Programa de Educação Tutorial - PET/Eng. Elétrica Grupo de Pesquisa Sistemas de Energia Elétrica 2

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1 A N Á L ISE D E V I A BI L ID A D E T É C NI C A N A SUBST I T UI Ç Ã O D A I L U M IN A Ç Ã O PÚB L I C A C O N V E N C I O N A L PO R L Â M PA D AS L E D SO B A L U Z D A NBR 5101 João Paulo Viira Bonifácio¹, Marcos Frnando Mnzs Villa¹, Thais Morais Abadio¹, Clarissa Valadars Machado¹, Cassio Bruno Araujo¹, Sbastião Camargo Guimarãs Júnior (Dr.)² 1,2 Univrsidad Fdral d Ubrlândia, Faculdad d Engnharia Elétrica, Ubrlândia MG 1 Programa d Educação Tutorial - PET/Eng. Elétrica Grupo d Psquisa Sistmas d Enrgia Elétrica 2 Núclo d Eltricidad Rural Fonts Altrnativas d Enrgia -mail: joaop.bonifacio@gmail.com, marcos.frnando18@gmail.com, thais.morais.abadio@gmail.com, cissavaladars@gmail.com, cassio.ufu@gmail.com, scguimaras@ufu.br Rsumo - A psquisa proposta visa à construção d um sistma autônomo d iluminação xtrna a sr instalado nos campi da Univrsidad Fdral d Ubrlândia (U FU) usando lâmpadas L E D. Est trabalho tm por objtivo aprsntar o método os rsultados obtidos na comparação do dsmpnho ntr a lâmpada L ED construída plo G rupo d Psquisa m Sistmas d Enrgia do PE T Eng. Elétrica da Univrsidad Fdral d Ubrlândia a lâmpada qu é atualmnt utilizada na iluminação pública do Campus Santa Mônica da rfrida Univrsidad, para analisar a viabilidad técnica da sua substituição. Palavras-Chav Iluminância, Iluminação d Extriors, Lâmpadas L E D, NB R 5101, Anális d Dsmpnho. A N A L YSIS O F T E C H NI C A L V I A BIL I T Y IN T H E SUBST I T U T I O N O F C O N V E N T I O N A L ST R E E T L I G H T IN G B Y L E D L A MPS B ASE D O N T H E NBR 5101 Abstract Th proposd rsarch aims th construction of an indpndnt outdoor lighting systm using L E D lamps to b installd at th campus of th Univrsidad Fdral d Ubrlândia (U FU). Th objctiv of this work is to prsnt th mthod usd and th rsults obtaind in th comparison of th prformanc btwn th L E D lamp, constructd by th Enrgy Systm Rsarch G roup of th Elctric Enginring PE T of U FU, and th lamp that is usd today in th outdoor lighting of th Campus Santa Mônica at U FU, to analyz th tchnical viability of this substitution. 1 Kywords Lighting, Outdoor Lighting, NB R 5101, L E D Lamps,, Prformanc Analysis. I. INTRODUÇÃO Os sistmas d iluminação pública d áras xtrnas atuais ainda fazm uso d lâmpadas d vapor d mrcúrio, vapor d sódio, fluorscnts outras, as quais, apsar d srm mais ficints qu os sistmas utilizados no passado, ainda não rprsntam a mlhor solução no qu tang à ficiência na utilização da nrgia létrica. Além disso, stas lâmpadas possum uma vida útil rlativamnt baixa, rsultando m um maior númro d opraçõs d dscart, o qu é xtrmamnt prjudicial ao mio ambint, visto qu alguns modlos possum intrnamnt substâncias tóxicas como o mrcúrio. Por xmplo, a lâmpada VIALOX NAV 4Y 70W d vapor d sódio, comumnt utilizada m iluminação pública d áras xtrnas, aprsnta uma vida útil média d horas [1]. Os LEDs foram dsnvolvidos na década d 60, inicialmnt, ram utilizados como indicadors do stado d funcionamnto d dispositivos ltrônicos. Apnas na década passada comçaram a sr dsnvolvidos LEDs com capacidad d srm utilizados m sistmas d iluminação [2]. Uma das vantagns d um sistma d iluminação basado m LEDs é a sua manutnção praticamnt nula, pois sua vida útil chga a horas, o qu corrspond a aproximadamnt 50 vzs a vida útil d uma lâmpada incandscnt 8 vzs a vida útil d uma lâmpada fluorscnt [3], rsultando m um mnor númro d opraçõs d dscart ao longo do tmpo. Além disso, sts sistmas d iluminação aprsntam um mlhor aprovitamnto nrgético do qu os sistmas atualmnt utilizados. Como no Brasil, a dmanda d nrgia létrica rlacionada com iluminação pública xtrna (praças, jardins, stacionamntos, áras d circulação m scolas univrsidads) corrspond a aproximadamnt 4,5% da dmanda nacional [4] qu a dmanda no horário d ponta é um fator dtrminant da capacidad máxima d gração do sistma létrico, são xtrmamnt salutars propostas qu visam mlhorar a ficiência dos sistmas d iluminação pública xtrna. Nst sntido, st trabalho tm o propósito d ralizar a anális d viabilidad técnica, sob o nfoqu do dsmpnho luminoso, para a substituição da iluminação pública convncional por um sistma basado m lâmpadas LED.

