13º PRÊMIO ALCOA DE INOVAÇÃO EM ALUMÍNIO DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL

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1 13º PRÊMIO ALCOA DE INOVAÇÃO EM ALUMÍNIO DESENVOLVIMENTO DE SISTEMAS HÍBRIDOS DE ILUMINAÇÃO RESIDENCIAL Novembro/2015

2 Sumário Resumo... 3 I - Título da Pesquisa... 4 II Introdução... 4 III Justificativas... 6 IV Objetivos da pesquisa... 7 V - Metodologia... 8 VI Estrutura na instituição a ser utilizada... 8 VII Resultados esperados... 9 VIII Coletor Solar... 9 IX Referências utilizadas na elaboração deste projeto X Apêndice

3 Resumo Este projeto de pesquisa busca desenvolver a potencialidade e viabilidade da utilização de coletores para o aproveitamento da luz solar, visando a iluminação interna de edificações, com a aplicação de fibra óptica como meio de canalização da luz para dentro dos ambientes. Seu principal objetivo é o levantamento das possibilidades de aplicação dos conceitos em projetos de engenharia e edificações, com foco na economia de energia elétrica no período diurno. A pesquisa em desenvolvolvimento se baseará no levantamento de desenvolvimentos similares com esta tecnologia em outros países e proporcionará subsídios para o desenvolvimento de um projeto conceitual de um modelo reduzido de coletor solar de baixo custo com transmissão por fibra óptica. Palavras-chave: Energia Solar, Fibra Óptica, Coletor Solar, Luz Natural, Iluminação. 3

4 I - Título da Pesquisa Título: Desenvolvimento de Sistemas Híbridos de Iluminação Residencial II Introdução Segundo Purim (2008), o uso da energia solar como fonte alternativa de energia já tem sido bastante explorado. Porém, a maior parte das investidas em pesquisas e desenvolvimentos tem focado a conversão da energia solar em energia elétrica, através de painéis fotovoltaicos e no seu armazenamento em baterias, ou mesmo na utilização do calor gerado pelo sol para a utilização em sistemas de aquecimento de água. Para este autor, uma lacuna ainda não preenchida por estes trabalhos é a aplicação direta da luz solar em projetos de iluminação. O autor sugere que, mesmo que todas as construções possuam janelas e outras aberturas para a entrada de luz no período do dia, muitas edificações comerciais permanecem com suas luzes elétricas acesas durante o dia, dependendo das tarefas que são desenvolvidas nos seus habitáculos. Através dos projetos de arquitetura tradicional, só existem duas formas de aproveitamento da luz natural para iluminação de ambientes: aberturas verticais - através das janelas, e entradas de luz pelo teto - através de claraboias e tetos solares (PURIM, 2008). Estas aberturas nem sempre são possíveis devido às características climáticas ou mesmo em função da proximidade das construções urbanas. Por isso, também em plantas residenciais são frequentemente encontrados ambientes com deficiência de iluminação, em função das demandas normatizadas, estabelecidas para cada categoria de atividade profissional (Tabela 1). 4

5 Edifícios com grandes áreas e com divisões internas possibilitam uma iluminação adequada nas partes periféricas usando aberturas, mas estas aberturas não atendem as necessidades de iluminação das áreas centrais. As aberturas para a entrada de luz natural em uma edificação, assim como um bom projeto de iluminação elétrica, precisam receber um tratamento adequado na sua concepção para não introduzir outros agravantes tais como aumento de consumo de energia elétrica e de custos com a parte 5

