Dimensionamento de um sistema de iluminao a LED alimentado por painis fotovoltaicos

Edwilson da Silva Souza Engenheiro Eletricista pelo Centro Universitrio CESMAC.

Marcos Andr dos Santos Ferreira Graduando em Engenharia Eltrica pelo Centro Universitrio CESMAC.

Srgio Silva de Carvalho Mestre em Cincia da Computao pela UFPE.

RESUMO

Este artigo descreve um mtodo para dimensionamento de um sistema de placas fotovoltaicas, e demais equipamentos associados, para fornecimento de energia iluminao de um ambiente com lmpadas de alto rendimento. So utilizadas luminrias com Diodos Emissores de Luz (LED). Estes dispositivos possuem baixo consumo energtico, baixa manuteno e alta durabilidade, no emitem raios ultravioleta e nem gases poluentes. Esta soluo ajuda a atenuar o problema de muitos dos atuais sistemas de iluminao, que so de baixa eficincia energtica, e que portando no deveriam ser alimentados por fontes alternativas de energia, especialmente fontes fotovoltaicas, que possuem baixo rendimento energtico.

PALAVRAS-CHAVE: Energia Fotovoltaica. Iluminao de alto rendimento. Diodos Emissores de Luz. Lumens.

1 INTRODUO

Este artigo apresenta os passos necessrios para a execuo de um projeto luminotcnico que utiliza luminrias LED em uma sala de aula. Estas luminrias so alimentadas por painis fotovoltaicos, e so mostrados os clculos de eficincia energtica e da quantidades de lmpadas para atender a demanda de luminosidade que uma sala de aula exige. Tambm se apresenta, para o sistema de energia solar fotovoltaica, quais os equipamentos e a sua quantidade, para que atenda a necessidade do projeto. A sala a ser iluminada, possui uma rea de 60m e um plano de trabalho situado a 1,7 m da luminria. Usando o Mtodo dos Lumens, foram desenvolvidos todos os clculos necessrios, como tambm, a potncia nominal necessria, as quantidades de lmpadas, as quantidades de placas fotovoltaicas e a especificao das baterias necessrias para o funcionamento do sistema.

2 PROJETOS LUMINOTCNICOS

Desde a poca em que a luz artificial passou a ser utilizada, at os dias atuais, constatou-se o grande avano tecnolgico dado pela indstria da iluminao no sculo XX. Nos ltimos anos, houve um avano na utilizao de sistemas mais eficientes, certamente motivado pelo aumento nos custos da energia eltrica nos pases desenvolvidos.

O investimento necessrio para construir usinas e sistemas de transmisso tamanho que governos adotam programas intensivos para promover a utilizao de equipamentos de utilizao energeticamente mais eficientes.

Recentemente foi decretada uma nova lei nos EUA para regulamentar a iluminao sob seu aspecto energtico. Foi simplesmente proibido o uso de sistemas de iluminao com baixa eficincia, incluindo lmpadas bastante utilizadas no Brasil, como as incandescentes, as fluorescentes tradicionais, as de vapor de mercrio e as mistas.

Em alguns produtos do EUA, como lmpadas comuns e equipamentos auxiliares, encontra-se a inscrio proibida a venda no territrio americano, ou somente para exportao. A mesma lei d prazo para que as instalaes antigas sejam reformadas e, para motivar a populao, prev financiamento destinado troca de sistemas, alm da aplicao de pesadas multas (COSTA, 2006).

Para Costa (2006) o motivo pelo qual essa resoluo foi tomada lgico: minimizar o consumo de energia eltrica. Os governos pretendem reduzir ao mximo os investimentos em eletricidade, que, alm dos custos financeiros, geram custos ambientais significativos. A estratgia para atingir esses objetivos reside no desenvolvimento de novas fontes de luz, equipamentos auxiliares, sensores e luminrias mais econmicas.

2.1 CLCULO LUMINOTCNICO

Ao se pensar em clculo luminotcnico, necessrio ter presente quatro critrios

principais, quais sejam: a) A quantidade de luz; b) O equilbrio da iluminao; c) O ofuscamento; d) A reproduo de cor. A cada um destes critrios deve ser dada a maior ateno, pois esto diretamente

relacionados com as necessidades visuais, conforto visual e, portanto, o bem estar humano.

