Investigação e Desenvolvimento Título: Lâmpadas LED vs Lâmpadas Normais. Caso de estudo (trabalho de investigação realizado no âmbito da disciplina de proteção ambiental) Autor: SAj António Coelho (Curso de Promoção a Sargento-Chefe de 2014) A troca de lâmpadas florescentes, incandescentes entre outras, por lâmpadas de Light Emitting Diode (LED), pode aumentar a eficiência energética, tendo como resultado uma redução da potência instalada, e do consumo de eletricidade. A lâmpada LED possui diversas vantagens em relação às suas homólogas, é 100% reciclável, não possui material nocivo ao meio ambiente na sua composição, possui uma longa vida útil, tem baixo custo de manutenção, dura até 25 vezes mais que as lâmpadas incandescentes e 5 vezes mais que lâmpadas fluorescentes compactas. Este trabalho apresenta um estudo da substituição de lâmpadas ditas normais por um sistema padrão de iluminação LED, sem qualquer alteração na instalação elétrica, realçando os aspetos técnicos tais como eficiência energética, redução de consumo, qualidade de energia e custo benefício. 1. Introdução Os Díodos Emissores de Luz (LED - Light Emitting Diode) surgiram no início dos anos 60, os LED são dispositivos semicondutores que têm como princípio de funcionamento a eletroluminescência, emitindo luz através da combinação de eletrões e lacunas num material sólido (Sá, Junior, 2007). Possuem a característica de emitir luz numa faixa específica do espectro visível, principalmente nas cores azul, verde, vermelho e branco e as suas combinações. Também são encontrados LED a operar na faixa do ultravioleta e infravermelho (Dias, Rangel e Coelho, Carlos). A iluminação LED pode ser descrita como a terceira fase do estágio evolutivo da lâmpada elétrica, o primeiro, representado pela lâmpada incandescente, pouco mudou nos últimos 128 anos, o mesmo filamento incandescente continua ser utilizado nos dias de hoje, a segunda fase iniciada nos anos 30, é a do uso das lâmpadas fluorescentes. Elas geram luz a partir de uma mistura de gases num tubo revestido de fósforo (Cervi et al.,2005). São mais económicas e substituíram as incandescentes em vários ambientes. A terceira fase são as lâmpadas LED, que são fabricadas com material semicondutor, quando percorrido por uma corrente elétrica emite luz, é uma peça menor, que consome menos energia e tem uma durabilidade maior. Com a substituição por LED seria possível economizar 40% no consumo de energia, além da troca ser fácil e rápida, com retorno do investimento alcançado em um período de apenas 12 a 18 meses (Dias, Rangel e Coelho, Carlos). 2. O Projeto de iluminação a LED
Com o objetivo de aplicar e demostrar as vantagens da tecnologia LED em iluminação utilizadas em projetos de instalações elétricas, foi utilizado um exemplo demonstrativo da hipotética substituição de 71 Lâmpadas de Halogénio de 50W no Auditório da Escola de Sargentos do Exército (ESE) 3. Eficiência Luminosa Podemos dizer que eficiência de uma fonte luminosa é o quociente entre o fluxo luminoso emitido em lumens pela potência consumida em watts (Silva Junior, 2005), conforme a equação (1). (1) Figura 1 (Adaptado de Grandezas luminosas) Projeto 1: Cálculo da eficiência energética utilizando lâmpadas de halogéneo OSRAM HALOPAR 16ALU (OSRAM 2013/2014) com fluxo luminoso de 350 lumens e com potência elétrica de 50 watts (Preço de mercado 2,50, cada). (2) Projeto 2: Calculo da eficiência energética do projeto demostrativo, utilizando lâmpada LED OSRAM PARATHON advanced PRO PAR16 (OSRAM 2013/2014) com fluxo luminoso de 390 lumens e com potência elétrica de 7,5 watts (Preço de mercado 17,00, cada). (3) De acordo com os resultados das equações (2) e (3) concluímos que a capacidade da
Indice de Eficiência Luminosa (Lm/W) lâmpada LED em converter energia elétrica em luz é mais eficiente, tendo em conta a quantidade de lumens do projeto 1 e do projeto 2, conforme ilustra o Gráfico 1 60 40 20 0 Eficiência Luminosa OSRAM HALOPAR 16ALU OSRAM PARATHON advanced PRO PAR16 Gráfico1 - Comparativo de eficiência energética entre as lâmpadas em estudo 4. Comparativo de consumo de energia Considerando a título de exemplo um consumo de 4 horas por dia, 30 dias por mês e 12 meses por ano, obtemos um total de 14400 horas por ano. O consumo total da potência do projeto 1 é a soma das potências individuais de cada lâmpada, com um total de 3550 watts ou 3,55 quilowatts. Sabendo-se a potência total do projeto e a quantidade total de horas por ano, podemos assim calcular o consumo total de watts ou quilowatts por ano, conforme a equação (4). (4) Substituindo os dados na equação (4): (5) O consumo total da potência do projeto 2 é a soma das potências individuais de cada lâmpada com um total de 532,5 watts ou 0.53 quilowatts. Sabendo-se a potência total do projeto 2 e a quantidade total de horas por ano, podemos assim calcular o consumo total de watts ou quilowatts por ano, conforme a equação (4). Substituindo os dados na equação (4): (6) A diferença do consumo de potência por ano do projeto 1 para o projeto 2 é de 4349 quilowatts conforme ilustra o Gráfico 2.
