidas, se este for menor que 10 h, a quantidade de

Page 35: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

12

partida por hora não afeta a vida útil do LED. A redução do tempo de vida da lâmpada

causa o aumento do custo da manutenção por reduzir o intervalo de tempo entre elas.

2.1.4. Normas Técnicas Aplicáveis

Um projeto de iluminação pública, deve seguir as indicações das normas e

especificações da ABNT, da concessionária de energia elétrica e outras pertinentes ao

assunto. O projeto deverá obedecer particularmente às seguintes normas:

1) NBR 5101 – Iluminação Pública – Procedimento;

2) NBR 5410 – Instalações elétricas de baixa tensão.

Para situações omissas nas normas ABNT, estas deverão ser cobertas pela NEC

(National Electrical Code) ou por normas e recomendações dos seguintes organismos

internacionais:

1) IESNA – Illuminating Engineering Society of North America;

2) IEC – International Eletrotechnical Comission;

3) IES – Illuminating Engineering Society;

4) ANSI – American National Standards Institute.

Para o caso de prédios públicos, encontram-se em vigência, a Regulamentação

para Etiquetagem Voluntária de Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais,

de Serviços e Públicos – INMETRO/PROCEL.

2.1.4.1.Classificação da via pública (NBR 5101)

A metodologia básica para realizar um projeto eficiente de iluminação pública

aplicada em vias, baseando-se nos critérios estabelecidos na NBR 5101:2012

(Iluminação Pública), leva em consideração critérios mínimos necessários para garantir

a funcionalidade do sistema. Fixa requisitos, os quais são destinados a propiciar algum

nível de segurança aos tráfegos de pedestres e veículos. Portanto, o dimensionamento

do projeto terá esta norma como referência para os valores de iluminância do sistema

Page 36: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

13

proposto. O primeiro quesito a ser verificado é a classificação das vias públicas a serem

iluminadas, ilustrada na Figura 1, conforme sua natureza:

a) classe A (vias rurais),

A1 - vias arteriais;

A2 - vias coletoras;

A3 - vias locais;

b) classe B (vias de ligação);

c) classe C (vias urbanas),

C1 - vias principais;

C2 - vias normais;

C3 - vias secundárias;

C4 - vias irregulares;

d) classe D (vias especiais).

No estudo de caso da UFMT, a avenida em questão se enquadra como classe C

(vias normais), que o Código de Trânsito Brasileiro (BRASIL, 2008), publicado em

1997, define vias urbanas, como aquelas caracterizadas pela existência de construções

às suas margens e a presença de tráfego motorizado e de pedestres em maior ou menor

escala, classificadas em:

a) Vias principais: Avenidas e ruas asfaltadas ou calçadas, onde há predominância

de construções comerciais, assim como trânsito de pedestres e de veículos.

b) Vias normais: Avenidas e ruas asfaltadas ou calçadas, onde há predominância de

construções residenciais, trânsito de veículos (não tão intenso) e trânsito de

pedestres.

c) Vias secundárias: Avenidas e ruas com ou sem calçamento, onde há construções,

e o trânsito de veículos e pedestres não é intenso.

Page 37: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

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Figura 1 - Classificação das vias urbanas.

Fonte: (ABNT, 2012).

Page 38: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

15

Classificada a via, deve-se consultar a NBR 5101:2012 para verificar os níveis

de iluminância e os fatores de uniformidades mínimos para cada situação. O tipo do

tráfego também deve ser levado em consideração, sendo classificados como: sem, leve,

médio ou intenso tanto para pedestres, conforme o QUADRO 1, e quanto ao tráfego de

veículos, como mostra o QUADRO 2.

QUADRO 1: Classificação para tráfego de pedestres.

CLASSIFICAÇÃO PEDESTRES CRUZANDO VIAS COM TRÁFEGO MOTORIZADO Sem (S) Como nas vias de classe A1 Leve (L) Como nas vias residenciais médias

Médio (M) Como nas vias comerciais secundárias Intenso (I) Como nas vias comerciais principais

Fonte: (ABNT, 2012).

Portanto, o projetista deve levar em consideração, para fins de elaboração de

projeto, estes quadros no que diz a respeito ao tipo de classificação do tráfego em geral,

conforme orienta a norma de iluminação pública.

QUADRO 2: Classificação para tráfego motorizado.

CLASSIFICAÇÃO VOLUME DE TRÁFEGO NOTURNO(A) DE VEÍCULOS POR HORA, EM

AMBOS OS SENTIDOS(B), EM PISTA ÚNICA Leve (L) 150 a 500

Médio (M) 501 a 1200 Intenso (I) Acima de 1200 (A) Valor máximo das médias horárias obtidas nos períodos compreendidos entre 18h e 21h.

(B) Valores para velocidades regulamentadas por lei. Nota: Para vias com tráfego menor do que 150 veículos por hora, devem ser consideradas as exigências mínimas do grupo leve e, para vias com tráfego muito intenso, superior a 2400 veículos por hora, devem ser consideradas as exigências máximas do grupo de tráfego intenso.

Fonte: (ABNT, 2012).

Para dimensionamento deste sistema adota-se o iluminamento médio e a

uniformidade, com valores mínimos variando de acordo com o tipo da via, volume de

tráfego e intensidade de conflito com pedestres, conforme mostra o QUADRO 3 e

QUADRO 4.

QUADRO 3: Vias Normais (C2).

VEÍCULO L M

CLASSIFICAÇÃO DO TRÁFEGO

Eméd.min. (lux) Umin. Eméd.min. (lux) Umin. L 2 5 M 5 8 Pedestres I 8

0,2 10

0,2

Fonte: (ABNT, 2012).

Page 39: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

16

QUADRO 4: Vias Secundárias (C3).

VEÍCULO L M

CLASSIFICAÇÃO DO TRÁFEGO

Eméd.min. (lux) Umin. Eméd.min. (lux) Umin. L 2 2

Pedestres M 4

0,25 5

0,2

Fonte: (ABNT, 2012).

As iluminâncias médias mínimas (Eméd.mín.), são valores obtidos pelo cálculo da

média aritmética das leitura realizadas, em plano horizontal, sobre o nível do piso e a

uniformidade é medida pela relação entre a iluminância mínima e a média obtida na

área iluminada.

Uma boa uniformidade na iluminação é necessária a fim de evitar sombras

acentuadas e assegurar o conforto e a segurança para a prática da atividade exercida na

área. O espaçamento entre as luminárias e o distanciamento delas em relação às paredes

têm contribuição direta no resultado da uniformidade da iluminação.

2.1.5. Evolução da Iluminação Pública Artificial

O descobrimento do fogo, certamente foi à primeira fonte de luz artificial

descoberta pelo homem. Na Idade da Pedra, o seu controle e utilização trouxeram

grandes avanços com relação à sobrevivência e ao conforto do ser humano. Durante

milênios, a simples chama foi à única fonte de luz artificial a seu serviço. Ainda na

idade da pedra foram construídas as primeiras lâmpadas de pedra, que queimavam

azeite animal ou vegetal com uma mecha trançada (MASCARÓ, 2006).

O primeiro dispositivo, do qual se tem relatos, que tratava de iluminação pública

é o Farol de Alexandria, ilustrado na Figura 2. O farol, que tinha cerca de 135 metros de

altura, foi construído por volta do ano 285 A.C. por ordem de Alexandre, o Grande. O

histórico monumento localizava-se em uma pequena ilha chamada Faros, em frente à

cidade de Alexandria no Egito. No alto da torre, os egípcios alimentavam uma fogueira

com lenha ou carvão.

A luz produzida pelo fogo era refletida por espelhos para o mar e podia ser vista

a 40 milhas de distância, (RODRIGUES, 2009). Porém a iluminação pública teve um

impulso no século XIX, principalmente na Inglaterra, onde as lâmpadas a gás se

tornaram amplamente populares.

Page 40: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

17

Figura 2 - Farol de Alexandria.

Fonte: (RODRIGUES, 2009).

Inicialmente, as primeiras lâmpadas elétricas inventadas foram às chamadas

lâmpadas a arco voltaico, cujos estudos de desenvolvimento iniciaram-se por volta de

1800, (FRÓES DA SILVA, 2006). Pois bem, em 1801 o inglês Humphrey Davy foi o

inventor que propôs este tipo de tecnologia na época, conforme a Figura 3. A lâmpada a

arco consiste de dois eletrodos de carbono devidamente espaçados (alguns poucos

milímetros) que quando alimentados propiciam a criação de um arco voltaico gerando

uma luz intensa e brilhante, um exemplo desta lâmpada é mostrado na Figura 4. Esta é

considerada por muitos a primeira lâmpada de descarga desenvolvida. Entretanto, este

tipo de lâmpada apresenta algumas desvantagens, como a grande intensidade luminosa o

que as restringia à utilização em ambientes externos e a pequena vida útil dos eletrodos

de carbono que deviam ser trocados constantemente e também mantidos com uma

separação exata, do contrário a lâmpada se apagava (RODRIGUES, 2009).

Figura 3 - Humphry Davy, químico e inventor inglês, considerado o criador da primeira Lâmpada de Arco Voltaico.

Figura 4 - Exemplo de lâmpada a arco voltaico.

Fonte: (WIKIENERGIA, 2012). Fonte: (ESCRITA(S), 2012).

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18

A consolidação da iluminação elétrica aconteceu anos mais tarde com o

desenvolvimento das lâmpadas incandescentes. Em 1854, o alemão Heinrich Goebel

construiu a primeira lâmpada incandescente utilizando fibra carbonizada de bambu.

Porém aproximadamente em 1879, foi inventada a lâmpada com filamento

incandescente, pelo consagrado Thomas Alva Edison, conforme a Figura 5. Devido a

grande praticidade que esta lâmpada possuía, esta perdurou como a única tecnologia

elétrica comerciável que viria a ser utilizada em iluminação por aproximadamente 56

anos (1879 a 1935), (FRÓES DA SILVA, 2006).

Figura 5 - Thomas Alva Edison, inventor e empresário americano, e sua maior invenção a lâmpada incandescente de filamento.

Fonte: (HOWMANYARETHERE, 2013).

Thomas Alva Edison, através de seus experimentos, observou que o

aquecimento de um filamento metálico era capaz de liberar elétrons (efeito Edison) e

também luz por incandescência. Nascia assim a primeira lâmpada incandescente capaz

de ser comercializada, utilizando como filamento um fio de linha carbonizado. Em 1911

com o desenvolvimento das técnicas de trefilação do tungstênio deu-se um grande passo

para a popularização das lâmpadas incandescentes, já que os filamentos eram mais

robustos e capazes de suportar temperaturas mais elevadas. A invenção da lâmpada

incandescente preencheu a necessidade fundamental da humanidade em poder utilizar a

luz melhor e mais intensa, sem perigo, sem esforços e a baixo custo, (RODRIGUES,

2009).

Porém, este filamento em incandescência dentro de um bulbo de vidro em vácuo

transforma em luz apenas 10% da energia que consome, conforme é ilustrado modelo de

luminária equipada com lâmpada incandescente da Figura 6. Em relação à iluminação

elétrica, foi a cidade de Campos Goytacazes, interior do Estado do Rio de Janeiro, que

Page 42: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

19

no ano de 1883 inaugurou o sistema de iluminação pública abastecido por uma usina

termoelétrica. Seguida por Rio Claro (SP), Porto Alegre (RS), Juiz de Fora (MG),

Curitiba (PR), Maceió (AL) e Belém (PA). Apenas em 1904 surge no Rio de Janeiro e

no ano seguinte em São Paulo. Com o advento da tecnologia instalava-se em São Paulo

e posteriormente no Rio de Janeiro a “The Rio de Janeiro Light and Power Company

Ltd” – Companhia de Luz e Força do Rio de Janeiro. No princípio, a iluminação elétrica

era alimentada por um sistema de origem térmica, fornecida por uma pequena usina. No

entanto, logo se iniciou a exploração da energia hidrelétrica, cujas características eram o

baixo custo e possibilidade de instalações maiores. Assim a Light foi responsável pela

construção da Usina Hidrelétrica de Fontes no Ribeirão das Lajes, uma das maiores da

época, (ANDRADE, 2007).

Figura 6 - Modelo de luminária equipada com lâmpada incandescente.

Fonte: (ANDRADE, 2007).

“Em 1933 foram desligados os últimos 490 lampiões a gás no Rio de

Janeiro. Nesta mesma época a cidade recebeu o título de “cidade-luz sul-

americana”, sendo reconhecida como uma das mais bem iluminadas do

mundo e comparável, inclusive, com Paris.” (FROES DA SILVA, 2006).

Em 1857, o físico francês Alexandre E. Becquerel, que investigou os fenômenos

de fosforescência e de fluorescência, teorizou acerca de tubos fluorescentes, muito

parecidos com as lâmpadas fluorescentes tubulares utilizadas hoje em dia, mas o

primeiro protótipo de uma lâmpada fluorescente foi construído pelo norte-americano

Peter Cooper Hewitt em 1901 e ficou conhecida como lâmpada de mercúrio em baixa

pressão a arco. Entretanto, este tipo de lâmpada só foi introduzido no mercado da

iluminação por volta de 1940, alcançando popularização quase imediata. Em 1970 as

lâmpadas fluorescentes tubulares já eram as maiores fontes de iluminação artificial.

Page 43: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

20

Entre o final da década de 1970 e início da década de 1980, a Philips NV e a OSRAM

desenvolveram uma nova concepção em lâmpadas fluorescentes conhecidas como

lâmpadas fluorescentes compactas, (RODRIGUES, 2009).

No início do século XX iniciaram os estudos e o desenvolvimento de novas

tecnologias, fazendo surgir às lâmpadas de descarga em atmosfera de gás, ou seja, as

lâmpadas de vapor de mercúrio e lâmpadas de vapor de sódio, de altas e baixas

pressões. Em 1934 foi desenvolvida por Edmund Germer, um inventor alemão, uma

variante desta lâmpada, porém, utilizando vapor de mercúrio em alta pressão, o que

propiciava uma intensidade muito maior para a fonte luminosa, permitindo que a mesma

fosse utilizada para iluminação de áreas externas.

Esta lâmpada de mercúrio é basicamente composta de um bulbo pintado por

tinta fluorescente contento em seu interior um tubo de descarga de quartzo

com eletrodos nas suas extremidades. O funcionamento consiste na emissão

de elétrons pelo reator com a finalidade de se chocaram com os átomos de

mercúrio localizados dentro do tubo de descarga. O mercúrio torna-se capaz

de emitir raios ultravioletas que atravessam o bulbo, produzindo a luz visível

(ANDRADE, 2007).

As lâmpadas de vapor de sódio em alta pressão e de multivapores metálicos

surgiram, respectivamente, por volta de 1955 e 1964. A partir daí, muitos avanços

foram observados em relação às lâmpadas de descarga em alta pressão. Hoje em dia,

estas lâmpadas são as mais utilizadas em iluminação pública em todo o mundo, devido

ao grande fluxo luminoso emitido e à longa vida útil. A lâmpada de vapor de sódio é

composta de um tubo de descarga de cerâmica com sódio, onde a partida é dada por

meio de um reator e um ignitor que faz elevar a tensão. Nas décadas de 60 e 70 este tipo

de lâmpada era considerado a solução mundial para a iluminação urbana. Hoje em dia,

os sistemas de iluminação pública utilizam principalmente lâmpadas de descarga de alta

intensidade.

2.2 CONCEITOS BÁSICOS REFERENTES À ILUMINAÇÃO

Este item refere-se a aspectos que qualificam a luz e através dos quais é possível

quantificá-la. Para que a interação entre estes elementos seja entendida e explorada, são

apresentados fundamentos básicos e conceitos relacionados às superfícies, à luz natural

Page 44: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

21

e à luz artificial, de modo a incorporar requisitos mínimos para que os usuários tenham

conforto e o projeto seja energeticamente eficiente.

A luz é expressa através de conceitos e grandezas. Neste item são descritos os

conceitos necessários para a compreensão dos dados e tabelas utilizadas para

caracterização das tecnologias empregadas na iluminação pública e alguns conceitos

fundamentais para a compreensão dos fenômenos relacionados à iluminação. Segundo

Tavares (2007), para realização de um projeto de iluminação eficiente, é fundamental a

compreensão dos seguintes conceitos e grandezas:

1) Fluxo luminoso (φ): é a quantidade total de luz emitida por uma fonte. Este

fluxo é medido em lúmens (lm). Durante a utilização das fontes luminosas

ao longo da sua vida útil as lâmpadas sofrem redução do seu fluxo luminoso,

esta depreciação é causada pela degradação de seus materiais construtivos. A

Figura 7 mostra a depreciação do fluxo luminoso das lâmpadas em relação

ao tempo de operação, pode-se observar que as lâmpadas LED e a vapor de

sódio de alta pressão, alvo de comparação deste trabalho, mantêm o fluxo

luminoso acima de 80% do valor inicial após 20.000 h de utilização. Quanto

menor a depreciação do fluxo luminoso da lâmpada maior será sua vida útil

em horas, reduzindo a manutenção do sistema de iluminação.

Figura 7 - Depreciação do fluxo luminoso das lâmpadas.

Fonte: (SALES, 2011).

2) Intensidade luminosa (I): expressa em candelas (cd), é a intensidade do

fluxo luminoso projetado em uma determinada direção.

Page 45: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

22

3) Iluminância (E): é o fluxo luminoso que incide sobre uma superfície, situada

a uma certa distância da fonte, por unidade de área. No SI a unidade de

medida para iluminância é lumen/m² ou lux (lx).

4) Luminância (L): medida em candelas por metro quadrado (cd/m²), é a

intensidade luminosa produzida ou refletida por uma superfície aparente. A

luminância pode ser considerada como a medida física do brilho de uma

superfície iluminada ou de uma fonte de luz, sendo através dela que os seres

humanos enxergam (TAVARES, 2007).

5) Temperatura de cor correlata (TCC): as fontes de luz podem emitir luz de

aparência de cor entre “quente” e “fria”. As cores “quentes” possuem uma

aparência avermelhada ou amarelada e as cores “frias” são azuladas (Figura

8). No entanto, as aparências “quente” e ”fria” têm sentido inverso ao da

TCC, pois quanto mais alta a TCC, mais fria é a sua aparência e quanto mais

baixa a TCC, mais quente é a sua aparência. A temperatura de cor correlata é

expressa em kelvin (K). A existência de diferentes temperaturas de cor

permite um maior conforto visual, em consonância com o ambiente

envolvente. Isto se traduz naturalmente em melhor qualidade de iluminação.

Figura 8 - Exemplo de temperaturas de cores.

Fonte: (BLUESPAN, 2009).

Para a maioria dos pontos de IP a temperatura de cor das lâmpadas de

descarga não é item importante; os logradouros públicos atualmente são

iluminados tendo em vista os custos com a manutenção e a economia de

energia elétrica alcançada com a vida útil e a eficiência energética das

Page 46: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

23

lâmpadas. A aparência da cor da luz destes locais, normalmente é de cor

amarelada, referente às lâmpadas vapor de sódio de alta pressão com

temperatura de cor compreendida na faixa de 1.900 a 2.800 K e IRC entre 20

a 25, perdendo com isso detalhes dos ambientes e até mesmo alterando a sua

aparência de cor (SALES, 2011).

1) Fator ou índice de reflexão: é a relação entre o fluxo luminoso refletido e o

incidente. Varia em função das cores e dos acabamentos das superfícies e

das suas características de refletância. Por ser um índice não possui unidade

de medida.

2) Índice de reprodução de cor (IRC): mede quanto à luz artificial se aproxima

da natural do sol, sendo este fator preponderante na comparação de fontes de

luz com a mesma TCC ou para a escolha da lâmpada. O índice é obtido

calculando a curva espectral e definindo o IRC de cada produto em

laboratórios dos fabricantes ou de órgãos especializados. Seus valores

variam de 0 a 100, sendo que, quanto mais próximo de 100, melhor o IRC.

Uma lâmpada com IRC de 60 a 70, por exemplo, é considerada boa e

indicada para áreas de circulação, por exemplo. As lâmpadas com IRC acima

de 80 são consideradas ótimas e principalmente destinadas a locais em que a

distinção de cores é importante, como lojas, floriculturas, entre outros. As

lâmpadas que apresentam melhores IRC são aquelas que possuem filamento,

tanto incandescentes comuns como halógenas, justamente porque esses tipos

de lâmpadas imitam em seu processo de funcionamento a luz do Sol, por

incandescência. Alguns autores tomam como referência a medida da

correspondência da cor de um objeto com o padrão de cor, como exemplo, a

lâmpada incandescente, considerada 100, ou seja, quanto mais próximo de

100 melhor será o IRC e consequentemente maior os detalhes percebidos da

cor refletida proporcionada pela a luz (SALES, 2011).

A obtenção de uma melhor qualidade de iluminação recorrendo à tecnologia

LED é conseguida fundamentalmente à custa de dois fatores chaves: índice

de Reprodução de Cores (IRC) elevado; vastas opções de temperaturas de

cor disponíveis.

Page 47: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

24

Um elevado nível de IRC equivale a uma melhor percepção das cores reais

dos objetos, o que se traduz em melhor qualidade de iluminação e,

consequentemente, em maior segurança e percepção de segurança. A Figura

9 ilustra claramente as diferenças existentes entre um cenário de iluminação

pública rodoviária, com base em tecnologia LED (IRC>70) à frente, e ao

fundo outro mais tradicional, com base na tecnologia de vapor de sódio

(VSAP) (IRC<25), (BLUESPAN, 2009).

Figura 9 - Trecho da avenida principal da UFMT, que ilustra claramente as diferenças de índice de reprodução de cor existentes entre um cenário de iluminação pública rodoviária

com base em tecnologia LED (IRC>70) e outro tradicional, com base na tecnologia de vapor de sódio (VSAP) (IRC<25).

Fonte: (AUTOR, 2012).

2.3. ASPECTOS DE EFICIÊNCIA COMUMENTE CONSIDERADOS EM

ILUMINAÇÃO PÚBLICA

Existem investimentos em projetos de eficiência energética em sistemas de

iluminação pública nos municípios brasileiros, inclusive ações para se alcançar o

potencial técnico de economia de energia para este segmento. Dois programas

governamentais foram fundamentais para o desenvolvimento desse setor: o PROCEL

RELUZ – Programa Nacional de Iluminação Pública e Sinalização Semafórica

Eficientes e o Programa de Eficiência Energética da ANEEL (PEE).

O PROCEL RELUZ, gerido pela ELETROBRÁS, procura promover o

desenvolvimento de sistemas eficientes de iluminação pública, bem como a valorização

noturna dos espaços públicos urbanos, e tem como objetivos contribuir para redução do

Page 48: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

25

consumo de energia elétrica, melhoria das condições de segurança pública e a qualidade

de vida nas cidades brasileiras.

O Programa de eficiência energética (PEE) da ANEEL conta com recursos das

concessionárias e permissionárias de distribuição de energia elétrica, que devem aplicar

anualmente 0,5% da sua Receita Operacional Líquida (ROL) em ações que promovam a

eficiência no uso e na oferta de energia elétrica, dentro do País.

No entanto, desde 2005 a ANEEL suspendeu os investimentos para a área de

iluminação pública. Portanto, a única fonte de financiamento para projetos desse tipo

ficou sendo o PROCEL RELUZ (MME, 2010). Outro ponto interessante a ser analisado

é no que diz respeito à eficiência em iluminação pública que as distribuidoras de energia

elétrica vêm investindo, e estas através de estudo e pesquisa obtiveram-se a distribuição

de lâmpadas, conforme o QUADRO 5.

QUADRO 5: Quantidade e participação por tipo de lâmpada na iluminação pública no Brasil.

Lâmpada Quantidade Participação Vapor de Sódio 9.294.611 62,9%

Vapor de Mercúrio 4.703.012 31,8% Multi-vapor Metálico 108.173 0,7%

Incandescentes 210.417 1,4% Mistas 328.427 2,2%

Fluorescentes 119.535 0,8% Outras 5.134 0,03%

TOTAL 14.769.309 100%

Fonte: (ELETROBRÁS/PROCEL, 2008).

Após a análise da quantidade e participação por tipo de lâmpada na iluminação

pública no Brasil, pode-se observar o aumento da quantidade de lâmpadas de Vapor de

Sódio em Alta Pressão (VSAP) na IP, conforme mostra a TABELA 1. Isto devido à alta

eficácia luminosa atribuída a este tipo de lâmpada. Isto ocorre devido ao alto fluxo

luminoso e à elevada vida útil característicos destas lâmpadas (RODRIGUES et al.,

2010).

TABELA 1: Tabela com as lâmpadas utilizadas na iluminação pública do Brasil.

Tipo de Lâmpada 1995 2008 Vapor de Sódio 7,30% 62,93% Vapor de Mercúrio 80,70% 31,84% Mista 7,00% 2,22% Incandescente 3,80% 1,42% Fluorescente 1,20% 0,81% Multi-Vapores Metálicos - 0,73% Outras 0,00% 0,03%

Total de Unidades Instaladas 8.782.000 14.769.309

Fonte: (RODRIGUES et al., 2010).

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26

A título de comparação, tem-se que a vida útil de uma lâmpada de vapor de

sódio de alta pressão de 400 Watts é em média 32.000 horas, e sua eficiência luminosa é

aproximadamente 120 lm/W. Já a lâmpada de vapor de mercúrio de alta pressão tem

vida útil média de 15.000 horas e sua eficiência luminosa, para uma lâmpada de 400 W,

é de aproximadamente 55 lm/W.

Pelas características técnicas, as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão de

400 W consomem cerca de 75% menos energia que as lâmpadas incandescentes

utilizadas em IP, e 40% menos do que as de vapor de mercúrio, na Figura 10 é ilustrado

um poste com luminária incandescente, (MANZIONE, 2004).

Figura 10 - Luminária tipo prato com lâmpada incandescente.

Fonte: (MANZIONE, 2004).

No cadastro feito pela Eletrobrás em 2008, indica-se que, após a coleta de dados

dos tipos de lâmpadas existentes na IP do Brasil, pode-se realizar a análise com vistas à

definição de alternativas de substituição das tecnologias apresentadas. Desta forma, para

cada ponto luminoso considerado, tenha-se um fluxo luminoso equivalente ou superior

ao existente, em conformidade com o Manual de Instruções do PROCEL RELUZ,

conforme QUADRO 6.

Page 50: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

27

QUADRO 6: Alternativas de substituição propostas.

TIPO DE LÂMPADA EXISTENTE ALTERNATIVA DE SUBSTITUIÇÃO PROPOSTA Vapor de Mercúrio 80W Vapor de Sódio 70W

Vapor de Mercúrio 125W Vapor de Sódio 100W Vapor de Mercúrio 250W Vapor de Sódio 150W Vapor de Mercúrio 400W Vapor de Sódio 250W

Incandescente 100W Vapor de Sódio 70W Incandescente 150W Vapor de Sódio 70W Incandescente 200W Vapor de Sódio 70W

Mista 160W Vapor de Sódio 70W Mista 200W Vapor de Sódio 70W Mista 250 W Vapor de Sódio 70W Mista 500W Vapor de Sódio 150W

Fonte: (ELETROBRÁS/PROCEL, 2008).

O programa, desde sua implantação, contribuiu para grandes avanços na

economia de energia, atingindo valores da ordem de 911 GWh/ano, segundo dados da

Eletrobrás/Procel em 2008.

2.3.1. Eficiência e rendimento e lâmpadas comumente utilizadas em IP

O conjunto luminária mais lâmpada converte potência elétrica de entrada dada

em Watts - W em radiação luminosa, luz, emitida em lúmens - lm, no entanto também

emite radiação infravermelha e/ou ultravioleta. Portanto, a quantidade de luz visível

emitida em relação à potência elétrica de entrada consumida determina a eficiência

luminosa da fonte, este índice é dado em lúmen por Watt - lm/W. Quanto maior a

relação lm/W mais eficiente é a fonte luminosa.

As lâmpadas de descarga caracterizam-se por utilizarem menor potência elétrica

para emitirem o mesmo fluxo de irradiação luminosa que as lâmpadas incandescentes.

Atualmente a tecnologia LED destaca-se por ter atingido os maiores índices de

eficiência, pois trabalha com o fluxo luminoso direcionado ao plano de trabalho

desejado.

O QUADRO 7 mostra que as lâmpadas utilizadas em IP no Brasil, as

incandescentes, são as que apresentam menor rendimento, alcançando valores em torno

de 2,3% enquanto que as lâmpadas VSAP, adotadas como padrão na IP, tem rendimento

máximo de 20,6%. Já os LEDs de alta potência atingem 30,15% de eficiência. As

lâmpadas VSBP não são utilizadas na IP do Brasil (SALES, 2011).

Page 51: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

28

QUADRO 7: Eficiência e rendimento de vários tipos de lâmpadas.

TIPO DE LÂMPADA EFICIÊNCIA (lm/W) RENDIMENTO (%) Incandescentes 10 a 15 1,5 a 2,3

Halógenas 15 a 25 2,2 a 3,8 Mista 20 a 35 2,9 a 5,2

Vapor de mercúrio 45 a 55 6,6 a 8,2 Fluorescente comum 55 a 75 8,1 a 11,1

Fluorescente compacta 50 a 85 7,3 a 12,5 Vapor Metálico 65 a 90 9,5 a 13,3

Fluorescente eficiente 75 a 90 11,0 a 13,3 VSAP 80 a 140 11,7 a 20,6 VSBP 130 a 200 19,0 a 29,3 LED 70 a 208 10,2 a 30,45

Fonte: (SALES, 2011).

Ao longo da sua vida útil toda fonte luminosa sofre depreciação do fluxo

luminoso, em consequência, seu rendimento também sofre diminuição. O que determina

esta peculiaridade de cada lâmpada é a sua tecnologia construtiva. Para cada tipo de

lâmpada existe uma curva relativa ao tempo de manutenção do seu fluxo luminoso,

sendo esta uma característica para escolha da lâmpada.

2.4. TECNOLOGIA LED

Este tópico tem a finalidade de mostrar e compreender o LED, introduzir a

noção do seu funcionamento e fabricação, extraindo assim, todas as vantagens

divulgadas pelos fabricantes e sua evolução ao longo dos anos. Pois se trata de um

dispositivo eletrônico, onde grande tecnologia é empregada na sua fabricação.

A sigla LED é uma designação em inglês de Light Emmiting Diode ou diodo

emissor de luz, é uma tecnologia emergente que esta começando a trazer impactos

significativos em vários setores da economia. Como por exemplo, utilização em

indústrias, iluminação interna e externa, setor automotivo, sinalização em geral, área

médica, na eletrônica, entre outras. Ou seja, diversos setores perceberam as vantagens

na utilização dos LEDs, pequenos diodos, também chamados de “iluminação em estado

sólido” ou SSL (Solid State Lighting), devido à ausência de filamentos ou gases, mais

sim, um pequeno chip semicondutor eletroluminecente, que na presença da corrente

elétrica, emite a luz.

Com o desenvolvimento de novas tecnologias de materiais semicondutores, foi

possível o desenvolvimento de LEDs que emitem luz branca, dessa forma, possibilitou-

se que este tipo de fonte luminosa fosse utilizado também em iluminação de uma

Page 52: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

29

maneira genérica. Atualmente este tipo de LED encontra-se em desenvolvimento. Suas

principais desvantagens em relação às luminárias LED “convencionais” são: custo

inicial elevado, tecnologia em desenvolvimento e a inexistência de histórico de

utilização em qualquer tipo de ambiente, onde são utilizadas luminárias tradicionais.

Outro ponto é a falta de legislação específica estabelecendo padrões de construção e

utilização, durabilidade e condições de manutenção e limpeza do LED e da luminária,

dificuldade para avaliar a qualidade de uma luminária LED pelo consumidor final e

incerteza quanto à durabilidade da fonte CC da luminária LED. Os laboratórios atuais

não estão preparados para avaliar luminárias LEDs.

As atuais luminárias a lâmpada de descarga utilizam reatores eletromagnéticos

para seu funcionamento; as luminárias LED necessitam de fontes de energia mais

complexas que os atuais reatores utilizados nas lâmpadas de descarga. As fontes devem,

necessariamente, ter o mesmo tempo de vida útil do LED.

2.4.1 Histórico sobre o LED

Os LEDs são componentes eletrônicos existentes há várias décadas, mas

somente nos últimos 10 anos ocorreu a viabilidade técnica dos materiais semicondutores

e encapsulamentos, proporcionando maior potência e maior eficiência luminosa. A

expectativa de economia de energia que os LEDs podem proporcionar em diversas áreas

já é fato comprovado. Devido a esta característica, estima-se que nos próximos anos, os

governos dos países produtores de LEDs subsidiarão pesquisas nesta área de forma a

alcançar a sua viabilidade econômica. Ganhos em eficiência observam-se

constantemente com a tecnologia LED (JACOB, 2008).

A seguir relaciona-se, por ordem cronológica a evolução deste tipo de fonte de

iluminação.

1960 – Nick Holonyak Jr. inventa o primeiro LED na empresa General Electric. Estes

LEDs eram usados apenas em sinalização e só existiam na cor vermelha.

1970 – Os LEDs verdes, amarelos e laranjas foram criados a partir de novas substâncias.

Começa a se massificar o seu uso, pois a aceitação foi geral.

Page 53: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

30

1980 – Com a tecnologia, LEDs até 10 vezes mais brilhantes foram criados em relação

aos seus antecessores. Os LEDs começavam a ser utilizados em painéis de

mensagens e outdoors.

1990 – Com o avanço da tecnologia, os LEDs se tornaram mais confiáveis e robustos. O

mercado ampliou muito e novas possibilidades de utilização.

1995 – O Dr. Shuji Nakamura desenvolveu o LED azul, na Nichia Corp., a partir disso

o LED branco foi viabilizado e começaram a aparecer os primeiros LEDs de alto

fluxo e intensidade.

2000 – O LED deixa de ser uma promessa da tecnologia e passa a ser utilizado em

muitas aplicações, entre elas, semáforos, automóvel, painéis de mensagens e

iluminação arquitetural. Os 25 lumens em um único emissor, mostra um marco

no avanço da tecnologia, esta plataforma conhecida como “Luxeon”, anos mais

tarde passa a ser adotada por vários fabricantes.

2003 – É desenvolvida a tecnologia conhecida como “Luxeon III”, com emissão de até

80 lúmens.

Na Figura 11 é mostrada a evolução do LED ao longo dos anos. Muito se diz a

respeito da utilização do LED - que é muito caro e que o preço tem que diminuir para

tornar viável a sua utilização. Entretanto, em muitos casos, esta tecnologia é mais

econômica se comparada aos sistemas convencionais, bastando para isso comparativos

econômicos entre os dois sistemas considerados.

Figura 11 - Ilustração de alguns exemplares de LED e sua evolução ao longo dos anos.

Fonte: (GOIS, 2008).

O que vem ocorrendo é o aumento da qualidade e a melhoria significativa da

eficiência do LED, de forma a seguir a tendência natural das tecnologias difundidas no

mercado, que é a redução dos preços de novos produtos e tecnologias com o tempo.

Page 54: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

31

Contudo, a tendência será o LED diminuir o seu custo de investimento, porém, com um

aumento constante de eficiência luminosa.

2.4.2. Diodos emissores de luz

Diodos emissores de luz (LED), como o próprio nome diz, é um diodo que emite

luz visível quando é percorrido por corrente elétrica. É um dispositivo semicondutor de

junção p-n, que somente funciona se polarizado diretamente.

Como é amplamente conhecido, dentro da estrutura de um dispositivo

semicondutor, principalmente próximo da junção, ocorre uma recombinação entre

lacuna e elétrons. Pois bem, nessas junções p-n do semicondutor, uma parte dessa

energia é emitida na forma de calor e a outra na forma de radiação ou luz. Este processo

de emissão de luz pela aplicação de uma fonte elétrica de energia é chamado de

eletroluminescência, fenômeno descoberto em 1907. Este processo juntamente com seu

símbolo gráfico é mostrado na Figura 12.

Figura 12 - (a) Processo de eletroluminescência do LED e seu símbolo gráfico em (b).

Fonte: (BOYLESTAD, 2004).

A superfície condutora conectada ao material p é muito menor que a do lado n

de forma a permitir emersão de um grande número de fótons de energia luminosa, como

mostra a Figura 12 (a). A recombinação dos portadores injetados devido à junção

polarizada diretamente resulta em uma luz emitida do local de recombinação. Pode

haver, é claro, alguma absorção dos pacotes de energia do fóton na própria estrutura,

mas uma porcentagem muito grande consegue ser emitida (BOYLESTAD, 2004).

Na Figura 13 ilustra a aparência de um LED, miniatura de uma lâmpada de

estado sólido (semicondutor) de alta eficiência, muito utilizada em circuitos eletrônicos.

Page 55: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

32

Figura 13 - Exemplo de LED miniatura, utilizado na eletrônica.

Fonte: (BOYLESTAD, 2004).

Na TABELA 2 apresentam-se informações a respeito das características

operacionais dos LEDs, com destaque para a corrente direta máxima de 60 mA e valor

típico de funcionamento e operação na faixa de 20 mA, em um circuito diretamente

polarizado.

TABELA 2: Especificações máximas absolutas.

Taxas Máximas Absolutas em TA = 25° Parâmetro

Vermelho Eff. Alto 4160

Unidades

Dissipação de potência 120,00% mW

Corrente direta média 20(1) mA Corrente direta de pico 60 mA Faixa de temperatura de operação e armazenamento -55°C a 100°C Temperatura de soldagem [1,6 mm (0,063 in) do corpo] 230°C para 3 segundos (1) Acima de 50°C, reduzir 0,2 mA/°C.

Fonte: (BOYLESTAD, 2004).

2.5. A POLUIÇÃO AMBIENTAL E EMISSÃO DE RAIOS ULTRAVIOLETAS

"Todos têm direito ao meio ambiente ecologicamente equilibrado, bem de uso

comum do povo e essencial à sadia qualidade de vida, impondo-se ao Poder Público e à

coletividade o dever de defendê-lo e preservá-lo para as presentes e futuras gerações".

Isto está escrito na Constituição Federal, Artº. 225. Configura-se como crime ambiental

(Lei de Crimes Ambientais - Lei 9.605/98) causar poluição que resulte em danos ao

meio ambiente ou à saúde humana, seja pelo lançamento, processamento,

armazenamento ou transporte de resíduos sólidos, em desacordo com as exigências

estabelecidas em leis ou regulamentos. Pois bem, as lâmpadas que contenham mercúrio,

Page 56: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

33

após o seu descarte, são classificadas como resíduos perigosos (Classe 1) pela Norma

ABNT 10.004/04. Diante disto, merecem cuidados especiais os procedimentos de

manuseio (retirada/coleta), acondicionamento, transporte, armazenagem e destinação

final, em função das suas características peculiares e dos riscos que apresentam. Devido

à inexistência de uma legislação específica que regulamenta deveres e responsabilidades

acerca do descarte dessas lâmpadas. A responsabilidade por qualquer dano à saúde

pública ou ao meio ambiente recairá sobre o gerador final deste resíduo, ou seja, à

pessoa física ou jurídica que as adquiriu, utilizou ou as produziu, no todo ou em parte

(ELETROBRÁS, 2004).

Praticamente todas as lâmpadas utilizadas em iluminação pública emitem

radiação ultravioleta pela existência na composição do amalgama das lâmpadas de

mercúrio. A irradiação ultravioleta é danosa aos materiais componentes das luminárias

reduzindo sua vida útil. As lâmpadas de vapor de mercúrio emitem 18,3% da potência

total consumida sob forma de radiação ultravioleta, enquanto que as de vapor de sódio

de alta pressão emitem 0,5% (FROÉS DA SILVA, 2006). A quantidade de mercúrio

encontrada em cada tipo de lâmpada é mostrada no QUADRO 8.

QUADRO 8: Quantidade de mercúrio por lâmpada.

LÂMPADAS USADAS NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA Lâmpadas

contendo mercúrio Variação de potências

Quantidade média de mercúrio

Variação das médias de mercúrio por potência

Mista 160 W a 500 W 0,017 g 0,011 g a 0,045 g Vapor de Mercúrio 80 W a 1.000 W 0,032 g 0,013 g a 0,080 g

Vapor de Sódio 70 W a 1.000 W 0,019 g 0,015 g a 0,030 g Vapor Metálico 35 W a 2.000 W 0,045 g 0,010 g a 0,170 g

Fonte: (SALES, 2011).

No caso, do processo de descarte das lâmpadas de iluminação pública, o risco de

contaminação por mercúrio está associado à possibilidade de sua quebra. O manejo de

grandes quantidades dessas lâmpadas pode causar a contaminação das pessoas

envolvidas na sua manipulação, isto é, exposição ocupacional. Por isso é fundamental a

adoção de procedimentos adequados para o seu manuseio, armazenamento e transporte,

protegendo os trabalhadores das emissões fugitivas deste metal em estado de vapor.

Deve haver, também, uma precaução especial com a disposição final dos

resíduos das lâmpadas de IP, pois, quando estas são dispostas em lixões e/ou aterros

sanitários convencionais, o mercúrio contido nelas pode escapar e contaminar o solo e

as águas superficiais e subterrâneas (ELETROBRÁS, 2004).

Page 57: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

34

2.6. CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO

BRASIL

A constante evolução dos sistemas de iluminação e os programas em

investimentos em eficiência energética são aferidos por meio dos dados de consumo em

iluminação pública. Em levantamento realizado em 2005, com referência aos resultados

do PROCEL em 2004, a Eletrobrás mostrou que a iluminação pública consumia 10,3

bilhões de kWh/ano, aproximadamente 3,2% do consumo total de energia elétrica no

Brasil, em aproximadamente, 13,1 milhões de pontos de iluminação. Deste total, 20%

eram consumidos na região Nordeste, demandando cerca de 2,3 GW, equivalentes a 7%

da demanda de energia elétrica no país (ELETROBRAS/PROCEL, 2005).

Em levantamento feito pela Eletrobrás em 2008, o inventário nacional de

iluminação pública mostra que 4,5% da demanda nacional e 3,0% do consumo de

energia elétrica do País são utilizados na IP, correspondendo a uma demanda de

potência ativa de 2,2 Gigawatts - GW e um consumo de energia elétrica ativa de 9,7

GWh/ano, com aproximadamente 15 milhões de pontos de iluminação instalados no

País (ELETROBRAS/PROCEL, 2009). Ou seja, em 4 anos houve o aumento do número

de pontos de iluminação, porém, a demanda de potência ativa diminuiu, e

consequentemente, o consumo de energia elétrica ativa também foi menor. A grande

importância na diminuição desta demanda se reflete no momento em que o sistema de

iluminação entra em funcionamento, pois abrange todo o horário de demanda máxima

(ponta) do sistema elétrico, necessitando maiores investimentos em geração de energia.

Na década de 90, cerca de 400 mil lâmpadas foram substituídas, através de

programas de incentivos às concessionárias, o que resultou na utilização maciça das

lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, de menor consumo de eletricidade,

reduzindo sobremaneira a quantidade das lâmpadas de vapor de mercúrio, mistas e

incandescentes. A iluminação pública pode apresentar elevado desperdício de energia

elétrica atribuído à utilização de equipamentos ineficientes e, ainda, à gestão deficiente

desses serviços. Entre 1995 e 1998, a Eletrobrás, através do PROCEL, aprovou

financiamentos da ordem de R$ 134 milhões, para substituição de 2,85 milhões de

pontos de iluminação pública, envolvendo 25 concessionárias e supridoras de energia

elétrica, atingindo perto de 640 municípios no país. Esses projetos representavam

economia de energia de 1.100 GWh/ano, o suficiente para abastecer 522 mil

consumidores residenciais por 1 ano (MANZIONE, 2004).

Page 58: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

35

Em 1996, o PROCEL elaborou um novo plano de ação para iluminação pública,

abrangendo o período 1998-1999, prevendo a substituição de 3 milhões de pontos de

iluminação pública, com a utilização das lâmpadas de vapor de sódio alta pressão. A

meta equivale à redução na demanda da ordem de 350 MW e de consumo

correspondente a 1.533 GWh/ano. Outras ações, como incentivo ao desenvolvimento

tecnológico de equipamentos, capacitação de pessoal para projetos eficientes e a

divulgação junto aos municípios integram o escopo do Programa de Iluminação Pública

do PROCEL. A distribuição dos pontos de iluminação pública do inventário nacional

está detalhada no QUADRO 9, com os diversos tipos de lâmpadas utilizadas no Brasil;

em 2008 a participação das lâmpadas de baixa eficiência energética, vapor de mercúrio,

mistas e incandescentes somavam 35,48% do total de pontos, valor expressivo que

aponta para um grande potencial de melhoria da eficiência energética do sistema de

iluminação pública. As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão correspondem a

62,93% sendo as mais utilizadas por serem as mais eficientes.

QUADRO 9: Distribuição detalhada da iluminação no Brasil – 2008

REGIÃO TIPO DA LÂMPADA N NE CO SE S

TOTAL (%)

LÂMPADA Vapor de

Sódio de Alta Pressão

464.731 1.951.868 929.461 4.182.575 1.765.976 9.294.611 62,93

Vapor de Mercúrio

235.151 987.633 470.301 2.116.355 893.572 4.703.012 31,84

Mistas 16.421 68.970 32.843 147.792 62.401 328.427 2,22 Incandescentes 10.521 44.188 21.042 94.688 39.979 210.417 1,42

Fluorescentes 5.977 25.102 11.954 53.791 22.712 119.535 0,81

Multivapor Metálico 5.409 22.716 10.817 48.678 20.553 108.173 0,73

Outras 257 1.078 513 2.310 975 5.134 0,03

Total lâmpada 738.465 3.101.555 1.476.931 6.646.189 2.806.169 14.769.309 100

Participação % por regiões

5 21 10 45 19

Fonte: (SALES, 2011).

Merece atenção à redução de pontos de lâmpadas de baixa eficiência energética,

como a incandescente e a mista, e em particular a de vapor de mercúrio; ao tempo que

tem ocorrido o crescimento do número de pontos com lâmpada a vapor de sódio, que

mostra a evolução através dos anos das lâmpadas mais utilizadas no cenário de

iluminação brasileiro, conforme o QUADRO 10, melhorando significativamente a

eficiência energética do sistema de IP.

Page 59: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

36

QUADRO 10: Evolução das lâmpadas no parque de IP.

LÂMPADA 1995 1999 2004 2008 VSAP 7% 16% 46% 62,93% VM 81% 71% 47% 31,84%

Mista - - 4% 2,22% Incandescente - - 2% 1,42%

Fonte: (ELETROBRÁS, 2008).

Page 60: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

37

3. ASPECTOS CONCEITUAIS SOBRE A QUALIDADE DA ENERGIA

ELÉTRICA (QEE) E AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA

Neste capítulo serão abordados aspectos conceituais sobre a QEE e viabilidade

econômica. Este tipo de estudo é imprescindível diante da substituição de novos

equipamentos utilizados para se realizar a eficiência elétrica, como exemplo, as

lâmpadas que utilizam tecnologia LED, perante a comparação das tradicionais lâmpadas

de VSAP utilizadas em IP. Desta forma, o embasamento teórico acerca destes assuntos

serve de apoio para os estudos que este trabalho propõe.

3.1. A QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA (QEE)

Com a sofisticação e o emprego de equipamentos eletroeletrônicos no cotidiano

das pessoas. A qualidade da energia nas instalações elétricas prediais, comerciais e

industriais, em geral, é comprometida com a utilização destes equipamentos, tornando a

sua própria operação e a de outros componentes inadequada, resultando em perdas de

informações, funcionamentos incorretos, disparos indesejados, etc.

Em especial, neste tópico será dada maior ênfase no que diz respeito ao

conhecimento dos harmônicos, pois o tema estudado nesta dissertação pretende avaliar

se este tipo de carga gera este tipo de distorção nas formas de onda de corrente e de

tensão elétrica devido à utilização da lâmpada LED, quais seus efeitos e como medi-las.

Também subsidiar futuros trabalhos sobre o assunto com o conjunto das informações

descritas acerca deste contexto, tendo em vista que no Brasil, ainda não existe legislação

para regulamentar os limites das distorções harmônicas de corrente advinda das

instalações elétricas do cliente.

Segundo Moreno (2001), em relação aos aspectos gerais da qualidade da

energia, os valores associados às características que distinguem um sinal de tensão ou

corrente em uma instalação elétrica podem ser deformados devido a vários fatores, tais

como: a utilização de equipamentos eletrônicos, partida de motores, fornos a arco, etc.

Nesses casos, pode-se dizer que a qualidade do sinal foi afetada ou, então, dizer que

houve um problema de qualidade da energia. De forma genérica, podem ser produzidos

quatro tipos de perturbações elétricas básicas em um sinal de tensão ou corrente em uma

instalação elétrica:

Page 61: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

38

1) Distúrbios na amplitude da tensão;

2) Distúrbios na freqüência do sinal;

3) Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos;

4) Deformações na forma de onda do sinal.

Segundo Rodrigues (2009), as deformações na forma de onda presentes nas

instalações elétricas resultam em tensões e correntes harmônicas. Na Figura 14 são

exemplificados os vários distúrbios que comprometem a qualidade da energia.

Figura 14 – Tipos de perturbações elétricas que comprometem a qualidade da energia.

Fonte: (RODRIGUES, 2009).

3.1.1. Distúrbios na amplitude da tensão

Segundo Moreno (2001), acerca da definição de distúrbios na amplitude da

tensão:

A perturbação na amplitude ocorre quando, sobre um sinal perfeitamente

senoidal, são produzidas variações de tensão como, por exemplo:

afundamento (“sag”), interrupção, sobretensão, sobretensão transitória,

flutuação, cintilação (“flicker”) e subtensão. O afundamento (“sag”) se

caracteriza por uma diminuição brusca da tensão, seguida por um

restabelecimento após um curto intervalo de tempo.

A causa dos afundamentos e interrupções, geralmente, tem como origem

aumentos bruscos da corrente elétrica. Como exemplos: curtos-circuitos e partidas ou

comutações de cargas de elevadas potências. Essas correntes elevadas provocam quedas

de tensão acentuadas na instalação que desaparecem quando as proteções atuam ou

quando as cargas que partiram atingem seu regime permanente. Os dispositivos

Page 62: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

39

eletrônicos de potência, lâmpadas de descarga, computadores, dispositivos de proteção e

controle, são exemplos de equipamentos que são afetados por afundamentos ou

interrupções. A série de variações na amplitude do sinal, periódicas ou aleatórias, numa

faixa que, via de regra, situa-se em mais ou menos 10% em torno do valor nominal é

caracterizada como flutuação de tensão. Até mesmo a variação da luminosidade das

lâmpadas podem ser visíveis devido ao efeito desta flutuação. A flutuação e a cintilação

têm origem em cargas que apresentam variações rápidas no seu funcionamento, as quais

se traduzem em quedas de tensão na rede (flutuação) ao longo do tempo. Entre os

equipamentos que mais provocam essas perturbações estão às máquinas de soldar por

resistência, os motores durante a partida, a conexão e desconexão de grandes cargas, as

partidas de lâmpadas a descarga, os aparelhos eletrodomésticos com regulação

automática (de tempo, temperatura, etc.) e outros. Quando a flutuação ocorre com uma

forte queda de tensão, normalmente chamada de subtensão, os transformadores e

máquinas girantes sofrem aquecimentos anormais devidos ao aumento da corrente

provocado pelas cargas de potência ou torque constantes. Esse efeito pode se agravar

em instalações elétricas subdimensionadas (ANEEL, 2010).

As sobretensões são, via de regra, geradas pela entrada em serviço de

grupos geradores, conexões e desconexões de certos elementos da

instalação, comutações em bancos de capacitores, operação de

retificadores controlados, variadores de velocidade, lâmpadas de descarga,

atuação de dispositivos de proteção, descargas atmosféricas, etc. Os

transformadores e motores suportam, geralmente, o impulso transitório,

porém, dependendo da sua quantidade e intensidade, a vida desses

equipamentos pode ser seriamente comprometida. Os equipamentos de

eletrônica de potência, fontes de alimentação de computadores ou

retificadores podem ser danificados pelo excesso de tensão ou, no caso de

suportarem o impulso, pode ocorrer nos circuitos internos a perda de

programas, dados ou destruição de discos rígidos. As placas de

comunicação dos equipamentos também são muito sensíveis a esses

transitórios (ANEEL, 2010).

3.1.2. Distúrbios na frequência do sinal

As perturbações na frequência do sinal são variações em torno do seu valor

nominal e são causadas, geralmente, por problemas nos sistemas de geração e

Page 63: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

40

transmissão de energia elétrica. Também podem ocorrer em virtude da entrada em

funcionamento dos sistemas que possuam grupos geradores.

No documento “Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema

Elétrico Nacional – PRODIST” é estabelecido que:

1) O sistema de distribuição e as instalações de geração conectadas, em

condições normais de operação e em regime permanente, devem operar

dentro dos limites de frequência situados entre 59,9 Hz e 60,1 Hz.

2) As instalações de geração conectadas ao sistema de distribuição devem

garantir que a frequência retorne para a faixa de 59,5 Hz a 60,5 Hz, no prazo

de 30 (trinta) segundos após sair desta faixa, quando de distúrbios no sistema

de distribuição, para permitir a recuperação do equilíbrio carga-geração.

3) Havendo necessidade de corte de geração ou de carga para permitir a

recuperação do equilíbrio carga-geração, durante os distúrbios no sistema de

distribuição, a frequência:

a) não pode exceder 66 Hz ou ser inferior a 56,5 Hz em condições extremas;

b) pode permanecer acima de 62 Hz por no máximo 30 (trinta) segundos e

acima de 63,5 Hz por no máximo 10 (dez) segundos;

c) pode permanecer abaixo de 58,5 Hz por no máximo 10 (dez) segundos e

abaixo de 57,5 Hz por no máximo 05 (cinco) segundos.

3.1.3. Desequilíbrios de tensão ou corrente em sistemas trifásicos

Os desequilíbrios de tensão são encontrados nos sistemas trifásicos quando

existem diferenças expressivas entre os valores eficazes das tensões presentes na

instalação elétrica. De acordo com a ANEEL (2010), é utilizado para o cálculo do

desequilíbrio de tensão a Equação 1:

Page 64: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

41

100V

V FD% -

+

= (1)

Também se pode utilizar a Equação 2, que conduz a resultados em consonância

com a equação anterior:

b

b

6-31

6-3-1001 FD%

+= (2)

Sendo o valor de b calculado através da Equação 3:

2222

444

)( cabcab

cabcab

VVV

VVV

++

++=b (3)

Os desequilíbrios de corrente ocorrem quando as intensidades que circulam

pelas três fases não são iguais, provocando uma corrente diferente de zero pelo condutor

neutro. O resultado dessa circulação de corrente é um sobreaquecimento geral nos

componentes da instalação (MORENO, 2001).

3.1.4. Deformações na forma de onda do sinal.

Este tipo de deformações é chamado de distorções harmônicas, que são

fenômenos associados com as deformações nas formas de onda das tensões e correntes

em relação à onda senoidal da frequência fundamental.

As harmônicas tornaram-se importantes a partir da década de noventa,

quando a proporção de utilização de equipamentos eletrônicos e elétricos

começou a se equiparar. Geralmente, os usuários reclamam das

concessionárias de energia elétrica em relação à qualidade da energia

fornecida, porém, na maioria dos casos, são os próprios equipamentos

ligados à instalação que provocam a deterioração da qualidade da energia.

Equipamentos como computadores pessoais, reatores eletrônicos, variadores

de velocidade e fontes de alimentação em geral são exemplos de cargas que

têm seu funcionamento baseado em componentes de eletrônica de potência

tais como: diodos, tiristores, transistores, triacs, diacs, etc (MORENO,

2001).

