UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/ELETROTÉCNICA ISRAEL HOLES

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1 UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA CURSO DE ENGENHARIA INDUSTRIAL ELÉTRICA/ELETROTÉCNICA ISRAEL HOLES DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO COMPACTO DE LED PARA INSTALAÇÃO EM LUMINÁRIA ISLA-SCHRÉDER TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO CURITIBA 2014

2 ISRAEL HOLES DESENVOLVIMENTO DE UM MÓDULO COMPACTO DE LED PARA INSTALAÇÃO EM LUMINÁRIA ISLA-SCHRÉDER Trabalho de Conclusão de Curso de graduação, apresentado à disciplina de Trabalho de Diplomação, do Curso Superior de Engenharia Industrial Elétrica/Eletrotécnica do Departamento Acadêmico de Eletrotécnica DAELT da Universidade Tecnológica Federal do Paraná UTFPR, como requisito parcial para obtenção do título de Engenheiro Eletricista. Orientador: Prof. Dr. Júlio Cesar Nitsch CURITIBA 2014

3 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO TEMA Delimitação do Tema PROBLEMAS E PREMISSAS OBJETIVO GERAL Objetivos Específicos JUSTIFICATIVA PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS ESTRUTURA DO TRABALHO CRONOGRAMA REFERÊNCIAS... 11

4 1 INTRODUÇÃO 1.1 TEMA O tema que será tratado neste trabalho é Iluminação Pública. Mais precisamente abordar-se-á a iluminação pública de Curitiba. Será proposto e desenvolvido um módulo compacto de LED (Light Emitting Diode) para luminárias. Este módulo substituirá os conjuntos de lâmpadas que hoje compõe as novas luminárias públicas que estão sendo instaladas nas vias revitalizadas pela Prefeitura Municipal de Curitiba Delimitação do Tema Em muitas das obras de revitalização de vias, parques e praças públicas a Prefeitura Municipal de Curitiba está instalando luminárias da empresa Schréder Iluminações S/A. O modelo de luminária fornecida pelo fabricante, que será objeto de estudo deste trabalho, é a Isla. Esta luminária é equipada com uma lâmpada de Vapor de Sódio a Alta Pressão (VSAP) ou Vapor Metálico, ambas de 150W. O desempenho luminotécnico dessas luminárias é bom, porém possuem um consumo elevado quando comparado à tecnologia LED. Além de que, de acordo com o que será exposto no capítulo 2, os LEDs possuem vida útil bem superior a de Vapor de Sódio a Alta Pressão e Vapor Metálico. O módulo a ser desenvolvido será de fácil e ágil substituição, além de ocupar o menor espaço possível na luminária. 1

5 Figura 1 Luminária Isla-Schréder Fonte: Schréder (2009). 1.2 PROBLEMAS E PREMISSAS A Iluminação Pública tem um papel importantíssimo e fundamental para a sociedade no desenvolvimento de suas atividades noturnas. A iluminação pública é um fator de grande importância para a segurança de uma cidade. Uma via bem iluminada garante boa visibilidade a motoristas e pedestres, evitando acidentes, além de tornar os locais mais movimentados e inibir ações de criminosos. No Brasil, cidades ainda sofrem com locais com iluminação inadequada, causada muitas vezes pelo uso de equipamentos defasados (CASARIN, 2012). No município de Curitiba o responsável pelo o gerenciamento da Iluminação Pública é o próprio governo municipal (COPEL INFORMAÇÕES, 2013). A Prefeitura Municipal de Curitiba sempre foi um exemplo para outras cidades neste quesito. Os ativos componentes da Iluminação Pública foram transferidos para os cuidados da prefeitura no ano de 1987, um ano antes da Constituição Federal de 1988 atribuir este serviço público aos governos municipais. Segundo Martins (2012), Diretor do Departamento de Iluminação Pública de Curitiba, 2

6 Na maioria das cidades brasileiras a iluminação não era um serviço oferecido à população pelas prefeituras e sim pela concessionária de energia elétrica. Com o artigo 149º da Constituição Federal de 1988, essa atribuição passou a ser dos municípios, que herdaram um parque luminotécnico antigo e defasado, no que se refere à tecnologia hoje existente. Com o passar do tempo, vimos que eram necessárias melhorias nestes serviços bem como nas instalações. A partir deste momento chegamos à conclusão que precisaríamos traçar metas e nos organizar de maneira sistemática para tomar atitudes concatenadas e ordenadas. Então surgiu a ideia do Plano Diretor de Iluminação, que concluímos em meados de Os ativos da Iluminação Pública transferidos das concessionárias de energia elétrica para os municípios são constituídos por equipamentos como braço de IP, luminária, bulbo, lâmpada, reator e relé fotoelétrico (FREITAS; MATTOS, 2013). De acordo com Reis (2013) atualmente a rede de Iluminação Pública em Curitiba é composta por , todos padronizados com lâmpadas de vapor de sódio. Tem-se assim um vasto campo de atuação para implementar tecnologias mais eficientes no sistema de IP de Curitiba. Estima-se ainda que aproximadamente 3,2% do total da energia consumida no país seja destinada à Iluminação Pública (ELETROBRAS, 2008). Outra preocupação relevante relacionada à Iluminação Pública é levantada por Soares (2012, p. 5), um ponto crítico que eleva ainda mais a importância da modernização do sistema: Outro fator que motiva a modernização dos parques de iluminação pública é o fato de que os sistemas de iluminação são ligados em torno das 18 horas, ou seja, no momento em que a demanda do sistema elétrico brasileiro é a maior. Portanto, projetos de eficiência energética na área de iluminação pública podem postergar a necessidade da construção de novos empreendimentos para geração de energia elétrica. A luminária, que será objeto de estudo deste trabalho, foi instalada em vias, praças e parques revitalizados nos últimos dois anos. Tem sido muito utilizada e se tornou uma das principais luminárias adotadas pela Secretaria Municipal de Obras Públicas da Prefeitura Municipal de Curitiba (SMOP). É o que podemos observar elencando, entre muitos locais de instalação dessa luminária, alguns exemplos como: 3

7 - Largo da Ordem; - Rua Riachuelo; - Rua Comendador Fontana; - Rua Nicolau Maeder; - Rua Carlos Klemtz; - Rua Enette Dubart; - Rua São Francisco; - Rua Toaldo Túlio; - Rua Brigadeiro Franco; - Rua Desembargador Motta; - Avenida Vicente Machado; - Avenida Fredolin Wolf; - Avenida Marechal Floriano Peixoto. O tipo de iluminação dessa luminária é direta e comporta uma lâmpada de 150W, seja de Vapor de Sódio de Alta Pressão ou Vapor Metálico. Tem grau de estanquicidade IP66 e pode ser instalada de 4 a 8 metros de altura (SCHRÉDER, 2009). Com base em todas as considerações feitas nota-se que a Iluminação Pública tem se tornado cada vez mais necessária para a população. Sua aplicação tem crescido com o passar do tempo. Seguindo este crescimento, tem-se o aumento inevitável do consumo de energia elétrica. 1.3 OBJETIVO GERAL Desenvolver um módulo compacto de LED que substituirá um conjunto de lâmpada de Vapor Metálico ou Vapor de Sódio a Alta Pressão nas luminárias Isla-Schréder na iluminação pública de Curitiba. Proporcionar resultados luminotécnicos mais eficientes, em relação aos atingidos pelas lâmpadas instaladas atualmente. Objetiva-se ainda aumentar a vida útil do sistema de IP da cidade, minimizado os custos com manutenção, elevando a continuidade do fornecimento do serviço e, assim, garantindo uma maior segurança da população. 4

8 1.3.1 Objetivos Específicos Estudar conceitos básicos sobre Iluminação: Fluxo Luminoso, Intensidade Luminosa, Iluminância, Luminância, Temperatura de Cor Correlata (TCC), Índice de Reflexão e Índice de Reprodução de Cor (IRC). Apurar a teoria sobre: Dissipação de Energia Térmica, Resistência Térmica, Transferência de Calor e Condução Térmica. Expor a situação da IP de Curitiba. Realizar ensaios luminotécnicos na Luminária Isla nas condições normais de aplicação, fazendo uso da lâmpada indicada pelo fabricante. Desenvolver o módulo compacto de LED. Realizar ensaios luminotécnicos na Luminária Isla com o módulo compacto de LED. Comparar resultados obtidos pela luminária nas condições normais com os resultados obtidos pela mesma munida pelo módulo compacto de LED. 1.4 JUSTIFICATIVA Nos dias atuais, a população das grandes cidades tem, cada vez mais, desenvolvido atividades no período noturno. Segundo Ascurra (2013, p. 9): 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. Ascurra (2013, p. 34) faz ainda uma comparação sobre a expansão da IP no país entre os anos de 2004 e Com base em dados fornecidos pela Eletrobrás, ele constatou que em 2004 existiam 13,1 milhões de pontos de iluminação, com uma demanda de 7% e um consumo de 3,2% dos parâmetros nacionais. Já em 2008 o número de pontos aumentou para 15 milhões, a demanda e o consumo caíram para, respectivamente, 4,5% e 3,0% dos parâmetros nacionais. 5