1 Ano Comparativo de Consumo de Energia (KWh) 4349 763 5112 Projeto 1 - Lampada de Halogénio 50 W Projeto 2 - Lampada LED 7,5 W Diferença 5. Comparativo Financeiro Gráfico 2 Comparativo de Consumo de Energia (KW) Sabendo a potência total do projeto 1 e do projeto 2 por ano e o valor da eletricidade local de 0.06 /KWh, podemos encontrar o valor a ser pago por ano em euros para cada projeto e a sua diferença, conforme ilustra a Gráfico 3. 1 Ano Comparativo de Consumo de Energia em Euros ( ) 267,451 46,937 314,388 Projeto 1 - Lampada de Halogénio 50 W Projeto 2 - Lampada LED 7,5 W Diferença Gráfico 3 Comparativo de Consumo de Energia em Euros A diferença obtida por ano entre o projeto 1 e o projeto 2, demonstra que financeiramente o projeto 2 tem uma eficácia superior. Projetando para 5 anos a diferença financeira do projeto 1 para o projeto 2, teremos um valor total em euros conforme ilustra o Gráfico 4.
(Euros) (Euros) 1500 Projeção para 5 Anos Diferença de Gastos de Energia 1000 500 0 Ano 1 Ano 2 Ano 3 Ano 4 Ano 5 Gráfico 4 Projeção para 5 anos diferença de gastos de Energia 6. Retorno do Investimento De acordo com a proposta inicialmente descrita, projetamos um período para o retorno do investimento com a soma da economia de gastos com energia do projeto 2. Chegamos à conclusão que num período de 5 anos teríamos esse retorno conforme ilustra Gráfico 8 1500 Retorno do investimento 1000 Ano 1 Ano 2 500 Ano 3 0 Somatório da diferença de Gastos Projeto 2 Investimento Inicial Ano 4 Ano 5 Gráfico 5 Projeção para retorno do investimento 7. Conclusão Face ao aos valores apresentados, pode concluir-se que a tecnologia LED aplicada à iluminação vai permitir aumentar consideravelmente a eficiência energética do processo e a curto/médio prazo é amortizável, garantindo qualidade na iluminação e menos despesa com a manutenção dos sistemas de iluminação pela sua durabilidade.
Referências: Cervi, M. et al. (2005) A semiconductor lighting system controlled through a LIN network to automotive application. In: Conference Records of Industry Applications Society Annual Meeting, v.3, p. 1603-1608. Dias, Rangel e Coelho, Carlos http://www3.iesam-pa.edu.br/ojs/index.php/controle_auto/article/viewfile/954/638 em 18 de Novembro de 2014 OSRAM 2013/2014 http://www.bifase.com/fichs/pags/imgs/lampadas-led-osram.pdf em 18 de Novembro de 2014 Grandezas Lumiosas http://www.fau.usp.br/cursos/graduacao/arq_urbanismo/disciplinas/aut0213/material_de_a poio/03_-_ia._conceito_fundamentais_(grandezas_luminosas).pdf em 18 de Novembro de 2014 Sá Junior, E.M ( 2007). Design of an electronic driver for LEDs. In: 9. Congresso Brasileiro de Eletrônica de Potência, p.341 345. Silva Junior, H. X. (2005) Aplicação das metodologias de análise estatísticas e de análise do custo do ciclo de vida (ACCV) para estabelecimento de padrões de eficiência energética. Dissertação (Mestrado em Planejamento de Sistemas Energéticos), Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas.