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Informações técnicas e detalhadas sobre a utilização da tecnologia led na iluminação pública no brasil. O texto oferece análises de modelos de luminárias led disponíveis no mercado brasileiro, suas principais características de iluminação e detalhes construtivos específicos. Além disso, o documento discute a evolução da iluminação pública no brasil e os benefícios de utilizar leds em vez de lâmpadas tradicionais. Recomenda-se uma atualização anual deste trabalho para incluir novas luminárias e novos locais onde a tecnologia led está sendo utilizada.
Tipologia: Esquemas
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Não perca as partes importantes!
Leonardo Barbosa Lopes
Projeto de Graduação apresentado ao Curso de
Engenharia Elétrica da Escola Politécnica, da
Universidade Federal do Rio de Janeiro, como
parte dos requisitos necessários à obtenção do
título de Engenheiro.
Orientador: Jorge Luiz do Nascimento
Rio de Janeiro
Fevereiro de 2014
i
Leonardo Barbosa Lopes
Examinada por:
D. Eng. Jorge Luiz do Nascimento
(Orientador)
D. Sc. Sebastião Ércules Melo de Oliveira
(Examinador)
Prof. Gustavo da Silva Viana, Eng. Eletricista
(Examinador)
iii
Dedico este trabalho ao meu pai, Eduardo,
à minha mãe, Fátima,
à minha namorada Deborah,
e a todos os meus amigos e familiares
iv
Agradeço em primeiro lugar a Deus, por me dar forças nos momentos mais
difíceis da minha vida, quando achei que não seria possível.
Agradeço aos meus pais, Eduardo e Fátima, que durante toda a minha
trajetória fizeram todos os sacrifícios imagináveis para me oferecer a melhor educação
possível.
À minha namorada Deborah, que tem sido muito importante na minha vida, me
incentivando todos os dias.
Ao professor Jorge Luiz, pela orientação e contribuição à minha formação. Finalmente, agradeço a todos os meus amigos e familiares, que, de alguma
forma me ajudaram nessa caminhada.
vi
Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the requirements for the degree of Electric Engineer.
Leonardo Barbosa Lopes
February/
Advisor: Jorge Luiz do Nascimento
Course: Electrical Engineering
Currently the search for energy efficient and cleaner solutions becomes increasingly growing. In this scenario, LED technology is considered as alternative solution to the Brazilian public lighting as it provides a reduction in power consumption when compared to older equipment used.
As a relatively new technology, its cost is still considered expensive considering other forms of lighting alone. However, with the intensification of studies in this area, the trend is that this cost decreases and is increasingly interesting to propose such a solution. This is not the only challenge for this application in public lighting in Brazil. There are still not enough rules establishing standards for their use.
This work provides a consolidated technical material with the main models of LED lamps available in the Brazilian market for public lighting. Some cases of Brazilian cities that already have this fantastic technology are also featured. The main objective is to encourage the use of LED lamp on a large scale in the Brazilian scene of street lighting.
Keywords: Energy Solutions , LED Technology , Brazilian Public Lighting.
ix
Tabela 2.1 – Tabela para grau de proteção de equipamentos elétricos (Primeiro dígito)
................................................................................................................................... 11
Tabela 2.2 – Tabela para grau de proteção de equipamentos elétricos (Segundo dígito)
................................................................................................................................... 12
Tabela 4.1 – Dados referentes à luminária LED Green Cobra GC1 de 80W................... 38
Tabela 4.2 – Dados referentes à luminária LED Green King Cobra GC2 ........................ 38
Tabela 4.3 – Dados referentes à luminária LED SUPERLED SL-A2 para iluminação
pública ........................................................................................................................ 39
Tabela 4.4 – Dados referentes à luminária LED SUPERLED SL-A3 para iluminação
pública ........................................................................................................................ 40
Tabela 4.5 – Dados referentes à luminária Roadstar Philips ........................................ 41
Tabela 4.6 – Dados referentes à luminária Essential Philips ......................................... 42
Tabela 4.7 – Dados referentes ao projetor Tunnel LED Philips ..................................... 43
Tabela 4.8 – Dados referentes à luminária Golden Extreme LED ................................. 44
Tabela 4.9 – Dados referentes à luminária Golden LED Iluminação Pública CH ............ 45
Tabela 4.10 – Dados referentes à luminária GE LED Iberia........................................... 46
Tabela 4.11 – Dados referentes à luminária LED GE R150 PRO .................................... 47
Tabela 4.12 – Dados referentes à luminária Street Light LS LEDSTAR .......................... 48
Tabela 4.13 – Dados referentes à luminária LED E-Light LE .......................................... 48
Tabela 4.14 – Dados referentes à luminária Osram SQ 50 LED .................................... 49
Tabela 4.15 – Dados referentes à luminária Osram DL 500 LED ................................... 50
Tabela 4.16 – Dados referentes à luminária Osram Streetlight 10 midi LED ................. 51
Tabela 4.17 – Comparativo das características elétrica e luminotécnicas das principais
luminárias LED ............................................................................................................ 51
Tabela 5.1 – Comparativo elétrico entre o sistema antigo e o sistema novo com
luminárias LED ............................................................................................................ 56
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Nesse cenário, surge a tecnologia LED ( Light Emitting Diode ), o diodo emissor de luz, que vem conquistando seu espaço, devido principalmente à sua enorme durabilidade e eficiência energética. Essa tecnologia está em pleno desenvolvimento e apresenta um crescimento contínuo de eficiência ao longo dos anos, permitindo propor que no atual estágio tecnológico já seja possível sua implementação em larga escala.
O LED é um tipo de diodo semicondutor em estado sólido. A luz é gerada dentro de um chip cujo tamanho não é maior do que 0,25 mm^2. Esse chip é um cristal em estado sólido e, por isso, é muito utilizado um termo inglês para definir essa nova forma de se fazer luz, o SSL (Solid State Light), que quer dizer luz em estado sólido.
Deve-se destacar também a possibilidade de um aproveitamento melhor da luz já que devido às pequenas dimensões da fonte de luz, arranjos de diversas fontes são permitidos. Dessa forma, temos uma melhor distribuição da luz e evita-se que locais onde não seja necessária a aplicação de luz sejam iluminados.
Para determinar a vida útil do LED, é necessário distinguir entre falha paramétrica (degradação do rendimento luminoso) e falha catastrófica (ausência de emissão de luz por parte do LED). Quando os fabricantes se referem a uma vida útil de L70 estão falando do tempo em que uma percentagem específica dos LED diminui para 70% do fluxo luminoso original. Essa percentagem de LED é expressa em B. Por exemplo, B50 indica 50%. Porém, na determinação dessa vida útil, não se tem em conta qualquer possível avaria dos LEDs, fator que é excluído dos testes.
Um LED defeituoso é, no entanto, importante para os utilizadores. Quando a determinação da vida útil leva em conta os LEDs avariados, faz-se referência à vida útil F, que é tipicamente inferior à vida útil B. Por exemplo, L70F-10 expressa o intervalo de tempo em que 10% dos LED caem para menos de 70% do fluxo luminoso original ou falham por qualquer outro motivo. As normas e recomendações internacionais vão promover e até impor cada vez mais a definição F para a vida útil dos LEDs.
Embora o estudo e as pesquisas sobre a tecnologia LED continuem avançando bastante atualmente, poucas pessoas sabem realmente o que é e como funciona de fato. Isso ocorre principalmente porque é uma tecnologia que ainda não é utilizada em proporções consideráveis devido ao seu alto custo. Uma luminária LED de 150W, que substitui uma lâmpada de vapor de sódio de alta pressão de 250W pode chegar a custar R$ 2.000,00.
Na verdade é preciso considerar o custo total de um sistema de iluminação, desde sua especificação, instalação até a troca quando deixarem de funcionar adequadamente. Custos como energia e reposição devem ser considerados quando se comparam LEDs com sistemas tradicionais.
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Portanto, qualquer contribuição na área será de fundamental importância e por isso a proposta deste trabalho é oferecer um material técnico consolidado com os principais modelos de luminárias LED disponíveis no mercado brasileiro para iluminação pública e uma avaliação econômica, qualitativa, quantitativa e ambiental.
A principal motivação para o desenvolvimento deste trabalho foi o interesse adquirido quando cursava a disciplina Técnicas de Iluminação. Nessa altura, tive a oportunidade de desenvolver um trabalho específico sobre conceitos de luminotécnica e lâmpadas fluorescentes. Além disso, existe um desejo de contribuir com informações relevantes a fim de se facilitar a aplicação da tecnologia LED em maiores proporções na iluminação pública brasileira.
No Brasil, já existem alguns casos de utilização de lâmpadas LED na iluminação pública. A ciclovia Beira-Mar Norte, em Florianópolis, por exemplo, recebeu 366 luminárias com a tecnologia LED e esse projeto foi viabilizado por meio do consórcio SQE Luz em parceria com a GE Iluminação. Essa troca representou uma economia no consumo de energia de 50% quando comparada à tecnologia de lâmpadas a vapor metálico, anteriormente utilizada. As luminárias utilizadas foram instaladas a oito metros do chão e permitem boa visualização de cores e formas, oferecendo maior segurança em toda a extensão da ciclovia.
Porém, a utilização de lâmpadas LED na iluminação pública de cidades brasileiras ainda é muito reduzida considerando os aspectos positivos que tal tecnologia pode oferecer. Com o constante avanço tecnológico, a tendência é de mudança nesse panorama. Na Figura 1.1 observa-se outro exemplo de cidade brasileira com luminárias LED instaladas.
Figura 1.1 – Iluminação LED na Lagoa Rodrigo de Freitas (Fonte: Geblogs, 2012)
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Dispositivos semicondutores eletroluminescentes estão assumindo uma grande importância no mundo de hoje. São vários os dispositivos relacionados a essa família: painéis eletroluminescentes, diodos a laser, diodos infravermelhos, LED (Light Emitting Diode) e painéis LED.
O uso racional dos recursos é uma preocupação que aumenta a cada dia em virtude do desequilíbrio ambiental que hoje vivemos. Por isso, novas alternativas de energia podem contribuir e muito para uma melhor utilização dos recursos energéticos. A lâmpada LED não possui materiais danosos ao meio ambiente, ao contrário da lâmpada fluorescente. Sendo assim, o LED quando descartado contamina menos o meio ambiente no seu processo de descarte, pois é constituído de poucas matérias, sendo que sua maioria é alumínio, que pode ser reprocessado com mais facilidade que outros materiais.
Além disso, os LEDs possibilitam uma emissão de luz uniforme e constante, que permite o aumento do conforto visual tanto em áreas internas, como nas externas. Enquanto a maior parte das soluções convencionais se destina a aplicações específicas ou em um número reduzido de situações, equipamentos com LED podem ser instalados numa vasta gama de ambientes. O LED já está presente em nossas vidas em áreas residenciais, comerciais, industriais, de iluminação pública e para decoração.
A grande desvantagem do LED ainda é o alto custo de aquisição. Enquanto uma única lâmpada incandescente custa em torno de R$ 1,50, e uma fluorescente em torno de R$ 12,00, uma única lâmpada LED custa em torno de R$ 30,00. Fazendo uma análise mais geral, o investimento pode valer a pena no longo prazo, tendo o seu valor resgatado em torno de cinco anos, somente em economia de energia.
Se a história do LED for abordada, nos deparamos com algo que data do início do século XX, mais precisamente do ano de 1907. Henry Joseph Round descobriu acidentalmente os efeitos físicos da eletroluminescência em 1907. A eletroluminescência é um fenômeno que ocorre quando o material semicondutor emite luz sob a ação de campo elétrico. Na época, o pesquisador notou um fenômeno curioso: o cristal de SiC (carborundum) emitiu uma luz amarelada ao ser aplicada uma pequena tensão elétrica. Sua pesquisa era sobre radiotransmissão e por isso o efeito ficou esquecido até 1921.
Em 1955, Rubin Branstein, da Radio Corporation of America, realizou experiências com emissão infravermelha utilizando semicondutores como gálio e
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arsênio. E o primeiro diodo vermelho foi introduzido no mercado em 1962, com a tecnologia de Fosfeto de Arseneto de Gálio. Nick Holonyak Jr., da General Electric, conseguiu obter luz visível (vermelha) a partir de um LED. Robert Biard e Gary Pittman patentearam o LED, já que o haviam descoberto na cor vermelha em 1961, mas Holonyak é considerado o criador do LED, pois foi ele quem conseguiu tornar a luz visível.
Nos anos 60 e 70 as empresas de calculadoras e computadores começaram a utilizar de forma pioneira os LEDs como indicadores de liga e desliga de seus aparelhos. Sua utilização cresceu bastante e em 1971 o LED tornou-se disponível nas cores amarela, verde e laranja. A Siemens trouxe para o mercado o primeiro LED radial em 1975, dando prosseguimento ao crescimento do desempenho do LED.
Pesquisadores japoneses descobriram o OLED (LED orgânico) em 1990. Sua evolução passa a ser uma realidade e competir saudavelmente com os LEDs tradicionais, tendo vantagens em algumas aplicações. Também foi durante a década de 1990 que a indústria automobilística começou a se interessar pelos LEDs e a aplicá- los em alguns pontos dos veículos, como lanterna, sinaleira, painel e etc. Com o interesse desses gigantes industriais, juntamente com a sua utilização, houve mais pesquisas, e o LEDs passaram a ter cores mais variadas e brilho mais intenso.
Em 1993 é lançado o primeiro diodo de Nitreto de Gálio e Indio, que emite luz nos espectros azul e verde de maneira extremamente eficiente. O LED azul é a base para o LED branco. A descoberta do LED azul é atribuída ao Dr. Shuji Nakamura e considerada um marco fundamental na indústria de iluminação mundial. A Osram lançou o primeiro LED branco em 1995 e o chamou de PowerTopLED.
Nos anos de 1997 e 1998 surgem as primeiras luminárias para uso arquitetural, produzidas em larga escala. Os modelos foram apresentados em feiras especializadas nos EUA e na Europa e eram dos tipos balizadores de piso e luzes de emergência. Em 2000 a Lumileds-Philips lança o LED Luxeon I, elevando o patamar da tecnologia a níveis de 25 lumens em um único emissor, o que, para a época, era uma revolução. Muitas indústrias adotam essa plataforma, e o desenvolvimento de soluções como ótica secundária, dissipação térmica, drivers, controles e softwares apareceram, possibilitando uma mais efetiva utilização dos LEDs na iluminação geral.
O cenário de desenvolvimento permanece, sendo criado o Luxeon III (da Lumileds), com emissão de até 80 lumens. O ano de 2003 é da geração de cor branca com temperatura de cor^2 de 3.200K e IRC^3 de 90. Até então, o branco era conseguido
(^2) Esse parâmetro está relacionado com a sensação de conforto que uma lâmpada proporciona em um
determinado ambiente. Quanto mais alto for o valor da temperatura de cor, mais branca será a luz emitida, denominada comumente de ‘luz fria’ e quanto mais baixa for a temperatura de cor, a luz será mais amarelada, denominada de ‘luz quente’.
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Figura 2.1 – Junção p-n e polarização direta com bateria (Fonte: HowStuffWorks)
Portanto, a junção p-n, ou o diodo, por si só, não produz luz. É necessária a presença de uma fonte de energia polarizada externa, promovendo a combinação dos elétrons com as lacunas, liberando fótons e produzindo luz. Essa luz é monocromática e depende dos níveis de energia necessários para os elétrons se combinarem com as lacunas. Por isso, materiais diferentes têm níveis de energia diferentes.
As variações de cores monocromáticas emitidas pelos LEDs são função dos materiais que compõem os elementos semicondutores e cada um corresponde a uma cor (comprimento de onda). Na Figura 2.2 é apresentada a tabela cromática, em que cada elemento produz uma cor de luz. No centro está representado o branco, que é o somatório em proporção adequada de todas as cores e que pode ser conseguido através de três técnicas distintas como mostrado a seguir.
Figura 2.2 – Tabela cromática
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Principais técnicas para obtenção do branco:
Primeira técnica: Luz azul + fósforo amarelo – essa é a forma mais utilizada, que consiste em colocar uma camada de fósforo amarelo em cima do LED azul. Na passagem da luz azul pelo fósforo, ela se transforma na luz branca, num processo semelhante ao que ocorre na formação da luz fluorescente, em que o UV^4 (ultravioleta) atravessa uma camada de fósforo se transformando em luz visível. Apesar do processo nos LEDs ser diferente, não deixa de lembrar o fenômeno luminoso das fluorescentes. Nesse fósforo amarelo, na verdade, existem fósforos emissores de luz visível (RGB), que são excitados abrangendo várias frequências e fornecendo a luz branca.
Segunda técnica: Mistura de cores – consiste em misturar diretamente luzes de três fontes monocromáticas, vermelhas, verdes e azuis (processo RGB – red, green, blue), a fim de se produzir uma fonte de luz branca através da combinação das três cores no olho humano.
Terceira técnica – Utiliza um LED azul para excitar um ou mais fósforos emissores de luz visível. O LED é projetado para deixar escapar um pouco da luz azul entre o fósforo para gerar a porção azul do espectro, enquanto o fósforo converte a porção remanescente da luz azul em porções vermelhas e verdes no espectro.
Outro tipo de LED que deve ser lembrado é o LED de sinalização, também conhecido como radial. Foi o primeiro a aparecer no mercado, e atualmente continua sendo usado de forma abundante, pois tem na sua característica principal o pequeno consumo de energia. É o que se precisa nesses casos, já que permanecem sempre ligados, fazendo o trabalho de realmente sinalizar algum ponto de equipamento, bem como o estado em que ele se encontra.
É muito comum que os LEDs de sinalização tenham duas intensidades luminosas, uma para indicação de ‘ligado’ e outra para ‘desligado’. Também há os que ficam piscando de forma intermitente mostrando o bom funcionamento de um aparelho eletrônico como modens, transponders e decodificadores de sinais.
A partir dos LEDs de sinalização é que foram criados os LEDs de potência. Numa linguagem bem acessível, potência é o índice que define o consumo de energia
(^4) É a radiação ultravioleta com um comprimento de onda menor que o da luz visível. O nome quer dizer além do violeta, pois o violeta é a cor visível com comprimento de onda mais curto e maior frequência.