Page 65: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

42

Estes tipos de equipamentos utilizados simplificam o cotidiano das pessoas,

aumentam a produtividade, oferecem momentos de lazer, dentre outras vantagens,

porém ocasionam o inconveniente da geração das distorções nas formas de onda

presentes nas instalações elétricas, o que resulta nas chamadas tensões e correntes

harmônicas.

O harmônico é um componente de uma onda periódica cuja freqüência é um

múltiplo inteiro da frequência fundamental, no caso do Brasil, 60 Hz. Desta forma,

pode-se dizer que um sinal periódico contém harmônicas quando a forma de onda desse

sinal não é senoidal ou, dito de outro modo, um sinal contém harmônicas quando ele é

deformado em relação a um sinal senoidal. O grau de distorção harmônica presente na

tensão e/ou corrente pode ser quantificada matematicamente com base no estudo das

ondas não senoidais periódicas, viabilizada por meio da série de Fourier. O Teorema de

Fourier indica que toda função periódica não senoidal pode ser representada sob a forma

de uma soma de expressões (série) que é composta, dessa forma, um sinal de tensão

(Equação 4) ou corrente (Equação 5) periódico, não senoidal pode ser expresso da

seguinte forma (BOYLESTAD, 2004):

)(...

)2()()(

max

2max21max

hh

o

hwtsenV

wtsenVwtsenVVwtv

jjj

++++++++=

(4)

)(...

)2()()(

max

2max21max

hh

o

hwtsenI

wtsenIwtsenIIwti

jjj

++++++++=

(5)

Conhecidos os valores de tensões ou correntes harmônicas presentes no sistema,

utiliza-se de procedimentos quantitativos para expressar a influência do conteúdo

harmônico em uma forma de onda. Um dos mais utilizados é a “Distorção Harmônica

Total”, a qual pode ser empregada tanto para sinais de tensões como para correntes,

conforme Equações 6 e 7, respectivamente (ANEEL, 2010).

%100.2

1

max

1

2

V

VDTT

h

hhå

>= (6)

Page 66: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

43

%100.21

max

1

2

I

IDTI

h

hhå

>= (7)

Sendo: DTT - Distorção harmônica total de tensão; DTI - Distorção harmônica total de corrente; Vh - Valor eficaz da tensão de ordem h; Ih - Valor eficaz da corrente de ordem h; V1 - Valor eficaz da tensão fundamental; I1 - Valor eficaz da corrente fundamental; h – Ordem da componente harmônica; hmax - Ordem harmônica máxima.

A presença de harmônicos em um sistema nem sempre causa danos imediatos,

mas com o tempo, equipamentos expostos a correntes harmônicas podem vir a

apresentar sérios problemas.

Os mais usuais são:

1) Solicitação de isolamento: devido às distorções nas tensões;

2) Solicitação térmica: devido à circulação de correntes harmônicas. Os

principais efeitos causados pelas solicitações térmicas e de isolamento

resultam em perda de vida útil de transformadores, das máquinas rotativas,

dos bancos de capacitores, etc.;

3) Operação indevida de diversos equipamentos elétricos (torques oscilatórios

nos motores, atuação indevida dos controles, etc.).

Hoje existem normas internacionais como a IEC 61000-3-2 e a IEEE 519 que

procuram definir limites para utilização de equipamentos de forma a não prejudicar,

tanto o funcionamento da instalação quanto da rede. O estudo de normas internacionais

pode reduzir problemas como interrupção, danos a equipamentos e prejuízos para

indústrias.

O IEC (International Electrotechnical Commission) é uma organização não

governamental de normatização internacional, sem fins lucrativos, que

elabora e publica normas internacionais para tecnologias elétricas,

eletrônicas e assuntos relacionados. As normas IEC abrangem uma vasta

gama de assuntos como geração de energia elétrica, transmissão,

Page 67: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

44

distribuição, etc. O IEC também publica normas técnicas com o IEEE

(Institute of Electrical and Eletronics Engineers) e desenvolve normas em

conjunto com o ISO (International Organization for Standardization) assim

como o ITU (International Telecommunication Union) (SANTOS, 2007).

Deve-se salientar que a distorção harmônica total de corrente, representada pela

DTI, é provocada pela carga não linear presente no sistema, e a distorção harmônica

total de tensão (DTT) é produzida pela fonte geradora, como consequência da

circulação de correntes distorcidas pela instalação. Isso acarreta uma espécie de “efeito

bola de neve” uma vez que, se a tensão é deformada, as correntes nas cargas também se

deformam e, se as correntes se deformam, as tensões se deformam mais ainda e assim

por diante.

3.1.4.1 Instrumentação utilizada para medição de harmônicos

Para este tipo de medição deve ser utilizado instrumento de medição que faça a

leitura do valor eficaz verdadeiro, também conhecido como TRUE RMS. Desta forma,

este tipo de equipamento surgiu como consequência da necessidade de se medir o valor

eficaz de sinais que não eram senoidais, ou seja, que continham harmônicas.

Em síntese, a utilização de medidores TRUE RMS para avaliação de harmônicos

nas instalações elétricas é imprescindível para todos aqueles que precisam diagnosticar

e apontar soluções adequadas para este tipo de deformação.

3.2. AVALIAÇÃO DA VIABILIDADE ECONÔMICA

As atividades econômicas realizadas pelas organizações em geral, envolvem certo

risco, diante deste fato, o estudo detalhado da viabilidade apresenta-se como uma

necessidade, tendo como objetivos básicos:

1) Identificar e fortalecer as condições necessárias para assegurar o sucesso de um

empreendimento;

2) Identificar e procurar neutralizar os fatores que possam a vir dificultar as

possibilidades de êxito do projeto.

Page 68: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

45

A viabilidade econômica integra o quadro de atividades desenvolvidas pela

engenharia econômica. Busca identificar quais são os benefícios esperados com dado

investimento para colocá-los em comparação com os investimentos e custos associados

ao mesmo, a fim de verificar a viabilidade de sua implementação. Segundo Veras

(2001), a engenharia econômica é o estudo dos métodos e técnicas usadas para a análise

econômico-financeira de investimentos. Esta análise, em geral, utiliza-se de índices

econômicos que permitam traduzir a atratividade de um investimento. Dentre estes

índices, destacam-se:

· o valor presente líquido,

· o valor anual uniforme,

· a taxa interna de retorno e,

· o tempo de retorno de capital.

Para a execução de tais análises, procura-se moldar o problema real em um fluxo

de caixa, o que permite valer-se de certas equações previamente concebidas e, assim,

avaliar economicamente o projeto, (PROCEL 2006). Permite a comparação entre os

resultados de tomada de decisões referentes a alternativas diferentes, de forma

científica. Analisa os investimentos e visa compreender não só as alternativas entre dois

ou mais investimentos a escolher, mas também, a análise de um único investimento com

a finalidade de avaliar o interesse da implantação do mesmo (VERAS, 2001).

As decisões de investimento em alternativas e projetos de economia e uso

eficiente da energia devem passar, necessariamente, por uma análise de viabilidade

econômica. Tais questões podem se apresentar de duas formas: ou deseja-se decidir

sobre a escolha entre duas alternativas mutuamente excludentes, ou deseja-se conhecer a

economicidade de uma dada alternativa.

3.2.1. Fluxo de Caixa

O fluxo de caixa é uma ferramenta que controla a movimentação financeira

(entrada e saída de recursos financeiros) em um período determinado. Nesta

modelagem, tudo o que for ganho, benefício, receita e semelhantes, é representado por

uma seta apontando para cima. De outro lado, tudo o que for gasto, despesa,

Page 69: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

46

investimento, custos e outros é representado por uma seta para baixo. A Figura 15

apresenta um fluxo de caixa onde foi feito um investimento I no instante zero (seta para

baixo) que resultará em um retorno anual A (seta para cima) durante n períodos de

tempo, ou em um valor futuro F após este mesmo período (PROCEL, 2006).

Figura 15 – Exemplo ilustrativo de um fluxo de caixa.

Fonte: (PROCEL, 2006).

Ao analisar-se o fluxo de caixa, se o saldo for negativo significa que a empresa

tem gastos além do recomendável, neste caso, o gestor terá que rever os gastos para

conseguir equilibrar com a entrada de dinheiro. Por outro lado, um saldo positivo indica

que a empresa está conseguindo pagar as suas obrigações e ter disponibilidade

financeira.

A análise do fluxo de caixa é um recurso fundamental para os gestores saberem

com precisão qual a situação financeira da empresa e, com base no resultado, decidir os

caminhos a seguir.

3.2.2. Valor Presente Líquido

O Valor Presente Líquido (VPL) de um projeto de investimento pode ser

definido como a resultante algébrica dos valores descontados do fluxo de caixa a ele

associado. Este indicador é utilizado quando se deseja comparar alternativas

mutuamente excludentes. Segundo Veras (2001), o método consiste em calcular o valor

presente líquido do fluxo de caixa (saldo das entradas e saídas de caixa) do investimento

que está sendo analisado, usando a taxa de atratividade do investidor.

Esse método, por considerar o valor do dinheiro no tempo é considerado uma

técnica sofisticada de análise de orçamentos de capital (GITMAN, 2002).

Page 70: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

47

O método do valor presente líquido enquadra-se no conceito de equivalência, e

tem a característica de trazer para o tempo presente um valor futuro, ou seja, esse

método leva em consideração o valor temporal dos recursos financeiros. A viabilidade

econômica de um projeto analisado pelo método do VPL é indicada pela diferença

positiva entre receitas e custos, atualizados a determinada taxa de juros (REZENDE &

OLIVEIRA, 1993).

Na viabilidade econômica, o VPL utiliza como critério, valores baseados na

equação de Fator de Valor Presente (FVP), do Valor Anual Uniforme, do Tempo de

Retorno de Capital e da Taxa interna de Retorno.

Trabalha-se desta forma a distribuição de custos e de investimentos em um

determinado instante do tempo através do fator de valor presente. Nesta análise é

importante que a taxa de juros seja dividida por cem e esteja em conformidade com o

período de tempo adotado. Isto quer dizer que, devem-se adotar taxas de juros anuais

para períodos anuais ou taxas de juros mensais para períodos mensais. Para o caso de se

ter várias anuidades, o cálculo deve ser cumulativo (PROCEL, 2006).

Se as anuidades e os intervalos de tempo forem iguais, caracterizando a chamada

série uniforme, pode-se lançar mão da fórmula da soma dos elementos a partir de uma

progressão geométrica, e assim obter uma equação generalizada, conforme mostra

Equação 8 (PROCEL, 2006).

( )( )

i 1 i

1i1 FVP n

n

+´-+

= (8)

Sendo:

FVP = fator de valor presente; i = taxa de juros (taxa de desconto que no caso será 8%); n = vida útil (em anos);

O método do valor presente líquido (VPL), por ser um dos mais robustos para

análise de projetos, fornece dados seguros para uma tomada de decisão sobre o

investimento, ele é calculado através da Equação 9, (PROCEL, 2006). Sendo que o

valor da taxa mínima de atratividade, ou taxa de desconto, adotada nesta análise é de

8% a.a., conforme orienta o manual para elaboração do programa de eficiência

energética da Aneel de 2008, (MPEE, 2008).

nFVP FBC IN- VPL 0n ´+= (9)

Page 71: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

48

Sendo:

VPLn - valor presente líquido no ano “n”; IN0 – investimento inicial; FBC - fluxos de benefícios ou custos esperados ao longo do tempo; FVPn – fator de valor presente no ano “n”;

3.2.3. Considerações adicionais

Outro fator importante a ser analisado é o custo de oportunidade. Trata-se de um

artifício que permite considerar vantagens tecnológicas ou benefícios oriundos de uma

determinada alternativa em estudos que tratam sobre a análise econômica. Neste caso, a

título de exemplo, podem-se supor duas alternativas tecnológicas diferentes, uma que

apresente benefícios ambientais em relação à outra. Para considerar este benefício,

pode-se, por exemplo, analisar, expressar, e até mesmo quantificar os benefícios

gerados.

O mesmo ocorre com alternativas que melhorem o fator de potência. Neste caso,

o custo de oportunidade é igual ao valor de um banco de capacitores que conduzisse ao

mesmo efeito de melhoria no fator de potência. Sendo assim, fica evidenciada a

importância de uma análise de sensibilidade. Esta deve fazer variar alguns parâmetros

importantes, dentro de faixas relativamente estreitas, a fim de se verificar como se

comporta o valor presente. Isto contribuirá sobremaneira na tomada de decisão

(PROCEL, 2006).

Page 72: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

49

4. PROJETO DE EFICIÊNCIA ELÉTRICA NA ILUMINAÇÃO PÚBLICA

DO CANTEIRO CENTRAL DA UFMT

A principal finalidade desta pesquisa é estudar, discutir, medir e levantar

questionamentos através da comparação de dois tipos de tecnologia utilizados na

iluminação pública. No caso, a lâmpada utilizada na UFMT é a mesma utilizada na

maioria das vias públicas de Cuiabá, iluminação através da lâmpada VSAP, e a nova

tendência adotada que é a tecnologia LED, considerada uma tecnologia inovadora nos

sistemas de IP.

São abordados principalmente, a eficiência elétrica, o consumo de energia

elétrica ativa, demanda de potência ativa do sistema e o custo da manutenção do sistema

de iluminação pública, responsáveis por uma parcela significativa da operação de um

sistema de IP.

O estudo tem como foco também a eficiência luminosa, o aumento de qualidade

significativa do índice de reprodução de cores (IRC), redução da poluição gerada pelo

material construtivo das lâmpadas, inclusive a nível ambiental, que é proporcionada

pelas luminárias que utilizam tecnologia LED, pois lâmpadas que utilizam tecnologias

tradicionais empregam em sua composição substâncias nocivas, como o mercúrio,

chumbo e o cádmio.

4.1. ASPECTOS GERAIS SOBRE A CONCEPÇÃO DO PROJETO DE

ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO CANTEIRO CENTRAL DO CAMPUS DA

UFMT EM CUIABÁ

4.1.1. A UFMT

Neste trabalho é apresentado um estudo de eficiência energética nos sistemas de

iluminação pública das instalações elétricas da Universidade Federal de Mato Grosso

(UFMT), campus de Cuiabá. A UFMT é uma instituição federal de ensino superior,

criada através da Lei 5.647, de 10 de dezembro de 1970, seu campus central começou a

ser construído no início daquela década e é um dos locais mais visitados da Capital,

Cuiabá-MT. A expansão quantitativa e qualitativa da UFMT faz dela a mais abrangente

instituição de ensino superior do Estado.

Page 73: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

50

A Universidade está presente em todas as regiões de Mato Grosso, um território

com mais de 900 mil quilômetros quadrados, e tem por objetivo promover o ensino, a

pesquisa e a extensão nas diferentes áreas do conhecimento humano, bem como a

divulgação científica, técnica e cultural. Os princípios institucionais são: compromisso

social; democracia; inclusão; interação; formação e autonomia. Além da Capital, foto

aérea apresentada na Figura 16, mais quatro cidades têm campi da UFMT -

Rondonópolis, no sul, Pontal do Araguaia e Barra do Garças, no leste, e Sinop, no norte.

Figura 16 – Foto panorâmica da UFMT, campus de Cuiabá/MT.

Fonte: (UFMT, 2011).

Atualmente, a UFMT oferta 5.123 vagas, assim distribuídas, 449 vagas a

candidatos com renda familiar bruta igual ou inferior a 1,5 salário mínimo per capita

que tenham cursado integralmente o ensino médio em escolas públicas (Lei n.º

12.711/2012). Também 864 vagas a candidatos autodeclarados pretos, pardos ou

indígenas, com renda familiar bruta igual ou inferior a 1,5 salário mínimo per capita e

que tenham cursado integralmente o ensino médio em escolas públicas (Lei n.º

12.711/2012). Outras 433 vagas são destinadas para aqueles que, independentemente da

renda per capta (art. 14, II, Portaria Normativa n.º 18/2012), tenham cursado

integralmente o ensino médio em escolas públicas (Lei n.º 12.711/2012).

Adicionalmente, 833 vagas destinam-se para candidatos autodeclarados pretos, pardos

ou indígenas que, independentemente da renda per capta (art. 14, II, Portaria Normativa

Page 74: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

51

n.º 18/2012), tenham cursado integralmente o ensino médio em escolas públicas (Lei n.º

12.711/2012). Aos candidatos à ampla concorrência, 2.544 vagas. As vagas da UFMT

por campi estão distribuídas conforme o QUADRO 11, de acordo com o EDITAL N.º

01/2013 de 03 de janeiro de 2013.

QUADRO 11: Quadro geral de vagas dos cursos de graduação da UFMT

CAMPUS CURSOS VAGAS Campus Universitário de Cuiabá 46 2.667 Campus Universitário de Rondonópolis 17 986 Campus Universitário de Sinop 10 725 Campus Universitário do Araguaia– Barra do Graças 8 400 Campus Universitário do Araguaia - Pontal do Araguaia 8 345

TOTAL 89 5.123

Fonte: (UFMT, 2013).

4.1.2. Aspectos básicos a serem considerados num projeto de Iluminação pública

Entende-se por Iluminação Pública (IP), o serviço que tem por objetivo prover

de luz ou claridade artificial aos logradouros públicos. Este serviço tem influência direta

para a segurança da população, para o tráfego de veículos e viabiliza atividades de

comércio, turismo e lazer (CASA, 1999).

A tecnologia LED é um marco na evolução para as soluções de eficiência

elétrica em iluminação. A fim de se conservar mais energia elétrica, o diodo emissor de

luz na iluminação pública vem tornando-se rapidamente uma tendência mundial. Em

Taiwan, por exemplo, o governo estabeleceu uma política nacional para subsidiar o uso

de LED na iluminação de estradas, e promover com esta medida, economia de energia

elétrica. Por lá, já existem mais de 30 mil pontos de iluminação com esta tecnologia,

além de muitos outros que se encontram em desenvolvimento para substitur sistemas

existentes. Este tipo de substituição deve-se ao fato de que a troca das lâmpadas de

vapor de mercúrio por LED conduzem a economias de energia elétrica que podem, em

média, alcançar os 50%. O nível de aceitação do público em geral chega a 80%

(HUANG, 2012).

Pois bem, o uso racional da energia elétrica está diretamente ligado à eficiência

elétrica, e tem como preceito a sua melhor utilização possível, evitando o desperdício.

Sendo assim o objetivo principal aqui é demonstrar que se trata de uma alternativa real e

viável, e que preserve a qualidade e o conforto ambiental da iluminação do ambiente.

Page 75: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

52

Segundo Rodrigues (2002), ao visitar o local a ser estudado é necessário que se

levante uma série de dados que serão de fundamental importância para o estudo. A

seguir estão relacionados os parâmetros que devem ser avaliados, sob a forma de

recomendações e procedimentos:

1) Ambiente a ser iluminado - no caso, as pistas asfaltadas, com iluminâncias

médias mínimas (Eméd.mín.), e valores obtidos pelo cálculo da média

aritmética das leitura realizadas, em plano horizontal, sobre o nível do piso;

2) Luminária - Principal item para aplicação da revitalização, podendo ser

substituída ou reformada. É importante verificar seu estado de conservação,

possibilidades de reforma e forma de fixação. Recomenda-se a retirada de

uma luminária, de cada modelo, para subsidiar os estudos junto ao fabricante

que irá fornecer as luminárias para a revitalização; Nesse sentido, são de

relevância a altura da luminária e a distância entre os pontos de luz;

3) Lâmpada - Deve ter seu tipo e fabricante anotados para a avaliação do

rendimento atual no sistema. Grandezas tais como, temperatura de cor,

índice de reprodução de cor, fluxo luminoso, potência e eficiência energética

devem ser levantadas através de consultas a catálogos de fabricantes;

4) Reator ou fonte – No caso de lâmpadas que necessitam, é o elemento

responsável pela quase totalidade das perdas no sistema atual. Deverão ser

verificados seus modelos, fabricante, tensão nominal, fator de potência e

perdas nominais. As fontes em luminárias LED, convertem corrente senoidal

da rede em corrente CC, e servem para alimentação de circuitos eletrônicos,

LED e placas de LEDs;

5) Forma e horário de funcionamento - Reduz-se o consumo de energia com o

sistema funcionando apenas no horário de ocupação e também através de

acionamentos automatizados (tais como sensores de presença e luz);

6) Nível de iluminamento nos planos de trabalho - Nível de iluminamento atual

deverá ser mapeado de forma simples, com o objetivo de se ter uma noção

Page 76: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

53

do nível médio. Este valor será o ponto de partida para os estudos de

alternativas de revitalização. Recomenda-se medir o nível de iluminamento,

abrangendo todo o ambiente por amostragem;

7) Tarifa de energia - Deve-se verificar, junto ao usuário, qual a classe tarifária

a que está submetida à instalação elétrica, para que os possíveis ganhos com

a redução do consumo possam ser avaliados. É recomendável obter uma

cópia das contas de energia do local nos últimos 12 meses e, se possível,

avaliar a participação do sistema de iluminação no total.

8) Logística para execução de obra.

O sistema de iluminação do canteiro central do campus da UFMT em Cuiabá

tem aproximadamente 30 anos. Depreende-se desse fato, a necessidade de

modernização dessa parte da IP, visando economia de energia, uma menor manutenção,

a diminuição da contribuição da parcela de consumo energético em horário de ponta,

melhor qualidade de iluminação, acompanhando dessa forma, a tendência mundial do

uso mais eficiente dos recursos disponíveis, no caso a energia elétrica. Destaca-se,

também, a questão do sustentabilidade do planeta, que passa justamente pela utilização

de equipamentos dotados de tecnologias mais recentes, via de regra, mais eficientes,

como é o caso das lâmpadas LED, notadamente se comparadas ao desempenho das

lâmpadas de VSAP originais. Estas últimas, além de possuírem elementos altamente

poluentes, como mercúrio, chumbo, cádmio e outros materiais que podem contaminar o

meio ambiente quando do seu descarte, apresentam desempenho e vida útil inferior à

tecnologia LED.

4.1.3. Aspectos técnicos a serem observados num projeto de eficiência energética

de IP

Outro aspecto técnico que deve ser considerado em projetos de eficiência em

iluminação é a medição e verificação do sistema instalado. A determinação e

quantificação da economia obtida são de fundamental importância para que um projeto

de iluminação tenha os seus objetivos alcançados. Para isto, existem várias opções de

Page 77: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

54

medição e verificação para avaliação da economia. De uma forma geral, quatro são as

abordagens que podem ser adotadas, que variam de acordo com a precisão e custo de

implementação, conforme mostrado no QUADRO 12. Ressalta-se, que o custo da

medição e verificação varia de acordo com a abordagem de verificação. Geralmente,

deve-se procurar manter este custo em cerca de 3 a 6 % do custo total do projeto,

(RODRIGUES, 2002).

QUADRO 12: Resumo e comparação entre as opções de medição e verificação.

Opção A Opção B Opção C Opção D

Procedimento comum

Verificação do desempenho pela multiplicação das horas de funcionamento pela diferença de potência instalada.

Verificação das economias pela utilização de medidores específicos para cada uso final.

Medições com o medidor geral da Concessionária, identificando as economias obtidas por interação.

Modelos Matemáticos.

Medição Nenhuma ou de curto prazo.

Contínua em nível de sub-sistema.

Contínua em geral/sistema -

Leitura Eventual. Mensal, diária ou horária.

Mensal, diária ou horária.

Horária em modelo matemático.

Estimativa de economias

Cálculos de Engenharia + medição eventual.

Cálculos de Engenharia + medição eventual.

Medidor de faturamento da Concessionária + mais ajustes do baseline.

Simulação.

Custo Baixo. Alto. Baixo. Alto. Precisão ~20% ~10% ~20% ~10%

Fonte: (RODRIGUES, 2002).

4.1.4. Procedimentos administrativos internos à UFMT

O projeto em tela foi implementado por meio de processo licitatório da UFMT,

denominado “Obra: Iluminação Externa do Campus da UFMT”, item “Iluminação

Externa - Canteiro Central”, como parte integrante da reforma geral da iluminação

pública do campus. A obra, destinada a atender os interesses gerais da comunidade, foi

custeada com recursos públicos compreendendo a construção, reforma, recuperação e

ampliação. Nesse sentido, a realização da obra de IP, desde a concepção do projeto até

sua implementação, seguiu toda a tramitação interna da UFMT, evidentemente,

começando pela manifestação da Universidade Federal de Mato Grosso sobre seu

interesse de modernização e eficientização da iluminação pública, constituída por seu

parque de lâmpadas, reatores/ignitores, luminárias e relés fotoelétricos. Vale destacar,

que preliminarmente, foi feita a análise da viabilidade econômica, com retorno de

Page 78: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

55

investimento estimado em aproximadamente 5 anos, com intuito de prever/anteceder o

eventual êxito ou fracasso de um projeto, sob os aspectos técnicos e do impacto

ambiental de um empreendimento. É importante a avaliação de custo, mediante

elaboração do orçamento estimativo, que é obtido por meio do SINAPI (Sistema

Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da Construção Civil), conforme LDO (Lei de

Diretrizes Orçamentárias), disponível no site www.caixa.gov.br, ou buscar em outras

fontes oficiais e justificar. Em função do tipo de obra e anteprojeto, pela estimativa da

área equivalente de construção, calculada de acordo com a NBR12.721/93 da ABNT.

Uma vez definida a realização da obra, o passo seguinte é a elaboração dos

projetos. Dependendo do porte da obra, pode ser necessária à elaboração de anteprojeto,

que não deve ser confundido com o projeto básico da licitação. O anteprojeto deve ser

elaborado no caso de obras de maior porte e consiste na representação técnica da opção

aprovada na etapa anterior. O anteprojeto não é suficiente para licitar, uma vez que não

possui elementos para a perfeita caracterização da obra, devido à ausência de alguns

estudos que somente serão conduzidos em etapas subsequentes. Este apenas possibilita

melhor definição e conhecimento do empreendimento, bem como o estabelecimento das

diretrizes a serem seguidas quando da elaboração do projeto básico. O projeto básico

deve apresentar os principais elementos, tais como planta baixa, projeto elétrico, projeto

luminotécnico, detalhamento das instalações, além de determinar o padrão de

acabamento e o custo médio. A documentação gerada nesta etapa deve fazer parte do

processo licitatório, seu organograma é mostrado na Figura 17.

Figura 17 - Organograma de um processo licitatório de obras.

Findos os estudos técnicos - planejamento e projetos básicos ou executivos, a

CPF (Coordenação de Planejamento Físico) da UFMT, setor competente para

Fase Interna da Licitação

Projeto Executivo

Estimava de custos

Edital de Licitação

Projeto Básico Memorial

Recursos Orçamentários

Page 79: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

56

elaboração de projetos, encaminha a documentação formada por: projetos básico ou

executivo, planilhas e memoriais descritivos da obra, com justificativas e cotações de

insumos e composições de custos de cada serviço, memórias de cálculo para iniciar o

devido processo licitatório, à luz a Lei n° 8.666/93.

4.1.5. Recomendações adicionais para elaboração de projeto de IP

O projeto de iluminação deve seguir as indicações e percurso do Projeto

Arquitetônico do campus da UFMT conforme ilustra a Figura 18, onde constam o

layout das edificações e os trechos e ruas existentes. A via a ser iluminada é a avenida

principal que corta a Universidade.

Figura 18 - Planta baixa do campus da UFMT - Cuiabá.

Fonte: (AUTOR, 2013).

O projetista deverá ter em mente que todos os equipamentos devem ser

instalados de maneira a permitir da melhor forma possível a sua manutenção. Em

trabalhos de iluminação, devem ser verificadas as características do ambiente, os

componentes do sistema e da instalação elétrica, a distribuição de postes, das luminárias

e a iluminância da via.

A seguir, apresenta-se um check-list que norteia o desenvolvimento do projeto

de iluminação:

1) Identificar tarefas e lugares específicos para determinar as iluminâncias

adequadas;

Page 80: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

57

2) Verificar requisitos para satisfazer a segurança e os critérios estéticos;

3) Em instalações existentes, identificar ambientes com iluminância acima do

recomendado, ajustando-a aos níveis estabelecidos em norma;

4) Verificar a possibilidade de agrupar atividades com as mesmas iluminâncias,

evitando-se diversificação desnecessária;

5) Utilizar lâmpadas mais eficientes;

6) Deverá ser prevista a instalação de sensores, dimmers e fotosensores nas

luminárias.