9 Essa queda justifica-se pelas melhorias e evolução das tecnologias hoje adotadas. Programas como Procel (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) e PEE (Programa de Eficiência Energética) incentivam e financiam projetos com a finalidade de poupar energia, e consequentemente, os recursos naturais do planeta. Mesmo com todos os incentivos fornecidos, ainda tem-se um sistema de IP muito degradado no país. Freitas, Mattos (2013) definem a importância de uma revitalização no sistema de IP com os seguintes argumentos: A substituição de um produto obsoleto por um mais moderno auxilia na redução do elevado consumo de energia e a necessidade de se realizar manutenção no ponto de IP, diminuindo os impactos causados por falta de mão de obra especializada, mas, infelizmente, sistemas obsoletos em iluminação pública no Brasil ainda são predominantes. Freitas, Mattos (2013) também citam alguns benefícios que uma iluminação de qualidade pode proporcionar: Como efeitos, tem-se a redução da criminalidade, aumento da segurança para pedestres e veículos, uso dos espaços públicos à noite com segurança pelos munícipes, queda dos custos com manutenção, valorização das vias, bem-estar dos munícipes, adequação as necessidades atuais da cidade, diminuição da manutenção, melhor distribuição fotométrica e gestão (devido à atualização cadastral e menor diversidade de equipamentos), mais eficiência energética e melhor integração com o contexto urbano vigente. Seguindo ao apelo pela melhoria dos serviços prestados através dos sistemas de IP, e sem deixar de lado a economia de energia elétrica necessária para o avanço tecnológico do país, a tecnologia que mais vem ganhando força neste cenário são as luminárias de LED. É o que afirma Ascurra (2013, p. 3): 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. 6

10 Com o avanço da tecnologia dos LEDs, nos próximos anos, o aumento da implementação de LEDs na IP é inevitável. Nascimento (2012, p. 3) observa que uma mudança tende a ocorrer nos projetos de iluminação pública com a utilização em massa dos sistemas de iluminação pública que utilizam a tecnologia led. Fagundes (2012), presidente da Associação Brasileira da Indústria de Iluminação (Abilux), ressalta que o consumo de LED no Brasil vai crescer astronomicamente nos próximos anos. O crescente consumo de LEDs pode ser explicado pela vertiginosa evolução da tecnologia, em tão pouco tempo, comparada às técnicas tradicionais. Podemos constatar isso na figura abaixo: Figura 2 - Evolução da eficácia luminosa de diversas tecnologias de iluminação Fonte: Craford (2007). A iluminação proveniente de LEDs pode ter como vantagens a longa vida útil, mínima manutenção, alta eficiência energética, liberdade no desenvolvimento e design de luminárias, emissão de luz direta, alto índice de reprodução de cores, acendem instantaneamente, robusto e à prova de vibração, não emitem raios ultravioletas e infravermelhos, contribuem para a redução da poluição luminosa (NEVES, 2012). 7

11 Uma das poucas desvantagens citada por Novicki, Martinez (2008) é a temperatura, pois esta proporciona uma diminuição da luminosidade, sendo necessário o incremento de aletas metálicas para dissipar o calor gerado. A aplicação de dissipadores de calor visa reduzir a temperatura de junção do semicondutor. Com base em todo apelo global por economia de energia; pela segurança, bem-estar, e comodidade da população; e em todos os benefícios que a tecnologia LED proporciona, o trabalho proposto tem grande importância para o cidadão curitibano. 1.5 PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS O trabalho iniciar-se-á com um estudo bibliográfico sobre Iluminação e LEDs, para fundamentar a pesquisa. Será adquirida uma luminária Isla. Nela serão realizados testes e medições luminotécnicas que servirão para referenciar os objetivos almejados pelo trabalho. Com os dados iniciais coletados, dar-se-á o desenvolvimento do módulo compacto de LED de acordo com disposição e estrutura da luminária. Todos os cuidados serão tomados para que o mínimo de adaptações sejam feitas, para que a migração entre as tecnologias, convencional e a de LEDs, seja a mais simples possível. Após ser desenvolvido e instalado o módulo, serão realizados novos testes luminotécnicos na luminária com a nova estrutura de LEDs. De posse dos novos dados coletados, estes serão comparados com os dados iniciais para analisar a viabilidade da tecnologia proposta. 8