6 estrutural e arquitetônica. Um bom projeto de uso da luz natural, portanto, deve atender a todos estes aspectos (U.S. DEPARTAMENT OF DEFENSE, 2006). No Brasil em 1993, aproximadamente 24% do total de energia elétrica consumida em edificações comerciais era usado na iluminação interna (PROCEL, 1993). Em um outro estudo, Geller (1990) observou que considerando os setores comerciais e públicos em São Paulo que o uso final em iluminação foi de 44%, um percentual bem superior ao apresentado pelo estudo da PROCEL. O território brasileiro, em função da sua posição geográfica, situado entre a linha do Equador e o Trópico de Capricórnio, recebe uma significativa incidência da luz solar. A média anual de energia incidente na maior parte do território brasileiro, varia entre 4,5 kwh/m² e 5,5 kwh/m² (COLLE & PEREIRA, 2008). Este fato representa um enorme potencial para os diversos usos da energia solar (iluminação, aquecimento e geração de energia elétrica). III Justificativas A demanda por energia elétrica no Brasil vem aumentando significativamente devido a diferentes fatores como o crescimento econômico, a inclusão social, e o incremento no consumo de serviços e produtos que demandam energia elétrica (MME, 2013). A iluminação elétrica representa uma significativa porcentagem dessa energia (EPE, 2013). Em um edifício comercial a iluminação pode representar 44% do consumo total de energia, conforme citado anteriormente. Apesar da grande incidência de energia solar, o Brasil não está entre os países que lideram o ranking de utilização desta energia para iluminação (PURIM, 2008; SOUZA, 2005). Atualmente existem poucos projetos que usam a fonte de luz solar, em forma de aplicação de tecnologias que aproveitam os benefícios da iluminação natural. A maioria dos projetos luminotécnicos estão focados na geração de iluminação artificial e não consideram a iluminação natural, como alternativa para reduzir o consumo energético (PURIM, Op. Cit.). A luz solar pode ser usada na iluminação de ambientes internos usando dutos de luz solar ou sistemas alimentados por fibras óticas. Os dutos de luz solar são tecnologias que captam a luz solar direta, bem como a luz difusa do céu e transportam esta luz ao interior dos ambientes através de um tubo de material de refletância elevada. A luz é finalmente distribuída através de um difusor (KIM & KIM, 2010). Já as fibras óticas possuem um funcionamento similar, utilizando o princípio da reflexão interna total para transportar a luz até o ambiente e distribui-la por uma luminária difusora. Este sistema hibrido de iluminação torna possível otimizar o consumo da energia gasta em iluminação, reduzindo as emissões de carbono associadas ao sistema de iluminação artificial além de melhorar o nível de iluminação no interior das edificações (MOHELNIKOVA, 2009; KIM & KIM 2010; KOMAR & DARULA, 2012). No âmbito nacional e internacional, diferentes pesquisas têm comprovado os benefícios destes sistemas híbridos, realçando a redução de consumo energético associado à iluminação artificial em horário diurno (LI et al, 2010; MAYHOUB e CARTER, 2012). 6

7 No cenário brasileiro, apesar das condições climáticas e geográficas favoráveis, são poucas as pesquisas sobre os diferentes benefícios obtidos a partir do uso e integração destes sistemas no ambiente construído (SOUZA, 2003; SOUZA, 2005). Os dois sistemas possuem em comum a necessidade de um coletor que concentra a luz recebida na abertura do duto ou na fibra ótica. Existem vários tipos de coletores, o modelo proposto para este trabalho é um coletor parabólico com sistema de acompanhamento, devido ao movimento do Sol durante o dia e ao longo do ano, para otimização da captação da luz solar (FIGURA 1). FIGURA 1: Modelo de coletor parabólico para captação de luz solar e sistema de acompanhamento. IV Objetivos da pesquisa Fonte: Energy Engineering vol Objetivo Principal: Aplicação de sistemas de energia limpa, renovável e econômica em ambientes construídos, produtivos ou domésticos. Além disso, induzir a consciência ambiental a partir do desenvolvimento tecnológico, instruindo o consumo de energia e outras fontes de maneira sustentável. Da pesquisa e estudos em desenvolvimento, pretende-se: Material compilado suficiente para promover publicação em periódicos ou envio a Congressos de interesse dos cursos de Engenharia. Desenvolvimento de projeto conceitual para aplicação dos dados de pesquisa, de forma a promover a aplicação dos conhecimentos adquiridos em uma atividade projetual prática, com o objetivo de promover a fixação do conhecimento. Objetivos secundários: Desenvolvimento prático, a partir da condução de um projeto conceitual, de um sistema de iluminação residencial baseado na captação de luz solar através de fibras óticas. Através da análise dos prós e contras, fundamentar a transformação das fontes de energia alternativas em uma opção acessível. 7

