Sistema hibrido de iluminação
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Universidade Paulista UNIP TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO Ari Freund Arthur Fernandes Lusivo Éder Alves da Silva Eládio Ferreira Concha Sistema Híbrido de Iluminação São Paulo, 2008
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O aumento da consciência sobre a necessidade de preservar os recursosnaturais (sustentabilidade), faz com que seja cada vez maior, o uso de sistemas deiluminação auxiliar, com a finalidade de economizar energia.Este trabalho tem como objetivo, apresentar os problemas existentes emrelação aos tipos de iluminação mais usados atualmente e, propor um novo sistema,que visa à melhoria na qualidade da iluminação, com economia de energia elétrica.O Sistema Híbrido de Iluminação (SHI) consiste em um coletor de solparabólico, que se movimenta sempre mantendo o seu foco em direção ao sol. Atransmissão da luz coletada é realizada através de fibra óptica e distribuída dentrodas áreas desejadas. Por meio desse sistema, é possível iluminar, com iluminaçãonatural, áreas onde outras tecnologias de transmissão de iluminação nãoconseguem iluminar.
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Universidade Paulista UNIP
TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO
Ari Freund
Arthur Fernandes Lusivo
Éder Alves da Silva
Eládio Ferreira Concha
Sistema Híbrido de Iluminação
São Paulo, 2008
Ari Freund
Arthur Fernandes Lusivo
Éder Alves da Silva
Eládio Ferreira Concha
Sistema Híbrido de Iluminação
Trabalho de Conclusão de curso para obtenção
do título de graduação em engenharia
apresentado à Universidade Paulista – UNIP
Orientador: José Carlos Morilla
São Paulo, 2008
Ari Freund
Arthur Fernandes Lusivo
Éder Alves da Silva
Eládio Ferreira Concha
Sistema Híbrido de Iluminação
Trabalho de Conclusão de curso para obtenção do título de
graduação em Engenharia mecatrônica apresentado à Universidade
Paulista – UNIP
Aprovado em:
BANCA EXAMINADORA
_______________________/__/___
_______________________/__/___
_______________________/__/___
AGRADECIMENTOS
Agradecemos a todos que nos ajudaram na confecção deste trabalho.
Um agradecimento especial as nossas namoradas que abriram mão do pouco
tempo que tinham para ficar conosco, e ainda apoiaram a elaboração do trabalho.
As nossas famílias que sempre nos apoiaram em toda nossa vida.
Ao professor Luiz Vasco Puglia pelo apoio e atenção.
Agradecemos também ao professor Elias Felipe de Carvalho por todo apoio
técnico.
“Para MELHORAR um processo temos que CONTROLÁ-LO!
Para CONTROLÁ-LO, temos que ENTENDÊ-LO!
Para ENTENDÊ-LO, temos de MEDI-LO!”
(Jim Harrington – American Quality Association)
SUMÁRIO
Agradecimentos .....................................................................................................4
Sumário .................................................................................................................6
Resumo .................................................................................................................8
Índice de ilustrações ............................................................................................10
Índice de tabelas..................................................................................................11
Lista de siglas ......................................................................................................12
Lista de siglas ......................................................................................................12
Lista de Simbolos.................................................................................................13
1 Introdução ...................................................................................................14
1.1 Estrutura da monografia ...................................................................15
2 Efeito da iluminação natural sobre a saúde e o desempenho humano.......17
2.1 Ciclo circadiano ................................................................................17
2.2 Efeito da falta de luz solar sobre a saúde ........................................20
3 Iluminação em interiores .............................................................................23
3.1 Iluminação Artificial ..........................................................................24
3.1.1 Lâmpadas incandescentes ..........................................................24
3.1.2 Lâmpadas de descarga elétrica ...................................................26
3.1.3 Diodo emissor de luz (LED) .........................................................28
3.2 Iluminação Natural ...........................................................................29
3.2.1 Iluminação Lateral........................................................................30
3.2.2 Iluminação Zenital ........................................................................31
4 Fibras Ópticas.............................................................................................35
4.1 Fibra Multimodo Índice Degrau ........................................................36
4.2 Fibra Multimodo Índice Gradual .......................................................36
4.3 Fibra Monomodo ..............................................................................37
4.4 Atenuação das fibras ópticas ...........................................................37
4.5 Vantagens das fibras ópticas ...........................................................38
4.6 Desvantagens das Fibras Ópticas....................................................39
5 Movimentos.................................................................................................41
5.1 Óptica...............................................................................................41
6 Objetivo.......................................................................................................43
7 Metodologia ................................................................................................44
8 Parte Experimental .....................................................................................45
8.1 Circuito Elétrico ................................................................................45
8.2 Parabólica ........................................................................................46
8.2.1 Cálculos da parabólica.................................................................47
8.3 Controle de iluminância....................................................................48
8.4 Movimentação dos eixos ..................................................................50
8.5 Calculo da redução dos motores......................................................51
8.6 Distribuição da iluminação solar.......................................................52
9 Resultados e discussão ..............................................................................54
10 Conclusões .................................................................................................59
11 Referencias bibliográficas ...........................................................................60
Apendice A - Desenhos .......................................................................................64
Apendice B – Demonstrativo de Investimentos....................................................75
Anexo A – Tabelas DLN ......................................................................................76
RESUMO
O aumento da consciência sobre a necessidade de preservar os recursos
naturais (sustentabilidade), faz com que seja cada vez maior, o uso de sistemas de
iluminação auxiliar, com a finalidade de economizar energia.
Este trabalho tem como objetivo, apresentar os problemas existentes em
relação aos tipos de iluminação mais usados atualmente e, propor um novo sistema,
que visa à melhoria na qualidade da iluminação, com economia de energia elétrica.
O Sistema Híbrido de Iluminação (SHI) consiste em um coletor de sol
parabólico, que se movimenta sempre mantendo o seu foco em direção ao sol. A
transmissão da luz coletada é realizada através de fibra óptica e distribuída dentro
das áreas desejadas. Por meio desse sistema, é possível iluminar, com iluminação
natural, áreas onde outras tecnologias de transmissão de iluminação não
conseguem iluminar.
Palavras Chaves: Iluminação natural, Sistema híbrido de iluminação,
economia de energia.
ABSTRACT
The increased awareness of the need to conserve natural resources
(sustainability), makes it increasingly, the use of auxiliary light systems, in order to
save energy.
This paper aims to, make existing problems in relation to most types of lighting
used today, and propose a new system, which aims to improve the quality of light,
with economy of electric power.
The hybrid system of lighting (SHI) consists of a parabolic collector of the sun,
which moves always maintaining its focus towards the sun. The transmission of the
light collected is done through fiber optics and distributed within the desired areas.
Through this system, you can lighten, with natural lighting, areas where other
technologies for the transmission of light can not illuminate.
Keywords: Natural illumination, illumination hybrid system, energy saving.
ÍNDICE DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1.: Ciclo Circadiano..............................................................................18
Figura 2.: Percurso da Luz no corpo humano.................................................19
Figura 3.: Eficiência energética.......................................................................24
Figura 4.: Lâmpada incandescente.................................................................25
Figura 5.: Lâmpadas fluorescentes.................................................................26
Figura 6.: LED.................................................................................................29
Figura 7.: Iluminação lateral e ofuscamento ...................................................31
Figura 8.: Exemplos de superficies iluminantes..............................................32
Figura 9.: Soluções para iluminação zenital ...................................................33
Figura 10.: Iluminação zenital conjulgada com iluminação lateral ..................34
Figura 11.: Ginásio de esportes iluminado por lentes prismáticas..................34
Figura 12.: Partes de uma única fibra óptica ..................................................35
Figura 13.: Secção da fibra optica ..................................................................36
Figura 14.: Fibra Multimodo índice gradual.....................................................37
Figura 15.: Fibra Monomodo...........................................................................37
Figura 16.: Transmissão luminosa atraves da fibra optica..............................39
Figura 17.: Circuito Elétrico elaborado para o SHI..........................................46
Figura 18.: Parabólica refletora construída para uso no SHI ..........................47
Figura 19.: Foco de espelho parabólico.........................................................48
Figura 20.: Circuito de controle.......................................................................49
Figura 21.: Foto Sensoriamento .....................................................................50
Figura 22.: Desenho da redução do motor .....................................................51
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1: Cálculo do foco das parabólicas (m)...............................................48
Tabela 2: Medidas da redução dos motores...................................................51
Tabela 3: Potencia luminosa em São Paulo para 6 m2 em Lux .....................55
Tabela 4: Potencia luminosa em Salvador para 6 m2 em Lux ........................55
Tabela 5: Cálculo de custo de iluminação artificial .........................................56
Tabela 6: Custo de iluminação artificial para o sistema híbrido ......................56
Tabela 7: Avaliação econômico-financeira do projeto (em reais). ..................58
LISTA DE SIGLAS
ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas
DAS/ SAD – depressão no Inverno (Seasonal Affective Disorder)
Dimmer – Dimerização
DLN – Disponibilidade de luz natural
DNA – Ácido desoxirribonucléico
IRC – Índice de Reprodução de Cor
LED – Diodo Emissor de Luz
LUX – unidade de iluminação
NBR – Normas Brasileiras
PURE – Programa permanente para o uso eficiente de energia elétrica – USP
SHI – Sistema Híbrido de Iluminação
TIR – Taxa Interna de Retorno
UVB – Raios ultravioleta do tipo B
VPL – Valor presente líquido
LISTA DE SIMBOLOS
F – Foco da parabólica
A – Área exposta da parabólica
D – Diâmetro da parabólica
C – Profundidade da parabólica
I1 – Numero de dentes da 1ª engrenagem
I2 – Numero de dentes da 2ª engrenagem
I3 – Numero de dentes da 3ª engrenagem
I4 – Numero de dentes da 4ª engrenagem
D1 – Diâmetro da 1ª engrenagem
D2 – Diâmetro da 2ª engrenagem
D3 – Diâmetro da 3ª engrenagem
D4 – Diâmetro da 4ª engrenagem
Na – Rotação do eixo do motor
Nb – Rotação do motor
N3 – rotação da 3 engrenagem
N4 – rotação da 4 engrenagem
14
1 INTRODUÇÃO
Atualmente, é possível identificar uma preocupação global, a necessidade de
preservar o ambiente em que vivemos. A terra sofreu diversos processos ao longo
dos anos, causando a deterioração do meio ambiente. A imagem de que os recursos
naturais, que antes eram utilizados de forma predatória, devem ser utilizados
racionalmente, permitindo que possam ser utilizados no futuro, de maneira
igualmente satisfatória. Este conceito é conhecido como sustentabilidade (AFONSO,
2006).