Uma fonte de radiao emite ondas eletromagnticas. Elas possuem diferentes comprimentos, e o olho humano sensvel a somente alguns. Luz , portanto, a radiao eletromagntica capaz de produzir uma sensao visual (COSTA, 2006).

A sensibilidade visual para a luz varia no s de acordo com o comprimento de onda da radiao, mas tambm com a luminosidade. A curva de sensibilidade do olho humano demonstra que radiaes de menor comprimento de onda que so as cores violeta e azul, geram maior intensidade de sensao luminosa quando h pouca luz, enquanto as radiaes de maior comprimento de onda que so as cores laranja e vermelho se comportam ao contrrio. Este fenmeno se denomina Efeito Purkinje1.

Fluxo Luminoso a radiao total da fonte luminosa, entre os limites de comprimento de onda mencionados (380nm e 780 nm2).

Ao se iniciar um projeto luminotcnico deve se levantar opes preliminares, ou seja, escolher o tipo de iluminao mais adequada seja incandescente, fluorescente, o tipo de luminria seja direta ou semi-direta, sendo que estas opes envolvem aspectos de decorao e as atividades que sero desenvolvidas.

1 Fisiologista e histologista checoslovaco, Johannes Evangelista Purkinje. Foi autor do conhecido Efeito de

Purkinje, que descreve um fenmeno relacionado com a percepo dos objetos e a intensidade da luz. 2 Unidade de medida onde 1 nanmetro igual a 10-9 m.

Figura 3 Curva de sensibilidade do olho a radiaes monocromticas Fonte Manual Luminotcnico Prtico OSRAM

Basicamente existem trs mtodos para clculo luminotcnico: a) Mtodo dos Lumens ou Mtodo do Fluxo Luminoso; b) Mtodo Ponto por Ponto; c) Mtodo das cavidades zonais. O mtodo mais utilizado para sistemas de iluminao em edificaes o mtodo

dos Lumens, ou mtodo do Fluxo Luminoso, que consiste em determinar a quantidade de fluxo luminoso (lumens) necessrio para determinado recinto baseado no tipo de atividade desenvolvida, cores das paredes e teto e do tipo de lmpada-luminria escolhidos.

O mtodo ponto por ponto tambm chamado de mtodo das intensidades luminosas baseia-se nas leis de Lambert3 e utilizado quando as dimenses da fonte luminosa so muito pequenas em relao ao plano que deve ser iluminado. Consiste em determinar a iluminncia (lux) em qualquer ponto da superfcie, individualmente, para cada projetor cujo facho atinja o ponto considerado. O iluminamento total ser a soma dos iluminamentos proporcionados pelas unidades individuais.

Para Costa (2006) os projetos luminotcnicos tambm vm evoluindo com o passar do tempo. Projetos visando eficincia energtica dos sistemas de iluminao promoveram a substituio das lmpadas de vapor de sdio, utilizada nos postes pblicos de iluminao, por outras de vapor de mercrio, muito mais eficientes.

As lmpadas se diferenciam entre si no s pelos diferentes Fluxos Luminosos que elas irradiam, mas tambm pelas diferentes potncias que consomem. Para poder compar-las, necessrio que se saiba quantos lmens so gerados por Watt absorvido. A essa grandeza d-se o nome de Eficincia Energtica, antigo Rendimento Luminoso.

Eficincia Energtica a relao entre o fluxo luminoso e a potncia consumida. Portanto por um Watt consumido, uma lmpada incandescente standard clara produz de 10 a 15 lm/W4, uma fluorescente compacta DULUX, de 50 a 80 lm/W,e uma vapor de sdio NAV, de 80 a 140 lm/W.

A Figura 4 nos mostra a eficincia de alguns tipos de lmpadas.

3 Johann Heinrich Lambert foi um matemtico de origem francesa, radicado na Alemanha.

4 Lm/W unidade de medida da Eficincia Energtica

Figura 4 Eficincia Energtica com unidade em lmens / Watt Fonte: Manual Luminotcnco Prtico OSRAM

Na limitao de ofuscamento, duas formas podem gerar incmodos:

a) Ofuscamento direto, atravs de luz direcionada diretamente ao campo visual; b) Ofuscamento reflexivo, atravs da reflexo da luz no plano de trabalho,

direcionando-a para o campo visual.

