Artigo Pablo Revisado

ENGENHARIA/ENGINEERING
41
CONTROLE APLICADO NA OTIMIZAÇÃO DE SISTEMAS DE ILUMINAÇÃO
NATIVIDADE, P. S. G.1; GARCÊS, B. P.2
1
Graduado em Engenharia Elétrica, Universidade de Uberaba, Uberaba (MG), e-mail: [email protected].
Professor de Ensino Básico, Técnico e Tecnológico do Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Mato
Grosso, Confresa (MT), e-mail: [email protected]
2
RESUMO: O gradativo aumento no consumo de energia elétrica, e uma possível crise na oferta da mesma, faz necessário
o aumento de pesquisas visando maior eficiência energética e sustentabilidade tanto no desenvolvimento de novos
produtos quanto na mudança dos hábitos de consumo da sociedade em geral. A energia elétrica é muito mal gasta em todos
os setores onde é utilizada e os sistemas de iluminação são responsáveis por boa parte desse desperdício, principalmente
durante o dia enquanto temos luz natural abundante. Esse trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema inteligente
e de baixo custo capaz de controlar a potência usada nos sistemas de iluminação, fazendo com que este use apenas a
energia necessária para iluminar adequadamente determinado ambiente, aproveitando a iluminação natural já disponível.
PALAVRAS CHAVE: Automação. Eficiência energética. Iluminação artificial. Sustentabilidade.
APPLIED CONTROL TO THE OPTIMIZATION OF LIGHTING SYSTEMS
ABSTRACT: The gradual increase in the consumption of electricity, and a possible collapse in its availability becomes
necessary to increase research aimed at greater energy efficiency and sustainability in the development of new products
and changing consumption habits of society in general. The electricity is badly worn in all sectors where it is used, and
lighting systems are responsible for much of this waste, especially during the day while we have abundant natural light.
This paper presents the development of an intelligent and inexpensive system able to control the power used for lighting,
making this system to use only the power required to properly illuminate certain environment, taking advantage of the
natural light available at the moment.
KEY WORDS: Artificial lighting. Automation. Energy efficiency. Sustainability.
INTRODUÇÃO
A economia mundial cresceu continuamente nos
últimos anos, e a previsão é que isso permaneça dessa
forma. Sendo assim é natural que a demanda de energia se
comporte da mesma maneira, mesmo que indiretamente,
pois juntamente com o aumento do poder econômico da
população vem o aumento do consumo de produtos que,
certamente, foram produzidos utilizando alguma fonte
energética.
Estudos apontam que o consumo de energia deve
crescer ao menos 1,6% ao ano, totalizando um crescimento
de 39% entre 2010 e 2030 (BRITISH PETROLEUM,
2010). Diante dessa perspectiva, diversas pesquisas vêm
sendo desenvolvidas com o intuito de aumentar a
eficiência energética dos dispositivos consumidores de
energia, visando amenizar uma possível crise na oferta de
energia elétrica em virtude da crescente demanda.
Os sistemas de iluminação artificiais são
responsáveis pelo consumo de boa parte da energia elétrica
ofertada no mundo. Nesse setor, o desenvolvimento
tecnológico tem contribuído para minimizar esses efeitos,
no entanto a maioria das instalações continua equipada
com sistemas antigos.
Em geral, a iluminação artificial continua bastante
ineficiente e, em especial no Brasil, é responsável por 17%
do uso de toda energia elétrica consumida, sendo que aqui
50% das lâmpadas instaladas ainda são incandescentes,
que tem um rendimento muito baixo (PROCEL; 2012).
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
Gastos desnecessários de energia em iluminação
acontecem corriqueiramente durante o dia, quando temos a
iluminação natural abundante. O motivo disso é que a
maioria dos empreendimentos que opera em horário
comercial não aproveita eficientemente a iluminação
natural nesse período. Um exemplo prático seria a chegada
dos funcionários em um escritório onde a jornada de
trabalho se inicia às 08h. Neste momento todas as
lâmpadas são acionadas. A maioria dos sistemas de
iluminação trabalha apenas com dois estados: ligado
(100% de uso de energia) e desligado (sem uso de energia).
É evidente que, quando essa jornada se inicia, 100% da
energia disponível para iluminação é utilizada, não levando
em conta a iluminação natural já existente. Considerando
que esse escritório funcione até as 18h, temos dez horas de
gasto superdimensionado na energia de iluminação por dia
e ao menos 50 horas por semana.
Um bom projeto de iluminação natural pode
fornecer a iluminação necessária durante 80 a 90% do
tempo necessário durante o dia, permitindo uma enorme
economia de energia em luz artificial. A iluminação natural
é fornecida por fonte de energia renovável: é o uso mais
evidente da energia solar. (MAJOROS, 1998).
Infelizmente grande parte dos projetistas desconhecem as
técnicas de bom aproveitamento deste tipo de iluminação.
Isso tem melhorado gradualmente, todavia, mesmo se
fossem extremamente popularizadas o custo da
reestruturação ou reabilitação das construções já
concluídas, seria extremamente dispendioso. Com base
ENGENHARIA/ENGINEERING
nessas informações este trabalho apresenta o
desenvolvimento de um sistema de controle inteligente
(protótipo) que manipule automaticamente a luminosidade
artificial de um ambiente (interno ou externo) levando em
consideração a iluminação natural já existente. Dessa
forma, com um dispositivo de baixo custo e sem a
alteração da planta do ambiente, espera-se uma economia
considerável no consumo da energia elétrica utilizada na
iluminação.
42
encontradas comercialmente, o principal motivo dessa alta
comercialização do tipo incandescente:
Tabela 1 – Preço de quatro tipos de lâmpadas em um
estabelecimento em São Paulo - SP.
ELÉTRICA PAULISTA PREÇOS (11/06/2013)
Incandescente
60W
R$ 1,40
MATERIAL E MÉTODOS
Inicialmente foi necessário escolher qual lâmpada
seria utilizada no protótipo. No mercado existem diversos
modelos, mas considerando a característica da fonte
luminosa temos basicamente três tipos. O tipo de controle
que será proposto no artigo pode ser aproveitado para
manipular o brilho das lâmpadas enunciadas a seguir:
Lâmpada Incandescente “A luz deste tipo de lâmpada é
proveniente de um filamento metálico (tungstênio) alojado
no interior de um bulbo de vidro sob vácuo ou com gases
quimicamente inertes em seu interior”. (CAVALIN, G.;
CEVELIN, S.; 2011).
Ilustrada na Figura 1, é o mesmo tipo de lâmpada
que passou a ser produzida por Thomas Edson a partir de
1879. Comparada às demais tem menor eficiência, pois
consome bem mais energia para desempenhar a mesma
potência luminosa, além disso, aquece bastante
interferindo na temperatura ambiente podendo prejudicar
inclusive o rendimento de um sistema com ar
condicionado, tem baixa vida útil e é bastante propensa a
se danificar por vibrações (INEE; 2013). Por esses motivos
sua fabricação nos modelos de 60W (Watts), 75W e 100W
passou a ser proibida por lei no Brasil a partir de 30 de
junho desse ano, sendo que sua comercialização se encerra
em 30 de junho de 2014 (Portaria Interministerial nº1007;
2010).
Diodos
Emissores de
Luz (LED)
2,5W
R$ 22,50
Fluorescente
Compacta
15W
R$ 9,00
Fluorescente
compacta
Dimerizável
20W
R$38,50
Grande parte da população não tem acesso às
informações sobre a qualidade economia das lâmpadas.
Além disto, ao comparar os preços das mesmas fica
evidente que a lâmpada incandescente será mais procurada,
principalmente pela população de baixa renda, razão pela
qual ainda existem milhões destas lâmpadas no Brasil.
Lâmpada de LEDs Inicialmente não desenvolvidos com
o objetivo de iluminar ambientes, os LEDs (diodos
emissores de luz) atualmente vêm ganhando espaço nesse
campo. São dispositivos semicondutores e tem o menor
consumo entre todos os tipos de lâmpadas. Nos LEDs de
alto brilho o consumo de energia equivale a 10% de uma
lâmpada convencional e uma vida útil de até 80.000 horas
(PHILIPS LIGHTING; 2012). Além disso, tem baixo
aquecimento, alta resistência a vibrações e a condições
variadas de ambiente.
Uma lâmpada construída com LEDs de alto brilho
(Figura 2) consome cerca de 8W para atingir a mesma
luminosidade de uma lâmpada incandescente de 60W, ou
seja, para a mesma potência luminosa são 52W de
economia. A tendência é que as empresas tornem os preços
mais acessíveis, pois infelizmente essa tecnologia ainda é
onerosa.
Figura 2 – Lâmpada de LEDs
Figura 1 – Lâmpada Incandescente
Fonte: Philips
Fonte: Philips
(2013).
As tecnologias em iluminação tardaram muito a
evoluir e como consequência disso, esse tipo de lâmpada
continua
sendo
extremamente
comercializada
principalmente nos países subdesenvolvidos. A tabela
abaixo mostra o preço de quatro tipos de lâmpadas
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
(2013).
Lâmpada Fluorescente Neste tipo de lâmpada a corrente
elétrica que passa através do gás preso no tubo de vidro,
emite grande quantidade de radiação ultravioleta que é
convertida em luz visível pela camada de fósforo que
reveste os tubos. Por isto a luz fluorescente parece mais
branca que as incandescentes. A partir do momento que a
indústria começou a compactar este tipo de lâmpada
aconteceram diversas campanhas de incentivo ao seu uso,
elas se tornaram populares e mais baratas. O grande
benefício delas sobre as incandescentes é que a relação de
luminosidade comparada com o consumo de energia
ENGENHARIA/ENGINEERING
43
elétrica é muito mais vantajosa. Maior luminosidade com
menor gasto.
Embora seu consumo seja superior à lâmpada de
LEDs, de acordo com os fabricantes uma lâmpada
fluorescente compacta convencional de 15W tem a mesma
potência luminosa de uma incandescente de 60W, ou seja,
45W de economia para a mesma iluminação.
Ainda bastante desconhecida, nos últimos anos
chegou ao mercado a lâmpada compacta dimerizável, ou
seja, sua luminosidade pode ser manipulada através de um
potenciômetro com a ajuda de um circuito eletrônico
(dimmer). Infelizmente é bastante cara, uma vez que uma
única lâmpada de 20W custa em média R$38,50. Todavia
por tornar possível a alteração de sua potência luminosa
pode ser muito bem aproveitada na economia de energia e
por esse motivo é utilizada no sistema de controle proposto
nesse artigo, uma vez que as lâmpadas compactas
convencionais não contam com essa possibilidade.
De acordo com a norma, o protótipo deve trabalhar
fornecendo uma intensidade de iluminância em torno de
750 LUX.
Para a criação do protótipo e atuação do controlador
são necessários alguns componentes específicos. Nesse
protótipo a variável de processo (PV) é obtida através de
um sensor de luminosidade bastante comum e barato: O
LDR (Figura 4).
Figura 3 – Lâmpada Fluorescente Compacta Dimerizável
Este é um componente eletrônico passivo do tipo
resistor variável, mais especificamente é um resistor cuja
resistência varia conforme a intensidade da luz que incide
sobre ele. À medida que a intensidade da luz aumenta, a
resistência do LDR diminui. Ele é construído com um
material semicondutor de alta resistência e, quando os
fótons incidem nesse material, libertam elétrons
diminuindo a resistência elétrica do mesmo. O sensor é
fixado sobre uma superfície e apontado diretamente para a
fonte de luz, no caso a lâmpada.
O controle da iluminação é feito pela lâmpada
escolhida, variável manipulada (MV), o setpoint (SP) é a
intensidade luminosa do ambiente fixada pela NBR5413 já
mencionada anteriormente. O funcionamento de todo o
sistema é bem simples: Se a intensidade de iluminância no
ambiente ficar abaixo dos 750 LUX o controlador
manipula a lâmpada aumentando seu brilho, quando essa
intensidade fica acima dos 750 LUX o controlador
manipula a lâmpada diminuindo seu brilho e, caso a
intensidade seja igual a 750LUX o controlador não altera
nada. Essas decisões são tomadas a partir do cálculo do
erro:
Fonte: FLC (2013)
A Lâmpada utilizada é a mesma da Figura 3. Este
fabricante garante uma vida útil média de 6000 horas e sua
potência luminosa equivale a de uma lâmpada
incandescente de 80W (FLC, 2013). Vale ressaltar que a
proposta do artigo não é controlar o fator de potência desse
tipo de lâmpada (>0.55) e sim desenvolver um sistema que
economize energia sem alterar essa característica.