Todas as empresas ambientalmente corretas aderiram a essa idéia e, vem
trabalhando de forma intensa em projetos de manejo sustentável para que as novas
gerações não venham sofrer com os impactos ambientais causados nos dias de
hoje.
Por outro lado, nas empresas há uma luta por redução de custos, visando
aumento dos lucros. Portanto, o aumento da produtividade dos funcionários também
é foco de projetos de melhorias.
De acordo com o Departamento de energia americano(DOE, 2005)1 o Brasil é
um dos países com grande quantidade de energia elétrica gerada. A geração desta
energia no Brasil é realizada, quase que exclusivamente, por meio de usinas
hidroelétricas. A maior parte dessa energia é gasta nas áreas industrial e comercial.
O alto custo na geração da energia elétrica se confronta com o aumento da
lucratividade das empresas e, traz ao mercado, a necessidade de diminuir a
utilização desta. A readequação no uso dos recursos naturais, faz com que o foco se
volte a outras áreas da empresa onde possa haver redução de custos, tal como, o
uso otimizado do ar condicionado e da iluminação artificial.
A evolução tecnológica da iluminação artificial trouxe novos lançamentos ao
longo dos anos, com maior rendimento elétrico melhor qualidade de luz e menor
custo. As lâmpadas fluorescentes, por exemplo, surgiram em substituição às
1 DOE, department of energy, International Energy Annual 2005, segundo este documento o
Brasil e o 10º pais em geração de energia elétrica, disponível em
http://www.eia.doe.gov/pub/internatinal/iealf/table63.xls acessado em 15/07/2008
15
lâmpadas incandescentes, de baixo rendimento. Para substituir as lâmpadas de
mercúrio (tóxico) surgiram as lâmpadas de sódio que, também, possuem um maior
rendimento. A mais nova inovação tecnológica de iluminação artificial é o LED
(Diodo emissor de luz do inglês Light Emissor Diode), este dispositivo é tão mais
eficaz que pode substituir a maioria das lâmpadas convencionais.
Com o intuito de diminuir o consumo de energia elétrica, um melhor
planejamento, utilizando tecnologias novas e antigas, é realizado com tal propósito
nas empresas. Podemos citar como exemplo a iluminação lateral, que tem o intuito
de iluminar e ventilar o ambiente ao mesmo tempo.
Novas pesquisas trouxeram ao mercado outras tecnologias que visam o
mesmo ideal, iluminar com menor ou nenhum custo utilizando recursos renováveis.
As telhas translúcidas, por exemplo, já são utilizadas em alguns centros de compras
(shopping center) e fábricas, com o intuito de iluminar o ambiente usando a luz solar
durante o dia, esse tipo de iluminação é conhecido como zenital.
Atualmente, há uma tendência de utilizar a iluminação artificial em conjunto
com a natural para resolver problemas de iluminação (VIANNA, 2005). Visando
aperfeiçoar ainda mais os sistemas existentes, acompanhando a tendência do
mercado de reduzir custos, surge a proposta do Sistema Híbrido de Iluminação
(SHI), assunto desse trabalho, visando trazer para dentro do ambiente todos os
benefícios do sol, aliado a uma redução no consumo energético.
1.1 Estrutura da monografia
Esse trabalho foi dividido em quatro etapas, seguindo uma seqüência lógica
que permite a compreensão da proposta de analise econômica de viabilidade e
construção do protótipo do SHI.
A primeira etapa apresenta uma breve apreciação dos efeitos da luz solar
sobre a saúde e o desempenho do Homem, explicamos o funcionamento do ciclo
circadiano bem como o processo de regulação hormonal pela luz solar. O estudo
destas questões fornece subsídios para que se possa entender a importância da
iluminação solar em nossas vidas.
A segunda etapa apresenta o contraste entre a evolução da iluminação de
interiores com o uso da energia elétrica e os novos sistemas existentes para a
16
iluminação natural. Com isso é possível entender a principal razão da necessidade
de haver a junção dos métodos existentes por meio da criação de um SHI.
A terceira etapa fornece os fundamentos teóricos para o SHI, essa etapa é
dividida em explicações técnicas sobre a fibra ótica, principal base para a construção
desse sistema e, explicações teóricas sobre os dispositivos mecânicos a serem
utilizados no sistema, bem como, o estudo da óptica da parabólica e as explicações
sobre os movimentos existentes.
A quarta e última etapa explica a metodologia de concepção e construção do
protótipo. Nesta etapa foram feitos os cálculos do fornecimento de iluminação solar
dentro do ambiente escolhido para ser iluminado, e, com o uso de dados existentes
sobre radiação solar e sobre o rendimento da fibra ótica, e também a exposição dos
circuitos elétricos utilizado e as técnicas aplicadas na confecção do protótipo. E, por
fim, foram feitos os cálculos da economia de energia elétrica, bem como, um
orçamento estimado para implantação do projeto em um ambiente industrial.
17
2 EFEITO DA ILUMINAÇÃO NATURAL SOBRE A SAÚDE E O DESEMPENHO
HUMANO
Para entender a importância da utilização de métodos naturais de iluminação
em substituição aos métodos convencionais, se faz necessário a compreensão da
importância da luz solar para o ser humano.
Desde os primórdios da existência humana, o sol, foi o responsável pela
iluminação dos espaços abertos. No inicio, era ele o responsável também por ditar a
forma de viver dos homens primitivos, pois, de acordo com a intensidade do sol, era
decidido o momento de realizar tarefas, tais como caçar e na ausência de sol o
homem se recolhia. É possível que os hábitos do homem tenham mudado quando
este aprendeu a dominar o fogo, que deve ter sido o primeiro tipo de iluminação
artificial.
Hoje em dia, além da importância na utilização de iluminação solar para
redução da utilização da energia elétrica, a iluminação solar também traz benefícios
para o corpo humano, como veremos a seguir.
2.1 Ciclo circadiano
Todos os organismos vivos, sejam vegetais ou animais (inclusive os seres
humanos) obedecem a um ciclo de vinte e quatro horas, conhecido como ciclo
circadiano2, também chamado de relógio biológico. O relógio biológico é o que faz
com que os sinais vitais entrem em um ritmo crescente durante o dia e decrescente
durante a noite (GAETANO et al., 2002). Este ciclo é explicado através de um
sistema que representa fisiologicamente as condições do dia e da noite que informa
ao corpo quais funções fisiológicas são realizadas a cada período.
2 latim, circa = por volta de e diem = dia.
18
Figura 1.: Ciclo Circadiano
(adaptado de <http://www.universe-review.ca/I10-67-circadianclock.jpg> acesso em: 27 Agosto de 2008)
As funções vitais podem ser medidas por meio de variáveis fisiológicas, tais
como, temperatura corporal interna, níveis de melatonina3, atividade do córtex
cerebral e os estado de atenção (BOYCE, 1981).
Quando há distúrbios no ciclo circadiano, ocorrem diversas alterações nos
seres humanos, como: déficit de atenção, dificuldade de concentração e diminuição
do rendimento no trabalho, além de problemas sociais. Sabe-se que, os ciclos
circadianos são controlados no hipotálamo e, este, por sua vez, está sob controle
temporal de agentes sincronizadores como a luz.
3 hormônio produzido pela glândula pineal, regula e controla o relógio biológico.