Um projeto de IP sistêmico deverá contemplar, além dos aspectos energéticos,

que impactam diretamente nos custos de manutenção dos sistemas, os impactos que a

iluminação pública causa no cotidiano das pessoas e, conseguintemente, no

desenvolvimento de uma cidade. Respeitar os aspectos técnicos relacionados às

configurações dos sistemas de iluminação pública, fomentar a busca por sistemas

eficientes, utilização de materiais e equipamentos de boa qualidade, reduzindo

insatisfações por parte da população com os serviços prestados, aspectos ambientais,

desperdícios de recursos e ainda impactos negativos nas redes de distribuição de

energia, no que tange a qualidade da energia.

Para isso, o projeto de um sistema de iluminação pública envolve uma grande

quantidade de cálculos repetitivos, antes da disseminação das ferramentas de

informática, com o uso de ferramentas gráficas, mais laboriosas e que dependia em boa

parte, para o seu dimensionamento, da experiência do projetista.

Os levantamentos de dados fotométricos sobre as luminárias eram demorados e

onerosos em consequência, a maioria das informações deste tipo dos fabricantes eram

escassas e imprecisas. Este quadro obrigava aos projetistas de IP, até recentemente, a

considerar um alto fator de segurança na definição da instalação, proporcional ao grau

de imprecisão dos cálculos.

A disseminação dos equipamentos de informática nos anos 80 no Brasil e da

simplificação dos programas nos anos 90, inclusive com a comercialização de alguns

Page 81: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

58

dedicados exclusivamente à luminotécnica e, recentemente, com a automatização dos

levantamentos de dados das luminárias, aumentaram a precisão, a rapidez na execução

do projeto e diminuíram o custo. Estes fatores possibilitaram uma maior precisão nos

cálculos, tornando possível uma redução do fator de segurança, proporcionando uma

redução nos investimentos e nos gastos com energia.

4.2. CARACTERIZAÇÃO DO LOCAL DE ESTUDO

A cidade universitária da UFMT possui uma via asfaltada de duplo sentido que

corta todo seu complexo e faz à ligação da Avenida Fernando Correa da Costa com o

bairro Boa Esperança (Cuiabá-MT), conforme mostra a Figura 19.

Figura 19 - Vista geral do Campus da UFMT, e em vermelho, o trajeto da iluminação pública em estudo.

Fonte: (GOOGLEEARTH, 2011).

Para sustentação das luminárias são utilizados postes de 20 metros de altura,

espaçados entre si de aproximadamente 40 metros, Figura 20.

Page 82: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

59

Figura 20 - Ilustração que mostra parte da via de tráfego da UFMT e como se dispõe o poste de 20 metros e o conjunto de luminárias de VSAP.

Fonte: (AUTOR, 2011).

Os postes encontram-se instalados no canteiro central desta via, com luminárias

de três pétalas, como mostra a Figura 21, dotadas de lâmpadas de vapor de sódio de alta

pressão de 400 W / 220 V. Os dispositivos iluminam as pistas e inclusive, devido à

altura dos postes, clareiam parte dos estacionamentos, edificações de ensino e prédios

administrativos localizados próximos ao canteiro central.

Figura 21 - Foto da luminária de três pétalas utilizadas com as lâmpadas de VSAP, que mostra como era o sistema tradicional, instalada no topo de um poste de 20 metros de altura.

Fonte: (AUTOR, 2011).

Para o novo sistema, deverá ser previsto:

1) A possibilidade de desligamento de forma simples e eficaz da iluminação,

para realização da manutenção.

Page 83: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

60

2) Os circuitos protegidos com quadro de proteção, conforme Figura 22. No

caso, foram aproveitadas as instalações elétricas de proteção e acionamento

já existentes, com opção de acionamento das luminárias através de um

temporizador para a energização de chave contatora, mecanismo de uso

comum em aplicações diversas, uma destas a iluminação pública. Também

se pode utilizar fotosensores, para saber se a luminosidade no ambiente é a

adequada, caso contrário, um circuito acionador liga as lâmpadas dos postes,

garantindo que o ambiente a se iluminar não fique às escuras.

Figura 22 - Quadro de comando e proteção utilizado no acionamento da iluminação pública do canteiro central da Universidade Federal de Mato Grosso.

Fonte: (AUTOR, 2011).

Em princípio, a proposta deste projeto foi à instalação de protótipos na forma de

retrofit, termo utilizado para designar o processo de modernização de algum

equipamento considerado ultrapassado ou fora de norma, inicialmente, com a

substituição apenas das lâmpadas e reutilização das luminárias e dos postes existentes.

Neste projeto, porém, após a análise dos equipamentos e marcas consideradas, se

realizou-se a troca do conjunto luminária/lâmpada, preservando apenas os postes já

instalados. Portanto, a substituição do conjunto existente por um sistema mais eficiente.

Desta forma, pode-se então mensurar a economia, eficiência e estudar a

empregabilidade desta nova tecnologia.

Em anos recentes, os sistemas de iluminação vêm passando por avanços

tecnológicos, relacionados principalmente com o emprego da eletrônica com foco nos

processos de eficiência elétrica. Para que possam substituir as lâmpadas comuns, estas

Page 84: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

61

novas tecnologias devem ser capazes de reproduzir luz ambiente ou a claridade do Sol

com a qual as pessoas estão acostumadas. Para isso tem que emitir uma luz de cor

balanceada, isto é a luz deve ter vários comprimentos de ondas entre os valores

extremos da visão humana. Na Figura 23 observa-se o espectro da luz de alguns tipos de

lâmpadas tradicionais em relação à curva de sensibilidade do olho humano nas regiões

fotópica1 e escotópica2: inscandescente; fluorescente; vapor metálico (VM); vapor de

sódio de baixa pressão (VSBP); vapor de sódio de alta pressão (VSAP); multivapores

metálicos (MVM). Sendo possível observar que a luz emitida por estas lâmpadas fica

parcialmente fora do campo de visão humana, reduzindo o rendimento da iluminação.

Figura 23 - Espectro da luz de algumas lâmpadas x curva de sensibilidade do olho humano.

Fonte: (SALES, 2011).

Além da produção de luz, os LEDs apresentam vantagens adicionais, tais como:

em sua fabricação não são utilizados materiais nocivos à saúde humana e à natureza,

uma vez que esta tecnologia não emprega mercúrio, chumbo ou qualquer outro metal

pesado. Também, a não emissão de radiação UV não atrai insetos evitando assim o

contato do homem com estes e seus predadores. Além disso, o acendimento é

instantâneo. A lâmpada de vapor de sódio demanda um tempo de aquecimento de

aproximadamente 5 minutos e para reinício aproximadamente de 10 a 15 minutos. Além

disso, as lâmpadas tipo LED apresentam taxas de manutenção menores, são mais

versáteis e menos vulneráveis quando comparados às atuais lâmpadas de vidro,

1 Visão fotópica é a designação dada à sensibilidade do olho em condições de intensidade luminosa que permitam a distinção das cores. 2 Visão escotópica é a visão produzida pelo olho humano em condições de baixa luminosidade.

Page 85: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

62

(RODRIGUES et al., 2009). Sua longa durabilidade (em média 50.000 horas) aliada ao

seu alto rendimento e um reduzido consumo de energia elétrica são características que

aumentam o interesse e a pesquisa na área de eficiência energética.

Quanto à cor da luz produzida, a maior concentração de radiação luminosa das

LVSAP está na faixa do amarelo enquanto que do LED, está na faixa do azul. Isto é de

grande importância, pois a visão noturna ou Escotópica, (bastonetes), tem o seu maior

rendimento nesta faixa de comprimento de onda e não na do amarelo (SALES, 2011).

O advento dos LEDs azuis, em 1993, permitiu a geração da luz branca a partir

de sua união com os tradicionais LEDs vermelho e verde. Atualmente três são as formas

básicas de conseguir a luz branca. A partir de três unidades de LEDs vermelho, verde e

azul – RGB é possível conseguir qualquer cor, incluindo o branco.

O aspecto de investimento e economia demonstra-se em longo prazo, de forma a

demonstrar a viabilidade técnica econômica do sistema proposto, ou seja, explicar

através do custo mais elevado da lâmpada a LED, em relação à lâmpada vapor de sódio

de alta pressão, que o retorno deste investimento pode ser alcançado em alguns anos.

Levando-se em conta neste estudo pontos fundamentais como: economia de energia;

custos de mão de obra com manutenção do sistema de iluminação pública.

Outro ponto analisado na escolha da tecnologia LED, é a melhor qualidade de

iluminação, e aspectos ambientais relacionados à fabricação e descarte dos LEDs.

Portanto, este trabalho visa auxiliar a diminuição do consumo de energia elétrica e

demanda potência ativa, e também aliviar o sistema em horário de ponta, tornando o

sistema e as instalações elétricas existentes ainda mais econômicas. É visualizado nesta

troca, o menor custo de manutenção do sistema, devido à expectativa de vida útil das

lâmpadas serem maiores que da tecnologia tradicional empregada.

4.3. PROJETO DESENVOLVIDO

Para a realização deste trabalho tornou-se necessária a quantificação dos postes,

luminárias, direcionamento e distâncias para a elaboração do projeto. Este processo foi

realizado através da visita in loco, com a participação de um auxiliar na coleta de dados.

Os dados foram coletados ao longo da via onde estão localizados os postes de 20

metros e as lâmpadas de vapor de sódio de 400 Watts, presentes no percurso traçado que

passa pelo canteiro central da UFMT. Após as medições e anotações, a ilustração do

Page 86: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

63

trajeto da IP no canteiro central da UFMT e a marcação de todos os pontos de

iluminação existentes neste trecho são mostradas na Figura 24.

Figura 24 - Ilustração em CAD do trajeto da IP no canteiro central da UFMT, com a marcação de todos os pontos de iluminação existentes neste trecho.

Fonte: (AUTOR, 2010).

A UFMT possui no trecho estudado e em uma praça próxima existente, 40

postes (20 m), totalizando 120 luminárias, dotados de lâmpadas e reatores.

Desta forma, considerou-se como altura de montagem das luminárias a própria

altura dos postes e o posicionamento de acordo com o projeto arquitetônico e o

espaçamento entre as sucessivas unidades de iluminação, medidas paralelamente ao

longo da linha longitudinal da via, com aproximadamente 40 metros de distância,

conforme Figura 25, com cotas em cm.

Figura 25 - Posicionamento e espaçamento médio entre os pontos de iluminação na avenida principal da UFMT.

Fonte: (AUTOR, 2010).

Page 87: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

64

4.4. DETERMINAÇÃO DO NÍVEL DE ILUMINAMENTO POR MEIO DE

SIMULAÇÃO

Para a determinação do nível de iluminamento foi lançada mão de ferramentas

de informática disponíveis comercialmente ou de forma livre, tal como o software

Dialux. Os dados obtidos acabam por definir a escolha da luminária e da lâmpada. A

título de exemplo, a Figura 26 ilustra o resultado de uma simulação e os respectivos

detalhes.

É interessante registrar, que este programa está disponível em mais de 26

idiomas diferentes em todo o mundo, inclusive o português, totalizando mais de

300.000 usuários. O software apresenta visualização 3D fotográfica realística do

ambiente, com a possibilidade de criação de filmes para apresentação do trabalho.

Importa e exporta arquivos DXF e DWG de todos os softwares CAD disponíveis no

mercado. Está em contínuo desenvolvimento, sempre baseado nas normas e padrões

internacionais mais recentes.

Figura 26 – Ilustração do resultado de uma simulação qualquer, feita através do software Dialux.

Fonte: (DIALUX, 2011).

4.4.1. Escolha da luminária LED

Para a definição do projeto final, foram avaliados 3 modelos de luminárias,

comercializadas por 3 marcas consolidadas no ramo de iluminação existente no Brasil.

O objetivo nesta etapa do projeto foi obter informações necessárias para a aquisição dos

sistemas LED que atendessem as necessidades da UFMT sob o ponto de vista técnico e

econômico. Evidentemente, também foi parâmetro para a escolha a oferta de garantia

nacional e consultoria para acompanhamento da fiscalização durante toda a execução da

obra.

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65

A primeira luminária pesquisada foi a “AreaLight Modular”, produzida pela GE, como mostra a Figura 27.

Figura 27 - Ilustração da primeira lâmpada analisada para utilização no projeto, Luminária LED Arealight Modular 120 – 277 V, 202W, 5700 K.

Fonte: (GE, 2010).

Após simulação, conforme a Figura 28, para determinação dos dados

luminotécnicos, concluiu-se que seriam necessárias 3 pétalas por poste. As simulações

contemplaram duas situações: altura de poste de 20 e 15 metros, imaginando a

possibilidade de diminuição da altura dos postes. Esta idéia foi descartada devido ao

diâmetro resultante exagerado do tubo, estética, segurança e custos operacionais.

Figura 28 - Tela ilustrativa da simulação computacional realizada para o cálculo luminotécnico do projeto caso utilizasse a luminária GE Arealight.

Fonte: (GE, 2010).

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66

A segunda opção foi a luminária “StreetLight Module – 90 W”, ilustrada na

Figura 29 da fabricante Samsung. Esta lâmpada vem acompanhada de dissipador de

energia e necessita de fonte CA/CC. A vantagem desta lâmpada é a possibilidade de

retrofit, que possibilitaria o aproveitamento das luminárias existentes, acoplando-se

duas unidades de 90 W, dessa forma, tornando-se apenas uma lâmpada com o dobro de

potência e fluxo luminoso.

Todavia, a resposta da empresa à época da consulta não foi satisfatória, foram

fornecidas informações insuficientes acerca da lâmpada e métodos de instalação. A

utilização desta lâmpada foi descartada depois da análise das luminárias existentes, que

além de muito pesadas mostravam desgaste natural devido à exposição ao tempo,

principalmente por serem muito antigas (mais de 30 anos).

Figura 29 - Módulo de lâmpada pública comercializada pela Samsung, modelo StreetLight Module 90 W.

Fonte: (SAMSUNG, 2010).

A terceira alternativa, na qual recaiu a escolha, estudo e instalação, foi a

luminária “GreenVision BRP362 230 W” fabricada pela Philips, ilustrada na Figura 30.

Esta opção é própria para iluminação pública, com potência de 230 W, fluxo luminoso

de 18.900 lúmens, corpo em alumínio injetado à alta pressão. É composta por LEDs de

potência brancos, temperatura de cor de até 4500 K, testados de acordo com o IESNA

(Illuminating Engineering Society of North America) LM80 -08 (Measuring Lumen

Maintenance of LED Light Sources). São montadas em placa de circuito metalizada

(alumínio), que oferece menor resistência térmica, índice de reprodução de cor maior ou

igual a 70. Os cabos para interligação da placa de LEDs ao driver são protegidos

termicamente através de espaguete de silicone. Este detalhe permite que tanto o módulo

de LEDs quanto o driver possam ser substituídos sem a necessidade de troca do corpo

(carcaça).

Também teve peso na decisão a facilidade de acesso às partes internas, que, no

caso da luminária escolhida, dispensam o uso de qualquer ferramenta. A fixação dos

Page 90: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

67

componentes é feita por meio de clipes. A fixação aos postes, com diâmetro entre 48

mm e 60 mm, é feita lateralmente através de parafusos existentes na própria luminária.

Classificação IP 66 (sem uso de cola), testados e comprovados através de laboratório e

expectativa de vida de 50.000 horas com 70% de manutenção do fluxo luminoso inicial

em temperatura ambiente de até 35°C.

Dentre as principais características da luminária escolhida, destaca-se:

· eficiência do sistema superior a 85 lúmens/Watt;

· são dotadas de filtro de proteção auxiliar, interno à luminária, para assegurar

compatibilidade eletromagnética (EMC);

· possuem dispositivo de proteção contra surtos de tensão 2 kV (modo

comum). Driver com tensão de alimentação 220 V-240 V;

· apresentam um fator de potência maior ou igual a 0,95;

· a distorção harmônica total de corrente (DTI) é inferior a 20%.

Figura 30 - Ilustração da luminária LED estudada e escolhida para o projeto, modelo GreenVision BRP362 de 230 W.

Fonte: (PHILIPS, 2010).

Para esta luminária LED, apenas duas pétalas (instaladas a 20 metros de altura)

são necessárias para atendimento da iluminação das vias, conforme mostra a Figura 31.

Ou seja, atender-se-iam os dois tipos de via públicas urbanas tratadas anteriormente

(normal e secundária), mesmo com tráfego intenso de veículos e pedestres, conforme a

NBR 5101:1992 preconiza, com valores obtidos na simulação através do software

Dialux:

1) Emin [lx] =13

2) U=0,769

3) Emin / Emax = 0,583 (pior caso de uniformidade, com valores máximos e

mínimos).

Page 91: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

68

Figura 31 - Resultado de simulação computacional realizada através do software Dialux para avenida principal da UFMT, utilizando duas lâmpadas LED por poste.

Fonte: (AUTOR, 2010).

Resumindo assim, no QUADRO 13 os resultados com as informações referentes

às três lâmpadas analisadas. A coluna “potência” exibe o valor total consumido pelo

conjunto, por ponto de iluminação (2 ou 3 pétalas) e a coluna “preço” mostra o custo

unitário de cada lâmpada ou pétala, para cada uma das três alternativas.

QUADRO 13: Resumo dos resultados das lâmpadas

MARCA/MODELO PÉTALAS POTÊNCIA Emin [lx] U Emin / Emax Preço (R$)

GE (Arealight Modular 202 W) 3 606 W 14,6 0,86 0,66 2.618,56

Samsung (StreetLight Module 90 W) 3 270 W - - - 1.530,00

Philips (GreenVision BRP362 230 W) 2 460 W 13 0,769 0,583 4.222,60

Fonte: (AUTOR, 2013).

4.5. ESTIMATIVA DE DEMANDA E CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA

O projeto inicialmente previa a instalação de 40 pontos de iluminação (nos 40

postes instalados ao longo da via principal), executados e separados por trechos, onde

seriam substituídas as luminárias tradicionais de VSAP por luminárias LED. A coleta de

dados foi realizada com base na potência nominal do fabricante dos conjuntos do

Page 92: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

69

sistema de iluminação pública utilizando lâmpadas VSAP (desconsiderando as perdas

do reator) e do sistema com as luminárias LED escolhidas para esta análise, sendo

repetida a coleta de dados para a quantidade total necessária para iluminação do trecho.

A TABELA 3 apresenta dados de potência para os dois tipos de luminárias, e assim

dessa forma, pode-se prever a redução percentual de demanda de potência ativa da

luminária LED.

TABELA 3: Estimativa da diminuição da demanda de energia elétrica com a proposta da iluminação utilizando lâmpadas LED de 230 W.

Tipo Qtde. Potência (W) Carga Instalada kW

VSAP 40 3x400 48

LED 40 2x230 18,4

Diminuição desta parcela de demanda de energia elétrica com a proposta da iluminação central com LED

61,67%

Fonte: (AUTOR, 2011).

A demanda das luminárias LED é 61,67% menor que a potência demandada

pelas luminárias VSAP, demonstrada através de gráfico na Figura 32. Ou seja, houve

uma drástica redução na demanda de energia elétrica sem que ocorresse perda da

qualidade da iluminação, aferida pelo nível de iluminância. Este fato será abordado no

capítulo referente à verificação das iluminâncias. Vale lembrar, que adicionalmente,

obteve-se uma melhoria significativa do índice de reprodução de cores.

Figura 32 - Estimativa de demanda de potência ativa total para os dois tipos luminárias, VSAP e LED, respectivamente.

0

10

20

30

40

50

60

Carga Instalada kW

Redução de 61,67%

Dem

an

da T

ota

l

VSAP

LED

Fonte: (AUTOR, 2012).

Page 93: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

70

Seguindo o mesmo raciocínio, pode-se estimar também o consumo de energia

elétrica do sistema (consumo diário, mensal e anual). A TABELA 4 apresenta dados de

potência, quantidade de conjuntos de iluminação, por poste, tempo estimado de uso, e

consumo de energia elétrica para os dois tipos de luminárias. Nesta tabela, pode-se

observar a estimativa de consumo para 4.380 h, correspondente a um ano de uso com a

redução percentual de consumo de energia da luminária LED.

TABELA 4: Estimativa de consumo de energia elétrica.

Tipo Qtde Potência (W) Tempo (hs) kWh (Dia) kWh (Mês) MWh (ano)

VSAP 40 3x400 12 576 17.280,00 210,24

LED 40 2x230 12 220,8 6.624,00 80,59

Economia em kWh (dia) Economia em kWh (mês) Economia em MWh (ano)

355,2 10.656,00 129,65

Fonte: (AUTOR, 2011).

Como a potência demandada pelas luminárias LED é menor do que as

luminárias de VSAP, considerados os quarenta pontos de iluminação do trecho, obtêm-

se uma economia de consumo de energia ativa em torno de 10.656,00 kWh por mês ou

129,65 MWh por ano. A comparação anual é mostrada através da Figura 33.

Figura 33 - Estimativa de consumo anual total de energia elétrica.

0,00

50,00

100,00

150,00

200,00

250,00

MWh (ano)

Co

nsu

mo

An

ual

To

tal

VSAP

LED

Fonte: (AUTOR, 2012).

Com a finalidade de melhor ilustrar a questão de redução de consumo, para fins

de comparação, é feita uma analogia com o consumo de energia elétrica ativa média

mensal de uma residência típica de médio padrão. De acordo com o publicado no portal

da revista O Setor Elétrico (2011), com relação ao consumidor residencial, o consumo

de energia médio mensal é de 154 kWh/mês, conforme TABELA 5.

Page 94: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

71

TABELA 5: Estimativa de consumo de energia elétrica diário, mensal e anual.

Economia em kWh (dia) Economia em kWh (mês) Economia em MWh (ano)

355,2 10.656,00 129,65

2 casas 69 casas 841 casas

Considerando o consumo médio mensal de energia elétrica de uma casa igual a 154 kWh

Fonte: (AUTOR, 2011).

Desta forma, constata-se que a economia desta implementação, na sua utilização

diária, seria suficiente para alimentar duas residências durante um mês. Para economia

de um mês - 69 casas, e em um ano - 841 residências.

Outro ponto considerado é o fator de potência dos sistemas analisados. No

Brasil, a Agência Nacional de Energia Elétrica - ANEEL estabelece que o fator de

potência nas unidades consumidoras deve ser superior a 0,92 capacitivo durante 6 horas

da madrugada e 0,92 indutivo durante as outras 18 horas do dia. Esse limite é

determinado pelo Artigo nº 95 da Resolução ANEEL nº414 de 09 de setembro de 2010.

Nesse sentido, a TABELA 06 mostra os valores obtidos de potência aparente, potência

reativa e corrente elétrica, calculados a partir da potência ativa e o fator de potência

constantes nos dados dos fabricantes.

TABELA 6: Cálculo das potências e corrente elétrica

Equip. P (W) Q (VAr) S (VA) I (A) FP

VSAP 3x400 2592,93 2857,14 12,99 0,42 LED 2x230 151,19 484,21 2,20 0,95

A corrente elétrica solicitada do sistema é aproximadamente seis vezes maior

Fonte: (AUTOR, 2013).

A exigência de medição do fator de potência pelas concessionárias é obrigatória

para unidades consumidoras de alta tensão (supridas com mais de 1000 V), que é caso

da UFMT, e facultativa para unidades consumidoras de baixa tensão (abaixo de 1000 V,

como residências em geral).

Deste modo, torna-se evidente o melhor desempenho energético e os resultados

do novo padrão de iluminação proposto para o canteiro central da UFMT. Isto permite

indicar, que a tecnologia de diodos emissores de luz (LED) apresenta-se, de fato, como

uma evolução para sistemas de Iluminação Pública. No caso de instituições públicas

federais como é a UFMT, isto vem de encontro com as diretrizes traçadas pela comissão

Page 95: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

72

interna de eficiência energética e Instrução Normativa n. 01, de janeiro de 2010 do

Ministério do Planejamento, Orçamento e Gestão (MPOG, 2010).

4.6. PROCEDIMENTOS PARA EXECUÇÃO DA REVITALIZAÇÃO DO

SISTEMA DE IP CENTRAL DA UFMT

Neste item são tratadas questões relacionadas com a descrição de alguns serviços

complementares necessários previstos para execução da troca das luminárias.

4.6.1. Suporte duplo

Para a luminária de duas pétalas escolhida, é necessário também à utilização de

suporte/braço para sua instalação em poste cônico de 20 metros, conforme a Figura 34.

Este suporte deve ser duplo e comercialmente é encontrado em tubo de aço, com

fixação por meio de parafusos de aperto.

De acordo com catálogo da Philips pode ser utilizado encaixe de 60,3 mm de

diâmetro e fechamento em chapa de alumínio. Outro detalhe importante é a inclinação

das pétalas, que deve ter 5º com relação à horizontal para o aumento do ângulo de

distribuição do lado da via, transversal e longitudinalmente. Com tampa em chapa de

alumínio. Pintado no padrão da luminária instalada.

Figura 34 - Ilustração do suporte duplo utilizado para sustentação das luminárias em poste cônico.

Fonte: (NEWLUX, 2011).

Devido a atraso ocorrido na importação e entrega das luminárias, fato que

impossibilitou o acesso aos dados técnicos e características físicas das luminárias,

acabou por retardar a encomenda dos suportes a empresas especializadas na fabricação

dos mesmos, que devido à inexistência em estoque provocou um atraso em todo o

cronograma estabelecido para a implantação do sistema de IP. Na verdade, era preciso a

Page 96: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

73

retirada do suporte existente para se conhecer com precisão o diâmetro do topo do

poste, a locação do caminhão munck também foi tardia e a não havia previsão de

entrega em tempo hábil para o atendimento do produto no prazo estipulado para a

execução da obra conforme licitação.

Sendo assim, foram produzidos e encomendados em serralheria os suportes da

Figura 35, que se mostraram de ótima qualidade e aparentemente muito mais resistente

que aqueles produzidos pelas fábricas especializadas.

Figura 35 - Foto do suporte duplo utilizado na sustentação das luminárias.

Fonte: (AUTOR, 2012).

Para conhecimento das medidas do diâmetro de encaixe do suporte, foi realizada

a retirada do suporte triplo utilizado no topo do poste, conforme a Figura 36.

Figura 36 - Foto do suporte triplo utilizado para a sustentação da luminária de três pétalas (VSAP), que foi trocado pelo suporte duplo da Figura 35.

Fonte: (AUTOR, 2012).

Page 97: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

74

4.6.2. Utilização de equipamento para retirada das luminárias antigas e instalação

das luminárias LED

Outra questão que deve ser prevista em projetos desta natureza é a utilização de

um Guindaste ou caminhão munck, conforme mostra a Figura 37. Este tipo de veículo é

dotado de um cesto que o torna adequado para utilização em redes elétricas, no caso em

questão, com capacidade de atingir pelo menos 21 metros de altura, para a retirada das

luminárias existentes (VSAP) e também para a instalação das luminárias LED.

Obrigatoriamente deverá ser utilizada sinalização de segurança e EPI

(Equipamento de Proteção Individual) de forma a se prevenir acidentes.

Figura 37 - Exemplo de guindaste com cesto, para serviços de manutenção em instalações elétricas, utilizados em trabalhos com altura elevada, e sinalização de segurança através de cones.

Fonte: (AUTOR, 2012).

Dessa forma, foram previstos no orçamento, recursos para locação deste

equipamento. A empresa que realizou os serviços optou pela utilização de caminhão

munck, conforme mostra a Figura 38, o que resultou em tempo adicional, porém, sem

prejuízo ou perda de qualidade na execução dos serviços para ambas as partes.

É oportuno mencionar a necessidade de patolamento dos guindastes e

guindautos, essenciais para a fixação e resistência do equipamento no solo para que não

haja o tombamento do veículo.

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Figura 38 - Registro fotográfico da execução dos serviços de instalação de luminárias LED, que mostra a utilização de um caminhão munk com cesto tipo gaiola, pronto para ser içado.

Fonte: (AUTOR, 2012).

É interessante registrar, que a diferença entre o guintaste e o munck, é que o

primeiro é um equipamento de grande porte, que possui em sua estrutura computadores

de bordo capazes de configurar os movimentos do mesmo para a realização de serviços

previstos, considerando raio, altura, peso, etc. Já o caminhão munck é um veículo com

capacidade de transportar peças e máquinas pesadas, por meio de braços mecânicos para

a movimentação. No caso, o guindaste facilmente retiraria as três pétalas juntamente

com o suporte e cabos de uma só vez, entretanto, com as limitações do caminhão

utilizado foram necessários 3 homens e a retirada de apenas uma pétala a cada subida do

braço mecânico. Para o serviço de retirada das luminárias antigas, um cesto aéreo duplo

acoplado ao braço extensor do caminhão munck foi utilizado, conforme a Figura 39.

Figura 39 - Registro fotográfico do serviço de retirada das luminárias tradicionais (VSAP), para posterior colocação das lâmpadas LED, mostra um caminhão munk conectado a um cesto duplo, utilizado

para o trabalho em altura de dois eletricistas.

Fonte: (AUTOR, 2012).

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76

No estudo e planejamento da movimentação do equipamento, foram verificadas

as condições gerais para um trabalho com segurança, considerando o peso da peça,

ângulos máximos permitidos para a boa realização dos trabalhos, assim como uma

avaliação minuciosa do local e equipamentos necessários para o andamento dos serviços

a serem prestados. O uso do cesto duplo apresentou dificuldades na execução da

atividade, necessitando de um cesto tipo gaiola, com maior espaço para acomodar

ferramentas e três funcionários com segurança, conforme a Figura 40.

Figura 40 - Ilustração do caminhão munk em dois momentos distintos durante o içamento de dois eletricistas. Primeiramente através de cesto tipo duplo e posteriormente através de cesto tipo gaiola,

respectivamente. Com melhor atendimento através do cesto tipo gaiola.

Fonte: (AUTOR, 2012).

Para a remoção das peças foi utilizada uma equipe composta por profissionais

especializados e capacitados, valendo-se de ferramentas especiais para o devido

deslocamento e/ou remoção das luminárias, conforme a Figura 41.

Figura 41 - Detalhe ilustrativo das luminárias retiradas, estas que eram utilizadas com as lâmpadas de vapor sódio de alta pressão (400 W).

Fonte: (AUTOR, 2012).

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77

4.6.3. Montagem e instalação da luminária LED

O primeiro passo e mais importante é a segurança. Nesse sentido, inicialmente

foi desligada a alimentação do circuito para evitar a possibilidade de acidentes com

choques elétricos. Esta ação foi efetuada no próprio quadro de alimentação, desligando

o interruptor destinado para essa finalidade. Em seguida, procedeu-se com a montagem

da luminária, conforme ilustra a Figura 42.

Cuidados na montagem, para proteger as luminárias, também foram tomados, de

maneira a evitar arranhões durante a conexão do suporte da luminária.

Figura 42 - Registro fotográfico do início da montagem das luminárias LED, in loco, mostra duas luminárias LEDs sendo preparadas para a instalação do suporte duplo.

Fonte: (AUTOR, 2012).

Também foi contemplada na obra a troca da fiação de cobre existente, que se

encontrava em péssimo estado de conservação. O cabo de ligação (luminária - caixa de

passagem) do tipo PP triplo (Fase+Fase+Terra), possui duas capas de PVC, segue

internamente ao poste, conforme a Figura 43. A emenda deste cabo com o cabo tronco,

classe 1 kV, subterrâneo, de 50 mm² já existente, utiliza fita isolante tipo alta fusão

(produto à base de borracha etileno-propileno -EPR). Este material é utilizado para

isolação de fios, cabos, emendas e terminações com classe de tensão de até 69.000

Volts; veda contra penetração de umidade pelas pontas dos cabos elétricos durante e

após a instalação de acessórios (emendas, terminações), e funciona como isolante

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78

elétrico nas emendas e terminações de cabos com classe de temperatura de 90ºC,

podendo atingir a temperatura de 130ºC, em regime de sobrecarga.

Figura 43 - Tipo de condutor utilizado na energização da lâmpada LED, no caso, cabo de cobre flexível triplo (F+F+T) tipo pp de 4 mm².

Fonte: (AUTOR, 2012).

Em seguida, foi realizada a retirada dos cabos e conexões existentes para

colocação dos novos condutores elétricos, como mostram a Figura 44 e Figura 45. Para

que esta montagem seja rápida em sua execução, e tenha facilidade para os serviços de

manutenção, esta luminária possui fácil acesso às partes internas do equipamento,

dispensando o uso de qualquer ferramenta (através de clipes).

Figura 44 - Foto referente ao serviço de conexão dos condutores elétricos com os bournes da luminária LED.

Fonte: (AUTOR, 2012).

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79

Figura 45 - Ilustração da etapa de montagem da luminária LED, que mostra o ajuste dos terminais de pressão para conexão do suporte duplo com as duas pétalas do novo sistema.

Fonte: (AUTOR, 2012).

Uma vez concluída a montagem no solo, e com o condutor e suporte de

sustentação instalados, a luminária é protegida e colocada no cesto preso ao caminhão

munk. Para esta tarefa foram necessários dois eletricistas, conforme a Figura 46.

Figura 46 - Conjunto de luminária LED montada e colocada no cesto tipo gaiola de um caminhão munk, pronto para ser instalado por dois eletricistas.

Fonte: (AUTOR, 2012).

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80

Na sequência é realizado o içamento do conjunto (luminária; suporte; condutor

elétrico), para fixação em poste com diâmetro entre 48 mm e 60 mm, que deve ser feita

lateralmente, utilizando parafusos existentes na própria luminária. A classificação desta

luminária é IP66 (sem uso de cola). A Figura 47 ilustra o içamento da luminária.

Figura 47 - Içamento da luminária LED.

Fonte: (AUTOR, 2012).

4.6.4. Sinalização e segurança

Como o trabalho envolve energia elétrica, deve-se utilizar uniforme de eletricista

risco 2, com faixas refletivas, confeccionado em tecido 100% algodão com tratamento

retardante a chama, ATPV 9,9 cal/cm², aprovado pelo ministério do trabalho, conforme

NR10, ilustrado na Figura 48 (ASCURRA, 2010).

Figura 48 - Uniforme eletricista.

Fonte: (ASCURRA, 2010).

Também deve ser analisada a segurança para trabalho em altura, ou seja, se os

trabalhos forem executados acima de 2 metros do nível do piso, ainda existe a

necessidade do uso de trava-quedas e cinto de segurança tipo pára-quedista.

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Outro ponto importante que se deve levar em consideração é a sinalização do

local, pois o serviço é realizado em via pública, com passagem de automóveis e

pedestres a todo o momento, necessitando a utilização de cones de sinalização para

segurança dos mesmos, conforme a Figura 49.

Figura 49 - Ilustração de exemplos de cones de sinalização utilizados na prevenção de acidentes.

Fonte: (ASCURRA, 2010).

4.7. MEDIÇÃO DE ILUMINÂNCIA

Uma vez implantado o novo sistema de iluminação da via de tráfego principal

do campus e após os estudos sobre economia no consumo estimado de energia elétrica,

o passo seguinte, foi na direção da identificar e verificar o atendimento da via aos

padrões mínimos de iluminância, para tanto foram feitas as medições necessárias.

As medições das iluminâncias foram realizadas em conformidade com a

metodologia descrita na NBR 5101, com medição de iluminância através de malha de

inspeção para verificação detalhada. Para se efetuar o cálculo das iluminâncias médias,

mínimas e máximas de um trecho, a NBR 5101 estabelece o uso da malha de inspeção,

para conferência e verificação do local em que foi executado o projeto de

luminotécnica, procedimento que exige um adequado grau de detalhamento, conforme

mostra a Figura 50.

Figura 50 - Ilustração gráfica para representação da malha de inspeção de iluminância.

Fonte: (ABNT, 2012).

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A Equacão (10) permite determinar o espaçamento longitudinal entre pontos de

medição da malha de inspeção (ABNT, 2012).

D= S/n (10)

Sendo:

S = espaçamento entre as luminárias (m);

D = espaçamento longitudinal entre pontos de medição (ou cálculo) (m);

n = número de pontos transversais.

De acordo com a norma mencionada, para uma distância entre luminárias “S”

inferior ou igual a 50 m, “n” é igual a10, e para “S” superior a 50 m, “n” deve ser o

maior inteiro dado por D≤5 (D = (S/n)), que, neste caso, é a distância limite entre filas

transversais. O canteiro central da UFMT tem 40 metros de distância entre os postes,

portanto, foram escolhidos 10 pontos longitudinais ao longo da rua, ou seja, n=10,

obtendo-se para D o valor de:

D = 40/10 = 4m

As medições foram realizadas com a utilização de um luxímetro digital,

ilustrado na Figura 51. Todas as medições foram realizadas após as 23h00min, onde a

movimentação de automóveis que circulam pela via da UFMT é praticamente nula. Este

cuidado teve por finalidade eliminar as interferências de luz veicular nas medições. De

forma, estudar a comparação dos dois sistemas para posterior análise do desempenho

luminotécnico.

Figura 51 - Luxímetro digital marca Yokogawa, modelo 51001, utilizado para as medições de iluminância na altura do asfalto.

Fonte: (YOKOGAWA, 2010).

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83

Para apresentar continuidade ao trabalho, as medições de iluminância foram

realizadas tanto para IP dotada de lâmpada de vapor de sódio como lâmpada tipo LED,

através dos mesmos critérios de medição. Primeiramente foram realizadas medições

paralelas a via de acesso, de 4 em 4 metros, e depois foram avaliadas as iluminâncias

perpendiculares a avenida, com a divisão de 10 pontos distintos. Os dados levantados

permitem a determinação das grandezas listadas na sequência:

1) Grade de valores de iluminância (E);

2) Valores mínimos de iluminância (Emin);

3) Valores máximos de iluminância (Emáx);

4) Relação Emin/Emáx;

5) Grau de uniformidade (U).

Para tanto, foram escolhidos dois trechos localizados na via principal, cada um

compreendendo o vão entre dois postes contíguos. Esta estratégia teve como foco

principal, identificar o nível de iluminamento na região de intersecção resultante de dois

pontos adjacentes. Vale destacar, que foram realizadas medições antes e depois da troca

das luminárias. As medições foram realizadas em dois locais representativos, o primeiro

trecho, apresentava luz incidente advinda apenas das luminárias estudadas, onde a

influência de fontes de iluminação externa, como iluminação de pedestres, ou de

lâmpadas das edificações próximas, não interferissem nos resultados, ou seja,

consideradas desprezíveis. A segunda medição ocorreu em um local aonde haviam

outros pontos de iluminação além das lâmpadas da IP estudadas, resultantes da

iluminação já existentes de uma praça próxima, estas provocaram certa interferência nos

planos de trabalho em que foram realizadas as medições. Tendo em vista que, ao longo

do trecho desta avenida existe alguma arborização, alguns pontos de medição

apresentaram certo grau de sombreamento, porém, não comprometendo o objetivo da

aferição.

Através das setas “1” e “2”, mostradas na Figura 52, é possível identificar a

localização exata das medições realizadas nos trechos da avenida. Na mesma figura

estão identificadas as localizações dos estacionamentos, acessos, e edificações com

relação ao uso do seu funcionamento noturno. Apenas para provisionar informações

adicionais, e descrever e caracterizar a planta geral do Campus.

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Figura 52 – Planta geral do campus da UFMT, com a localização dos trechos em que foram realizadas as medições de iluminância.

Fonte: (AUTOR, 2013).

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As Figuras 53 (a) e (b) apresentam as grades de medições de iluminância (ponto

1), realizadas com as lâmpadas de LED (a) e VSAP (b).

Figura 53 - Grade de medições de iluminância (ponto 1), realizadas com lâmpadas de LED (a) e VSAP

(b), em um trecho de 40 metros, compreendido entre dois pontos de iluminação.

a) Lâmpada LED

b) Lâmpada de Vapor de Sódio

Fonte: (AUTOR, 2013).

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Nas Figuras 54 (a) e (b), são apresentadas as medições de iluminância através de

malha de inspeção, esta verificação detalhada foi realizada para o trecho do ponto 2, e

mostra os resultados de desempenho de iluminamento para as lâmpadas de LED e

VSAP, respectivamente .

Figura 54 - Grade de medições de iluminância (ponto 2), realizadas com lâmpadas de LED (a) e VSAP

(b), trecho de espaçamento igual a 40 metros, compreendido entre dois pontos de iluminação.

a) Lâmpada LED

b) Lâmpada de Vapor de Sódio

Fonte: (AUTOR, 2013).

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A TABELA 7 apresenta, de forma resumida, os valores calculados mais

relevantes, referentes às medições de iluminâncias feitas in loco. Desta forma, tais

grandezas podem ser comparadas, com intuito de avaliar se o modelo implementado

obteve desempenho satisfatório, em relação ao sistema tradicional.

TABELA 7: Resumo das medições de iluminância realizadas para comparação da avaliação do

desempenho da luminária LED em relação à lâmpada de VSAP

LOCAL Eméd (lux) Emin (lux) Emáx (lux) Emin/Emáx U (Emin/Eméd)

LED

24,1 18,3 29,6 0,62 0,76 VSAP

17,6 9,2 22,1 0,42 0,52 Diferença (%)

Trecho (1)

26,97 49,73 25,34 32,26 31,58 LED

24,5 16,9 31,3 0,54 0,69 VSAP

19,9 10,5 30,8 0,34 0,53 Diferença (%)

Trecho (2)

18,78 37,87 1,60 37,04 23,19

Fonte: (AUTOR, 2013).

Evidentemente, para avaliar o desempenho das grandezas envolvidas, obtidas via

medição, são comparadas com os valores minímos recomendados pela NBR 5101, para

as duas tecnologias envolvidas. A TABELA 8 resume os dados encontrados e os

recomendados em norma. A TABELA 8 apresenta a síntese dos principais valores

lançados na TABELA 7, frente aos valores recomendados.

TABELA 8: Síntese das medições de iluminância com referência à NBR 5101

REFERÊNCIA Eméd.mín. (lux) Umín.

Valores mínimos definidos pela NBR 5101 (vias normais - C2)

8 0,2

LOCAL Eméd (lux) U LED 24,1 0,76 Trecho 1

VSAP 17,6 0,52 LED 24,5 0,69

Trecho 2 VSAP 19,9 0,53

Fonte: (AUTOR, 2013).

A medição do trecho 1 mostra-se mais consistente, devido a não presença de

fatores externos à iluminação, porém, em ambas as medições, os resultados são bastante

Page 111: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

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parecidos. Portanto, com base nos resultados apresentados nas figuras 53 e 54, e os

dados comparativos das TABELAS 7 e 8, é possível extrair as seguintes constatações:

1) Iluminância média - foi encontrado um aumento significativo com a troca

das lâmpadas, cerca de 27% na medição do trecho 1.

2) Fator de uniformidade – constatou-se um melhora de quase 32%, ou seja,

houve diminuição dos chamados pontos de sombra e diferenças de

iluminamento.

3) Valores de Emín – apresentaram as maiores discrepâncias entre as duas

tecnologias observadas. Uma possível causa para esse fato, é a existência de

sombras causadas pela arborização presente na via, que se mostrou mais

branda nas medições da tecnologia LED. Quiçá, isto tenha ocorrido devido à

luminária ser composta por 128 lâmpadas, que em conjunto possuírem

variados pontos de intensidade e direção do seu fluxo luminoso.

Por tanto, além do menor consumo energético comparativamente às habituais

lâmpadas de VSAP, a lâmpada LED obteve acréscimo significativo de iluminância

média e melhora do fator de uniformidade.

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5. RESULTADOS

Este capítulo tem por objetivo apresentar a avaliação dos resultados alcançados

nas etapas anteriores. As constatações obtidas são utilizadas como subsídios para a

propositura das conclusões gerais, estudos e outros que poderão ou deverão ser

realizadas para aprofundar o conhecimento sobre esta matéria.

5.1. MONTAGEM EXPERIMENTAL

Para proceder com os trabalhos experimentais foi utilizado um qualimetro de

energia digital, portátil (MARH-21), trifásico e programável, ilustrado na Figura 55. Este

instrumento, permite o registro da tensão e corrente e a exibição de grandezas outras,

como potências, distorções harmônicas, fator de potência e harmônicos, dentre outros.

Figura 55 - Ilustração do analisador de energia “MARH-21”, utilizado nas medições.

Fonte: (RMS, 2013).

A montagem laboratorial utilizada para a avaliação experimental dos

dispositivos estudados pode ser observada na Figura 56. Nesta figura estão identificados

os diversos componentes utilizados nas experimentações.

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Figura 56 – Montagem experimental realizada em laboratório, que mostra o equipamento analisador utilizado para diagnóstico de desempenho da luminária LED e VSAP.

Fonte: (AUTOR, 2013).

Conforme mencionado, a luminária utilizada no projeto foi a Green Vision

BRP362 (230 W) da marca Philips, uma alternativa para uso em sistemas de IP para o

atendimento em iluminação pública, ver Figura 57. O dispositivo é dotado de duas

placas LED, dois drivers para alimentação das lâmpadas CC, e o invólucro ou carcaça,

que além de funcionar como proteção mecânica também possui a função de dissipar o

calor gerado pelos LEDs.

Figura 57 - Ilustração da luminária LED Green Vision com os seus componentes identificados.

Fonte: (PHILIPS, 2010).

Analisador de Energia, modelo MARH-21

Luminária

(Software Anawin 4.09)

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Uma foto ilustrativa da lâmpada de vapor de sódio de alta pressão, também

utilizada nos estudos laboratoriais, está mostrada na Figura 58. Adicionalmente, a

lâmpada VSAP necessita para seu acionamento de um reator eletromagnético.

Figura 58 – Ilustração de uma lâmpada vapor de sódio 400 W, soquete E-40, tipo tubular.

Fonte: (MATEL BASTOS MATERIAIS ELÉTRICOS, 2013).

Os trabalhos experimentais iniciaram pela luminária LED, para tanto, foi

utilizado o esquema mostrado na Figura 59. A luminária é alimentada em 220 V/60 Hz.

Figura 59 – Esquema de montagem do analisador de energia e a lâmpada LED de 230 W, conectada a uma rede de 220 V / 60Hz.

Fonte: (AUTOR, 2013).

O mesmo tipo de montagem foi utilizado para a lâmpada VSAP de 400 W, cujo

arranjo foi semelhante ao utilizado para a lâmpada LED. O esquema para a lâmpada

VSAP é mostrado na Figura 60.

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92

Figura 60 – Esquema de montagem do analisador de energia e lâmpada de vapor de sódio de 400 W conectada ao reator eletromagnético, circuito energizado por uma rede 220 V / 60 Hz.

Fonte: (AUTOR, 2013).

De maneira a possibilitar uma observação mais detalhada de alguns aspectos das

grandezas monitoradas, adicionalmente, foi utilizado um osciloscópio digital de dois

canais, para registros da tensão e corrente. A montagem experimental é mostrada na

Figura 61.

Figura 61 – Montagem experimental realizada em laboratório, que mostra um osciloscópio (Modelo GW

INSTEK GDS-2062) conectado a uma luminária LED.

Fonte: (AUTOR, 2013).

Osciloscópio digital GW INSTEK GDS-2062

Luminária LED

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Para a medição da corrente foi utilizada uma resistência shunt, atentando-se para

a escala e a consequente determinação dos valores da corrente elétrica, conforme Figura

62.

Figura 62 – Ilustração da montagem experimental do resistor shunt em série com o circuito da placa

LED.

Fonte: (AUTOR, 2013).

O esquema de ligações do osciloscópio pode ser visto na Figura 63.

Salienta-se, que o equipamento é dotado de um terra comum, fato que exigiu

cuidados para evitar curtos ou erros nas medições conduzidas.

Figura 63 – Diagrama de montagem do osciloscópio e da placa LED.

Fonte: (AUTOR, 2013).

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94

5.2. MODELAGEM COMPUTACIONAL DA LÂMPADA LED

De maneira a disponibilizar mais uma ferramenta de análise do comportamento

da luminária LED, o dispositivo eletrônico foi modelado computacionalmente. Para

tanto, apenas os componentes necessários foram modelados, que logo após, foi validado

pela comparação com os dados experimentais obtidos com o equipamento real.

5.2.1. Identificação da luminária LED e circuito equivalente

Segundo Li (2011), para se avaliar uma luminária com lâmpada LED, é

necessário compreender a sua estrutura interna e construir um modelo confiável, assim

sendo, normalmente, este tipo de tecnologia inclui os subsistemas a seguir:

1) Dispositivo eletrônico LED, fonte de luz;

2) Driver eletrônico, que fornece energia elétrica para o LED;

3) Alojamento mecânico, dissipador térmico, cabos e instalação final;

4) Lente ótica, para atendimento do ângulo de feixe.

Uma ilustração dos componentes internos da lâmpada podem ser vistos na

Figura 64.

Figura 64 - Diagrama simplificado da luminária LED

Fonte: (LI, 2011).

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Para a modelagem da luminária LED foi necessária apenas a representação dos

componentes eletrônicos de entrada e o conjunto de LEDs, propriamente ditos. A

representação ilustrativa do circuito eletrônico utilizado na modelagem está mostrada na

Figura 65.

Figura 65 – Representação ilustrativa do circuito eletrônico da luminária, contento 1 driver e 1 placa de 64 LEDs.

Fonte: (AUTOR, 2013).

Com a intenção de propiciar uma melhor compreensão dos trabalhos de

modelagem, a luminária foi dividida em 5 blocos, que a seguir são descritos, conforme a

Figura 66.

Figura 66 – Ilustração do circuito eletrônico da luminária LED, representada através dos módulos I, II,

III, IV e V.

Fonte: (AUTOR, 2013).

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Inicialmente, os módulos II, III e IV foram objetos da modelagem e como pode

constatar-se, nada mais é do que uma fonte CC. Este tipo de fonte, de acordo com

(RASHID, 1999), precisam apresentar todas ou parte das seguintes características.

1. Isolação entre a fonte e a carga;

2. Alta densidade de potência para redução do tamanho e do peso;

3. Sentido de fluxo de potência controlado;

4. Eficiência da conversão elevada;

5. Formas de onda de entrada e saída com baixa distorção harmônica total para

que os filtros sejam pequenos;

6. Fator de potência controlado.

O módulo V contempla os LEDs que conformam a luminária.

Isto posto, na sequência, é feita a descrição dos módulos e suas principais

características, quando necessário.

5.2.1.1 Módulo I: Fonte de corrente alternada (rede de baixa tensão 220 V)

Esta parte do circuito corresponde à alimentação da carga, com tensão igual a

220 V/60 Hz, sua representação gráfica é mostrada na Figura 67.

Figura 67 – Representação gráfica de uma fonte de corrente alternada.

Fonte: (AUTOR, 2013).

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5.2.1.2 Módulo II: Transformador

O transformador é um dispositivo destinado a compatibilizar a tensão da rede

com a tensão do equipamento, ou seja, a tensão de alimentação da fonte CC. A

representação deste módulo está posta na Figura 68.

Figura 68 – Representação gráfica do transformador T1.

Fonte: (AUTOR, 2013).

5.2.1.3 Módulo III: Circuito Retificador

O circuito resultante dos módulos II, III, IV trata-se de um conversor CA-CC,

que também isola a entrada da saída através do transformador. Ou seja, converte a

tensão CA em CC. A ilustração simplificada do módulo III é mostrada na Figura 69.

Figura 69 – Ilustração do Módulo III, circuito retificador de onda completa.

Fonte: (AUTOR, 2013).

A Figura 70 retrata o arranjo completo de um retificador de onda completa.

Nesta figura, podem observar-se os componentes e inclusive como processam a

condução da corrente em cada semiciclo da tensão.

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98

Figura 70 – Representação do funcionamento de um retificador de onda completa.

Fonte: (ANDREY, 1999).

5.2.1.4 Módulo IV: Filtro Capacitivo

Mesmo após o processo da retificação de onda completa, o nível CC originado a

partir de uma entrada senoidal deve ser ainda melhorado, uma vez que apresenta o que

se conhece como ripple. Para esta finalidade, são lançados capacitores que fazem o

papel de filtros, alisando o sinal de saída. No estudo em tela, foram utilizados dois

capacitores conectados no ramo CC, conforme ilustra a Figura 71.

Figura 71 – Representação de um filtro capacitivo para circuito retificador de onda completa.

Fonte: (AUTOR, 2013).

O diagrama simplificado completo de uma fonte de alimentação é mostrado na

Figura 72. Trata-se de uma fonte bastante utilizada como fonte de entrada em

equipamentos eletrônicos em geral (BOYLESTAD, 2004).

Page 122: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

99

Figura 72 – Diagrama simplificado de uma fonte de alimentação com utilização de filtro com capacitor.

Fonte: (BOYLESTAD, 2004).

.

5.2.1.5 Módulo V - Placa de LEDs

A placa da luminária é formada por 64 LEDs, conforme a Figura 73. O LED é

basicamente um componente semicondutor de dois terminais que, quando polarizado

diretamente, conduz, emitindo luz. Os LEDs são semelhantes aos diodos convencionais,

e apresentam certa resistência à passagem da corrente elétrica e acabam por dissipar

parte de sua energia na forma de calor. Os LEDs são produzidos com materiais como o

fosfeto arsenieto de gálio (GaAsp) ou o fosfeto de gálio (Gap), que têm a capacidade de

emitir luz além de calor.

A utilização de elementos eletroluminescentes é uma das principais

características ou vantagem do LED, pois, ao contrário das lâmpadas incandescentes ou

fluorescentes, não é necessário aquecer um filamento ou um gás para que haja a emissão

de luz.

Figura 73 – Representação gráfica de uma placa com 64 LEDs.

Fonte: (AUTOR, 2013).

CA

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100

5.2.2. Implementação computacional no software ATP e validação experimental

Uma vez definido o modelo, o passo seguinte consiste na implementação dos

diversos módulos que compõem o dispositivo. Com esta finalidade, foi utilizado o ATP

- Alternative Transient Program, programa de grande utilização por parte dos

profissionais da área elétrica. Os parâmetros do modelo foram ajustados até alcançar

uma resposta condizente com aquela encontrada na lâmpada real.

Considerando que nos estudos de laboratório foi utilizada a energia da própria

rede da concessionária, nas simulações, também foi adotada uma tensão ideal, ou seja,

com características puramente senoidais. Assim sendo, salienta-se que, trata-se neste

documento, apenas a operação do dispositivo em regime permanente.

Para a validação do modelo computacional, como mencionado anteriormente,

adota-se como estratégia o estabelecimento de termos comparativos entre os resultados

dos ensaios experimentais e das simulações computacionais. Através do grau de

concordância que venha a ser verificado entre os resultados obtidos para as grandezas

monitoradas e correspondentes informações passíveis de medição.

A estratégia a ser empregada para o equipamento ensaiado foi a de estabelecer

termos comparativos entre os resultados que expressam as características operativas

elétricas mais significativas do dispositivo enfocado. De um modo especial, os trabalhos

estão concentrados na observação de:

1) Formas de onda para tensão de rede (CA);

2) Formas de onda de corrente (CA) solicitadas da rede;

3) Formas de onda de tensão (CC) fornecida à placa LED;

4) Formas de onda de correntes (CC) na saída do driver;

5) Valores de pico;

6) Distorções harmônicas.

A modelagem da fonte de energia em CA, referente à rede de alimentação em

baixa tensão (220 V), com a sua respectiva representação realizada via a interface

gráfica do ATPDraw, é mostrada na Figura 74.

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101

Figura 74 – Aspecto da modelagem computacional da representação da fonte de alimentação da rede de

energia, realizada via a interface gráfica do ATPDraw.

Fonte: (AUTOR, 2013).

Os valores das grandezas elétricas utilizadas da fonte de CA referente à rede de

energia, são mostrados no QUADRO 14.

QUADRO 14: Valores utilizados para modelagem da fonte de alimentação de CA.

Tensão CA (Amplitude) 311,13 V Frequência 60 Hz

Fonte: (AUTOR, 2013).

Segundo George (2012), é interessante que a modelagem de uma carga não

linear utilize uma fonte de corrente elétrica ideal, baseada no pressuposto de que o seu

sinal espectral de corrente elétrica não seja afetado por uma distorção de tensão. Porém,

softwares de simulação de circuitos elétricos, conseguem através de modelos

matemáticos impor distorções na alimentação dos circuitos propostos à este tipo de

simulação, mas que não é abordado neste trabalho.

Na sequência, o transformador retratado foi dimensionado de forma a garantir a

compatibilidade com os valores medidos na saída do driver, com utilização de chave de

comutação para atuação em 0,1 ms (TSWITCH T-cl = 0,0001). Esta chave serve apenas

para atendimento dos parâmetros mínimos exigidos pelo software, quando é utilizado

este tipo de componente, conforme a Figura 75.

Figura 75 – Representação da simulação computacional do transformador, realizada via a interface gráfica do ATPDraw.

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 125: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

102

A Figura 76 mostra o circuito com o retificador de onda completa

implementado. Para a correta operação dos diodos, foi adicionado um circuito Snubber

para cada um destes componentes. Os valores utilizados para as resistências encontram-

se no QUADRO 15.

Figura 76 – Aspecto da simulação computacional do circuito da ponte retificadora de onda completa

realizada via software ATPDraw.

Fonte: Autor, 2013

QUADRO 15: Valores utilizados para modelagem do Módulo II.

Resistor em série com diodo 0,1 Ω Capacitor + resistor em paralelo com diodo 10 nF + 100 Ω

A ponte retificadora com filtro CC para funcionamento da carga com

alimentação em corrente contínua, e seus componentes utilizados tiveram seus

respectivos valores adotados, de tal forma que, atingissem o desempenho do modelo

real aferido e com uma tensão CC de saída o mais estável possível. Os valores

simulados das capacitâncias utilizadas neste filtro são mostrados no QUADRO 16.

QUADRO 16: Valores utilizados para modelagem do Módulo IV – Filtro Capacitivo.

Capacitor 1 6000 µF Capacitor 2 600 µF

Fonte: (AUTOR, 2013).

A representação do circuito completo que foi implementado

computacionalmente encontra-se na Figura 77. A TABELA 9 mostra o resumo das

grandezas e parâmetros utilizados na simulação do circuito da luminária LED.

Page 126: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

103

Figura 77 – Representação gráfica da simulação computacional do circuito do driver e placa de 64 LEDs, após a inserção do filtro harmônico, desenvolvida através do software ATPDraw

Fonte: (AUTOR, 2013).

TABELA 9: Tabela com o resumo dos valores de todos os componentes do circuito da luminária LED simulada

LOCAL GRANDEZAS/PARÂMETROS

Tensão (V) Frequência (Hz) Pha (Deg/Rad) Fonte CA (Módulo I) 311,13 60 270

Filtro RLC R1 (Ω) SW1 R2 (Ω) n R3 e R4 (Ω) Transformador (Módulo II) 660 Ω /10 mH /

2000 µF 2 T-cl 1E-9 10000 1 10

D1, D2, D3 e D4 C1, C2, C3 e C4

(µF) R5, R7, R9,

R12 (Ω) R6, R8, R10,

R12 (Ω) Circuito

Retificador (Módulo III) Vig/lhold/Tdeion/Closed = 0 1E-5 0,1 100

R13 (Ω) R14 (Ω) C5 (µF) C6 (µF) Filtro Capacitivo (Módulo IV) 1000 480 6000 600

R15 (Ω) R16 à R23 (Ω) L1 à L64 Placa de LEDs (Módulo V) 370 12 Vig/lhold/Tdeion/Closed = 0

Fonte: (AUTOR, 2013).

Com relação à qualidade da energia, devido tratar-se de uma carga não linear, a

forma de onda de corrente mostrou-se deformada e não plenamente concordante com a

correspondente experimental da lâmpada LED. Por este motivo, foram introduzidos

componentes RLC, dessa forma melhorando o desempenho do modelo (experimental e

simulada). A solução clássica para a redução da contaminação harmônica de corrente

em sistemas elétricos é o uso de filtros sintonizados conectados em derivação no

alimentador. Usualmente são utilizados métodos passivos para correção de uma carga

não linear, que consistem na sintonização de impedância do tipo LC. Este circuito ainda

corrige o fator de potência e proporciona a melhoria distorção harmônica (GEORGE,

2012).

Para finalizar, e retratar o mais próximo o arranjo físico experimental, no

circuito referente à luminária, foram implementadas a outra fonte de alimentação e outra

Page 127: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

104

placa com 64 LEDs, totalizando o conjunto final com 128 LEDs, conforme mostra a

Figura 78.

Figura 78 – Modelagem computacional final do circuito relativo à alimentação de duas placas, totalizando 128 LEDs, desenvolvida através de software.

Fonte: (AUTOR, 2013).

Concluída a fase de simulação e implementação, a próxima etapa trata da

validação do circuito implementado. Para esta finalidade, foi feito um conjunto de

experiências e monitoramentos, da tensão e corrente, que se encontram sintetizados na

TABELA 10.

TABELA 10: Resumo dos estudos realizados para avaliar o desempenho da luminária LED sob condições ideais e nominais de suprimento

LOCAL GRANDEZA E TIPO

DE RESULTADO MODO DE OBTENÇÃO

DOS DADOS INDICAÇÃO DA

FIGURA Grandezas obtidas da alimentação elétrica do equipamento

Computacional 79 (a) Tensão Forma de onda Experimental 79 (b)

Computacional 80 (a) Corrente Forma de onda Experimental 80 (b)

Computacional 81 (a) Tensão e Corrente Formas de Onda Experimental 81 (b)

Computacional 82 (a) Tensão Espectro harmônico Experimental 82 (b)

Computacional 83 (a)

Entrada

Corrente Espectro harmônico Experimental 83 (b)

Grandezas obtidas na saída da fonte VCC Computacional 84 (a) Saída do Driver Tensão e Corrente

Gráfico Experimental 84 (b)

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 128: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

105

As Figuras 79 (a) e (b) representam, as formas de onda de tensão aplicadas na

luminária LED para realização do estudo computacional e experimental

respectivamente.

Figura 79 - Formas de onda da tensão aplicada na entrada da lâmpada LED, através da simulação

computacional (a), e aferição por meio de medição experimental (b).

a) S

imul

ação

com

puta

cion

al

(f ile Traf o_Ret_LEDs_Filtro_14.pl4; x-v ar t) v :REDE 0 5 10 15 20 25[ms]

-330

-220

-110

0

110

220

330

[V]

b) M

ediç

ão e

xper

imen

tal

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 129: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

106

As Figuras 80 (a) e (b) representam os estudos computacional e experimental,

das formas de onda da corrente, fornecida para luminária LED, respectivamente.

Figura 80 - Formas de onda da corrente elétrica na entrada da luminária LED, feita através da

simulação computacional (a), e da medição experimental (b).

a) S

imul

ação

com

puta

cion

al

(f ile Simulacao_06_2.pl4; x-v ar t) c:REDE -XX0003 0 5 10 15 20 25 30[ms]

-2,0

-1,5

-1,0

-0,5

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0[A]

b) M

ediç

ão e

xper

imen

tal

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 130: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

107

As correspondentes de tensão e corrente, computacional e experimental, da

alimentação da luminária LED encontram-se ilustradas nas Figuras 81 (a) e (b).

Figura 81 – Oscilografia das formas de onda de tensão e corrente elétrica, na entrada do circuito, obtidas a partir de simulação feita através do software ATP (a), e realizada através de medição

experimental (b).

a) S

imul

ação

com

puta

cion

al

(f ile Traf o_Ret_LEDs_Filtro_15_Uma_Placa_Em_Fase.pl4; x-v ar t) factors:offsets:

10,00E+00

v :REDE 10,00E+00

c:REDE -XX0003 1000,00E+00

0 5 10 15 20 25 30[ms]-330

-220

-110

0

110

220

330

b) M

ediç

ão e

xper

imen

tal

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 131: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

108

As Figuras 82 (a) e (b) mostram os gráficos de tensão e corrente na saída da

driver que alimenta a placa LED, obtidos pelas estratégias computacional e laboratorial,

respectivamente.

Figura 82 – Gráficos de tensão e corrente (VCC) aplicados na placa de 64 LEDs, fornecida pelo driver, obtidas a por simulação (a) e medição através de medição experimental com a utilização do osciloscópio (b).

a) S

imul

ação

com

puta

cion

al

b) M

ediç

ão e

xper

imen

tal

Fonte: (AUTOR, 2013).

VCC ~ 185 V

VCC ~ 185 V

ICC ~ 500 mA

ICC ~ 500 mA

Page 132: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

109

As Figuras 83 (a) e (b) apresentam os espectros harmônicos da tensão na entrada

da luminária LED, associadas aos estudos computacionais e experimentais,

respectivamente.

Figura 83 – Espectros harmônicos da tensão de entrada do circuito, obtidas por simulação computacional (a), e medição experimental (b) através da utilização de analisador de energia.

a) S

imul

ação

com

puta

cion

al

b) M

ediç

ão e

xper

imen

tal

Fonte: (AUTOR, 2013).

Ordem Harmônica

Page 133: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

110

Nas Figuras 84 (a) e (b) apresenta-se os espectros harmônios de corrente de

entrada, referente aos estudos computacionais e laboratoriais.

Figura 84 – Espectro harmônico da corrente elétrica de entrada, simulação computacional (a), e medição experimental (b).

a) S

imul

ação

com

puta

cion

al

b) M

ediç

ão e

xper

imen

tal

Fonte: (AUTOR, 2013).

Ordem Harmônica

I = 1,01 A DTI = 10,50%

Page 134: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

111

A TABELA 11 apresenta, de forma resumida, os valores mais relevantes obtidos

através das simulações computacionais e dos ensaios experimentais, referentes à entrada

de alimentação do equipamento, e a saída do driver que alimenta o conjunto de 64

LEDs. Neste sentido, tais grandezas podem ser comparadas, com intuito de avaliar o

desempenho do circuito implementado computacionalmente.

TABELA 11: Tabela com dados comparativos entre os resultados computacionais e experimentais

LOCAL GRANDEZA SIMULAÇÃO EXPERIMENTAL

Grandezas obtidas da alimentação elétrica do equipamento Valor eficaz (V) 220 219,70

Valor de Pico (V) 311,13 310,67 3° 0 0,17 5° 0 1,02 7° 0 0,35 9° 0 0,07

Harmônicas mais

significativas (%)

11° 0 0,40

Tensão

DTT (%) 0 1,33 Valor eficaz (A) 0,99 1,01

Valor de pico (A) 1,52 1,42 3° 11,51 7,75 5° 1,32 3,52 7° 1,45 3,52 9° 0,86 2,11

Harmônicas mais

significativas (%)

11° 0,86 2,11

Entrada

Corrente

DTI (%) 12,6 10,50 Grandezas obtidas na saída da fonte VCC

Tensão VCC (V) 185 185 Saída

do Driver Corrente ICC (mA) 495 + 495 500+500

Fonte: (AUTOR, 2013).

Os resultados apresentados nas figuras 79 a 84 e os dados comparativos da

TABELA 11, permitem a análise e as seguintes considerações:

1) Quanto à tensão de alimentação do LED, o valor eficaz e de pico se

apresentaram próximos. Porém, verifica-se uma leve distorção na forma de

onda naquela obtida em laboratório, portanto, ligeiramente diferente da

utilizada computacionalmente. A DTT de 1,33% encontrada aqui, possui a

quinta harmônica mais significativa que as demais. Pode-se atribuir esta

distorção à rede de energia do local no momento dos testes. Enquanto que

para simulação a DTT considerada é de 0%, pois é avaliada como uma

situação ideal.

Page 135: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

112

2) As correntes de alimentação do equipamento, no caso computacional

comparativamente ao caso experimental, obtiveram respostas de corrente

eficazes bem próximas. Porém, com o valor de pico da simulação,

ligeiramente maior. O DTI mostrou uma diferença de 2,1%, com relação à

simulação computacional (12,6%) e a experimental (10,50%). A diferença

verificada deve-se, principalmente, às características não lineares dos

componentes eletrônicos, e ao não conhecimento de suas características

físicas, e também devido à deformação de onda de tensão já existente na rede

em que foi realizada a montagem laboratorial. Contudo, apesar da não

conferência exata destas grandezas, as medições mostraram-se sob os

aspectos quantitativos, valores bem próximos.

3) Quanto à tensão e a corrente (CC) obtidas na saída do driver, os valores

mostrados pela simulação e pela análise experimental mostraram semelhança

no aspecto quantitativo, porém qualitativamente diferentes. Possivelmente,

devido a não linearidade da carga e por não terem sido simulados fielmente

os componentes com as suas características físicas. E como era de se esperar

de uma simulação computacional, a linearidade dos gráficos em corrente

contínua mostraram-se mais estáveis que os obtidos com o osciloscópio.

4) Finalmente, é importante ressaltar que, embora ainda permaneçam pequenas

as diferenças, principalmente no tocante à forma de onda da corrente elétrica

no lado da alimentação do circuito, os valores numéricos permitem indicar o

adequado desempenho do circuito, portanto permitindo a realização futura de

outros estudos que permitam a avaliação deste modelo computacional.

5.3. AVALIAÇÃO DO IMPACTO NA QUALIDADE DA ENERGIA ELÉTRICA

COM A SUBSTITUIÇÃO DO SISTEMA DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA DO

CAMPUS

A análise da qualidade da energia elétrica, tem como objetivo verificar se o novo

sistema de iluminação não apresenta impactos negativos no tocante à qualidade da

energia elétrica. Vale lembrar, que apesar de ser um dispositivo de potência

relativamente pequena, dada a grande quantidade necessária para iluminar as vias das

Page 136: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

113

cidades, passa a ser um aspecto que deve ser levado em consideração. Embora não

possa ser considerado um tipo de carga diretamente ligada à produção ou a processos, a

iluminação pública representa um significativo percentual do total de cargas instaladas

no sistema elétrico. A qualidade e a eficiência energética são alguns dos pontos centrais

de pesquisas e melhoramento de muitas concessionárias de energia elétrica, sendo que o

emprego de tecnologia LED, principalmente no que diz respeito à iluminação pública

deve ser estudada e pode vir a contribuir significativamente na melhoria destas

questões. Conforme mencionado, a UFMT possui contrato com a concessionária de

energia no segmento tipo industrial, grupo A, horosazonal verde. Conta com

equipamentos de alta tecnologia, os quais normalmente apresentam sensibilidade a um

ou mais tipos de perturbação. A título de exemplo, caso ocorra uma interrupção de

energia, todos os processos e, em consequência, atividades que necessitem do

funcionamento adequado e com qualidade da energia elétrica podem ser prejudicados.

Isso torna imperativo que a energia entregue seja livre de distúrbios. As causas para as

perdas da qualidade da energia elétrica podem ser tanto devido a falhas ou faltas do

sistema, como também devidas à operação normal de equipamentos, como por exemplo,

fornos a arco, motores de grande potência, dentre outros.

5.3.1. Dados e especificações técnicas

Os dados de catálogo dos fabricantes, com as especificações técnicas para

comparação das lâmpadas são mostrados na TABELA 12. Esta mostra que a potência

ativa nominal do dispositivo investigado é igual a 230 W, enquanto que a lâmpada do

sistema tradicional apresenta um valor de 400 W. Como o número de pétalas é

diferenciado para as duas tecnologias analisadas, a resultante final estimada é, 460 W

(LED) contra 1200 W (VSAP) para cada ponto de iluminação.

TABELA 12: Dados dos fabricantes das lâmpadas contempladas.

DESCRIÇÃO LED VAPOR DE SÓDIO

Fluxo Luminoso (lúmens) 18.900 45.305

Durabilidade (h) 50.000 32.000

Temperatura de Cor (K) 4500 2.000

IRC – índice de reprodução de cores. 70 25

Potência da lâmpada (W) 230 400

Fator de Potência 0,95 0,42 (reator)

Page 137: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

114

Quantidade de lâmpadas por poste 2 3

Corrente de Lâmpada (A) 0,53 + 0,53 4,60

Eficiência Luminosa (lm/W) 85 115,9

Distorção Harmônica Total de Corrente (DTI) 20% -

Fonte: (AUTOR, 2012).

5.3.2. Resultados

Foram feitas análises da energia consumida pelos dois tipos de tecnologia

abordados, lâmpada LED e lâmpada vapor de sódio, em estudo. Para estes testes de

desempenho, foi utilizado um analisador de energia, (modelo MARH-21/RMS), e o

software Anawin 4.0. A estratégia empregada consistiu na análise experimental dos

dispositivos a fim de se estabelecer termos comparativos entre os resultados sob a

observação dos seguintes dados:

1) Formas de onda de tensão de entrada;

2) Formas de onda de corrente solicitadas da rede;

3) Distorções harmônicas de tensão e corrente.

Após traçados os objetivos desta análise de desempenho, o próximo passo foi a

confrontação dos resultados obtidos. Sendo assim, a seguir são apresentados os gráficos

e dados comparativos de acordo com a TABELA 13, que mostra o resumo dos estudos

realizados para avaliar o desempenho da luminária LED e VSAP.

TABELA 13: Resumo dos estudos realizados para avaliar o desempenho das lâmpadas LED e VSAP

LOCAL GRANDEZA E TIPO

DE RESULTADO LÂMPADA

INDICAÇÃO DA FIGURA

Grandezas obtidas da alimentação elétrica do equipamento

LED 85 (a) Tensão e Corrente Formas de Onda VSAP 85 (b)

LED 86 (a) Tensão Espectro harmônico VSAP 86 (b)

LED 87 (a)

Entrada

Corrente Espectro harmônico VSAP 87 (b)

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 138: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

115

As Figuras 85 (a) e (b) mostram os gráficos das formas de onda da corrente e da

tensão das lâmpadas, obtidos via medição experimental. A análise destas formas de

onda tem como objetivo visualizar a defasagem da onda de corrente elétrica em relação

sua onda de tensão, bem como, o diagnóstico da presença ou não de distorção nas

formas de onda. A figura referida apresenta os oscilogramas da lâmpada LED (a) e da

lâmpada de VSAP (b), com dados obtidos da entrada do equipamento, num determinado

período, no instante do seu funcionamento normal.

Figura 85 – Oscilogramas de tensão e corrente da lâmpada LED (a) e da lâmpada VSAP (b).

a) L

âmpa

da L

ED

b) L

âmpa

da d

e V

apor

de

Sódi

o

Fonte: (AUTOR, 2013).

Para as curvas mostradas das lâmpadas, percebe-se que a forma de onda da

corrente da lâmpada LED se apresenta um pouco mais distorcida do que a

correspondente da lâmpada VSAP.

FP = 0,97

FP = 0,38

Page 139: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

116

As Figuras 86 (a) e (b) apresentam, os espectros harmônicos da tensão na

entrada da luminária LED e da lâmpada de VSAP, respectivamente.

Figura 86 – Espectro harmônico de tensão da luminária LED (a) e da lâmpada de VSAP (b), obtidas na entrada de energia dos dispositivos.

a) L

âmpa

da L

ED

b) L

âmpa

da d

e V

apor

de

Sódi

o

Fonte: (AUTOR, 2013).

Com relação à DTT para as duas estratégias utilizadas, de acordo com a Figura

86, observa-se um valor bem próximo em ambas as medições, 1,33% (a) e 1,46% (b).

V = 219,70 V DTT = 1,33%

V = 218,92 V DTT = 1,46%

Page 140: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

117

Os histogramas de corrente, obtidos para as lâmpadas LED (a) e VSAP (b), são

mostrados na Figuras 87 (a) e (b).

Figura 87 – Espectro harmônico de corrente elétrica da luminária LED (230W)

e VSAP (400 W).

a) L

âmpa

da L

ED

b)

Lâm

pada

de

Vap

or d

e Só

dio

Fonte: (AUTOR, 2013).

Como resultado dos estudos realizados, a TABELA 14 apresenta, de forma

resumida, os valores mais relevantes, referentes à entrada de alimentação dos

dispositivos investigados. Neste sentido, tais grandezas podem ser conferidas, com

intuito de avaliar a comparação dos dois modelos de iluminação.

I = 1,01 A DTI = 10,50%

I = 4,15 A

DTI = 7,17%

Page 141: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

118

TABELA 14: Comparação dos valores obtidos através de medição.

Descrição LED VSAP Fator de Potência 0,97 0,38 DHT (Tensão) 1,33% 1,46% DHT (Corrente) 10,50% 7,17% Tensão Rede (V) 219,71 218,92 Corrente Elétrica (A) 1,01 4,15 Potência Ativa (W) 214 349 Potência Reativa (VAr) 54 840 Potência Aparente (kVA) 221 910

Fonte: (AUTOR, 2013).

Com os dados resultantes apresentados nas Figuras 85 a 87, e com a comparação

dos valores obtidos, durante a medição experimental, da TABELA 14, é possível

realizar as seguintes considerações:

1) Pode-se determinar o montante de potências ativa, reativa e aparente, a partir

dos dados levantados em laboratório e simulação, bastando, para tanto,

conhecer a quantidade de pontos de iluminação, conforme a TABELA 15.

TABELA 15: Valor estimado das potências: ativa; reativa; e aparente. De acordo com a quantidade de pontos de iluminação, com dados das medições realizadas em laboratório. Descrição LED VSAP Qtde. de lâmpadas por poste 2 3 Qtde. de Postes 40 40 Qtde. total de lâmpadas 80 120 Potência Ativa Total (W) 17.120 41.880 Potência Reativa Total (VAr) 4.320 100.800 Potência Aparente Total (kVA) 17.680 109.200

Fonte: (AUTOR, 2013).

2) Com relação aos níveis de tensão, ambas lâmpadas estavam com o valores

bem próximos durante os testes. Os espectros harmônicos de tensão da

lâmpada LED e VSAP, e suas respectivas DTTs, também apresentaram

valores bem próximos, 1,33%(LED) e 1,46% (VSAP). Dentro dos padrões e

níveis de qualidade em relação ao fornecimento de energia.

3) Também, pode-se observar na Figura 85 (a), que o ângulo de fase da

corrente do LED encontra-se praticamente em fase a tensão, conferindo ao

equipamento um fator de potência de 0,97, porém mostra uma pequena

distorção na forma de onda da corrente, que possui aspecto quase senoidal e

acompanha o comportamento da forma de onda da tensão.

Page 142: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

119

4) Para lâmpada de descarga de vapor de sódio de alta pressão, com reator

eletromagnético, a Figura 85 (b) mostra uma maior defasagem da forma de

onda da corrente em relação à forma de onda da tensão, em virtude de sua

carga ser bastante indutiva, pois o reator utilizado nesta lâmpada possui um

baixo fator de potência (FP = 0,38). Também é evidente uma menor

distorção da forma de onda da corrente.

5) Em relação aos resultados acerca da corrente elétrica, observou-se que as

formas de onda mostraram-se para ambos os casos, aspectos bem próximos

de uma senóide, e seus espectros harmônicos associados obtiveram para o

LED uma DTI igual a 10,5% , enquanto que a lâmpada de VSAP 7,17%.

Sendo assim, serão analisadas as correspondentes correntes harmônicas do

sistema implantado com as lâmpadas LED, de modo a comparar as medições

realizadas frente aos valores recomendados na norma IEC 61000-3-2,

conforme a TABELA 16. Esta norma tem como objetivo tratar da limitação

de introdução de corrente harmônica em sistemas de suprimento de energia

elétrica. Ela especifica os limites máximos de componentes harmônicas da

corrente de entrada que podem ser produzidas pelo equipamento testado sob

condições específicas. Definida através de quatro classificações de

equipamentos (A, B, C e D), sendo a classe C, para os equipamentos de

iluminação dos tipos: incandescente; a descarga; LEDs; incluindo

“dimmers“ (exceto para incandescentes) (IEC, 2005).

TABELA 16: Comparação da corrente harmônica da lâmpada led com os limites de corrente harmônica para equipamentos tipo classe C da norma IEC 61000-3-2 expressa em

percentagem.

Ordem harmônica n

Máxima corrente harmônica permitida expressa em percentagem

da freqüência fundamental %

Corrente Elétrica LED (%)

2 2 0,59% 3 30xλ* (29,4%**) 7,75% 5 10 3,52% 7 7 3,52% 9 5 2,11%

11<=n<=39 (harmônicas ímpares)

3

Das harmônicas de 11 à 39, a 17º harmônica

possui a maior contribuição (2,01% )

*λ é o fator de potência do circuito ** Valor calculado para a lâmpada LED

Fonte: (IEC, 2005) com adaptações do autor.

Page 143: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

120

A maior eficiência constatada neste projeto com a substituição das usuais

lâmpadas de VSAP pela tecnologia LED, demonstrou que houve realmente a introdução

de componentes harmônicas no sistema, porém, sua parcela pode ser considerada

insignificante, uma vez que, de acordo com a TABELA 16, todas as componentes em

relação à corrente fundamental mostraram-se muito abaixo dos limites recomendados

pela norma internacional IEC 61000-3-2.

Também deve-se levar em consideração às vantagens relatadas com a economia

gerada no consumo de energia ativa, diminuição da demanda de potência ativa em

horário de ponta, pois a entrada de funcionamento da iluminação pública acontece

exatamente neste momento.

Outro item de grande importância é a melhoria do fator de potência, pois esta

parcela de potência reativa quando excedente, de acordo com os limites da

concessionária, agrega na conta de energia da UFMT faturamento de demanda reativa

excedente. Desta forma, diretamente diminui a corrente elétrica solicitada pelo sistema,

ou seja, necessitaria de menor infraestrutura em relação às instalações elétricas, pois

pode se notar que o acionamento deste tipo de dispositivo, demanda correntes de menor

magnitude. Tanto sob a ótica da qualidade como da eficiência energética, depreende-se

que a porcentagem de DTI dos dois sistemas são próximos entre si, porém, deve-se

analisar que a contribuição de corrente elétrica do sistema LED é menor que a

contribuição da lâmpada de VSAP.

A distorção da forma de onda da corrente elétrica é pouco significativa, e o fator

de potência (FP) da lâmpada LED é elevado (próximo da unidade), fato devido à

existência do filtro, que também contribui para melhorar o fator de potência.

5.4. ESTUDO DE VIABILIDADE ECONÔMICA E CÁLCULO DE RELAÇÃO

CUSTO BENEFÍCIO DO PROJETO PROPOSTO

Segundo Huang et al. (2012), um levantamento realizado pelo IEA

(International Energy Agency) sobre a eletricidade global utilizada pela iluminação

pública em 2005, constatou que existem cerca de 130 milhões de lâmpadas no mundo.

Com o crescimento de novos pontos de iluminação, esta chegou até 180 milhões em

2010.

Variados tipos de tecnologia são empregrados na IP, tais como: lâmpada de

vapor de mercúrio, vapor de sódio, lâmpadas de iodetos metálicos, lâmpadas

Page 144: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

121

fluorescentes, e lâmpadas de LED. Em muitos países, os estudos sobre o uso da

iluminação LED levam em consideração os benefícios da iluminação e da segurança no

trânsito. O departamento de energia dos EUA, realizou dois anos de estudos sobre a

utilização do LED, e concluiu que o retorno do investimento levaria muito tempo. De

acordo com os testes, em termos de energia, estas luminárias são mais eficientes do que

as lâmpadas de VSAP, entre 26 e 57% . Apesar dos avanços existentes no que tange a

tecnologia pertinente ao LED, o seu custo permanece ainda elevado. Além disso, na

aplicação de LEDs para iluminação de vias, foram encontrados dois problemas:

1) Falta de normas, testes e certificações confiáveis, resultando em uma grande

discrepância em termos de qualidade;

2) Inexistência de padrões e especificações, dificultando a produção em massa

e preços elevados comparativamente a outras alternativas.