Considerando que a luminncia da prpria luminria incmoda a partir de 200 cd/m5, o posicionamento e a Curva de Distribuio Luminosa devem ser tais que evitem prejudicar as atividades do usurio da iluminao.

Quanto mais elevada a exigncia visual da atividade, maior dever ser o valor da Iluminncia Mdia (Em) sobre o plano de trabalho. Deve-se consultar a norma NBR-5413 para definir o valor iluminncia pretendido.

5 Candela por metro quadrado (cd/m), Luminncia de uma fonte com um metro quadrado de rea e com

intensidade luminosa de 1 candela.

Deve-se considerar tambm que, como tempo de uso, se reduzo Fluxo Luminoso da lmpada devido tanto ao desgaste, quanto ao acmulo de poeira na luminria, resultando em uma diminuio da iluminncia (FILHO, 2002).

A Figura 5 mostra o ngulo necessrio para no haver prejuzos para tais atividades.

Um dos requisitos para o conforto visual a utilizao da iluminao para dar ao ambiente o aspecto desejado. Sensaes de aconchego ou estmulo podem ser provocadas quando se combinam a correta tonalidade de cor da fonte de luz ao nvel de iluminncia pretendido.

Segundo Filho (2002), estudos subjetivos afirmam que para iluminncias mais elevadas so requeridas lmpadas de temperatura de cor mais elevada tambm. Chegou-se a esta concluso baseando-se na prpria natureza, que ao reduzira luminosidade, reduz tambm sua temperatura de cor.

A iluso de que a tonalidade de cor mais clara ilumina mais, leva ao equvoco de que com as "lmpadas frias" precisa-se de menos luz.

A Figura 6 mostra a relao de conforto ambiental entre nveis de iluminncia e tonalidades de cores.

Figura 5 Limite do ngulo para evitar ofuscamento em planos de trabalhos Fonte: Manual Luminotcnco Prtico OSRAM

2.2 PLACAS FOTOVOLTAICAS PARA SISTEMAS DE ILUMINAO

Ao projetar uma instalao fotovoltaica, tem que se levar em considerao algumas medidas, que garantam o perfeito funcionamento dos mdulos para se evitar sua deteriorao.

Um sistema fotovoltaico precisa de mdulos fotovoltaicos ou placas fotovoltaicas, mais comumente conhecidas, tem por funo captar a radiao solar, transformando-a em energia eltrica, so constitudos por clulas semicondutoras que so responsveis pela gerao de corrente eltrica (COSTA, 2006).

As baterias tambm so parte essencial para esse sistema, pois so as responsveis pelo armazenamento da energia produzida. Elas so dimensionadas a depender da carga que ir ser instalada no sistema e da necessidade de horas que o sistema ficar em funcionamento.

O regulador de carga tem a funo impedir que a bateria se sobrecarregue. E por ltimo os inversores, que so os responsveis pela converso de corrente continua em corrente alternada, pois as placas fotovoltaicas geram apenas corrente continua e a maioria dos equipamentos utilizam corrente alternada (COSTA, 2006).

Figura 6 Relao de conforto ambiental entre nveis de iluminncia e tonalidades de cores Fonte Manual Luminotcnco Prtico OSRAM

2.2.1 Fatores de Dimensionamento

Para o dimensionamento dos painis, necessrio possuir o levantamento de carga, a radiao solar e as perdas no sistema. O sistema poder ter melhor aproveitamento quando feita uma boa captao de radiao solar. Alguns dos fatores so divididos por estaes do ano, A Tabela 1 mostra alguns desses fatores.

VERO (Dezembro) INVERNO (Junho) Z2 5.8 1.95 Z3 0.94 1.55 Z4 0.88 1.02

Onde:

Z2 h/dia de radiao; (de acordo com o perodo do ano); Z3 ngulo de inclinao da clula; Z4 Desvio da temperatura da clula;

a) Levantamento de Carga O levantamento deve considerar a potncia de cada carga, quantidade de cargas

do mesmo tipo e tambm o tempo que essas cargas ficaro ligadas durante o dia, assim obtendo a unidade de Wh/dia.

Essas informaes so necessrias, pois com o clculo da energia diria se pode obter a potncia necessria do sistema.

b) Radiao Solar A energia solar captada pelas clulas obtida atravs da intensidade de radiao

solar. Esta radiao varia com a movimentao do Sol em relao Terra. Conforme as estaes do ano se tm os dados de posicionamento do Sol e com este posicionamento se pode obter o nvel mdio de radiao no local.