19
Figura 2.: Percurso da Luz no corpo humano
(adaptado de <http://www.universe-review.ca/I10-67-circadianclock2.jpg> acesso em: 27 Agosto de 2008)
Quando os raios solares atingem os olhos, são produzidos estímulos
nervosos. Esses estímulos vão diretamente ao núcleo supracrismatico, que ao
receber esses estímulos ativam a glândula pineal4(ou hipotálamo), que produz o
hormônio melatonina. Esse hormônio é responsável por induzir o sono, modificar o
humor, e interferir no sistema reprodutivo além de aumentar a agilidade mental.
4 Atua na regulação do ciclo circadiano
20
A melatonina é distribuída a todas as células do corpo pela corrente
sanguínea, ela é a responsável para que cada célula do corpo faça sua função em
cada período do dia ou da noite, isto é o ciclo circadiano.
O hormônio cortisol, conhecido também como hormônio do stress, também
sofre influência do ciclo circadiano. Edwards (2002) diz que esse é encontrado em
níveis mais altos pela manhã e em níveis mais baixos à noite. Esse hormônio afeta o
ciclo metabólico regulador da quebra das moléculas de carboidratos, proteínas e
gorduras, afeta o desenvolvimento das células brancas no sangue, interfere nas
atividades do sistema nervoso e também na pressão arterial.
O cortisol também é o responsável pela atenção, em caso de stress ocorre
um aumento da produção de adrenalina e de hidrocortisona que, por sua vez,
produzem enzimas capazes de destruir o aminoácido triptofano5, inibindor da
produção da melatonina e da serotonina6 (responsável pela sensação de saciedade
e bem estar).
Podemos concluir que o sol é responsável por vários processos fisiológicos
dentro do corpo humano e, conseqüentemente, pode influenciar o nosso estado de
ânimo.
2.2 Efeito da falta de luz solar sobre a saúde
O efeito da luz solar sobre os seres humanos é conhecido há muito tempo,
mas apenas recentemente pôde se ter uma melhor compreensão de sua atuação.
No ano 2000, surgiu a teoria do SAD (Distúrbio Afetivo Sazonal do inglês
Disorder Affective Seasonal). Algumas pessoas desenvolvem, repetidamente,
depressão em determinadas épocas do ano, geralmente no outono ou no inverno.
Em alguns casos o sincronismo reflete um excesso de demandas colocadas na
pessoa em uma estação particular do ano, em seu trabalho ou em outros aspectos
de sua vida. Em outros casos não há nenhuma causa e sugeriu-se que o DAS está
relacionado em alguma maneira às mudanças nas estações, por exemplo, ao
5 aminoácido que favorece a síntese de serotonina (neurotransmissor que exerce efeitos
sobre o sistema nervoso) fazendo com que melhore o humor do indivíduo.
6 Exerce função no controle da liberação de alguns hormônios e regulação do ciclo circadiano
21
comprimento da luz do dia. Embora esta depressão seja caracterizada
principalmente pela época do ano em que ocorrem, alguns sintomas ocorrem com
mais frequência do que em outros tipos de depressão.
Segundo Edwards (2002), durante o inverno quando a incidência de sol é
menor, as pessoas apresentam alguns sintomas de depressão, tais como:
melancolia e redução do interesse nas atividades cotidianas, ou ainda, aumento da
necessidade de sono, maior irritabilidade e aumento do apetite (principalmente
carboidratos), causando assim aumento de peso.
Outra influencia da luz solar pode ser verificada facilmente. Boyce et al.
(2003) estudaram como o corpo se recupera durante a noite para estar pronto para
as atividades do dia. Esta recuperação é uma função da diminuição da produção de
hidrocortisona e de adrenalina, com o objetivo de restaurar as moléculas de DNA
danificadas,eles também estudaram uma enzima conhecida como proteasoma. Essa
enzima é ativada pela luz e bloqueia a produção do hormônio melatonina, que age
no sistema nervoso e regula a recuperação do organismo durante o sono. Esses
estudos demonstram ainda que a exposição à luz intensa durante o dia pode ajudar
a regular o ciclo do sono e, conseqüentemente, o ciclo circadiano.
Os estudos indicam que a luz natural utilizada em horários e quantidades
apropriadas, pode auxiliar no tratamento de desordens do sono, porque, fornece os
altos níveis de iluminância necessários para manter o ciclo circadiano em perfeita
operação.
Outro beneficio do sol, pode ser observado por conta da existência da
radiação ultravioleta de comprimento de onda curto. Esta radiação quando incide
sobre a pele, ajuda na produção de vitamina D, responsável pela absorção de cálcio
pelo organismo. Outra ação desta radiação foi estudada por CICARDO (apud
BITTENCOURT, 2004), que percebeu que os raios ultravioletas são mais eficazes
que a luz visível na destruição de bactérias. Bittencourt (2004) concluiu que o “efeito
curativo dos raios ultravioleta sobre as feridas é atribuído à ação germicida e a uma
ação direta sobre os tecidos. As células impregnadas pela radiação liberariam
substâncias que estimulam o crescimento, a respiração e síntese da glicose em
outras células”
22
Wienke (2005) afirma que “a quantidade de radiação ultravioleta emitida por
uma fonte artificial é tão pequena que oito horas de exposição a 1100 lux equivalem
à cerca de três minutos transcorridos a céu aberto num dia de sol”
Após a análise dos efeitos da luz no ser humano se faz necessário o
entendimento da quantidade de sol que é necessária para obter os benefícios. Para
Figueiro et al. (2002), os níveis necessários de iluminação, para a produção de
melatonina, são geralmente maiores do que os definidos para tarefas visuais com
iluminação em interiores.
23
3 ILUMINAÇÃO EM INTERIORES
A iluminação de interiores é determinada pelo tipo de trabalho que será
executado no recinto (EINDHOVEN, 1980). A instrução normativa, NBR-5413 da
ABNT, define os níveis mínimos de iluminação em interiores, a fim de manter o
conforto do usuário. A ABNT, define os níveis de iluminação média mínima para
iluminação artificial em interiores, para os diferentes tipos de atividades de comércio,
indústria, ensino, esporte entre outras.
A especificação para a iluminação necessária em um ambiente é uma
composição entre os tipos de lâmpadas e luminárias e a quantidade destas
necessárias dentro de respectivo ambiente.
O nível de iluminação ideal garante o conforto e a saúde das pessoas, por
exemplo, níveis baixos de iluminação causam fadiga visual, que pode ser
identificada por olhos congestionados e lacrimejantes, pela , dificuldade de visão ou
visão embaçada e dor de cabeça. A norma NBR-5413 da ABNT define que para
ambientes de trabalho em escritórios, a quantidade mínima de iluminação deve ser
entre 500 e 1000 lux7. Este nível de iluminação é o mínimo para fornecer uma
iluminação conveniente e confortável.
Estudos mostram que a produtividade de quem trabalha em escritórios pode
aumentar com a melhoria da qualidade da luz. Mesmo após todos estes estudos não
existem mudanças significativas nos locais de trabalho, mas a relação entre
trabalhar em uma área externa e a quantidade de luz solar ainda não existe. Em
testes de atenção, Heerwagen, et al. (1995) constataram que as pessoas próximas
às janelas obtiveram resultados superiores às outras que se encontravam distantes..
Ambientes, providos de iluminação natural, muitas vezes, não tem iluminação
suficiente para iluminar adequadamente todo o período de uso do local
(EINDHOVEN, 1980), sendo assim necessária a complementação da iluminação
natural pela artificial.
7 Unidade de iluminação de acordo com o SI, fluxo luminoso que incide sobre uma superfície.
24
3.1 Iluminação Artificial
A iluminação artificial tem um valor considerável no campo do consumo de
energia elétrica em relação ao desperdício (CANESIN, 1998). É possível observar
que, muitas vezes nas residências e ambientes de trabalho, as luzes permanecem
acesas durante o dia e a noite. Essas lâmpadas inutilmente acesas não podem ser
ignoradas. Apagá-las é uma atitude socialmente, ecologicamente e financeiramente
esperada, tanto é que há muitos anos são alvo de campanhas educativas
governamentais.
Das fontes de luz artificial, as lâmpadas elétricas são, sem dúvida, as que
apresentam melhor eficiência e maior número de possibilidades para se obter
ambientes acolhedores e confortáveis.
Dentre as lâmpadas, existentes no mercado, Silva (2004) compara a
eficiência energética de cada uma, para tanto, analisa os diversos tipos de lâmpadas
e, por fim, verifica a incomparável eficiência da lâmpada de sódio.
Figura 3.: Eficiência energética
(SILVA, 2004)
3.1.1 Lâmpadas incandescentes
Silva (2004) explica que a evolução da lâmpada desenvolvida por Thomas
Edson, é a lâmpada incandescente. Re (1978) explica que a lâmpada incandescente
produz luz pela passagem de energia elétrica por um filamento de tungstênio que
25
fica incandescente. Para não ser queimado, o filamento é fechado no interior de uma
ampola de vidro, o bulbo, que no interior é vácuo, ou é introduzido um gás inerte,
como: nitrogênio, argônio, criptônio, etc. No caso citado em vácuo, trata-se de
lâmpadas de pequena potência, no segundo, trata-se de lâmpadas de grande e
média potência.