Apesar destas dificuldades, alguns países tem adotado esta tecnologia apenas de

forma experiemental, permitindo assim, avaliar de forma confiável, os reais benefícios e

viabilidade (HUANG et al., 2012).

O estudo de viabilidade indica as condições para que os objetivos que se

pretendem alcançar dependam mais das próprias ações do que de sorte. No entanto, há

diversos cuidados que devem ser tomados de forma a garantir a viabilidade técnica de

um projeto e sua implantação. Os resultados deverão ser condizentes com as condições

experimentais postas. Dessa forma, este estudo tem por objetivo estimar os ganhos ou

perdas decorrentes e assim, concluir sobre a viabilidade econômica de um projeto de

eficiência elétrica em iluminação pública. Também, prevê a formulação e validação de

uma metodologia de cálculos para levantar os custos envolvidos, para os casos das

lâmpadas de vapor de sódio e lâmpadas a LED, verificando o retorno financeiro do

investimento. Para isso são levados em consideração os seguintes itens:

1) Vida útil das lâmpadas;

2) Estimativa de custos de energia elétrica;

3) Estimativa de custos de implantação;

4) Estimativa de custos de manutenção.

Page 145: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

122

Segundo Sales (2011), em relação aos sistemas tradicionais utilizados em IP, as

lâmpadas VSAP tem uma maior expectativa de vida útil, alcançando até 32.000 horas

para potência nominal de 1.000 W. As de 400 W, que são as mais utilizadas na IP,

atingem 24.000 horas. As lâmpadas de VM duram 18.000 horas.

As lâmpadas tipo LED têm vida útil mínima de 50.000 horas, podendo atingir

100.000 horas. A variação da vida útil dos LEDs está relacionada com a temperatura da

junção. Assim, para elevar ao máximo o tempo de vida útil dos LEDS, é extremamente

importante realizar uma boa dissipação térmica, procurando manter a temperatura da

junção o mais próxima possível de 25 °C.

Outro aspecto importante a considerar é que algumas cidades adotam um tempo

médio de quatro anos para a substituição das lâmpadas, com o objetivo de evitar queima

coletiva e a possibilidade de blecaute na iluminação pública.

Nesse contexto, primeiramente é calculada a vida útil da lâmpada LED proposta,

cujo resultado serve de subsídio para o cálculo de custos e recuperação de capital, de

longo prazo, necessários para os estudos de viabilidade econômica e relação de custo

benefício. De acordo com informações do fabricante, a lâmpada LED de 230 W do

projeto de IP da UFMT, possui vida útil estimada de 50.000 horas, tempo que será

utilizado para o cálculo da vida útil em anos. Nos estudos aqui descritos, considera-se

que as lâmpadas permanecerão ligadas 12 h por dia, que é o tempo pré-ajustado pela

programação do funcionamento do temporizador acionador da IP instalado no quadro de

proteção do circuito de iluminação existente. A partir da Equação 11, é possível estimar

a vida útil em anos destas lâmpadas MPEE (2008).

÷øö

çèæ

=

anoh

lâmpada da utilização de Tempo

(h) lâmpadas das útil Vida anos em útil Vida

(11)

anos 12

anoh

4380

(h) 50.000

anoh

365 12

(h) 50.000 anos em útil Vida @

÷øö

çèæ

=÷øö

çèæ´

=

Para uma operação de 12 horas por dia, a lâmpada LED terá uma vida útil

estimada de aproximadamente 12 anos. Uma vez determinadas à vida útil de cada tipo

de lâmpada é possível realizar o levantamento de quanto será o impacto nos custos com

Page 146: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

123

consumo de energia elétrica dos dois casos analisados. Para tanto, deve-se levar em

consideração, os valores das tarifas cobradas na fatura de energia.

5.4.1 Estudo de Viabilidade Econômica

Segundo Stoiljkovic (2010), muitas vezes, empresas contratam engenheiros com

o objetivo básico de aumentar a sua receita. Nessa linha de pensamento, gestores dessas

organizações têm que assegurar que os recursos de engenharia sejam utilizados em

problemas que façam valer a pena a sua resolução sob a ótica financeira que esta

representa. Idéias de como melhorar produtos e serviços existentes e desenvolver novos

projetos, existem. Porém, às vezes, há mais idéias do que pessoal e recursos disponíveis

para desenvolvê-las. Sendo asssim, há necessidade de realizar uma triagem dos projetos

apresentados, para isto, existem diferentes métodos que podem ser adotados para efetuar

a comparação destas e escolher as melhores a serem executadas.

Estudos de viabilidade econômica levam em consideração o montante de

benefícios e custos do projeto considerado. Estes dados servem como subsídio para o

cálculo do valor futuro, que nada mais é do que a representação do valor atual de um

investimento inicial, obtido pela soma das contribuições de cada anuidade, corrigida por

uma taxa de juros PROCEL (2006).

O valor futuro resultante calculado precisa do investimento inicial de

implantação de um sistema, tanto das luminárias tradicionais como as de LEDs,

conforme mostra as TABELAS 17 e 18. Pode-se ver que são necessários investimentos

de R$ 58.619,20 e R$ 356.659,80 para as lâmpadas VSAP e LED, respectivamente.

TABELA 17: Custos unitários de equipamento, com mão de obra e custos indiretos para

implantação do sistema de IP utilizando luminárias com lâmpadas de VSAP.

DESCRIÇÃO UNIDADE QUANTIDADE V. UNIT. V. TOTAL Reator para Lâmpada de Vapor de Sódio de Alta Pressão 220V/400W - USO EXTERNO (SINAPI 72282)

UND 120,00 104,63 12.555,60

Lâmpada de Vapor de Sódio de 400WX220V (SINAPI 73831/009)

UND 120,00 45,56 5.467,20

Aluguel de Guindaste com cesto aéreo para utilização em rede elétrica para 20 Metros de altura. Para Instalação das luminárias. (SINAPI 00003367)

H 80,00 150,00 12.000,00

Eletricista ou Oficial Eletricista (SINAPI 00002436)

H 80,00 7,76 620,80

Auxiliar Eletricista (SINAPI 00000247) H 80,00 6,19 495,20

Page 147: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

124

Luminária pública fechada, corpo refletor em liga de alumínio fundido, pintado internamente na cor branca. Difusor moldado em acrílico liso transparente. Soquete de porcelana, rosca E-40. (Cotação)

UND 120,00 149,43 17.931,00

Núcleo central com alojamento para equipamento elétrico com tampa na parte superior. Com montagem para 3 pétalas, fixadas em topo de poste reto de ø 60,3mm, através do núcleo central. Soquete de porcelana, rosca E-40. (Cotação)

UND 151,58 40,00 6.063,00

55.132,80 Administração da Obra Engenheiro Eletricista Junior (SINAPI 00002706) H 80,00 43,58 3.486,40

3.486,40

Valor Total 58.619,20

Custo Unitário por pétala = Custo Total / Quantidade de Lâmpadas 488,49

Fonte: (AUTOR, 2013).

TABELA 18: Custos unitários de equipamento, mão de obra e custos indiretos para implantação do

sistema de iluminação pública utilizando lâmpadas LED.

DESCRIÇÃO UNIDADE QUANTIDADE V. UNIT. V. TOTAL Luminária pública com lâmpada LED 230 W, 4000K, Eficiência 80lm/W, 220-240V em poste cônico de 15-20 metros. Referência: Luminária Pública Greenvision BRP362 LED180/NW 230W 220-240V MB ou similar.

UND 80,00 4.222,60 337.808,00

Suporte duplo para 2 luminárias, instalados em poste cônico de 20 metros de altura – fabricados em tubos de aço montagem em topo de poste reto e fixação por meio de parafusos de aperto. Provido(s) de segmento(s) para receber luminária(s) com encaixe de 60,3mm de diâmetro inclinado(s) com ângulo de 5º com relação à horizontal.

UND 40,00 160,00 6.400,00

Aluguel de Guindaste com cesto aéreo para utilização em rede elétrica para 20 Metros de altura. Para Instalação das luminárias. (SINAPI 00003367)

H 60,00 150,00 9.000,00

Eletricista ou Oficial Eletricista (SINAPI 00002436)

H 60,00 7,76 465,60

Auxiliar Eletricista (SINAPI 00000247) H 60,00 6,19 371,40

354.045,00

Administração da Obra

Engenheiro Eletricista Junior (SINAPI 00002706) H 60,00 43,58 2.614,80

2.614,80

Custo Total 356.659,80

Custo Unitário por pétala = Custo Total / Quantidade de Lâmpadas 4.458,25

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 148: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

125

A partir do investimento relativo para cada sistema, é calculado o valor unitário

por lâmpada, que é a representação do custo calculado referente a cada pétala instalada,

R$ 488,49 (VSAP) e R$ 4.458,25 (LED).

O custo do sistema a LED é 508% maior que o sistema tradicional, conforme

mostra a TABELA 19, e a diferença de investimento entre os dois sistemas é de R$

298.040,60.

TABELA 19: Custo do investimento inicial – Luminária de VSAP e LED

DESCRIÇÃO QUANTIDADE

(UND) CUSTO1

(R$) CUSTO2

(R$) CUSTO

TOTAL (R$) INVESTIMENTO

(R$)

VSAP 120 R$ 488,49 - R$ 58.619,20 R$ 58.619,20

LED 80 R$ 4.458,25 R$ 3.969,75 R$ 356.659,80 R$ 298.040,60

Acréscimo no Custo (R$) R$ 298.040,60

Diferença Percentual (%) 608% 508% 1 - Custo unitário da luminária 2 - Custo da luminária LED descontado o custo da luminária de VSAP

Fonte: (AUTOR, 2013).

Como foi estimada a vida útil da lâmpada LED em aproximadamente 12 anos, o

custo com consumo de energia ativa durante esse período, pode ser estimado através da

aplicação da tarifa do kWh praticado pela concessionária local e constante na fatura de

consumo de energia do cliente.

Conforme mostrado na TABELA 20, o sistema tradicional apresenta uma

diferença percentual de cerca de 186% em relação a tecnologia LED.

TABELA 20: Estimativa de custo do consumo de energia - VSAP e LED

DESCRIÇÃO CONSUMO ENERGIA

(KWH/MÊS)

CONSUMO ENERGIA

(KWH/ANO)

CONSUMO ENERGIA AO MÊS FORA DE PONTA (R$)*

CONSUMO ENERGIA

AO MÊS NA PONTA (R$)*

CUSTO ENERGIA AO ANO

(R$)*

CUSTO CONSUMO

ENERGIA 12 ANOS (R$)*

VSAP 18.922 230.212.800 R$ 4.080 R$ 8.299 R$ 148.542 1.782.507,12

LED 6.624 80.592.000 R$ 1.428 R$ 2.905 R$ 52.001 624.013,15

Economia anual em 12 anos (R$) R$ 96.541 1.158.493,97

Diferença percentual 186% * Incluso impostos e taxas (ICMS, COFINS, PIS e TD).

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 149: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

126

Na TABELA 21 pode-se ver o custo total dos sistemas num período de 12 anos,

resultante da soma do custo do investimento inicial com o custo do consumo de energia

elétrica ativa, para as duas alternativas em estudo. Observa-se que ao fim do período de

12 anos, o custo do sistema LED ficará 88% abaixo do custo do sistema tradicional.

TABELA 21: Cálculo do custo total com investimento e consumo de energia em 12 Anos - Luminária de VSAP e LED

DESCRIÇÃO CUSTO DE

INVESTIMENTO (R$) CUSTO DO CONSUMO DE ENERGIA EM 12 ANOS (R$)

CUSTO TOTAL EM 12 ANOS (R$)

VSAP R$ 58.619,20 1.782.507,12 R$ 1.841.126,32 LED R$ 356.659,80 624.013,15 R$ 980.672,95 Diferença Percentual -88%

Fonte: (AUTOR, 2013).

As Figuras 88 e 89 mostram a evolução dos custos totais ao longo do período

considerado, para os dois tipos de lâmpadas utilizadas. O custo acumulado do sistema

que utiliza lâmpadas de VSAP tem taxa de crescimento maior que o do sistema a LED,

no entanto, o investimento inicial do sistema LED é maior.

A título de comparação, no fim dos 12 anos de utilização, se fossem

considerados apenas o custos de investimento e energia elétrica, o sistema tradicional

gastaria praticamente o dobro dos recursos financeiros.

Figura 88 - Custo total simplificado, com investimento e custo com consumo de energia elétrica ativa da

utilização de lâmpadas de VSAP em 12 anos.

Lâmpadas de VSAP

R$ 0,00

R$ 200.000,00

R$ 400.000,00

R$ 600.000,00

R$ 800.000,00

R$ 1.000.000,00

R$ 1.200.000,00

R$ 1.400.000,00

R$ 1.600.000,00

R$ 1.800.000,00

R$ 2.000.000,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ano

R$

Investimento

Energia

Acumulado

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 150: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

127

Figura 89 – Custo total simplificado, com investimento e custo com consumo de energia elétrica ativa da utilização de lâmpadas LED em 12 anos.

Lâmpadas LED

R$ 0,00

R$ 200.000,00

R$ 400.000,00

R$ 600.000,00

R$ 800.000,00

R$ 1.000.000,00

R$ 1.200.000,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Ano

R$

Investimento

Energia

Acumulado

Fonte: Do autor, 2013.

É importante destacar que a viabilidade de um projeto de IP com luminárias a

LED, também se deve levar em conta o custo relacionado com mão de obra e

manutenção do sistema, na taxa de desconto dos juros sobre o valor investido e no

tempo de retorno esperado para o investimento.

Com o uso da tecnologia LED, o intervalo de manutenção aumenta devido à

robustez das luminárias, reduzindo o número de atendimentos por ano, (SALES, 2011).

A TABELA 22 mostra o tempo de vida útil e o intervalo de manutenção das luminárias

de VSAP e LEDs. Estudos indicam que as luminárias a LED não necessitam de

manutenção, fato ainda não comprovado. No sistema de IP tradicional, em média cada

luminária passa por três manutenções no período de 12 anos.

TABELA 22: Estimativa de Manutenção de Vida Útil e Manutenção das Luminárias de VSAP e LED

LÂMPADA LUMINÁRIA DESCRIÇÃO

VSAP LED VSAP LED

Vida útil (anos) 6 12 12 12

Manutenção (anos) 4 12 4 Indefinido

Fonte: (SALES, 2011).

Page 151: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

128

Teoricamente, no sistema de iluminação pública a LED, cada luminária teria

somente uma manutenção. A incerteza do intervalo de tempo da manutenção do sistema

a LED é devido à necessidade ou não de limpeza da luminária (SALES, 2011).

Para o período considerado, com relação à manutenção anual do sistema LED,

será considerado o pior dos casos, ou seja, a troca da luminária completa após este

período de 12 anos. Portanto, para o cálculo de retorno financeiro será considerada a

estimativa de Fluxos de Benefícios e Custos (FBC) da TABELA 23, que mostra um

valor de R$ 75.955,45 anuais, obtido por estimativas em que prováveis valores devam

ser retornados para cenários esperados.

Quando o retorno esperado é em dinheiro, normalmente, espera-se que seja

em valor superior ao empregado no início do projeto. O retorno acontece

através do fluxo de benefícios futuros ao longo de um tempo estimado de

vida útil mínimo do projeto. O tempo de retorno depende das taxas de juros

associadas ao dinheiro inicialmente empregado para a construção e

implantação do projeto e da capacidade de lucro que conseguir alcançar,

(SALES, 2011).

TABELA 23: Estimativa de fluxos de benefícios e custos da troca das lâmpadas de VSAP por LED.

FLUXOS DE BENEFÍCIOS E CUSTOS (12 ANOS)

VALOR REFERENTE (R$)

Economia com Energia (R$) 1.158.493,97

Manutenção LED (R$) 347.645,00

Manutenção VSAP (R$) 100.616,40

FLUXO DE BENEFÍCIOS E CUSTOS (ANUAL)

VALOR REFERENTE (R$)

Economia com Energia Anual (R$) 96.541,16

Manutenção LED (R$) 28.970,42

Manutenção VSAP (R$) 8.384,70

FBC 75.955,45

Fonte: (AUTOR, 2013).

Conforme visto, o fluxo de caixa pode ser representado graficamente. A Figura

90 mostra um exemplo desta representação, onde foi feito um investimento no momento

“1” que resultará em um retorno anual durante “n” períodos de tempo, que será

acumulado em um valor futuro após este mesmo período (PROCEL, 2006).

Page 152: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

129

Figura 90 – Exemplo de representação de fluxo de caixa de um projeto.

Fonte: (STOILJKOVIC, 2010).

A fim de se manter o fluxo de caixa, as empresas utilizam avaliações financeiras

de projetos, e uma das técnicas mais utilizadas para comparar os benefícios financeiros

de projetos de longo prazo. Nesse sentido, o método do Valor Presente Líquido (VPL),

é uma técnica de estimativa futura de fluxo e caixa líquido em termos do valor atual.

Pois bem, para tomada de decisões em projetos em que é analisada a viabilidade

econômica, os critérios utilizados são baseados na equação de Fator de Valor Presente

(FVP), para assim, utilizar o método do Valor Presente Líquido, do valor anual

uniforme, do tempo de retorno de capital e da taxa interna de retorno.

Trabalha-se desta forma a distribuição de custos e de investimentos em um

determinado tempo através do fator de recuperação de capital.

Nesta análise é importante que a taxa de juros seja dividida por cem e esteja em

conformidade com o período de tempo adotado, ou seja, devem-se adotar taxas de juros

anuais para períodos anuais ou taxas de juros mensais para períodos mensais. Para o

caso de se ter várias anuidades, o cálculo deve ser cumulativo, PROCEL (2006).

Se as anuidades e os intervalos de tempo forem iguais, caracterizando a chamada

série uniforme, pode-se lançar mão da fórmula da soma dos elementos a partir de uma

progressão geométrica, e assim obter uma equação generalizada, conforme mostra

Equação 12 (MPEE, 2008).

( )( )

i 1 i

1i1 FVP n

n

+´-+

= (12)

Sendo:

FVP = fator de valor presente; i = taxa de juros (taxa de desconto que no caso será 8%);

Page 153: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

130

n = vida útil, calculada através da Equação 1 (em anos);

Como as duas alternativas têm por meta um mesmo resultado, ou seja, o

dimensionamento de projeto de forma a atender o nível de iluminância mínima

conforme norma técnica, porém, com uma tecnologia energeticamente mais eficiente do

que a outra. Os benefícios auferidos com mudança de tecnologias não devem ser

considerados, pois se cancelam entre si, uma vez que é o mesmo para as duas

alternativas. Desta forma, será considerada apenas a redução no custo, pela eficiência

energética considerada.

Segundo Sales (2011), em “Luminárias a LED na iluminação pública:

características técnicas e viabilidade econômica”:

O valor de retorno pode ser estimado por métodos de análise de projetos que

indicam a rentabilidade e o grau de risco versus o valor de retorno e o tempo

do retorno. Os diversos métodos utilizados para avaliar projetos visam a

reduzir as incertezas da decisão aumentando a garantia do retorno do

investimento com a lucratividade mínima esperada.

Neste levantamento sobre a viabilidade econômica do projeto, conforme

comentado anteriormente, será estudado o método do Valor Presente Líquido (VPL),

calculado através da Equação 13. Sendo que o valor da taxa mínima de atratividade, ou

taxa de desconto, adotada nesta análise será de 8% a.a., conforme orienta o manual para

elaboração do programa de eficiência energética da ANEEL de 2008 (MPEE, 2008).

nFVP FBC IN- VPL 0n ´+= (13)

Onde:

VPLn - valor presente líquido no ano “n”; IN0 – investimento inicial; FBC - fluxos de benefícios ou custos esperados ao longo do tempo; FVPn – fator de valor presente no ano “n”.

Este método concentra todos os valores futuros de fluxo de caixa na data inicial

(zero) do projeto, possibilitando realizar o balanço das receitas e despesas esperadas. A

Figura 91 mostra no tempo, o investimento e os fluxos de benefícios do projeto.

Page 154: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

131

Figura 91 – Representação gráfica dos valores de fluxo de caixa do projeto em 12 anos.

Fonte: (AUTOR, 2013).

O VPL anual é mostrado na TABELA 24. Como se pode ver, o retorno do

investimento acontece a partir do 5º ano, quando o VPL fica acima de zero (0). Nestas

condições, com juros de 8% a.a., as luminárias a LED são viáveis no aspecto

econômico, pois o retorno financeiro ocorre antes do término de sua vida útil, observar a

Figura 92.

TABELA 24: Valores obtidos para o método do valor presente líquido, com juros de 8% ao ano.

INVESTIMENTO INICIAL (R$) R$ 298.040,60

TEMPO (ANO) FVP (i = 8%) FBC (R$) VPL (R$)

1 0,925925926 75.955,45 -227.711,48

2 1,783264746 75.955,45 -162.591,93

3 2,577096987 75.955,45 -102.296,04

4 3,31212684 75.955,45 -46.466,52

5 3,992710037 75.955,45 5.227,48

6 4,622879664 75.955,45 53.092,29

7 5,206370059 75.955,45 97.411,57

8 5,746638944 75.955,45 138.447,93

9 6,246887911 75.955,45 176.444,57

10 6,710081399 75.955,45 211.626,64

11 7,138964258 75.955,45 244.202,63

12 7,536078017 75.955,45 274.365,58

Fonte: (AUTOR, 2013).

Page 155: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

132

Figura 92 - Valores obtidos para o método do valor presente líquido com juros de 8% ao ano.

Gráfico da Curva do Método Valor Presente Líquido

-400.000,00

-300.000,00

-200.000,00

-100.000,00

0,00

100.000,00

200.000,00

300.000,00

400.000,00

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

ano

R$

IN0 FBC VPL

Fonte: (AUTOR, 2013).

Outro ponto importante, e não considerado neste estudo devido à incerteza dos

dados existentes, é que a cada dia a tecnologia LED evolui em relação a sua eficiência

elétrica e apresenta um valor de investimento inicial reduzido.

Desta forma, as luminárias para iluminação pública com tecnologia LED em

questão, além de se mostrarem viáveis e com retorno financeiro favorável no contexto

da viabilidade econômica, também apresentaram melhor desempenho técnico, tais

como: melhor qualidade de iluminação (IRC); redução da emissão de CO2 para a

atmosfera; ausência de produtos tóxicos na sua composição; e maior eficiência

energética. Sendo assim, se mostra uma nova alternativa para projetos de eficiência

elétrica em sistemas de IP, onde até pouco tempo atrás as lâmpadas de VSAP eram

consideradas como as mais eficientes.

5.4.2. Cálculo de Relação de Custo Benefício (RCB)

De acordo com o disposto na Lei nº 9.991, de 24 de julho de 2000, as empresas

concessionárias ou permissionárias de distribuição de energia elétrica devem aplicar um

percentual mínimo da receita operacional líquida em Programas de Eficiência

Energética – PEE e P&D. Estas normativas encontram-se devidamente normatizadas

pela Agência Nacional de Energia Elétrica – ANEEL.

Page 156: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

133

Dos montantes mencionados, 0,5% da receita destinam-se a PEE e 0,5% para

P&D. Através do Manual para Elaboração da ANEEL estuda-se a viabilidade de

projetos. De acordo com essa orientação, a metodologia escolhida para esta análise

segue as fórmulas e procedimentos para cálculo da relação custo benefício de acordo

com o “Manual do Programa de Eficiência Energética da ANEEL”. Este manual

estabelece e conceitua como projetos prioritários aqueles de grande relevância e

abrangência concebidas no âmbito de uma política nacional de eficiência energética.

Sendo exemplo de projeto que pode ser enquadrado nessa modalidade: a iluminação

pública (MPEE, 2008).

O objetivo do estudo em tela, sobre a ótica da RCB, propõe-se analisar a redução

da demanda na ponta e do consumo de energia elétrica através da substituição de

lâmpadas de vapor de sódio de 400 W por lâmpadas LED de 230 W. Desta forma,

determinar a relação custo benefício.

5.4.2.1 Levantamento dos Dados Técnicos dos Equipamentos

São considerados como os principais indicadores quantitativos para projetos de

eficiência energética, a energia economizada anualmente, expressa em MWh/ano, e a

redução de demanda no horário de ponta, medida em kW. Estes valores são encontrados

por meio de prédiagnóstico, através do levantamento dos dados técnicos dos

equipamentos a serem utilizados, conforme mostra a TABELA 25.

TABELA 25: Comparação dos dados Técnicos das Lâmpadas LED e VSAP

Descrição LED Vapor de Sódio (Tubular)

Fluxo Luminoso (lúmens) 18.900 45.305 Durabilidade (h) 50.000 24.000 Necessita reator/ignitor Não Sim Temperatura de Cor (K) 4500 2.000 IRC – índice de reprodução de cores. 70 25 Potência da lâmpada (W) 230 400 Fator de Potência 0,95 (Conjunto) 0,42 (reator) Quantidade de lâmpadas por poste 2 3 Freqüência (Hz) 50-60 60 Tensão (V) 220-240 220 Corrente de Lâmpada (A) 1,060 4,60 Eficiência Luminosa (lm/W) 85 115,9 Peso da Luminária (Kg) 17 ~50 Distorção Harmônica Total de Corrente (DTI) 20% - Perdas do Reator (W) - 38

Fonte: (AUTOR, 2012).

Page 157: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

134

5.4.2.2 Redução de Demanda na Ponta e Energia Economizada

Consideram-se para este cálculo, os benefícios da soma das energias ativas

conservadas anualmente.

Para análise dos benefícios energéticos com relação à utilização de demanda e

consumo de energia elétrica de potência ativa, são utilizadas as Equações 14 e 15,

referentes a: “Redução de Demanda da Ponta (RDP)” e “Energia Economizada (EE)”.

( ) ( )[ ] ( ) KW 10 FCP PL NL - PL NL RDP -32211 ´´´´= (14)

( ) ( )[ ] ( ) MWh/ano 10 t PR NRPL NL - PR NRPL NL EE -6

22221111 ´´´+´´+´= (15)

Sendo:

RDP - Redução de Demanda na Ponta;

EE - Energia Economizada;

NL1 - Número de lâmpadas do sistema existente (VSAP);

NL2 - Número de lâmpadas do sistema proposto (LED);

PL1 - Potência da lâmpada de VSAP do sistema existente (W);

PL2 - Potência das lâmpadas de LED do sistema proposto (W);

NR1 - Número de reatores das lâmpadas do sistema existente (VSAP);

NR2 - Número de reatores das lâmpadas do sistema proposto (LED);

PR1 - Potência dos reatores das lâmpadas do sistema existente (VSAP);

PR2 - Potência dos reatores das lâmpadas do sistema proposto (LED);

t - Tempo de utilização das lâmpadas no ano, em horas (12h/dia x 365 dias = 4380h);

FCP - Fator de Coincidência na Ponta a ser definido pela concessionária (neste caso será 1);

Através da Equação 14, determina-se a RDP (redução de demanda na ponta),

para as duas lâmpadas consideradas, cujos dados podem ser encontrados na TABELA

25:

( ) ( )[ ] KW 29,6 10 1 230 80 - 400 120 RDP -3 =´´´´=

A Energia Economizada - EE é determinada na sequência, conforme a seguir.

( ) ( )[ ] MWh/ano 149,62 10 4380 230 80 - 38 120400 201 EE -6 =´´´´+´=

Page 158: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

135

Nesta etapa do cálculo de EE, não foram considerados os itens PR2 e NR2, pois

a lâmpada LED não possui reator, e a potência nominal considerada, no caso 230 W, já

englobam as perdas totais do sistema.

5.4.2.3 Fator de Recuperação de Capital (FRC)

O próximo passo é calcular o Fator de Recuperação de Capital, ou seja, do valor

investido com a aquisição das lâmpadas LED, levando em consideração a vida útil e a

taxa de juros mensal incidente.