2 II. NORMATIZAÇÃO NBR 5101 Para a ralização dos studos comparativos ntr as ficiências dos dois sistmas d iluminação, faz-s ncssário stablcr parâmtros d comparação. Tais parâmtros são forncidos pla norma NBR 5101 da Associação Brasilira d Normas Técnicas (ABNT), rlativa à Iluminação Pública. Esta Norma fixa rquisitos, considrados como mínimos ncssários, à iluminação d vias públicas, os quais são dstinados a propiciar algum nívl d sgurança ao tráfgo d pdstrs vículos [5]. A rgulamntação da mdição, conform a Norma NBR 5101 stá dividida m três parts: método d mdição d iluminância d xtriors; classificação das vias públicas; rquisitos mínimos. A. Método d Mdição d Iluminância d xtriors Um dos métodos d mdição d iluminância d xtriors consist na divisão da suprfíci, qu s dsja fazr a mdição, m rtângulos lmntars, no cntro dos quais s fazm as mdiçõs com o auxílio d um luxímtro [6]. A norma NBR 5101 stablc qu para uma distância ntr as luminárias (S) infrior ou igual a 50m, o númro d pontos d mdiçõs transvrsais (n) é 10, para (S) suprior a 50m, n dv sr o maior intiro dado pla Equação 1. Ond: S d (1) n d - distância limit ntr as filas (para d 5 ). Na Figura 1 é mostrado o squma dtrminado pla norma NBR 5101: Fig. 1. Dtrminação dos pontos d mdição d iluminância d xtriors d acordo com a norma NBR Font: NBR 5101 B. Classificação das Vias Públicas Para utilização dos parâmtros fixados pla norma, dvs classificar a via m studo quanto ao tipo tráfgo, sndo st d vículos pdstrs, conform mostrados plas Tablas I II. (A) T A B E L A I T ráfgo motorizado (NB R 5101) Classificação Volum d tráfgo noturno (A) d vículos por hora, m ambos os sntidos (B), m pista única Lv (L) M édio (M) Intnso (I) 150 a a 1200 Acima d 1200 Valor máximo das médias horárias obtidas nos príodos comprndidos ntr 18h 21h. (B) Valor para vlocidads rgulamntadas por li. Nota: Para vias com tráfgo mnor do qu 150 vículos por hora, dvm sr considradas as xigências mínimas do grupo lv, para vias com tráfgo muito intnso, suprior a 2400 vículos por hora, dvm sr considradas as xigências do grupo d tráfgo intnso. T A B E L A II Tráfgo d pdstrs (NB R 5101) Classificação Pdstrs cruzando vias com tráfgo motorizado Sm(S) Lv (L) M édio (M) Intnso (I) Como nas vias artriais rurais Como nas vias rsidnciais médias Como nas vias comrciais scundárias Como nas vias comrciais principais C. Rquisitos mínimos D acordo com a classificação da via quanto ao tipo ao tráfgo a norma NBR 5101 prvê nívis mínimos para iluminação adquada das vias públicas, os quais são: Iluminância d pontos adjacnts: a variação da iluminância ntr dois pontos adjacnts quaisqur (distância máxima ntr ls d 1,5m), situados na pista d rolamnto da via d tráfgo motorizado, dv sr tal qu a razão da mnor para a maior iluminância obdça aos valors mínimos da Tabla III [5]. Iluminância média mínima: a iluminância média mínima E méd. mín., valor obtido plo cálculo da média aritmética das lituras ralizadas, dv sr igual ou suprior ao valor stablcido pla norma, o qual stá rlacionado com a classificação da via m rlação ao tráfgo d vículos pdstrs [5]. Mnor valor d iluminância: o mnor valor d iluminância E mín. obtido das lituras ralizadas dv sr ncssariamnt igual ou suprior a 1,0 lux [5]. Fator d uniformidad d iluminância simpls: o valor do