8 V - Metodologia 1ª Etapa - Pesquisa bibliográfica Pesquisa bibliográfica em bases de dados confiáveis (periódicos, jornais, bancos de teses e dissertações) e livros, sobre os conceitos físicos fundamentais relacionados. 2ª Etapa Pesquisa de antecedentes: Pesquisa bibliográfica em bases de dados confiáveis (periódicos, jornais, bancos de teses e dissertações) e livros, sobre as pesquisas e desenvolvimentos direcionados à problemática relacionada (Iluminação solar, fibras óticas, sistema automatizados de acompanhamento, etc.). 3 a Etapa: Execução de projeto de design de produto de um coletor de luz solar, baseado no levantamento de informações executado na etapa anterior. O projeto será contemplado através da metodologia tradicional de design: Pesquisa, geração de ideias, geração de alternativas, seleção e detalhamento da melhor opção. Com este projeto conceitual, iremos participar do 13 Prêmio Alcoa. 4 a Etapa: Análise, seleção e aplicação de material polimérico, cerâmico ou metálico adequando ao projeto e processo de fabricação, contando com recursos de impressão 3d e softwares 3D para de modelagem paramétrica e criação de projetos virtuais. Otimização da engenharia do projeto. 5 a Etapa: Fabricação dos protótipos iniciais e teste de funcionamento dos mesmos a partir da impressão 3D. 6 a Etapa: Detalhamento do projeto e compilação dos dados levantados, de forma a promover a publicação de artigos e correlatos. Formatar o projeto para geração de documentação e registro. Elaboração dos relatórios finais sob a forma de artigos científicos sob a orientação dos professores. VI Estrutura na instituição a ser utilizada A execução do trabalho de pesquisa e elaboração do projeto serão conduzidas, em sua plenitude, nas dependências da Instituição de Ensino, onde o aluno terá ambiente propício para a condução das suas tarefas, sob a orientação e acompanhamento dos professores orientadores, tendo acesso aos laboratórios de física e desenho. Neste ambiente, os mesmos terão acesso a rede internet wi-fi, computadores com softwares já instalados, para execução de modelagens (AutoCAD e Inventor FUSION), bem como ao equipamento de prototipagem 3D printing CUBE PRO Duo para prototipagem do sistema a ser desenvolvido. 8

9 VII Resultados esperados Esperamos contabilizar como resultados deste trabalho: Participação de um Grupo no 13 Prêmio Alcoa de Inovação em Alumínio, com o envio do projeto conceitual; Publicação de no mínimo um artigo em nome da instituição em periódico qualificado da área; Publicação e apresentação de no mínimo um artigo em nome da instituição em Congresso da área; Possibilidade de uma patente de modelo de utilidade ou de desenho industrial junto ao INPI. VIII Coletor Solar Condição Atual: A Iluminação solar híbrida (ISH) é uma tecnologia que capta, por meio de um coletor solar, a luz solar e distribui ao interior de um edifício através de fibras ópticas. Atualmente existem dois sistemas de captação em operação amplamente utilizados: o sistema Himawari no Japão que usa um sistema de lentes; o sistema desenvolvido pela empresa Parans na Suécia que usa um conjunto de vários espelhos parabólicos de pequeno porte. Nestes dois sistemas cada espelho ou lente alimenta uma fibra ótica. Um sistema similar ao proposto neste projeto foi desenvolvido pela Oak Ridge National Laboratory e testado na cidade de Sacramento (California, EUA), neste sistema os coletores eram feitos de plástico espelhado, mas a devido a problemas de aquecimento excessivo (principalmente no feixe de fibras) o projeto foi descontinuado. Condição Alvo: Um sistema automatizado para captação de luz solar para alimentar fibras óticas que distribuirão esta luz para o interior de ambientes. Além disto haverá um sistema que controlará o acionamento de luminárias ligadas a rede normal quando a incidência solar diminuir (dias nublados e/ou chuvosos). Vantagens sobre sistemas atuais: É uma opção para o fornecimento de um meio econômico de distribuição de iluminação diurna controlada para o espaço interior; Demonstra uma nova tecnologia de ruptura (uma inovação tecnológica, produto que eventualmente derruba a tecnologia ou produto dominante existente 9