O próximo passo foi definir o tipo de ambiente a ser
iluminado para testar o projeto, como já havia sido citado
no texto optou-se pela escolha de um escritório. Para isto é
necessário conhecer a intensidade de iluminância mínima e
máxima adequada para este tipo de ambiente.
A norma que fixa valores mínimos, máximos e
médios de iluminância em interiores para as mais diversas
situações é a NBR5413 e o instrumento que mede o nível
de luminosidade de um local é o luxímetro.
Tabela 2 – Intensidade Iluminância Mínima, Média e
Máxima em escritórios de acordo com a NBR5413.
INTENSIDADE DE ILUMINÂNCIA –
ESCRITÓRIOS (NBR5413)
MÍNIMA
MÉDIA
MÁXIMA
500 LUX
750 LUX
1000 LUX
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
Figura 4 – LDR
(1)
Controlador operando no modo reverso.
Assim:
•
Se PV > SP, o erro é negativo;
•
Se PV < SP, erro é positivo;
•
Se PV = SP, erro é zero.
A partir dessas análises obteve – se as seguintes
regras de controle:
Se a luminosidade está acima do desejado então a potência
da lâmpada deve diminuir;
Se a luminosidade está correta então a potência da
lâmpada não deve ser alterada;
ENGENHARIA/ENGINEERING
44
Se a luminosidade está abaixo do desejado então a
potência da lâmpada deve aumentar.
Para simulação do circuito eletrônico e confecção
da placa de circuito foi utilizado o software PROTEUS 7.9
sp2, já o software de controle utilizou o compilador CCS C
COMPILER v5, este último em sua versão demo. O
projeto eletrônico pode ser divido em três partes. O
primeiro deles é o elemento sensor/ transmissor (Figura 5).
O LDR, dispositivo sensor de luz, se encontra no
canto superior esquerdo da Figura 5. Quanto maior a
intensidade de iluminância incidente maior será a corrente
enviada para a base do transistor Q1, se essa luminosidade
diminuir, a corrente na base também diminui. O transistor
Q1 está trabalhando como amplificador, ou seja, ele
amplifica a corrente que o LDR envia, para que essa
informação possa ser transmitida para outro estágio.
Quanto maior a corrente na base do transistor Q1, maior
será a corrente de emissor do mesmo. Essa corrente de
emissor é obrigada a fluir pelo resistor R1 causando nele
uma queda de tensão. O valor dessa queda de tensão é
proporcional à corrente de emissor que é proporcional à
corrente de base.
Em tese, havendo alteração da resistência do LDR
provocada pela variação da intensidade de iluminância no
ambiente, a corrente na base de Q1 varia
proporcionalmente variando assim a corrente de emissor
do mesmo, que afeta diretamente a queda de tensão em R1.
Esse valor de tensão em R1 será a informação transmitida
para o próximo estágio. O capacitor C1 funciona apenas
“amortecendo” as variações bruscas de tensão em R1 que
possam ocorrer afetando a confiabilidade do processo.
Figura 5 – Sensor/Transmissor
+5V
de programas, dispositivos periféricos como conversores
analógico/digitais (ADC), conversores digital/analógico
(DAC) e interfaces de entrada e saída de dados. Opera a
velocidades muito baixas se comparado com um
microprocessador atual. O seu consumo em geral é na
ordem dos miliwatts, tornando-o ideal para aplicações
onde a exigência de baixo consumo de energia é um fator
vital.
No protótipo desenvolvido o microcontrolador
(Figura 6) lê o sinal analógico transmitido pelo primeiro
estágio, convertendo-o em um sinal digital (conversor
A/D) para que haja um melhor tratamento da informação.
Internamente ao software nele gravado, o valor convertido
é comparado com o setpoint (SP), que no nosso caso é um
sinal referência obtido caso a intensidade luminosa seja de
750LUX. De acordo com as regras de controle do
software, caso esse sinal represente uma intensidade de
iluminância abaixo de 750LUX o microcontrolador
aumenta o sinal que controla a potência da lâmpada no
próximo estágio, e se esse sinal representar uma
intensidade de iluminância acima dos 750LUX o
microcontrolador diminui esse sinal.
Figura 6 – Microcontrolador PIC18F4520.