A taxa de desconto utilizada no fator de recuperação de capital deverá

corresponder ao custo de capital real médio ponderado da detentora, pois o montante

pago pela solicitante será uma aplicação em um projeto que apresentará a taxa de

retorno mínima necessária para a manutenção do valor de mercado da empresa

detentora. O Fator de Recuperação de Capital (FRC) é utilizado no cálculo do valor dos

custos marginais de longo prazo disponibilizado ao solicitante. Com efeito, produz uma

série de pagamentos periódicos que amortizam o investimento inicial e remuneram o

investimento remanescente ao longo de sua vida útil econômica (n) à taxa periódica i

(CARLO, 2008).

Esta taxa, a ser considerada na avaliação financeira, é de, no mínimo, 8% a.a.

Essa taxa tem por base o Plano Nacional de Energia – PNE 2030, conforme Nota

Técnica 1.04.26.07A, da Empresa de Pesquisa Energética – “Taxa de desconto aplicada

na avaliação das alternativas de expansão”.

. O fator de recuperação de capital calculado é dado através da Equação 16. ( )

( )

1i1

i 1 i FRC

-+

+´=

n

n

(16)

Sendo:

FRC = fator de recuperação de capital do valor investido nas lâmpadas a serem colocadas no

sistema;

i = taxa de juros (taxa de desconto que no caso será 8%);

n = vida útil (em anos);

( )( )

13,0 108,01

0,08 1 0,08 FRC

12

12

=-+

+´=

Page 159: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

136

5.4.2.4 Levantamento do Custo de Investimento do Projeto

Consiste na quantificação dos equipamentos elétricos pelos seus custos

marginais, com valores oficiais identificados por pesquisa de mercado, processos de

licitação, e planilhas do Sistema Nacional de Pesquisa de Custos e Índices da

Construção Civil (SINAPI).

Os custos dos equipamentos a serem instalados, podem ser obtidos através da

Equação 17. Esta expressão considera a soma dos custos unitários dos equipamentos,

mão de obra e custos indiretos. Com relação aos custos indiretos, têm-se como

exemplos: custos com administração, acompanhamento, avaliação, marketing, serviços

de medição, descarte de materiais, e etc.

indiretos equip C CE CPE += (17)

Sendo:

CPE = Custo total dos equipamentos que serão instalados;

CEequip = Custo apenas do equipamento;

Cindireto = Custos indiretos (serviços indiretos e mão-de-obra);

Para auxiliar nos levantamentos/cálculos a TABELA 26 apresenta os custos

unitários para implantação do novo sistema de IP utilizando a tecnologia LED.

Os valores calculados têm como base o Sistema Nacional de Pesquisa de Custos

e Índices da Construção Civil (SINAPI) de setembro de 2010.

TABELA 26: Custos unitários de equipamento, mão de obra e custos indiretos para implantação do sistema de iluminação pública com a tecnologia LED.

DESCRIÇÃO UNIDADE QUANTIDADE V. UNIT. V. TOTAL

Luminária pública com lâmpada LED 230 W, 4000K, 220-240V em poste cônico de 20 metros.

UND 80,00 4.222,60 337.808,00

Suporte duplo para 2 luminárias, instalados em poste cônico de 20 metros de altura – fabricados em tubos de aço montagem em topo de poste reto e fixação por meio de parafusos de aperto. Provido(s) de segmento(s) para receber luminária(s) com encaixe de 60,3mm de diâmetro inclinado(s) com ângulo de 5º com relacão à horizontal. Com tampa em chapa de alumínio. Pintado na cor cinza.

UND 40,00 160,00 6.400,00

Aluguel de Guindaste com cesto aereo para utilização em rede eletrica para 20 Metros de altura. Para Instalação das luminárias. (SINAPI 00003367)

H 60,00 150,00 9.000,00

Page 160: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

137

Eletricista ou Oficial Eletricista (SINAPI 00002436) H 60,00 7,76 465,60

Auxiliar de Eletricista (SINAPI 00000247) H 60,00 6,19 371,40

354.045,00

Administração da Obra

Engenheiro Eletricista Junior (SINAPI 00002706) H 60,00 43,58 2.614,80

2.614,80

Valor Total 356.659,80

Fonte: (AUTOR, 2013).

5.4.2.5 Custo Anualizado do Valor Investido

O Custo total dos equipamentos instalados (CPE) é de R$ 356.659,80. A partir

deste levantamento é possível calcular o Custo Anualizado (CA), que corresponde ao

valor investido para a troca das lâmpadas de acordo com vida útil desta. Este valor pode

ser determinado com auxílio da Equação 18. O valor do Fator de Recuperação de

Capital e o custo total dos equipamentos que serão implantados.

FRC CPE CA ´= (18)

Sendo:

CA = Custo anualizado do valor investido;

CPE = Custo total dos equipamentos que serão instalados (Equação 6);

FRC = Fator de recuperação de capital do valor investido nas lâmpadas a serem colocadas no

sistema.

Utilizando a expressão anterior, determina-se o custo anualizado do valor

investido (CA), utilizando o FRC calculado anteriormente.

reais 47.326,98 0,13 x 356.659,80 CA ==

5.4.2.6 Custo Evitado de Demanda e Consumo de Energia Elétrica Ativa

Vasconcellos et al. (2013), acerca do custo evitado de demanda e consumo de

energia elétrica ativa, menciona:

Page 161: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

138

São as economias decorrentes do adiamento de investimentos na expansão

do sistema elétrico (custo da demanda evitada) e/ou da redução de despesas

operacionais (custo da energia economizada). Para quantificar os custos

totais evitados, multiplicam-se as quantidades de demanda de potência ativa

e de energia elétrica ativa evitadas, pelos respectivos "custos unitários

evitados". Na determinação dos "custos unitários evitados" deve-se

considerar a estrutura de valores da tarifa Horosazonal azul, para cada

subgrupo tarifário de uma concessionário-permissionária da região onde o

projeto de eficiência energética foi implantado, homologada pela ANEEL.

A partir da Equação 19 é possível realizar o cálculo do Custo Unitário Evitado

de Demanda (CED), e através da Equação 20 calcular o Custo Unitário Evitado de

Energia (CEE):

( ) ( ) [ ]anokWRLPC ./$ 12C 12 CED 21 ´´+´= (19)

( ) ( ) ( ) ( ) [ ]MWhR

LELELELE

LECLECLECLEC/$ CEE

4321

46352413

+++´+´+´+´

= (20)

Sendo:

CED - Custo Unitário Evitado de Demanda;

CEE - Custo Unitário Evitado de Energia;

C1 - custo unitário da demanda no horário de ponta [R$/kW.mês];

C2 - custo unitário da demanda fora do horário de ponta [R$/kW.mês];

C3 - custo unitário da energia no horário de ponta de períodos secos [R$/MWh];

C4 - custo unitário da energia no horário de ponta de períodos úmidos [R$/MWh];

C5 - custo unitário da energia fora do horário de ponta de períodos secos [R$/MWh];

C6 - custo unitário da energia fora do horário de ponta de períodos úmidos [R$/MWh];

LP - constante de perda de demanda no posto fora de ponta, determinado a partir da tabela do

k=0,15;

LE1, LE2, LE3 e LE4 - constantes de perdas de energia nos postos de ponta e fora de ponta para

os períodos seco e úmido, determinado a partir da tabela do k=0,15.

Para o cálculo do CEE e CED, C1 e C2 são valores do custo unitário da demanda

no horário de ponta e fora do horário de ponta, que custam R$41,81 e R$12,56 por kW

respectivamente, conforme mostra a TABELA 27.

Page 162: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

139

TABELA 27: Valores da Tabela Horo-Sazonal Azul, relativos ao custo unitário de demanda e energia.

Custo unitário Preço por custo unitário C1 C2 C3 C4 C5 C6

41,81 R$/kW.mês 12,56 R$/kW.mês 311,9 R$/kW.mês 282,4 R$/kW.mês 194,3 R$/kW.mês

176,98 R$/kW.mês

Para determinar os valores das variáveis LP, LE1, LE2, LE3 e LE4, deve-se,

primeiramente, determinar o fator de carga médio da concessionária do último ano a

partir da Equação 21. Os resultados são mostrados na TABELA 28.

(KW) eCoincident Demanda 730h (KWh) Energético Consumo

FC´

= (21)

TABELA 28: Valores de consumo de energia e demanda coincidente e fator de carga

Meses do ano Consumo Energia

(kWh) Dem. Coincid. (kW) FC

jul/10 ago/10 set/10 out/10 nov/10 dez/10 jan/11 fev/11 mar/11 abr/11 mai/11 jun/11 Total Média

439.888.171 458.174.925 486.522.470 487.672.891 437.344.576 435.606.528 430.276.400 438.647.862 484.366.435 462.173.758 455.363.758 443.521.608

5.459.559.382 454.963.282

1.050.949,80 1.099.849,73 1.166.470,24 1.128.192,11 1.063.286,30 1.049.412,77 978.935,99

1.086.798,06 1.110.836,26 1.108.255,35 1.072.855,55 1.088.089,75 13.003.932 1.083.661

0,571 0,571 0,571 0,592 0,563 0,569 0,602 0,553 0,597 0,571 0,581 0,558

0,575

Fonte: CEMAT, 2012.

Segundo Vasconcellos et al. (2013), os valores das constantes LP e LE são

calculados a partir dos postos horários da tarifa Horosazonal azul, com base em uma

série de Fatores de Carga (FC) e Fatores de Perdas (Fp), segundo a Equação 22.

V贵=诡×V固+(1−诡)×V固2 (22)

Sendo: k - Constante que varia de 0,15 a 0,30 (O valor de k deve ser explicitado no projeto).

FC - Fator de Carga do segmento elétrico, imediatamente a montante daquele considerado ou,

que sofreu a intervenção, ou ainda, na falta deste, admitir-se-á o médio da Empresa dos últimos

12 meses.

Page 163: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

140

As constantes LP, LE, LE1, LE2, LE3 e LE4 devem ser retiradas da tabela que

relaciona k e o fator de carga da concessionária, conforme mostram a TABELA 29 e

TABELA 30.

TABELA 29: Valores das variáveis LP, LE e LE1 para k=0,15

Fator de carga LP LE LE1 0,1

0,15 0,2

0,25 0,3

0,35 0,4

0,45 0,5

0,55 0,6

0,65 0,7

0,75 0,8

0,85 0,9

0,1444 0,1681 0,1936 0,2209 0,25

0,2809 0,3136 0,3481 0,3844 0,4225 0,4624 0,5041 0,5476 0,5929 0,64

0,6889 0,7396

0,20586 0,36464 0,56064 0,79388 1,06434 1,37204 1,71696 2,09912 2,5185

2,97512 3,46896 4,00004 4,56834 5,17388 5,81664 6,49664 7,21386

0,23139 0,24102 0,25119 0,2619

0,27315 0,28494 0,29727 0,31014 0,32355 0,3375

0,35199 0,3695

0,38516 0,40316 0,4181

0,43538 0,4532

Fonte: (MPEE, 2008).

TABELA 30: Valores das variáveis LE2, LE3, LE4 para K=0,15.

Fator de carga LE2 LE3 LE4 0,1

0,15 0,2

0,25 0,3

0,35 0,4

0,45 0,5

0,55 0,6

0,65 0,7

0,75 0,8

0,85 0,9

0,16197 0,16871 0,17583 0,18333 0,19121 0,19946 0,20809 0,2171

0,22649 0,23625 0,24639 0,25865 0,26961 0,28095 0,29267 0,30476 0,31724

-0,1099 -0,02643 0,07832 0,20435 0,35166 0,52026 0,71014 0,9213

1,15375 1,40748 1,68249 1,97632 2,29381 2,63258 2,99264 3,37398 3,7766

-0,0776 -0,01867 0,0553 0,1443

0,24832 0,36738 0,50146 0,65057 0,81472 0,99389 1,18808 1,39557 1,61977 1,85899 2,11324 2,38252 2,66683

Fonte: (MPEE, 2008).

Depois de efetuados os cálculos estimativos para fator de carga médio da

concessionária, conforme mostrado na TABELA 28, foi adotado o valor de FC=0,6, e

consequentemente, as constantes de perdas de demanda e de energia LP, LE, LE1, LE2,

LE3 e LE4 de acordo com a tabela de fator de carga de k=0,15. Os resumos das variáveis

utilizadas neste projeto estão mostrados na TABELA 31.

Page 164: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

141

TABELA 31: Constantes de perda de demanda e de energia, variáveis LP, LE, LE1, LE2, LE3 e

LE4 de acordo com a tabela de fator de carga e K=0,15.

Constantes de perda de demanda e de energia Valores LP LE LE1 LE2 LE3 LE4

0,4624 3,46896 0,35199 0,24639 1,68249 1,18808

Fonte: (MPEE, 2008).

Desta forma, o “Custo Unitário Evitado de Demanda (CDE)” e o “Custo

Unitário Evitado de Energia (CEE)” são:

( ) ( ) [ ]anokWR ./$ 571,44 4624,056,121241,81 12 CED =´´+´=

( ) ( ) ( ) ( ) [ ]MWhR /$53,20618808,168249,124639,035199,0

18808,198,17668249,13,19424639,004,28235199,09,311 CEE =

+++´+´+´+´

=

5.4.2.7 Cálculo do Valor do Benefício Anualizado

Este benefício é calculado a partir dos custos evitados utilizando os valores de

RDP e EE. O cálculo do valor do benefício anualizado relaciona os valores de EE e

RDP com os custos evitados de consumo de energia ativa e demanda de energia elétrica

ativa. Para isso deve-se seguir a Equação 23, neste caso determinou-se R$ 47.815,81

com substituição das lâmpadas com LED.

( ) ( )CEDRDP ´+´= CEE EE B (23)

Sendo: B = Benefícios (R$);

EE - Energia Economizada (MWh/ano); CEE - Custo Evitado de Energia (R$/MWh); RDP - Redução de Demanda na Ponta (kW); CED - Custo Evitado de Demanda (R$/kW.ano);

Resolução da Equação 23, com valores das luminárias:

( ) ( ) 47.815,81$44,5716,29206,53 149,62 B R=´+´=

Page 165: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

142

5.4.2.8 Relação Custo Benefício (RCB)

Calculados os benefícios e os custos anualizados, pode-se então determinar a

relação custo benefício do projeto, conforme dito, decorrente da substituição das

lâmpadas de VSAP luminárias LED. A metodologia utilizada para o cálculo da relação

custo benefício (RCB) é dada pela Equação 24:

Anualizado Benefício

Anualizado Custo RCB = (24)

Efetuando-se os cálculos, resulta em 0,989776.

0,989776 47.815,8147.326,98

RCB ==

Esse fator, adimensional, indica o percentual dos custos relativamente aos

benefícios gerados com a implantação do projeto de eficiência elétrica em IP. Na

avaliação da viabilidade de projetos, quanto menor o valor do RCB e desde que seja

inferior a 1,00, mais atrativo será o investimento.

Segundo o MPEE (2008), o projeto deve apresentar, no máximo, uma Relação

Custo Benefício (RCB) igual a 0,80. Porém, pode ser objeto de avaliação a sua

implementação caso não atenda este critério. Desta forma, deve ser realizada uma

avaliação inicial quando se tratar de projeto de grande relevância, ou seja, com RCB

maior que 0,8, mas que apresentem grande importância, como projetos com impacto

socioambiental relevante ou que apresentem contribuições claras e significativas para a

transformação do mercado de energia elétrica, estimulando o desenvolvimento e

aplicação de novas tecnologias e a criação de hábitos racionais de uso da energia, que é

o caso desta nova tecnologia. Também deve-se levar em consideração o caráter

inovador e estratégico do projeto e seus impactos potenciais na transformação do

mercado de energia elétrica.

5.4.2.9 Considerações Adicionais

Outro ponto para se analisar é que a troca deste tipo de equipamento influencia

no fator de potência do sistema. Os resultados dos estudos de viabilidade econômica

mostram que os benefícios superam os custos e é exatamente aí que está à dificuldade

Page 166: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

143

em se analisar o benefício da diminuição dos reativos com a troca das lâmpadas de

vapor de sódio por LED. Sabe-se que a diminuição de potência reativa traz como

benefícios a diminuição das perdas, menores gastos com a energia comprada, além de

liberação de capacidade do sistema como um todo. Desses, o mais difícil de avaliar é a

liberação da capacidade, pois o benefício será mais significativo se a capacidade

liberada for destinada para alimentar outros sistemas. Percebe-se a dificuldade e

complexidade para quantificar esta questão.

Este benefício seria, exatamente, igual ao custo de aquisição e equipamentos

para abastecer o outro sistema. Caso não exista outro sistema a se alimentar, a

capacidade ociosa dos equipamentos pode ser considerada como fundo perdido. Ou

seja, o que se investiu a mais não interfere na decisão presente (PROCEL, 2006).

Page 167: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

144

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Apesar da iluminação pública não ser uma condição necessária para a

sobrevivência da sociedade, tem caráter fundamental para o convívio e a evolução dos

seres humanos. Em períodos noturnos, atua na segurança pública e previne a

criminalidade, permite o desfrute do espaço público, promove a qualidade de vida,

facilita o tráfego de pedestres e automóveis, embeleza as áreas urbanas com a

valorização dos prédios e paisagens, eleva a auto estima e desenvolvimento das

comunidades, servindo inclusive como estímulo e instrumento de cidadania.

Os estudos realizados permitiram constatar, que em IP, a potência instalada não

é o suficiente para delinear a qualidade do serviço, pois este serviço depende também

das tecnologias empregadas, necessariamente da sua eficiência na conversão da energia

elétrica em energia luminosa, do seu IRC, do rendimento das luminárias, e do melhor

aproveitamento do seu fluxo luminoso. Entretanto, não é raro para este tipo de

iluminação, levar-se em consideração somente a potência das lâmpadas, esquecendo da

qualidade da reprodução das cores, da poluição ambiental devido aos produtos tóxicos

utilizados nas lâmpadas de descarga, e da durabilidade das lâmpadas. Por este motivo e

por falta de alternativas atraentes sob todos os pontos de vista, na iluminação pública

atual, as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão detêm grande parcela deste

segmento, pois é uma tecnologia consolidada e considerada como umas das mais

eficientes. No entanto, com o surgimento e a evolução da aplicação do LED na IP, estes

pressupostos tem que ser reavaliados. Os dados obtidos por catálogo, mostraram que os

LEDs apresentam índice de reprodução de cores (IRC) 70-75, muito superiores as

VSAP que tem um IRC igual a 25. Também deve-se destacar a vida útil da tecnologia

implantada em relação a tradicional VSAP, cuja durabilidade da primeira é da ordem de

50.000 horas de operação, o que corresponde a aproximadamente uma vida útil de 12

anos. A lâmpada de VSAP tem um desempenho bem mais modesto, alcançando apenas

(32.000 horas), a lâmpada incandescente (2.000 horas), lâmpada vapor de mercúrio

(18.000 horas) e a lâmpada fluorescente (20.000 horas). Isso implica em uma grande

redução da manutenção dessas lâmpadas, assim como na quantidade de resíduos

gerados, pois o sistema com iluminação LED incorpora benefícios energéticos e

ambientais.

Com esta nova tecnologia, as necessidades da sociedade poderão ser atendidas

com considerável redução na potência instalada por ponto. Sob a ótica das

Page 168: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

145

concessionárias, essa energia elétrica economizada, resultante da aplicação das novas

tecnologias, poderá ser disponibilizada para outros segmentos onde a tarifa é mais

atrativa. Também se destaca o caráter inovador da tecnologia LED, para uso em

sistemas de IP.

Com relação aos impactos ao meio ambiente, a eficiência elétrica foi colocada

como condição de instrumento privilegiado e, por vezes, preferencial para a mitigação

de efeitos decorrentes das emissões de gases causadores do efeito estufa e destruidores

da camada de ozônio, devido aos movimentos em prol do meio ambiente e com os

tratados relacionados à mudança climática. É fato, que a percepção do aumento da

eficiência pode constituir uma das formas mais econômicas e ambientalmente

favoráveis de atendimento aos requisitos para o uso consciente da energia elétrica.

Outra relação com o impacto ambiental, é o descarte das lâmpadas de iluminação

pública, pois o risco de contaminação por mercúrio está associado à possibilidade de

sua quebra. O manejo de grandes quantidades dessas lâmpadas pode causar a

contaminação das pessoas envolvidas na sua manipulação. Sendo fundamental, a adoção

de procedimentos adequados para o seu manuseio, armazenamento, transporte e

descarte, protegendo as pessoas das emissões fugitivas deste metal em estado de vapor.

As lâmpadas de VSAP, possuem elementos altamente poluentes, e que podem

contaminar o meio ambiente no momento do seu descarte. Enquanto que, as lâmpadas

LED não fazem uso destes materiais tóxicos, e apresentam desempenho e vida útil

superior.

Na abordagem da eficiência elétrica deste estudo de caso, com relação ao

consumo de energia ativa e demanda de potência ativa, as luminárias LED apontaram

um potencial de 61,67% menor que a potência demandada pelas lâmpadas de VSAP. Ou

seja, houve uma drástica redução da demanda energética. Como a potência demandada

pelas luminárias LED mostrou-se menor do que as lâmpadas de VSAP, no trecho

estudado obteve-se uma economia de consumo de energia ativa estimada em 10.656,00

kWh por mês, ou 129,65 MWh por ano. Outro ponto interessante foi à diminuição de

demanda de potência ativa em horário de ponta, pois a iluminação pública entra em

funcionamento exatamente neste horário, o que traz benefícios econômicos nos custos

dos insumos de energia elétrica, e incorpora, de certa forma, alívio para o sistema

elétrico.

Após a substituição das lâmpadas de vapor de sódio pelas lâmpadas LEDs, foi

realizada a identificação do grau de atendimento aos padrões mínimos de iluminância da

Page 169: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

146

via, para o qual foram feitas as medições antes e após a utilização desta nova tecnologia.

Com relação aos níveis de iluminância recomendados por norma, os valores se

mostraram superdimensionados em ambos os casos. Restando apenas a comparação

entre as duas tecnologias envolvidas. Acerca da iluminância média, foi encontrado um

aumento significativo com a troca das lâmpadas, cerca de 27%. O fator de

uniformidade, mostrou uma melhora de quase 32%, ou seja, houve a diminuição dos

pontos de sombra e diferenças de iluminamento. Os resultados obtidos dos valores de

Emín mostraram as maiores discrepâncias entre as tecnologias envolvidas, possivelmente

pelas sombras causadas pela arborização presente na via, que se mostrou mais branda

nas medições da tecnologia LED, pois esta luminária é composta por 128 lâmpadas, que

em conjunto possuem variados pontos de intensidade e direção do seu fluxo luminoso.

A simulação computacional realizada mostrou as características dos módulos

necessários para o funcionamento básico de uma luminária LED, e os resultados destas

simulações computacionais obtiveram respostas próximas às encontradas nas situações

experimentais. A DTT da medição laboratorial apresentou os valores reais da rede

(1,33%), enquanto que a modelagem computacional utilizou valores ideais (0%). As

correntes de alimentação do equipamento, no caso computacional comparativamente ao

caso experimental, obtiveram respostas de corrente eficazes bem próximas. A DTI

mostrou uma diferença de 2,1%, com relação à simulação computacional (12,6%) e a

experimental (10,50%). A diferença verificada, possivelmente, ocorre devido às

características não lineares dos componentes eletrônicos, e ao não conhecimento de suas

características físicas, e também devido à deformação de onda de tensão já existente na

rede em que foi realizada a montagem laboratorial. Quanto à tensão e a corrente (CC)

obtidas na saída do driver, os valores mostrados pela simulação e pela análise

experimental mostraram semelhança no aspecto quantitativo, porém qualitativamente

diferentes. Estas pequenas diferenças, principalmente no tocante à forma de onda da

corrente elétrica no lado da alimentação do circuito, permitem indicar o adequado

desempenho do modelo, portanto permitindo a realização futura de outros estudos que

permitam a avaliação do modelo computacional.

A Qualidade da Energia Elétrica (QEE), especificamente às distorções

harmônicas, após o levantamento dos dados comparativos entre as duas lâmpadas

obtiveram dados bem próximos, para a lâmpada LED uma DTI igual a 10,5% ,

enquanto que a lâmpada de VSAP apresentou uma DTI de 7,17%. As correspondentes

de corrente harmônica do sistema implantado com as lâmpadas LED, foram comparadas

Page 170: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

147

as recomendações da norma IEC 61000-3-2, e apresentou valores bem inferiores aos

níveis de limites de corrente harmônica para estes tipos de equipamentos.

Outro item de melhora significativa foi a correção de fator de potência, a

lâmpada LED apresentou um alto fator de potência (FPLED=0,97), enquanto que a

lâmpada de VSAP, neste quesito, obteve o desempenho inferior (FPVSAP=0,38). Desta

forma, diretamente se diminuiu a corrente elétrica solicitada pelo sistema, ou seja, seria

suficiente menor infraestrutura em relação às instalações elétricas. Tanto sob a ótica da

qualidade como da eficiência energética, depreende-se que a porcentagem de DTI dos

dois sistemas são próximos entre si, porém deve-se analisar que a contribuição de

corrente elétrica do sistema LED é significativamente menor que o da lâmpada de

VSAP.

Como foi mostrado, houve economia com o custo da energia elétrica, também o

aumento da vida útil das luminárias, o que implica diretamente no montante do recurso

financeiro a ser investido. Desta forma, as luminárias para iluminação pública com

tecnologia LED, deste estudo de caso, mostraram-se viáveis e com retorno financeiro

favorável (retorno de investimento a partir do quinto ano da sua utilização) no contexto

da viabilidade econômica. No entanto, o fator da Relação Custo Benefício (RCB)

indicou um valor de RCB inferior ao mínimo recomendado pelo Manual do Programa

de Eficiência Energética da ANEEL. Porém, como se trata de projeto com impacto

socioambiental relevante, e que apresenta significativa contribuição no estimulo ao

desenvolvimento de aplicação de novas tecnologias e a criação de hábitos racionais de

uso da energia, pode ser objeto de avaliação, caso a sua implementação não atenda este

critério. Pois, deve-se levar em consideração o caráter inovador e estratégico do projeto

e seus impactos potenciais na transformação do mercado de energia elétrica.

Deste modo, torna-se evidente o melhor desempenho energético e os resultados

do novo padrão de iluminação proposto para a via de tráfego principal da UFMT. Isto

permite indicar, que a tecnologia de Diodos Emissores de Luz (LED) apresenta-se, de

fato, como uma evolução para sistemas de Iluminação Pública. Pois mesmo com o seu

consumo energético inferior às habituais lâmpadas de VSAP, a lâmpada LED obteve

acréscimo significativo de iluminância média, melhora do seu fator de uniformidade,

melhor qualidade de iluminação (IRC), bom desempenho no quesito qualidade da

energia elétrica, retorno financeiro favorável, redução da emissão de CO2 para a

atmosfera e ausência de produtos tóxicos na sua composição. Sendo assim, se mostra

Page 171: EFICIÊNCIA ELÉTRICA EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA UTILIZANDO ...

148

uma nova alternativa para projetos de eficiência elétrica em sistemas de IP, onde até

pouco tempo atrás as lâmpadas de VSAP eram consideradas como as mais eficientes.

6.1. SUGESTÃO PARA TRABALHOS FUTUROS

1) Análise de um estudo aprofundado sobre a depreciação física dos

equipamentos, como a vida útil dos componentes eletrônicos utilizados na

alimentação do conjunto de lâmpadas LED.

2) Análise sobre os filtros utilizados na melhora da qualidade da energia

elétrica e na correção de fator de potência das lâmpadas LED.

3) Utilização de energia solar para alimentação de lâmpadas LED, através da

utilização de placas fotovoltaicas.

4) Modelagem de uma rede elétrica apresentando distorção da forma de onda

para simulação computacional da lâmpada LED.

5) Estudo aprofundado sobre possíveis índices econômicos em relação aos

decréscimos de custo de investimento em lâmpada LED para IP.

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