10 no mercado), que utiliza a energia solar para aplicações de iluminação direta com nenhuma conversão de energia solar em eletricidade; Há um mercado significativo para um sistema de iluminação que pode entregar os benefícios da luz natural sem comprometer a conveniência e controle de luz artificial; Não só aumenta a produtividade do trabalhador, mas também afeta positivamente o bem-estar das pessoas que trabalham ou passam muito tempo em um ambiente iluminado artificialmente; Por ter a sua estrutura em alumínio, permite com que o coletor mostre uma excelente performance e possua propriedades superiores na maioria das aplicações. Produtos que utilizam o alumínio ganham também competitividade, em função dos inúmeros atributos que este metal incorpora, como pode ser conferido a seguir: 1. Leveza; 2. Elevada condução de energia, oferecendo um bom ambiente de aquecimento e resfriamento; 3. Durabilidade, oferecendo uma excepcional resistência a agentes externos, intempéries, raios ultravioletas, abrasão e riscos, inclusive quando usado na orla marítima e em ambientes agressivos; 4. Maleabilidade e soldabilidade, com suas propriedades mecânicas facilitando sua conformação e possibilitando a construção de formas adequadas aos mais variados projetos; 5. Resistência à corrosão; 6. Resistência e dureza, com alto grau de maleabilidade; 7. Infinitamente reciclável, pode ser reaproveitado, com recuperação de parte significativa do investimento e economia de energia; 8. Refletividade acima de 80%, a qual permite ampla utilização em luminárias e no caso deste estudo como concentrador de luz. Pode ser implantado em ambientes diversos a partir do baixo custo do alumínio; Por possuir fibra óptica em seu sistema, possibilita vantagens como uma banda passante teoricamente enorme, atenuação (perdas de transmissão) muito baixa, imunidade a interferências eletromagnéticas e ruídos, isolamento elétrico, 10

11 compacidade (dimensão mínima), segurança, baixo custo potencial e possibilidade de ampliação da banda sem modificação da infraestrutura. Desvantagens sobre sistemas atuais: O principal problema do coletor parabólico que necessita ser solucionado é o aquecimento excessivo da parte inicial do duto de fibras óticas. Este problema poderá ser sanado usando-se um tubo de alumínio com aletas para facilitar a dissipação de calor (o alumínio possui um calor específico igual a 910 J/kgK e é um bom condutor de calor). Além disto existe a possibilidade de se utilizar um sistema de resfriamento baseado no efeito Peltier, alimentado por células fotovoltaicas ou simplesmente sistemas de coole semelhantes aos de cpus de computadores. Formato do coletor: O princípio básico de funcionamento do coletor é a reflexão dos raios solares em um espelho de formato parabólico ou esférico de modo que os raios solares sejam direcionados para uma fibra óptica, que é um filamento fabricado a partir de vidro ou plástico, envolto por um revestimento de maior índice de refração, que é capaz de conduzir ondas eletromagnéticas (em especial a luz) com alta eficiência, a partir do princípio da reflexão total interna. Coletor Esférico Um espelho esférico é resultado do seccionamento de uma esfera, em que sua superfície é espelhada. O espelho esférico côncavo pode ser utilizado como coletor solar, pois os raios incidentes paralelamente a ele convergem em seu foco (situado na metade da distância entre o centro da esfera e o vértice). Porém, o espelho esférico apresenta um tipo de distúrbio conhecido como Aberração Esférica, que é um fenômeno da óptica em que os raios de luz incidentes próximos das bordas dos espelhos são refletidos além do foco. O coletor esférico pode apresentar vantagem diante o parabólico devido a este distúrbio, reduzindo a concentração em um único ponto. Coletor Parabólico A parábola é a curva plana definida como o conjunto dos pontos que são equidistantes de um ponto dado (chamado de foco) e de uma reta dada (chamada de diretriz). A parábola possui a propriedade de que quando raios paralelos incidirem sobre ela, todos eles serão convergidos para seu foco. Ao revolucionar a parábola em torno de 11