12 1.6 ESTRUTURA DO TRABALHO O capítulo 1 será introdutório, ressaltado o cenário a ser resolvido, o porquê da solução e como chegar ao resultado esperado. No capítulo 2 abordar-se-á toda fundamentação teórica envolvida no desenvolvimento do trabalho proposto. Teoria sobre Iluminação, LEDs e Dissipação de Calor será apresentada. A evolução e o panorama sobre a IP no Brasil e em Curitiba será exposto no capítulo 3. A apresentação da Luminária Isla e os estudos preliminares da mesma serão feitos no capítulo 4. O desenvolvimento do módulo compacto de LEDs, assim como sua instalação e adaptação na luminária, será efetuado no capítulo 5. No capítulo 6 serão efetuados os novos testes e medições do novo conjunto de IP. Por fim, no capítulo 7 os dados serão comparados e concluir-se-á a viabilidade do projeto proposto por este trabalho. 9

13 1.7 CRONOGRAMA Atividade Cronograma Metodologia Trabalho de Aplicada ao Conclusão de TCC (2013) Curso 1(2014) Trabalho de Conclusão de Curso 2(2014) Elaboração da proposta do TCC Fundamentação teórica Ensaios luminotécnicos Iniciais Redigir monografia para TCC1 Elaborar apresentação do TCC1 Apresentação do TCC1 Desenvolver módulo compacto de LED Ensaios luminotécnicos Finais Redigir monografia para TCC2 Elaborar apresentação do TCC2 Apresentação do TCC2 N D J F M A M J J A S O N D F 10

14 REFERÊNCIAS ASCURRA, Rodrigo E. Eficiência elétrica em iluminação pública utilizando tecnologia LED: um estudo de caso f. Dissertação (Especialização em Engenharia de Edificações e Ambiental) Universidade Federal de Mato Grosso, Cuiabá, CASARIN, Ricardo. Iluminação Pública: Renovação e mais Segurança. Lumière Electric, São Paulo, ed. 167, mar COPEL Informações. Municípios do norte e noroeste do Paraná retomam o serviço de iluminação pública. Curitiba, abr Ed Disponível em: < Acesso em: 12 fev CRAFORD, M. G. Current State of the art in high brightness LEDs. Physical Society Metting, mar American ELETROBRAS. Relatório Anual Rio de Janeiro, FAGUNDES, Carlos E. U. O Brasil vai produzir lâmpadas LED. Associação Brasileira da Indústria de Iluminação Abilux, mar Disponível em: < Acesso em: 20 fev FREITAS, Luciana; MATTOS, Waleria. A responsabilidade é de quem, afinal? Lumière Electric, São Paulo, ed. 181, mai MARTINS, Ivan. Plano Diretor de Iluminação de Curitiba. Schréder Iluminação S/A, fev Disponível em: < Acesso em: 12 fev

15 NASCIMENTO, Alan. Análise do uso da tecnologia LED na iluminação pública: estudo das perspectivas de aplicação na cidade de São Paulo f. Dissertação (Mestrado em Energia) Universidade Federal do ABC, Santo André, NEVES, Enio. Cidades inteligentes e a telegestão da iluminação pública. Lumière Electric, São Paulo, ed. 172, ago NOVICKI, Jackson M. MARTINEZ Rodrigo. LEDs para iluminação pública Artigo (Graduação em Engenharia Elétrica) Universidade Federal do Paraná, Curitiba, jun Disponível em: < esquisa/leds_para_iluminacao_publica.pdf>. Acesso em: 20 fev SCHRÉDER ILUMINAÇÃO. Isla: catálogo. Portugal, Disponível em: REIS, Tiago. Iluminação Pública Eficiente. Procel Info, 24 abr Disponível em: < CAF4CDD2BC34%7D&Team=&params=itemID=%7B11886A45-575F-47B5-8D0E- CB6F979476F7%7D;&UIPartUID=%7BD90F22DB-05D A8F2- FAD4803C8898%7D>. Acesso em: 12 fev < Acesso em: 13 fev SOARES, Guilherme M. Driver de longa vida e alta eficiência para acionamento de LEDs em iluminação pública f. Monografia (Engenharia Elétrica) Universidade Federal de Juiz de Fora, Juiz de Fora,