Em seu estudo Petry (2008) conclui que as lâmpadas incandescentes
reproduzem boas cores, pois possuem espectro de luz idêntica à natural. Mas
apresentam um problema na eficiência luminosa, chegando muitas vezes apenas a
10 lm/W, e por isso, desperdiçam muita energia elétrica. Sua vida útil é em torno de
1000 a 6000 horas. Entretanto, verifica-se vantagens na sensibilidade em relação a
variações de tensão, portanto, permite um fácil controle de luminosidade pelo uso de
dimmers.
O baixo rendimento da lâmpada incandescente pode ser explicado pelo fato
de 90% da energia consumida é transformado em calor e menos de 10% em luz
(SILVA, 2004).
Figura 4.: Lâmpada incandescente
(Disponível em: <http://images.americanas.com.br/produtos/item/263/5/263557g.gif acesso em: 10
Junho de 2008)
26
3.1.2 Lâmpadas de descarga elétrica
A luz emitida por uma lâmpada de descarga é realizada pela passagem da
corrente elétrica por um gás ionizado, os elétrons se chocam com a pintura
fluorescente ou com cristais de fósforo existentes nas paredes internas do tubo,
gerando luz visível.
Este tipo de lâmpadas são chamadas de arco voltaico, e são utilizadas para
eventos onde há necessidade de projeções de grandes potencia, tais como teatro,
iluminação aérea, entre outros. Nestes casos a descarga se dá por meio do ar,
sendo o fluxo luminoso produzido pela incandescência dos eletrodos. (MOREIRA,
2002)
Essas lâmpadas têm maior eficiência que as incandescentes, obtendo uma
maior luminosidade sem exigência de potência extra, logo, o consumo de energia é
reduzido. Realizam em média, 10 vezes mais luz do que as incandescentes comuns,
do mesmo fabricante, por cada watt consumido.
De acordo com o PURE (Programa permanente para o uso eficiente de
energia elétrica – USP) as Lâmpadas são classificadas em função da pressão
interna do bulbo, e podem ser de baixa ou de alta pressão.
Figura 5.: Lâmpadas fluorescentes
(Disponível em: <http://images.americanas.com.br/produtos/item/188/1/188148g.gif> acesso em: 30
Setembro de 2008)
27
3.1.2.1 LÂMPADAS DE DESCARGA DE BAIXA PRESSÃO
As lâmpadas de Fluorescentes são as mais conhecidas entre as de baixa
pressão, sendo, tubulares ou compactas, e consiste em um tubo de vidro com
eletrodos em cada extremidade, com mercúrio e uma pequena quantidade de gás
inerte, usualmente o Argônio para acender a lâmpada. Quando se aplica a voltagem
necessária, os elétrons partem de um eletrodo para o outro colidindo com os átomos
de mercúrio, emitindo assim radiação ultravioleta. Os fósforos que estão encobrindo
a parede do tubo emitem radiação eletromagnética no espectro visível quando
atingido pela radiação ultravioleta.
Dependendo da composição química do fósforo as lâmpadas podem possuir
diferentes temperaturas de cor e índice de eficiência luminosa. As lâmpadas de
indução são outros tipos de lâmpadas de descarga a baixa pressão, não possuindo
eletrodos, tem elevada vida útil e são aplicadas em lugares de difícil acesso,
normalmente para manutenção (SILVA, 2004).
As lâmpadas mais antigas deste grupo são as lâmpadas fluorescentes, por
serem uma fonte de iluminação econômica. Foram feitas muitas pesquisas para
desenvolver este tipo de iluminação, de onde surgiram as lâmpadas florescentes
compactas. (Moreira, 2002)
Segundo Silva (2004), as lâmpadas fluorescentes compactas foram criadas a
fim de oferecer maior quantidade de luz por ponto. Por ter uma ótima reprodução de
cores são muito usuais em iluminação de grandes áreas abertas.
3.1.2.2 LÂMPADAS DE DESCARGA DE ALTA PRESSÃO
As lâmpadas de descarga de alta pressão, de acordo com o fabricante
EMPALUX, funcionam de forma similar, as de baixa pressão, contudo, possuem
maior eficiência e maior vida útil. Exemplos destas lâmpadas são as de mercúrio, a
vapor metálico e a vapor de sódio de alta pressão.
Nessas lâmpadas, a luz é emitida pela passagem da corrente elétrica por um
gás ionizado, com isso, permitindo que a corrente se movimente entre eletrodos
localizados em extremidades opostas da lâmpada. Os elétrons colidem com os
28
átomos de gás e alteram sua estrutura atômica, temporariamente. O restante da luz
é proveniente da energia gerada quando o gás retorna ao seu natural estado.
O tubo de descarga é feito de materiais mais resistentes a elevadas
temperaturas, em geral quartzo. A temperatura interna é tão alta que ao ser apagado
o metal não pode ser novamente ionizado, até que a temperatura diminua.
(MOREIRA, 2002)
Nas de vapor metálico e de vapor de sódio, faz-se necessidade o uso de
ignitores, os reatores eletromagnéticos. O ignitor fornece um pulso de tensão à
lâmpada, iniciando assim o seu acendimento. Os fabricantes recomendam a
utilização de capacitores para as lâmpadas de descarga com reatores
eletromagnéticos de baixo fator de potência. Tem como função corrigir o fator de
potência. O capacitor não influência no comportamento da lâmpada, mas com seu
uso, se reduz custos de instalação elétrica e aumenta a eficiência da instalação.
3.1.3 Diodo emissor de luz (LED)
O LED (do inglês Light Emitter Diode), foi inventado por Nick Holonyac em
1963, é um componente eletrônico semicondutor, que transforma a energia elétrica
em luz. Diferente das lâmpadas convencionais os Leds usam a matéria
semicondutora da qual é constituído para realizar essa transformação, e por isso, o
LED é chamado de estado sólido (Solid state). O LED é um componente bipolar,
portanto, dependendo da posição das ligações pode ou não permitir a passagem da
corrente elétrica, isto é, emite ou não luz.
De acordo com Silva (2004), no Brasil temos a comercialização de LEDs para
iluminação geral, pois possuem longa durabilidade (até 100.000 horas), e sem
necessidade de manutenção. Consequentemente, o LED aparece como uma
tecnologia promissora, pois onde antes se colocava uma lâmpada de 40 W agora se
instala um módulo de LED com 1 W de potência, que possue mesma intensidade
luminosa, podendo assim, trazer uma enorme economia aliada à redução do
tamanho da fonte de luz.
A VETEX fabrica hoje LEDs que atingem a faixa dos 120 lumens de fluxo
luminoso, com potências de 1,0 – 3,0 e 5,0 watts, disponíveis em várias cores,
substituindo assim alguns tipos de lâmpadas, em diversas aplicações. A vida útil do
29
equipamento é longa, necessitando de manutenção apenas após 50000 horas de
uso sem necessidade de troca.
Figura 6.: LED
(disponível em: <http://eletronicos.hsw.uol.com.br/led.htm> acesso em: 5 Julho de 2008)
3.2 Iluminação Natural
Diversos tipos de iluminação natural são utilizados para economizar energia
elétrica ou ainda com o intuito de promover a renovação do ar do ambiente. Como
descrito anteriormente, a iluminação artificial não fornece benefícios ao nosso corpo,
como a iluminação natural oferece.
Conforme descrito anteriormente, uma boa iluminação no ambiente de
trabalho, traz benefícios aos trabalhadores e para os empregadores, pois contribui
para o aumento da satisfação, melhora a produtividade, reduz a fadiga e
conseqüentemente diminui o número de acidentes de trabalho.
Os principais meios de iluminação natural utilizados atualmente podem ser
classificados em dois sistemas básicos, lateral e zenital. Deles foram criados
derivações.
30
3.2.1 Iluminação Lateral
A iluminação lateral é muito utilizada nas edificações atuais, esse sistema de
iluminação é também conhecido como janela. Pilotto Neto (1980) explica que quanto
mais alta for uma janela, melhor será a iluminação nas partes mais afastadas. Uma
janela disposta sobre a dimensão horizontal possibilita uma distribuição mais
homogênea da luz, enquanto que, uma janela vertical ilumina com maior eficiência o
que estiver em frente ao seu eixo de simetria. Sendo assim, podemos concluir que
uma janela disposta na dimensão vertical alcança luminosidade a uma distância
maior do que uma janela disposta na dimensão horizontal, mas haverá um espaço
lateral com uma iluminação deficiente.
No caso de ser utilizado apenas este sistema de iluminação natural, ocorre
que os ambientes mais distantes das janelas terão uma iluminação abaixo do
necessário, causando também o ofuscamento quando o usuário que se encontra no
lado mais escuro focaliza o ambiente mais claro (Figura 7).
Janelas amplas podem proporcionar níveis mais altos de iluminação natural e
melhor vista para o exterior, entretanto, permitem maiores trocas perdas de calor, o
que refletirá no consumo de energia nas edificações refrigeradas artificialmente.
Este sistema propicia no ambiente vários níveis de iluminação (VIANNA,
2001). Essa falta de uniformidade muitas vezes, não oferece um ambiente sadio
para se trabalhar.
31
Figura 7.: Iluminação lateral e ofuscamento
(disponível em: <http://www.dei.isep.ipp.pt/~acc/cassilde/example2.jpg>
acesso em: 13 de Setembro de 2008 )
3.2.2 Iluminação Zenital
Pilotto Neto (1980) define iluminação zenital, como a iluminação que penetra
através de superfícies translúcidas situadas na cobertura das edificações (figura 8).
Este tipo de iluminação é muito utilizado em fábricas, onde grande parte do local de
trabalho não consegue ser alcançado pela claridade advinda da iluminação lateral.
A grande vantagem deste tipo de iluminação é uma melhor distribuição da luz
no recinto, considerada de boa qualidade sem ser uma iluminação homogênea.
Outro aspecto significativo no sistema de iluminação zenital é a redução de gastos
com energia elétrica, sendo esta substituída pela utilização de luz solar durante um
período mais longo do dia.
32
Figura 8.: Exemplos de superficies iluminantes
(disponível em: <http://www.marko.com.br/img/img_complZenital.jpg> acesso em: )
Uma desvantagem desse tipo de iluminação é que ele possibilita a incidência
direta dos raios solares, ocasionando problemas como excesso de insolação e
aquecimento do ambiente, entre outros (Figura 9).
33
Figura 9.: Soluções para iluminação zenital
(disponível em: <http://www.edifique.arq.br/images/ilumzenital.gif> acesso em: 30 de março de 2008 )
De acordo com Vianna (2001), a principal característica deste tipo de
iluminação é uma maior uniformidade na distribuição da luz em relação à iluminação
lateral. Isto ocorre porque na iluminação zenital suas projeções são paralelas ao
plano e em geral as aberturas estão uniformemente distribuídas pela área de
cobertura.
Vianna (2001) complementa que em alguns lugares amplos, com iluminação
zenital, não seria conveniente utilizar iluminação lateral para complementar (figura
10), já que sua contribuição não seria significativa para o nível final de iluminância e,
para a uniformidade da iluminação. Um dos problemas seria o ofuscamento causado
pela grande distância das paredes opostas em relação aos locais de trabalho.
34
Figura 10.: Iluminação zenital conjulgada com iluminação lateral
(disponível em: <http://www.arcoweb.com.br/arquitetura/fotos/633/hall.jpg> acesso em: 17 de Agosto de 2008)
Vianna (2001) explica as lentes prismáticas como uma evolução tecnológica
neste tipo de iluminação, pois, sua utilização consegue distribuir a iluminação natural
de uma forma eficiente. Isso ocorre porque ao receber os raios solares, um painel
prismático de material transparente, que está situado na parte superior externa,
fragmenta os raios solares em micro raios, refratando a luz em todas as direções
(figura 11).
Figura 11.: Ginásio de esportes iluminado por lentes prismáticas
(disponível em: <www.forumdaconstrucao.com.br/conteudo.php?a=4&Cod=122> acesso em: 22 de
Maio de 2008 )
35
4 FIBRAS ÓPTICAS
Tabini (1990) define fibra óptica como uma guia de luz com formato cilíndrico
constituído por dois materiais cristalinos concêntricos. Esses materiais são
denominados como núcleo e casca (figura 12). O núcleo é o elemento principal da
fibra óptica, pois será por onde a luz será transmitida, ao longo da fibra. A casca é
responsável por permitir que a luz se propague ao longo do núcleo. A diferença
fundamental entre estes dois tipos de material é o índice de refração.
Figura 12.: Partes de uma única fibra óptica
(disponível em: <http://deltateta.files.wordpress.com/2008/03/fiber-optic-
fiber.jpg> acesso de: 21 de Abril de 2008 )
Para que ocorra a transmissão de iluminação através da fibra ótica, é
necessário que a luz projetada, na fibra, forme um ângulo maior do que o ângulo
crítico da fibra (figura 13). Sendo assim a luz caminha por dentro da fibra por
reflexões sucessivas (GIOZZA, 1991).
36
Figura 13.: Secção da fibra optica
(disponível em: <http://penta.ufrgs.br/redes.94-2/nunes/fibra2.gif> acesso em: 07 de setembro de 2008 )
Existem diversos tipos de fibras ópticas, que são denominadas de acordo com
a sua geometria e com o índice de refração do núcleo. As duas classes principais de
fibras são monomodo e multímodo.
4.1 Fibra Multimodo Índice Degrau
De acordo com Sênior (1985), a fibra multimodal de índice degrau (figura 15)
é a mais simples dos tipos de fibras ópticas. Estas fibras podem ser fabricadas com
um único índice de refração, de acordo com a aplicação, e neste caso não existe
casca, tornando o ar o realizador desta função.
Por outro lado Tabini (1990) ressalta algumas desvantagens dessas fibras,
como por exemplo, quanto à baixa capacidade de transmissão, em virtude da
atenuação relativamente elevada e uma largura de banda pequena, portanto, é
limitada sua utilização na transmissão de dados em curtas distâncias e em
iluminação.
4.2 Fibra Multimodo Índice Gradual
A fibra multímodo (figura 14) de índice gradual possui este nome devido à
composição do núcleo feito em várias camadas de vidro, com índices de refração
que decrescem gradualmente à medida que se afastam do centro em direção da
casca. (GLODE, 1973).
37
Com esta variação, ocorre uma menor dispersão do sinal e, uma maior
largura de banda, pois quanto mais distante do centro da fibra estiver o raio
luminoso, mais veloz ele será, sabendo que a velocidade da luz é função do índice
de refração.
Figura 14.: Fibra Multimodo índice gradual
(disponível em: <http://www.clubedohardware.com.br/artigos/371> acesso em: 20 de junho de 2008 )
4.3 Fibra Monomodo
CSELT (1981) demonstra que a diferença básica entre as fibras multímodo e
as monomodo é, basicamente, a boa qualidade de propagação da luz e suas
menores dimensões. De acordo com Tabini (1990) se diminuirmos a abertura
numérica, o acoplamento óptico será inviável e se operarmos com valores de
comprimento de onda superiores, haverá atenuação do sinal. Portanto, pode-se
concluir que o melhor é reduzir o diâmetro do núcleo para um valor pouco maior que
o comprimento de onda, de forma que apenas um modo seja guiado. É exatamente
isto que ocorre nas fibras monomodo onde o diâmetro da casca chega a ser cerca
de 12 vezes maior que nas fibras multímodo.
Figura 15.: Fibra Monomodo
(disponível em: <http://www.clubedohardware.com.br/artigos/371> acesso em 20 de junho de 2008)
4.4 Atenuação das fibras ópticas
A atenuação é o principal elemento na determinação da distância máxima
entre um transmissor e um receptor óptico. A atenuação, ou melhor, a perda de
transmissão de uma fibra óptica é definida em termos da relação de potência
luminosa na entrada da fibra de comprimento L e a potência luminosa na sua saída.
(GUIOZZA, 1991)
38
Tabini (1990) complementa que a atenuação representa a perda de potência
óptica em um determinado lance de fibra óptica. Ela varia em função do
comprimento da luz. As principais causas de atenuação das fibras ópticas são:
- Espalhamento: esta perda é causada por imperfeições, como dimensões
inferiores ao comprimento de onda da luz, imperfeições da estrutura da fibra óptica
e, é caracterizado pelo desvio da luz em varias direções (NOGUCHI, 1985).
- Absorção: é o processo pelo qual, impurezas nas fibras, absorvem parte da
energia óptica e a dissipa em forma de calor. Essas impurezas, quando
concentradas em uma parte por bilhão, são suficientes para introduzir uma pequena
atenuação (OHNISHI, 1988).
Tabini (1990) completa exemplificando que o íon (hidroxila) é uma impureza
que causa grande atenuação e a mesma é muito difícil de ser eliminada. Dentre
outras impurezas, as mesmas absorvem a luz de acordo com seu comprimento da
onda.
- deformações mecânicas: são resultantes de dois tipos de deformações
conhecidas como microcurvatura e macrocurvatura. Quando existe uma pequena
deformação na fronteira entre o núcleo e a casca é chamada de microcurvatura, e
qualquer força transversalmente aplicada na superfície da fibra pode provocar este
tipo de deformação. A macrocurvatura é provocada pela curvatura da fibra óptica,
quando o raio de curvatura de uma fibra óptica é de apenas alguns centímetros não
existem perdas significativas em função das pequenas dimensões da
fibra.(PINNOW, 1973)
4.5 Vantagens das fibras ópticas
A fibra óptica apresenta diversas vantagens sobre outras soluções existentes
no mercado para transmissão de iluminação. A principal vantagem que podemos
destacar é a baixa perda de transmissão, que se torna a principal vantagem, se
considerarmos o potencial luminoso existente e a necessidade de pouca perda de
intensidade luminosa.