12 seu eixo, obtemos um parabolóide, no qual a propriedade de reflexão mantida. O espelho parabólico é obtido a partir do seccionamento do parabolóide. A figura a seguir traz um comparativo entre as propriedades de reflexão da parábola e da esfera: FIGURA 2: Comparativo entre espelhos esféricos e parabólicos. O formato conceitual do coletor em desenvolvimento está representado em apêndice, e sua visualização simulada pode ser observada na figura abaixo: FIGURA 3: Simulação computacional do coletor solar desenvolvido IX Referências utilizadas na elaboração deste projeto Bibliografia consultada e referenciada: 12

13 ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas NBR 8995-ISSO-CIE Iluminação de Ambientes de Trabalho, Rio de Janeiro, COLLE, S.; PEREIRA, E. B. Atlas de irradiação solar do Brasil, Brasília; Inmet/Labsolar, 1998 EPE Empresa de Pesquisa Energética. Projeção de Demanda de Energia Elétrica para os próximos 10 anos ( ) Disponível em:< Energia/ _1.pdf> Acesso em: 07/01/2013. GELLER, H. S. Efficient electricity use: a development strategy for Brazil. Washington: American Council for an Energy-Efficient Economy, p. KIM G.; KIM J. Overview and New Developments in Optical Daylighting Systems for Building a Healthy Indoor Environment. Building and Environment, v. 45, n. 2, Feb. 2010,pg KOMAR L.; DARULA, S. Determination of the Light Tube Efficiency for Selected Overcast Sky Types. Solar Energy, v.86, n.1, Jan. 2012, pg LABEEE Laboratório de Eficiência Energética em Edificações. Arquivos climáticos TRY de Curitiba. Disponível em: < Acesso em: 28/02/2013. LI, D. H. W; TSANG, E. K. W; CHEUNG, K. L; TAM, C. O. An Analysis of Lightpipe System via Full-scale Measurements. Applied Energy, v. 87, n.1, Mar. 2010, pg MAYHOUB, M.; CARTER, D. A Feasibility Study for Hybrid Lighting Systems. Building and Environment, v. 53, Jul, 2012, pg MME Ministério de Minas e Energia (2013). Balanço Energético Nacional Disponível em :< >. Acesso em: 08/08/2013. MOHELNIKOVA, J. Tubular Light Guide Evaluation. Building and Environment, v. 44, n. 10, Oct. 2009, pg PROGRAMA NACIONAL DE COMBATE AO DESPERDÍCIO DE ENERGIA ELÉTRICA (PROCEL). Manual de conservação de energia elétrica em prédios públicos e comerciais. 3. ed p. PURIM, C. A. Desenvolvimento de um Coletor Solar para Iluminação Direta com Fibra Óptica. Dissertação de Mestrado em Desenvolvimento de Tecnologia-Programa de PósGraduação em Desenvolvimento de Tecnologia, Instituto de Engenharia do Paraná, Curitiba, SOUZA, D. A. Avaliação Teórica e Experimental do Desempenho de Duto de Luz, na Cidade de São Carlos SP. Dissertação de Mestrado-Programa de Pós- Graduação em Construção Civil-Universidade Federal de São Carlos, São Carlos,

14 SOUZA, M. B. Potencialidade de aproveitamento da luz Natural através da utilização de Sistemas automáticos de controle para Economia de energia elétrica. Florianópolis, Tese de Doutorado, Curso de Pós-Graduação em Engenharia de Produção, UFSC, Florianópolis, U. S. DEPARTAMENT OF DEFENSE. Unified Facilities Criteria UFC , Design: Interior and Exterior Lighting and Exterior Lightin and Controls, Disponível em Acesso em 05/05/2008. X Apêndice A seguir, está disposto o projeto conceitual do coletor solar parabólico a ser utilizado no projeto. 14

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