U1
SINAL
2
3
4
5
6
7
14
13
33
34
35
36
37
38
39
40
Microcontrolador
RA0/AN0/C1INRC0/T1OSO/T13CKI
RA1/AN1/C2INRC1/T1OSI/CCP2B
RA2/AN2/C2IN+/VREF-/CVREF
RC2/CCP1/P1A
RA3/AN3/C1IN+/VREF+
RC3/SCK/SCL
RA4/T0CKI/C1OUT
RC4/SDI/SDA
RA5/AN4/SS/HLVDIN/C2OUT
RC5/SDO
RA6/OSC2/CLKO
RC6/TX/CK
RA7/OSC1/CLKI
RC7/RX/DT
RB0/AN12/FLT0/INT0
RB1/AN10/INT1
RB2/AN8/INT2
RB3/AN9/CCP2A
RB4/KBI0/AN11
RB5/KBI1/PGM
RB6/KBI2/PGC
RB7/KBI3/PGD
RD0/PSP0
RD1/PSP1
RD2/PSP2
RD3/PSP3
RD4/PSP4
RD5/PSP5/P1B
RD6/PSP6/P1C
RD7/PSP7/P1D
RE0/RD/AN5
RE1/WR/AN6
RE2/CS/AN7
RE3/MCLR/VPP
LUX
750.0
15
16
17
18
23
24
25
26
PWM
19
20
21
22
27
28
29
30
8
9
10
1
+5V
PIC18F4520
LDR
Q1
BC548
SINAL
R1
100R
C1
10u
O segundo estágio é o cérebro do projeto: O
microcontrolador. Este é um computador montado em um
único chip, contendo um processador, memória e
periféricos de entrada e saída, podendo ser programado
para funções específicas. Normalmente é montado no
interior de algum outro dispositivo (geralmente um produto
comercializado) para que possam controlar as funções ou
ações do produto.
Além dos componentes lógicos e aritméticos usuais
de um microprocessador, o microcontrolador integra
elementos adicionais em sua estrutura interna, como
memórias para armazenamento de dados, armazenamento
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
O próximo estágio utiliza uma técnica muito
simples e conhecida no controle da potência luminosa da
lâmpada, o PWM (Modulação por Largura de Pulso). Essa
técnica é extremamente utilizada na conversão de sinais
digitais em analógicos (Conversor D/A). Tem diversas
aplicações no controle de variáveis analógicas a partir de
dispositivos digitais. Como a velocidade de um motor, a
intensidade do brilho de uma lâmpada, a porcentagem de
abertura de uma válvula, etc. Através dessa técnica pode-se
conseguir uma economia de energia fantástica na
iluminação, pois a lâmpada não ficará apenas ligada ou
desligada, mas sim com qualquer intensidade de brilho que
o sistema necessite, sem o gasto desnecessário de energia.
A figura 7 representa o funcionamento de um PWM.
ENGENHARIA/ENGINEERING
45
Figura 9 – Resumo de funcionamento
Figura 7 – Representação de sinais PWM.
A forma de onda A tem um ciclo de trabalho de 10%,
ou seja, a lâmpada fica ligada apenas com 1/10 da potência
nominal. Já forma de onda B tem um ciclo de trabalho de
50% ligando a lâmpada com metade dessa potência. Por
sua vez a forma de onda C tem um ciclo de trabalho de
90%, fazendo com que a lâmpada fique acesa com 90% da
potência disponível. Assim, manipulando-se o ciclo de
trabalho PWM na saída do segundo estágio, consegue-se
alterar a intensidade luminosa da lâmpada no terceiro
estágio, ilustrado na Figura 8.
Figura 8 – Dimmer
DIMMER
R1
PWM
1
U2
6
1K
2
R2
R3
330R
1K
L1
127V
U3
4
Q2006L4
REDE
127V
MOC3021
C1
47nF
O terceiro estágio recebe o sinal PWM enviado pela
saída do segundo estágio. O optoacoplador U2 é usado
para isolar o circuito do microcontrolador (corrente
contínua) do circuito que alimenta a lâmpada (corrente
alternada). Este envia um sinal semelhante ao sinal de
entrada para o gate do TRIAC U3. Toda vez que isso
acontece esse dispositivo permite a circulação da corrente
elétrica proveniente da rede através da lâmpada fazendo
com que a mesma acenda.
A variação da intensidade de iluminância luminosa
dessa lâmpada altera as características do LDR, reiniciando
todo o ciclo. Não há a necessidade de fazer o controle do
ângulo de disparo do TRIAC, pois o sistema é
realimentado.
A Figura 9 mostra o resumo de funcionamento do
sistema.
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
Antes de desenvolver o software que faz o controle
foi necessário descobrir qual queda de tensão aparece nos
terminais de R1 para uma intensidade de iluminância em
torno de 750LUX. Para isso o circuito da Figura 5 foi
montado em um protoboard e tal condição foi simulada.
Alimentado com a mesma tensão do microcontrolador
(+5V), o LDR foi posicionado em cima de um luxímetro, e
com um voltímetro nos terminais de R1, a intensidade
luminosa foi manipulada até que o luxímetro acusasse os
750LUX, nesse instante foi obtido a tensão de 4,02V.
O conversor analógico digital foi configurado para
trabalhar com resolução de 10 bits (interno ao
microcontrolador), temos então 1024 representações
diferentes para uma faixa de tensões que vai de 0V a +5V,
ou seja, uma informação diferente a cada 0,00488V ou
4,88mV. Essa leitura analógica de tensão é convertida em
informação digital e, posteriormente, representada no
sistema decimal para que haja um tratamento mais simples,
variando de 0 a 1023 (1024 variações). Assim, sempre que
o sistema estiver controlado teremos como resultado da
conversão A/D o número 823.
O controle se resume em comparar o último valor
informado pelo conversor A/D com esse valor. Se por
exemplo, o valor convertido for 500 significa que a
intensidade luminosa na lâmpada deve aumentar,
logicamente se essa conversão atingir um valor de 900
deve-se diminuir a intensidade luminosa da mesma.
A Figura 10 trata-se de um fluxograma que resume
a rotina do software gravado no microcontrolador.
ENGENHARIA/ENGINEERING
Figura 10 – Fluxograma do software de controle
46
Figura 12 – Representação tridimensional da placa de circuito do projeto
pronta.
Os testes foram realizados em horário comercial
(08h00min às 18h00min) em dois dias consecutivos e bem
ensolarados. No primeiro, foram coletadas informações da
luminosidade no exterior e interior de um pressuposto
escritório sem nenhuma interferência de iluminação
artificial. Essas informações são mostradas na Figura 13:
Figura 13 – Intensidade de luminosidade externa e interna
em LUX
RESULTADOS E DISCUSSÃO
.
Depois de pronto, o software foi simulado no
PROTEUS e aprovado nos testes. Isso indica sinal verde
para a confecção de uma placa de circuito definitiva (PCI),
a Figura 11 ilustra o layout com as trilhas da PCI a ser
montada e a Figura 12 mostra a aparência tridimensional
dessa PCI depois de confeccionada e já pronta para uso.
Figura 11 – Layout da PCI a ser montada
Esse gráfico evidencia que, na presença de
iluminação artificial, a luminosidade interna do cômodo
varia proporcionalmente à luminosidade externa. Porém o
grande objetivo do monitoramento da luminosidade é a
luminosidade interna, representada na Figura 14.
Note que no período compreendido entre 12h00min e
15h00min a luminosidade dentro do cômodo fica acima
dos 750LUX dispensando qualquer gasto de energia com
iluminação, o que não acontece nos sistemas
convencionais.
Figura 14 – Luminosidade interna – Dia 1
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
ENGENHARIA/ENGINEERING
No segundo dia, a intensidade luminosa fornecida
pelo sol foi pouco maior que no primeiro dia. O protótipo
foi utilizado no controle da iluminação do ambiente sendo
que a luminosidade e a potência consumida pelo
dispositivo foram monitoradas diversas vezes nos mesmo
horários do dia anterior. A Figura 15 ilustra e compara a
luminosidade interna controlada no segundo dia com a
iluminação interna natural do primeiro dia:
47
Figura16 – Potência
Convencional)
consumida
(Controlado
X
Figura 15 – Iluminação natural no primeiro dia X
Iluminação Controlada no segundo dia
A linha azul mostra como se comportou a
iluminação ambiente no dia 1, a linha vermelha indica
como foi iluminado esse mesmo ambiente no dia 2 usando
o protótipo desenvolvido no artigo. Nota-se que no
intervalo compreendido entre 12h e 15h as linhas se
sobrepõem. Isso comprova o que foi dito anteriormente,
apenas a iluminação natural foi suficiente para manter o
ambiente devidamente iluminado nesse período. Sendo
assim, nesse mesmo intervalo não foi gasto energia elétrica
alguma para iluminação, apenas a iluminação natural foi
aproveitada, ou seja, o protótipo trabalhou praticamente
desligado, apenas monitorando a intensidade de
iluminância.
Um simples sistema on/off que automaticamente
desliga as lâmpadas do ambiente no intervalo que dispõe
da iluminação natural necessária não pode ser usado ao
invés do controle proposto no artigo, pois o mesmo fica
longe de ter a mesma eficiência. Em uma situação em que
o céu ficasse densamente nublado por volta das 13h00min
e que, com isso a luminosidade caísse bruscamente, o
sensor automaticamente detectaria e o controle manipularia
a lâmpada automaticamente aumentando sua potência até
que esta voltasse a ser ideal, utilizando apenas o necessário
de energia. Um simples sistema on/off não faria isso.
O gráfico de maior relevância é exibido na figura 16 e
compara o percentual de potência usada no sistema
desenvolvido com a potência usada por um sistema de
iluminação convencional, ou seja, mostra a economia de
energia elétrica proporcionada pelo protótipo.
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
A linha vermelha mostra como a energia elétrica é
gasta em um escritório que conta com um sistema de
iluminação convencional. Iniciada a jornada de trabalho as
lâmpadas são ligadas e, ao fazer isso, cada lâmpada
consome 100% da energia disponível, ou seja, são
alimentadas com sua tensão nominal, consomem sua
corrente nominal e logicamente é cobrado também o kWh
nominal. Normalmente ficam acesas durante todo o dia e
só são apagadas com o fim da jornada de trabalho.
Já a linha azul mostra como a energia elétrica foi
utilizada com auxílio do protótipo no segundo dia de
testes.
Note agora que a potência desenvolvida no sistema
de iluminação foi gerenciada a todo instante. Às 08h00min
já existia iluminação natural proveniente do sol, nesse
momento o sistema consome aproximadamente 81% da
energia disponível para iluminação.
No decorrer da manhã o consumo de energia vai
diminuindo, pois a iluminação natural aumenta, não sendo
necessária a mesma quantidade de energia na iluminação
artificial. Aproximadamente 12h as lâmpadas são
desligadas, pois a iluminação natural é suficiente ficando
sempre acima dos 750 LUX, e permanecendo assim por 3
horas seguidas. Há uma queda brusca de iluminação
natural no cômodo onde foram feitos os testes a partir das
15h00min, pois o sol vai ficando acima das janelas e por
consequência a luminosidade cai. Mesmo assim, desse
instante até o fim do expediente às 18h00min, a potência
utilizada continua sendo gerenciada da mesma forma que
foi na parte da manhã, como se pode acompanhar pelo
gráfico.
O baixo custo do protótipo é outra característica
muito importante, e é descrita sucintamente na Tabela 3.
Deve ficar claro que essa tabela descreve apenas o
custo para a confecção da placa de circuito. Os gastos com
lâmpada, gabinete que aloja a placa, instalação,
cabeamento e outros não foram incluídos. Apenas uma
unidade do protótipo desenvolvido suporta facilmente a
carga exigida por duas lâmpadas compactas dimerizáveis
de 20W. Alterando-se o hardware essa capacidade pode ser
facilmente ampliada.
ENGENHARIA/ENGINEERING
48
Tabela 3 – Descrição de peças e valor gasto no
desenvolvimento do protótipo
CUSTO DO PROTÓTIPO
QUANTIDADE REFERÊNCIA
VALOR
PREÇO (R$)
2
R1, R3
1K
0,18
1
R2
330R
0,09
1
R4
100R
0,1
1
C1
10u
0,15
1
C2
47nF
0,15
1
U1
PIC18F4520
18,5
1
U2
78L05
0,26
1
U3
MOC3021
1,18
1
U4
Q2006L4
1,49
1
Q2
BC548
0,17
1
D1
LED-RED
0,59
1
F1
470u
0,25
2
F3, F4
100nf
0,18
2
J1, LDR
CONN-SIL2
2,5
2
LÂMPADA,
REDE
TBLOCK-I2
4,25
1
RLED
220R
0,1
1
PCI
10x10
3,12
TOTAL
33,26
CONCLUSÃO
Usando esse sistema de controle os testes realizados
mostraram cerca de 44% de economia na energia elétrica
em relação a um sistema convencional que usa o mesmo
tipo de lâmpada. Esta foi do tipo fluorescente compacta e
dimerizável, mas esse mesmo circuito pode ser usado em
lâmpadas incandescentes e, com uma pequena alteração de
hardware, pode controlar um sistema de lâmpadas à LED.
É claro que esse desempenho contou um pouco com o
acaso, pois a intensidade de iluminância natural nos dois
dias de testes contribuiu de certa forma para essa
economia.
Existem muitos fatores que se bem trabalhados e
estudados podem garantir uma economia no uso da energia
elétrica em geral. Esse artigo abordou somente a economia
da energia dedicada à iluminação, e espera-se que o texto
tenha acrescentado algo no extenso campo de pesquisas
sobre eficiência energética. Nenhuma técnica ou método
enunciado aqui é inédito, foram apenas usados de forma
que contribuísse com o que foi proposto.
Logicamente nem todos os escritórios contam com
uma entrada de luz tão favorável quanto o cômodo
escolhido no desenvolvimento do projeto, uma vez que
parte dessas dependências se localiza em edifícios
fechados, mal iluminados ou com pouca iluminação, onde
consequentemente o controle descrito nesse artigo não teria
o mesmo desempenho, mas sem dúvida traria alguma
economia. Esse ambiente de trabalho foi escolhido como
modelo para desenvolvimento do projeto, sendo que o
FAZU em Revista, Uberaba, n.10, p. 41-48, 2013
sistema de controle proposto pode ser utilizado em
iluminação pública, em residências, escolas, ambientes
industriais e enfim, quase todo local que conta com os
sistemas artificiais de iluminação convencionais. O
setpoint de 750LUX não precisa ser fixo, pode ser
projetada no software outra lógica com uma interface em
que o usuário informa o valor da intensidade de
iluminância desejada, ou até mesmo pode ser criada uma
biblioteca contendo diversos valores de intensidade de
iluminância segundo a NBR5413, assim o usuário teria
apenas o trabalho de escolher o tipo de ambiente a ser
iluminado e o protótipo automaticamente ajustaria o
setpoint de acordo com o fixado pela norma. Dessa forma
o mesmo dispositivo poderia atender diversas necessidades
de iluminação.
REFERÊNCIAS
CAVALIN, G. e CERVELIN, S. Instalações Elétricas
Prediais. 21. ed. São Paulo: Editora:Érica, 2011. 408 p.
MAJOROS, A. Daylighting. Austrália: Universidade de
Queensland , 1998. (Design tools and techniques. PLEA
Notes, n. 4).
PROGRAMA NACIONAL DE CONSERVAÇÃO DE
ENERGIA ELÉTRICA. [S.l.: s.n.], 2013. Disponível em
<http://www.eletrobras.com/elb/procel/main.asp.>. Acesso
em: 28 jun.2013.
INSTITUTO NACIONAL DE EFICIÊNCIA
ENERGÉTICA. [S.l.: s.n.], 2013. Disponível em:
<http://www.inee.org.br/eficiencia_o_que_eh.asp?Cat=efic
iencia>. Acesso em: 28 jun. 2013.
BP GLOBAL – British Petroleum. [S.l.: s.n.], 2013.
Disponível em: <http://www.bp.com/>. Acesso em: 28 jun.
2013.
PHILIPS. Catálogo de produtos. Lâmpadas. 2013.
Disponível em:<
http://www.ecat.lighting.philips.com.br/l/lampadas/41334/
cat/>. Acesso em: 28 jun. 2013.
FLC. Catálogo de produtos. [S.l. : s.n.], 2013. Disponível
em
<http://www.flc.com.br/produto/57/75/13/Eletr%C3%B4ni
cos-Lamp_Comp_Fluor_Dimeriz%C3%A1velDimeriz%C3%A1vel#.UhtS3j-D6ZQ.>. Acesso em: 28
jun. 2013.