fator d uniformidad d iluminância simpls, dfinido pla Equação 2, dv sr igual ou suprior ao valor stablcido pla norma, o qual stá rlacionado com a classificação da via m rlação ao tráfgo d vículos pdstrs [5]. U E mín. (2) E méd. III. PROCEDIMENTO DE MEDIÇÃO Para ftuar as dvidas análiss d ficiência ntr as lâmpadas LEDs sistmas convncionais d iluminação, foram utilizados, como studo d caso, o sistma d iluminação da Univrsidad Fdral d Ubrlândia, uma lâmpada LED construída plo Grupo d Psquisas m

3 Sistmas d Enrgia do PET Eng. Elétrica da msma Univrsidad. O sistma d iluminação da Univrsidad utiliza luminárias compostas por lâmpadas d 70W vapor d Sódio d alta prssão do modlo VIALOX NAV 4Y, as quais aprsntam como caractrística nominal, uma intnsidad luminosa igual a 5600lm, índic d rprodução d cor d 20% a 39% tmpratura d cor d 2000K. A lâmpada LED utilizada é composta por 40 LEDs do modlo Cr XLamp XR-E LED XREWHT-L1-R250-00C01 d 1W 100lm ligados m séri. A potência total da lâmpada LED é d 40W. Na Figura 2 são mostradas as duas lâmpadas utilizadas nas mdiçõs. Fig. 3. Local ond foram ralizadas as mdiçõs. As mdidas (distância ntr as luminárias largura da via) do local podm sr obsrvadas na Figura 4. Fig. 2. Lâmpadas utilizadas na mdição. Por havr somnt uma lâmpada LED disponívl para a ralização das mdiçõs a norma xigir qu o procsso sja ralizado ntr dois posts, foi ncssário adotar um método qu corrigiss st problma. Tal método consist na ralização d três mdiçõs. A primira foi ralizada com as duas luminárias dsligadas, objtivando vrificar a iluminância dvido às intrfrências do ambint. A sgunda a trcira mdiçõs foram ralizadas com uma luminária acsa a outra dsligada, m posiçõs altrnadas. Para obtr a iluminância final m cada ponto, procd-s com a soma das duas últimas mdiçõs sguida da subtração da primira para cada quadrado. Dsta forma, o rsultado aproxima-s daqul qu sria obtido com a mdição sndo ralizada ntr dois posts, supondo a utilização d lâmpadas idênticas, conform o stablcido pla norma. Para alcançar os objtivos propostos, m cada mdição, foram utilizados os procdimntos dscritos pla Norma NBR Sndo assim cada mdição foi dividida m duas tapas as quais são dscritas a sguir. A. Escolha do Local A mdição ocorru m uma via do campus Santa Mônica na Univrsidad Fdral d Ubrlândia, a qual stá mostrada na Figura 3. Fig. 4. Mdidas do local ond foram fitas as mdiçõs. A via scolhida é classificada, quanto ao tipo, como uma via urbana scundária, uma vz qu, sta rprsnta avnidas ruas com ou sm calçamnto, ond há construçõs o trânsito d vículos pdstrs não é intnso [5]. Quanto ao tráfgo d pdstrs vículos, a via foi classificada como Lv, já qu s trata d uma via qu aprsnta volum d tráfgo mnor do qu 150 vículos por hora, um volum d tráfgo d pdstrs qu s aproxima daqul obsrvado m vias rsidnciais médias, d acordo com as tablas I II. Nss sntido, os rquisitos mínimos xigidos pla Norma NBR 5101 para uma via urbana scundária com volum d tráfgo d vículos pdstrs Lv são aprsntados na Tabla III. T A B E L A III Rquisitos mínimos para vias scundárias (NB R 5101) Classificação do Tráfgo P d s t r E méd.mín. (lux) L 2 L U mín. 0,25 Vículo E méd.mín. (lux) M M U mín. 0,2 O conjunto post luminária, ond ambas as lâmpadas foram nsaiadas pod sr visualizado na Figura 5.

4 Fig. 7. Pontos d mdição marcados. Fig. 5. Conjunto Post Luminária nos quais foram ralizados os nsaios. Convém obsrvar qu o post m studo tm uma altura d 3,53m. B. Dtrminação dos Pontos d Mdição Os pontos d mdição foram dtrminados d acordo com o método citado no itm II-A. Como a distância ntr as luminárias (S) é 10m, o númro d pontos transvrsais (n) é 10. Portanto o spaçamnto longitudinal ntr os pontos d mdição (d), dado pla Equação 1 é 1m. Sndo a largura da via = 8,07m com 10 linhas d pontos, a distância vrtical ntr os pontos d 8,07 mdição é y 80, 7cm. 10 Dst modo os pontos ond dvm sr fitas as mdiçõs stão mostrados na Figura 6: Para mdição da iluminância nos pontos marcados foi utilizado o luxímtro Minolta T-10 Illuminanc Mtr com faixa d opração d 0.01 a 299,900 lx, o qual stá mostrado na Figura 8. Fig. 8. Luxímtro utilizado nas mdiçõs. IV. RESULTADOS Os valors d iluminância mdidos com as duas lâmpadas d vapor d sódio d 70W os valors d iluminância ncontrados através das três mdiçõs com a lâmpada LED após a aplicação do procdimnto dscrito no itm III são mostrados nas Figuras 9 10, rspctivamnt. A Figura 11, qu foi obtida através da utilização da função contour do MATLAB, mostra uma comparação ntr as curvas d nívl obtidas das matrizs d iluminância das duas situaçõs. Fig. 6. Diagrama squmático dos pontos d mdição. A Figura 7 mostra os pontos marcados no local m qu foram ralizadas as mdiçõs. Fig.9. Valors d iluminância mdidos para as lâmpadas d vapor d sódio d 70W.

5 V. CONCLUSÕES Fig.10. Valors rsultants d iluminância para a lâmpada LED, d 40W. (a) (b) Fig.11. Curvas d nívl comparativas ntr as duas situaçõs: (a) lâmpada d vapor d sódio (b) lâmpada LED. Para comparar os valors d iluminância obtidos nas divrsas mdiçõs, foi dsnvolvido um softwar m MATLAB qu raliza os cálculos ncssários, visando facilitar o trabalho, obtr maior confiabilidad provr uma mlhor visualização dos rsultados. Os valors xigidos pla norma obtidos nas duas mdiçõs são mostrados na Tabla IV. T A B E L A I V Parâmtros xigidos obtidos nas mdiçõs Lâmpada Lâmpada Parâmtros Exigidos Convncional L E D mín. Iluminância Mínima E [lux] 1,0 1,5 2,093 Iluminância Média Mínima E [lux] méd. mín. Fator d Uniformidad d Iluminância Simpls Mínimo U mín. Razão Mínima ntr Iluminância d Pontos Adjacnts 2,0 19, ,584 0,25 0, ,085 0,4 0,455 0,434 D poss dos rsultados obtidos, nota-s qu a lâmpada LED aprsnta um mlhor dsmpnho s comparado à lâmpada convncional d acordo com os rquisitos xigidos d Iluminância Mínima, Iluminância Média Mínima Fator d Uniformidad d Iluminância Simpls Mínimo, o qual, apsar d star m dsacordo com a norma, aprsnta valor suprior àqul vrificado na lâmpada convncional. No qusito Razão Mínima ntr Iluminância d Pontos Adjacnts, prcb-s qu, apsar d o valor mínimo obtido pla lâmpada LED sr mnor qu aqul obtido na lâmpada convncional, ss ainda satisfaz a xigência da norma. O Fator d Uniformidad d Iluminância Simpls Mínimo pod sr mlhorado através da altração da gomtria da lâmpada, visto qu, plo fato do protótipo nsaiado aprsntar o formato plano, o fix d luz é dircionado prpndicularmnt à suprfíci da msma. Assim, uma forma d mlhorar o dsmpnho da lâmpada m rlação a st qusito, sria mudar a gomtria da msma, d forma qu o fix d luz foss spalhado. Portanto, a lâmpada LED é tcnicamnt passívl d utilização m substituição à lâmpada convncional para aplicação m Iluminação Pública Extrna, com bas na NBR-5101, pois além d possuir uma potência mnor uma vida útil mais longa, a msma aprsnta um dsmpnho luminoso suprior. Val rssaltar qu a viabilidad conômica dsta substituição não fora avriguada. Foi discutida somnt a viabilidad técnica dst procdimnto. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] VIALOX NAV High-prssur sodium lamps Tchnical Information. Disponívl m: < Acsso m: 14/05/2010 [2] Brock. H., G. Saurländr. and M. Wndt (2007). Powr Drivr Topologis and Control Schms for LEDs. Applid Powr Elctronics Confrnc, APEC [3] OSRAM (2007), < acssado m 24/03/2009. [4] Iluminação Pública no Brasil. Disponívl m: < Acsso m: 04/10/2008. [5] Associação Brasilira d N [6] Iluminação Elétrica, Edgard Blüchr Ltda., 1 a Edição, São Paulo, 1999.