39
Figura 16.: Transmissão luminosa atraves da fibra optica
(disponível em:
<http://www.cimm.com.br/conteudo/noticias/imagem/Image/fibra_optica.JPG>
acesso em: 20 de Junho de 2008 )
Cherin (1983) explica que a perda de transmissão é muito baixa, no caso de
transmissão de iluminação apenas sofrendo impacto da atenuação. A evolução
acelerada de novas tecnologias promete materiais com atenuações ainda menores.
A propriedade isolante da fibra óptica oferecida pelo material dielétrico de sua
constituição é ideal para um sistema hibrido, por oferecer segurança e não sofrer
interferência do ruído existente na rede.
Guiozza (1986) complementa que a fibra óptica é um excelente material para
ser utilizado em áreas com gases voláteis, por não oferecer risco de fogo nem de
explosão, oferecendo assim, mais um mercado importante para o sistema proposto
(SHI). As baixas dimensões e peso apresentados pela fibra óptica permitem o
desenvolvimento do sistema sem o comprometimento dos dutos (LACY, 1982).
Podemos ainda destacar que as fibras ópticas não são sujeitas a agentes
químicos e variações de temperatura, permitindo assim uma maior vida útil dos
sistemas. (SENIOR, 1985)
4.6 Desvantagens das Fibras Ópticas
A utilização deste sistema na prática implica na existência de diversas
desvantagens que podem ser encontradas. Entre as diversas desvantagens
40
existentes, podemos ressaltar as que implicam diretamente no transporte de
luminosidade e não de dados.
O fato de a fibra ótica ser uma tecnologia consideravelmente nova e em
constante desenvolvimento tecnológico faz com que no mercado brasileiro o seu
preço ainda seja significativamente alto, mas isto não inviabiliza o projeto, como é
possível verificar na previsão de custos do projeto apresentado adiante.
A dificuldade de emendas e conexões dificulta a transmissão da luz,
causando perdas, repercutindo assim desfavoravelmente. A capacidade de
concentração do foco em ângulos críticos, no caso de iluminação, pode ser
considerado também como um ponto negativo, pela dificuldade existente para
dissipação deste foco luminoso nos pontos de iluminação.
41
5 MOVIMENTOS
Para uma precisa captação da luminosidade emitida pelo sol, precisamos do
adequado funcionamento de todos os itens envolvidos na geração de movimentos
para o sistema, desde os itens mecânicos para estruturação do conjunto,
componentes mecânicos para transmissão dos movimentos, geração dos
movimentos em si e controle dos mesmos.
Tendo em vista a dificuldade na movimentação do painel de captação da luz
solar, desde o amanhecer ao escurecer do dia, é necessário um estudo mais
detalhado nos tipos de movimentos requeridos, atentando para a precisão dos
movimentos controlados levando assim a uma captação eficiente.
Para a geração dos movimentos do equipamento, foram estudados diversos
meios, como: hidráulica, pneumática e elétrica.
A hidráulica é utilizada basicamente para efeitos de força e potência com
pouca velocidade nos movimentos, a pneumática proporciona uma velocidade alta
nos movimentos, mas com baixa força e dificuldade de controle, a elétrica apresenta
alta potência associada à uma boa velocidade, proporcionando um controle
preciso.Assim, para as nossas necessidades, optamos por gerar movimentos a partir
de motores elétricos.
Após estudos de alguns tipos de movimentos mecânicos, temos como base
movimentos integrados a dois graus de liberdade, onde teremos um movimento de
rotação horizontal da estrutura sobre sua própria base e um segundo movimento de
rotação vertical acoplando um eixo central ao painel de capitação.
O controle dos movimentos será feito por um circuito elétrico de fotosensores
que “reconhecerão” o melhor foco de incidência luminosa no ambiente provocando
assim uma diferença de potencial em seus terminais, os quais serão analisados por
um comparador que transforma estes sinais em pulsos elétricos, acionando os
motores para o melhor posicionamento do painel.
5.1 Óptica
A óptica física estuda as propriedades da luz, sua interação com objetos, e
com ela mesma. Ela se ocupa de aspectos do comportamento da luz, tais como
emissão, composição, absorção, polarização, interferência e difração.
42
Os espelhos parabólicos são encontrados cada vez com mais freqüência no
nosso cotidiano. Existem diversas aplicações para esse tipo de espelho, desde
refletores de luz em faróis de carros e telescópios, até refletores e receptores de
ondas eletromagnéticas de diversas freqüências, como nas transmissões de rádio e
televisão, ou até mesmo concentradores de luz.
A principal característica de um espelho parabólico é que as ondas mecânicas
ou eletromagnéticas que nela incidem, convergem para um único ponto chamado de
foco.
43
6 OBJETIVO
O propósito deste trabalho é apresentar uma solução alternativa ao sistema
de iluminação atual, propondo como metodologia a utilização de métodos
tradicionais e novos, baseados em conceitos de automação industrial.
A solução apresentada neste trabalho busca uma perfeita harmonia na
utilização da energia solar e elétrica, a fim de prover redução com gastos de infra-
estrutura, além de disponibilizar os benefícios do sol às pessoas submetidas a este
tipo de iluminação.
Por meio deste SHI, ocorre a busca por trazer todos os benefícios do sol, para
dentro de edifícios fechados, evitando assim problemas relacionados à exposição
exclusiva a iluminação elétrica. Este sistema também visa oferecer a possibilidade
de utilização de sistemas de iluminação natural onde outrora não era possível.
44
7 METODOLOGIA
Este projeto propõe um estudo de viabilidade técnica e econômica de um
sistema híbrido de iluminação por meio da construção de um protótipo e, do estudo
de custo.
A utilização de conceitos e metodologias de automação industrial através de
um processo em malha fechada fornece precisão ao sistema, por ser auto-ajustável
durante as etapas do dia.
Pretende-se então simular o sistema de iluminação em uma maquete de um
galpão, a fim de poder medir a quantidade de luz disponibilizada no ambiente e a
quantidade de energia elétrica consumida no processo. Através desta simulação
será apresentado o sistema híbrido de iluminação solar (SHI).
45
8 PARTE EXPERIMENTAL
A fim de utilizar todos os benefícios da iluminação natural já apresentados, a
solução desenvolvida visa levar a iluminação natural a todos os ambientes
desejados, independentemente da profundidade e posicionamento do ambiente.
O sistema proposto consiste em utilizar um coletor parabólico espelhado,
capaz de coletar os raios solares, e, concentrar todos através de uma segunda
parabólica em pontas de fibra óptica. Esta fibra óptica servirá como meio no qual os
raios solares serão transmitidos. A terminação da fibra óptica será realizada com a
conexão desta com um tarugo de acrílico translúcido que dissipará a luz dentro do
ambiente de maneira homogênea.
Durante os períodos que não for possível coletar a luz solar pode ser
necessário utilização de iluminação artificial. A fim de manter o nível de iluminação
constante nestes períodos e durante a noite, foi utilizado de um sistema de
dimerização da iluminação artificial, fazendo assim com que o nível de iluminação
seja sempre constante proporcionando economia de energia elétrica.
Para a construção deste sistema híbrido (SHI) de iluminação, utilizamos
algumas etapas no processo de montagem, que veremos em seguida.
8.1 Circuito Elétrico
Para a construção do circuito elétrico utilizou-se de dois pares de sensores,
para captar a radiação solar existente no ambiente, e assim, comparar seus
respectivos valores e, por fim, posicionar a parabólica na melhor disposição em
relação ao sol.
Os sensores utilizados são LEDs normais encontrados no mercado, utilizados
geralmente para o fornecimento de iluminação. Os LEDs de cores claras, nada mais
são do que um transistor bipolar que está encapado em uma capa clara, para que a
luz possa atingir a base coletora da junção. Esses LEDs tem a característica, devido
à sua junção PN, de quando submetidos a iluminação criam pares lacuna – elétrons,
dando origem a uma corrente, na presença de uma tensão. Na polarização direta, a
luz que incide sobre o fotodiodo faz a corrente transcorrer através do dispositivo,
levando-a para o sentido frontal, isso é conhecido como o efeito fotoelétrico.
46
VCC12V
Q12N3904
Q2
2N3906
U1A
LM324D
3
2
11
4
1
VCC12V
VCC12V
VCC12V
Q3
2N3904
Q4
2N3906
U1D
LM324D
12
13
11
4
14
LED1
LED2
VCC12V
R7
10mΩ
C2
10nFR51MΩ
R10
10kΩ
R9
10kΩ
R41kΩ
R61kΩ
R1
10mΩ
C1
10nF
R21MΩ
S1
MOTOR
M
X1SPDT_CLOSED
X2SPDT_CLOSED
VCC12V
VCC12V
Figura 17.: Circuito Elétrico elaborado para o SHI
8.2 Parabólica
A parabólica necessária para o sistema necessita de um alto grau de reflexão
e espelhamento, além de ter seu foco calculado com exatidão. A fim de proporcionar
soluções a todas estas necessidades foi utilizada no sistema uma antena parabólica
comercial para televisão, composta de uma estrutura própria para realizar os
movimentos.
Para o funcionamento desta antena (plástica), como parabólica refletora
(figura 19), a mesma foi submetida a um processo conhecido como metalização à
vácuo. Esse processo é bastante simples e de baixo custo, consiste basicamente,
em finas camadas de metal ou de não-metal relativamente frias depositadas em alto
vácuo, sobre superfícies preparadas de plástico, metais, vidros, papel e outros
materiais. Essa preparação consiste em uma limpeza por um processo chamado de
descarga.
47
Figura 18.: Parabólica refletora construída para uso no SHI
8.2.1 Cálculos da parabólica
A parabólica possui uma propriedade muito interessante que é utilizada em
faróis de automóveis e nas parabólicas convencionais: a capacidade de
concentração de todos os raios incidentes em um único ponto, conhecido como foco
(figura 20).
48
Figura 19.: Foco de espelho parabólico
Para poder utilizar duas parabólicas, foi necessário inicialmente calcular o
foco da primeira parabólica, para poder calcular as dimensões da segunda. Isso
resulta em focos com a mesma distância, permitindo assim, que toda a luz refletida
na primeira parabólica (coletora) seja refletida na segunda (refletora) que é
direcionada para o centro da fibra óptica. Os cálculos deste dimensionamento foram
obtidos através do cálculo do foco da parábola como mostram os resultados da
tabela 1.
F = (D2/16c) (1)
Tabela 1: Cálculo do foco das parabólicas (m)
Parabólica\ Medida D c
Parabólica Coletora 2,0346 0,4500
Parabólica Refletora 0,5087 0,0281
Foco 0,5749
8.3 Controle de iluminância
O controle de iluminância é a etapa mais importante do projeto. Apenas
através deste sistema pode ser oferecido, de maneira consistente, o nível adequado
F
49
de iluminação para o ambiente. O controle teve de ser desenvolvido a fim de
promover economia de energia elétrica e uniformidade de iluminação no ambiente.
De acordo com Moreira (1987) o controle de iluminação é indicado para ligar
e desligar, ou para controlar o fluxo de iluminação em ambientes, através de
lâmpadas incandescentes. Silva (2004) completa que com a integração da eletrônica
nos reatores foi possível o controle do nível de iluminação em lâmpadas
fluorescentes pelos dimers, através dos reles dimerizáveis.
Para a eficiência do projeto, sensores de luz, foram localizados dentro do
ambiente, acoplados no circuito dos reatores dimerizáveis, fazendo com que sempre
que a luz do sol começar a iluminar o ambiente, as lâmpadas, comandadas pelo
sensor reduzirão seus respectivos fluxos luminosos.
Apenas considerando a utilização deste tipo de rele, sem considerar o ganho
obtido pela distribuição uniforme de iluminação, já é possível obter uma redução de
70%, no consumo de energia elétrica, em relação aos sistemas tradicionais (SILVA,
2004).
Para o controle eficiente da luz ambiente, foram localizados sensores capazes
de controlar os reles, com seu sensoriamento baseado em LDR, vide circuito e foto
abaixo.
Figura 20.: Circuito de controle
50
Figura 21.: Foto Sensoriamento
8.4 Movimentação dos eixos
A fim de promover a integração do sensoriamento do circuito, ao movimento
mecânico foram utilizados dois motores de corrente continua, com redutor,
acoplados diretamente aos eixos. A escolha de acoplagem direta, veio a fim de
reduzir desgastes mecânicos, perdas de transmissões, com isso, melhorando a
precisão dos movimentos.
Os movimentos necessários para este projeto são: de rotação da base em
torno do próprio eixo e, movimento de inclinação da parabólica; visando assim, o
melhor posicionamento da parabólica em relação ao sol.
51
Para demonstrar os motores utilizados, foram adaptados alguns pares de
engrenagens plásticas, permitindo assim um melhor posicionamento do motor de
movimento rotacional da base.
Os motores escolhidos para esta aplicação foram hiper dimensionados, a fim
de viabilizar a movimentação da estrutura necessária.
8.5 Calculo da redução dos motores
Com a finalidade de evitar esforços desnecessários no eixo do motor, o
mesmo é guarnecido com um conjunto de engrenagens, responsáveis por reduzir a
velocidade de rotação do motor.
Figura 22.: Desenho da redução do motor
Os cálculos da redução do motor foram necessários para verificar se a
velocidade do motor máxima era suficientemente grande a fim de fornecer os
movimentos necessários. Para a realização desses cálculos foram coletadas as
informações conforme tabela abaixo.
Tabela 2: Medidas da redução dos motores
Engrenagem \ Dados Numero de dentes Diametro das engrenagens (mm) 1 engrenagem 10 6 2 engrenagem 34 18,2 3 engrenagem 12 8,5 4 engrenagem 30 19,7
52
Após a coleta dos dados foi possível se iniciar os cálculos da velocidade dos
eixos dos motores, tornando assim possível a utilização deste conjunto de motores
para o projeto, conforme pode ser verificado a seguir:
Na = 402 RPM
N4 = D3 (3)
N3 D4
402 = 8,5 N3 = 931,69 RPM (4)
N3 19,7
N2 = N3 = 931,69 RPM (5)
N2 = D1 = 931,69 = 6,00 (6)
N1 D2 N1 18,2
N1 = 2826 RPM
Portanto,
Nb = 2826 RPM
Redução 1(A) : 7(B)
Coeficiente de Redução = 1 : 7
8.6 Distribuição da iluminação solar
A coleta de luz solar é realizada pelo coletor e, distribuída através da fibra
ótica. Esta solução foi viabilizada por conta das perdas luminosas insignificantes
para esta aplicação. As fibras óticas foram colocados desde o coletor até o ponto de
distribuição final, evitando assim emendas.
Os pontos de distribuição foram viabilizados através de tarugos de acrílico
colocados em paralelo com as lâmpadas fluorescentes, permitindo assim, ao
sensoriamento, o controle eficaz do nível de iluminação.
53
A escolha do acrílico se deve ao fato do mesmo permitir a radiação de raios
luminosos ao longo de seu comprimento, a textura fosca criada nele, permitiu o
brilho conveniente para a aplicação.
54
9 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para ser possível o entendimento dos benefícios da utilização de um sistema
híbrido de iluminação, em substituição ao sistema convencional, é necessária a
apreciação dos cálculos comparativos realizados, a fim de expor a quantidade de luz
fornecida ao ambiente pelo sistema híbrido e a quantidade de energia elétrica
poupada no processo.
O fornecimento de iluminação foi baseado em pesquisa de preços com
fornecedores do ramo, a fim de analisar a viabilidade econômica e, pay-back do
capital investido. Todos os custos desse projeto foram estimados junto a
fornecedores reais para estipulação dos valores em verdadeira grandeza.
Para inicio do cálculo foi necessária a analise do tamanho estimado do
coletor, para assim, ser possível o cálculo da potencia luminosa a ser captada e, por
fim, disponibilizada no ambiente. A fim de padronizar o sistema, foi definido que as
parabólicas teriam 1 m de raio. A área exposta ao sol para coleta foi calculada.
A= ⅔Dc = ⅔.100.2.450 = 6m2 (2)
Conforme tabelas abaixo, pode ser verificado, que a capacidade máxima de
aproveitamento da luz solar, para um coletor de 6 m2, durante um período de
trabalho de 8 horas, das 8:00 horas da manhã até as 17:00 horas da tarde, em São
Paulo, pode ser de até 84% e em Salvador de até 83%
55
Tabela 3: Potencia luminosa em São Paulo para 6 m2 em Lux
(DLN)
SÃO PAULO Primavera Verão Outono Inverno
CC PE CE CC PE CE CC PE CE CC PE CE
08:00 315,57 205,09 63,48 317,40 205,70 63,48 307,63 202,65 63,48 305,19 202,04 63,48
09:00 458,40 343,03 85,76 461,45 344,25 85,76 446,19 337,85 85,76 442,83 336,01 85,76
10:00 601,22 480,98 108,04 605,50 482,81 108,04 584,74 473,04 108,04 580,47 469,99 108,04
11:00 654,33 538,05 116,28 658,91 540,19 116,28 636,02 528,59 116,28 631,13 525,54 116,28
12:00 707,43 595,12 124,52 712,31 597,56 124,52 687,29 584,13 124,52 681,79 581,08 124,52
13:00 654,33 538,05 116,28 658,91 540,19 116,28 636,02 528,59 116,28 631,13 525,54 116,28
14:00 601,22 480,98 108,04 605,50 482,81 108,04 584,74 473,04 108,04 580,47 469,99 108,04
15:00 458,40 343,03 85,76 461,45 344,25 85,76 446,19 337,85 85,76 442,83 336,01 85,76
16:00 315,57 205,09 63,48 317,40 205,70 63,48 307,63 202,65 63,48 305,19 202,04 63,48
17:00 160,22 103,46 32,66 161,14 103,76 32,66 156,26 102,24 32,66 155,04 101,93 32,66
18:00 4,88 1,83 1,83 4,88 1,83 1,83 4,88 1,83 1,83 4,88 1,83 1,83
Tabela 4: Potencia luminosa em Salvador para 6 m2 em Lux
(DLN)
SALVADOR Primavera Verão Outono Inverno
CC PE CE CC PE CE CC PE CE CC PE CE
08:00 347,92 232,55 68,36 349,75 233,78 68,36 263,07 167,24 56,15 260,63 166,02 55,54
09:00 488,61 371,42 90,34 491,66 372,94 90,34 398,58 293,29 78,13 394,92 291,46 77,82
10:00 629,30 510,28 112,31 633,57 512,11 112,31 534,08 419,33 100,10 529,20 416,89 100,10
11:00 681,18 566,74 120,55 686,07 569,18 120,55 584,44 472,74 108,04 579,25 469,99 108,04
12:00 733,07 623,20 128,79 738,56 626,25 128,79 634,80 526,15 115,97 629,30 523,10 115,97
13:00 681,18 566,74 120,55 686,07 569,18 120,55 584,44 472,74 108,04 579,25 469,99 108,04
14:00 629,30 510,28 112,31 633,57 512,11 112,31 534,08 419,33 100,10 529,20 416,89 100,10
15:00 488,61 371,42 90,34 491,66 372,94 90,34 398,58 293,29 78,13 394,92 291,46 77,82
16:00 347,92 232,55 68,36 349,75 233,78 68,36 263,07 167,24 56,15 260,63 166,02 55,54
17:00 187,08 123,91 38,15 188,00 124,52 38,15 133,98 84,54 28,99 132,76 83,93 28,69
18:00 26,25 15,26 7,93 26,25 15,26 7,93 4,88 1,83 1,83 4,88 1,83 1,83
56
O cálculo de produtividade máxima do coletor foi estimado considerando a
norma ABNT que considera como recomendável o nível de 500 lux para um
ambiente de trabalho.
Em um ambiente de 1000m2 é necessária a instalação de 21840 lâmpadas
fluorescentes de 14w cada, resultando em uma potencia consumida de 102515,2128
KWH/Mês, considerando-se um mês médio de 22 dias úteis.
Atualmente o custo médio da energia elétrica em São Paulo é de R$
0,267828, o que resultaria em um gasto com iluminação artificial de R$ 27.455,62,
conforme demonstado na tabela 5.
Tabela 5: Cálculo de custo de iluminação artificial
Potencia gasta por lâmpada 26,67 W
Horas/Mês 176 Horas
Custo do KWH 0,26782 R$
Gasto energético 102515,2128 KWH
Custo com Iluminação R$ 27.455,62
Considerando o rendimento calculado anteriormente da parabólica, pode se
estipular o gasto com iluminação artificial no caso da instalação de um sistema
híbrido de tal proporção. Fazendo um cálculo para o mesmo referencial pode ser
obtido uma economia de aproximadamente R$ 23.062,72, conforme cálculo da
tabela 6.
Tabela 6: Custo de iluminação artificial para o sistema híbrido
8 Dados da Eletropaulo (Set/2008)
57
Potencia gasta por lâmpada 26,67 W
Horas/Mês 176 Horas
Custo do KWH 0,26782 R$
Gasto energético 16402,43405 KWH
Custo com Iluminação R$ 4.392,90
Através do cálculo do capital inicial a ser investido e da economia de energia
propiciada pelo sistema, foi possível o cálculo do pay-back. O período chamado de
pay-back é definido como o número estimado de anos necessários para haver a
recuperação dos investimentos originais. Quanto menor for o pay-back de um
projeto melhor, mas sempre depende do capital inicial investido. A tabela 7 permite
apurar o fluxo de caixa utilizado para o cálculo do pay-back. Considerando-se o fluxo
de caixa da tabela foi calculado um pay-back de 4 anos e 5 meses.
Outras duas maneiras eficazes de verificar a atratividade do projeto são
calculando a TIR (Taxa Interna de Retorno) e o VPL (Valor Presente Líquido). A TIR
é definida como a taxa de desconto que iguala o valor presente das entradas de
caixa, esperadas do projeto, com o valor presente dos custos do mesmo. O projeto
será considerado atrativo se a TIR for maior que a TMA (Taxa Mínima de
Atratividade). Para este projeto consideramos a TMA como sendo a taxa do CDB
(11,62%), ou seja, se o projeto trouxer uma taxa interna de retorno menor do que a
adquirida investindo-se em um CDB, o projeto não será considerado atrativo. Já o
VPL é calculado com o valor presente de cada fluxo de caixa, incluindo, tanto as
entradas, quanto as saídas descontadas o custo do capital inicial do projeto. Caso o
VPL seja positivo o projeto trará vantagens financeiras.
Concluímos que o projeto proposto é atrativo, pois a TIR calculada é de 18%
a.a., ou seja, maior que a TMA (TIR = 18% a.a. > CDB = 11,62% a.a.). O VPL,
considerando uma projeção de 10 anos, é de R$ 323.724,60.
58
Tabela 7: Avaliação econômico-financeira do projeto (em reais).
Anos 1 2 3 4 5
Avaliação de investimento
( 1.227.000,00) - - - -
Fluxo de caixa
276.752,69 276.752,69 276.752,69 276.752,69 276.752,69
Saldo Fluxo de caixa
( 950.247,31) ( 673.494,61) ( 396.741,92) ( 119.989,23) 156.763,46
VPL ( 877.135,06) ( 678.129,23) ( 499.840,54) ( 340.112,28) ( 197.012,24)
Anos 6 7 8 9 10
Avaliação de investimento
- - - - -
Fluxo de caixa
276.752,69 276.752,69 276.752,69 276.752,69 276.752,69
Saldo Fluxo de caixa
433.516,16 710.268,85 987.021,54 1.263.774,24 1.540.526,93
VPL ( 68.809,38) 46.047,16 148.946,76 241.134,18 323.724,60
59
10 CONCLUSÕES
A pesquisa bibliográfica, os estudos e os resultados obtidos na fase
experimental deste trabalho permitiram atingir o objetivo almejado: criar um sistema
auxiliar de iluminação natural para ambientes fechados (SHI).
Para a fase experimental, esse sistema (SHI) foi aplicado num modelo em
escala reduzida, com uma parabólica em escala e um micro galpão representando
uma fábrica. Os estudos e a experiência mostraram que a metodologia aqui
proposta pode ser utilizada para qualquer ambiente e para qualquer horário do dia e
época do ano, permitindo assim sua aplicação em todo o território nacional.
Um dos maiores desafios na utilização para projetos de iluminação natural
está na dificuldade de prever efeitos não desejados, como, por exemplo,
ofuscamento e distribuição de luz desigual. Essa pesquisa propõe um caminho que
permite vencer estes obstáculos, uma vez que a proposta de utilização de fibra
óptica para transmissão de luminosidade leva em consideração aspectos tanto
quantitativos como qualitativo da iluminação.
Alguns dos aspectos quantitativos que podem ser melhorados, com o auxilio
dessa metodologia são, por exemplo, a uniformidade na distribuição da luz natural
no interior do ambiente, ausência de ofuscamento e nível constante de iluminação –
três problemas mais comuns apresentados na utilização empírica e não otimizada
de dispositivos de controle de entrada de luz natural.
A proposta aqui apresentada permite atender ainda a uma outra necessidade
da industria brasileira: a redução de gastos com consumo de luz artificial, visando
maximização dos lucros. Os cálculos revelaram uma autonomia significativa em
diversos períodos do dia, em relação ao sistema artificial, devido a um bom
aproveitamento da luz.
Todos os cálculos realizados apontam para a viabilidade econômica e
vantagens competitivas para as empresas que aderirem ao sistema.
A intenção inicial desse trabalho era elaborar um sistema de iluminação
baseado em conceitos de automação industrial. O estudo mostrou que se poderia ir
além, uma vez que ficou claro que essa metodologia pode trazer outros benefícios
aos usuários deste sistema.
60
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64
APENDICE A - DESENHOS
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
APENDICE B – DEMONSTRATIVO DE INVESTIMENTOS
Simulação para sistema padrão de iluminação
QTT Descrição Valor Unitário Valor Total 10920 Luminária R$ 80.00 R$ 873,600.00 10920 Reator R$ 30.00 R$ 327,600.00 21840 Lâmpada R$ 15.00 R$ 327,600.00 TOTAL R$ 1,528,800.00
Simulação para o Sistema Híbrido de Iluminação
QTT Descrição Valor Unitário Valor Total 4 Coletor R$ 500.00 R$ 2,000.00
700 Fibra Óptica R$ 190.00 R$ 133,000.00 10920 Luminária R$ 80.00 R$ 873,600.00 10920 Reator R$ 100.00 R$ 1,092,000.00
2730 Dimmer R$ 120.00 R$ 327,600.00 21840 Lâmpada R$ 15.00 R$ 327,600.00
TOTAL R$ 2,755,800.00
76
ANEXO A – TABELAS DLN