A potncia apresentada nos painis fotovoltaicos referenciada em um nvel de radiao de 1000W/m2. Este valor pode ser maior ou menor dependendo da localizao geogrfica, conforme define Quinteros (2000). Apesar disto, pode-se definir um valor mdio para o nvel de radiao solar incidente normalmente sobre uma superfcie situada no topo da

Tabela 1 Fatores divididos por estaes do ano

Fonte: PRINCON, 2004

atmosfera. Dados recentes da WMO World Meteorological Organization6 indicam um valor mdio de 1367 W/m2 para a radiao extraterrestre (HERNNDEZ, 2004).

c) Fatores de correo O circuito completo de um gerador fotovoltaico necessita de vrios elementos que

so responsveis pela gerao. Por este motivo devemos considerar perdas de energia nas etapas de converses.

As perdas de converso so representadas pelo rendimento do sistema eltrico, fazendo com que estes valores variem a cada instalao. Para efeito de projeto admite-se um rendimento de 76% (HERNNDEZ, 2004).

d) ngulo de Inclinao A posio das placas solares definidas no projeto pode ser calculada pela

localizao da cidade, de acordo com a latitude. Esta caracterstica muito importante para que obtenha um bom resultado na captao de energia.

A posio correta do painel solar no hemisfrio sul voltada para norte com certa inclinao. Na prtica aconselha-se a fazer com que o painel no fique em uma inclinao menor que 15, assim dificultando o acmulo de sujeira.

A Figura 7 mostra como deve ser a inclinao dos painis solares.

6 Organizao Meteorolgica Mundial

Figura 7 Inclinao correta dos painis solares Fonte Manual Luminotcnco Prtico OSRAM

2.3 QUANTIDADE DE PLACAS FOTOVOLTAICAS E TIPOS DE BATERIAS

Com as frmulas obtidas, basta escolher a potncia dos painis de acordo com a disponibilidade do mercado. Deve-se fazer o processo de diviso para se obter a quantidade de painis responsveis pela gerao de energia.

A corrente disponvel na clula varia de forma proporcional intensidade de radiao. A tenso mantm-se praticamente constante. A Figura 8 mostra um grfico que faz referncia a essa variao.

As tarefas do acumulador de energia so basicamente duas no sistema de energia fotovoltaico;

a) Acumular energia para os perodos de pouca ou nenhuma radiao solar; b) Fornecer correntes mais elevadas carga que a corrente mxima produzida

pelos mdulos fotovoltaicos. Cargas como motores podem exigir correntes elevadas em perodos curtos de

tempo, na partida por exemplo. Dessa maneira, as clulas solares e o conjunto de baterias trabalham em conjunto para fornecer energia carga de forma mais constante ou tambm mais intensa do que a que poderia ser gerada exclusivamente pelo painel fotovoltaico. (PRINCON, 2004).

As baterias utilizadas em sistemas de energia fotovoltaica so as de chumbo-cido, e so definidas basicamente pela quantidade de energia, em Ah na tenso nominal, que capaz de armazenar. Essa energia depende da velocidade de descarga. A capacidade nominal expressa para uma descarga de 20 horas.

Exemplificando se tem o seguinte:

Figura 8 Variao de corrente com a tenso em relao a radiao solar Fonte Manual Luminotcnco Prtico OSRAM

Uma bateria de 60 Ah 12 V pode fornecer 60 Ah por 12 horas, ou seja, 5 A por hora durante 12 horas consecutivas com uma tenso de 12 V em seus terminais. Essa bateria, seria capaz de alimentar uma lmpada incandescente de 60 W por 12 horas, pois, multiplicando a tenso que ela fornece, 12 V, pela corrente que ela gera por hora, 5 A, dar uma potncia de 60 W (PRINCON, 2004).

Porm se o tempo de descarga for maior a bateria fornecer mais energia, ou seja, se uma bateria de 55 Ah com descarga em 20 horas pode atingir, por exemplo, 80 Ah com descarga em 100 horas.

Outro parmetro importante de uma bateria so os nmeros de ciclos de carga ou descarga em sua vida til. Valores tpicos so 2.500 ciclos com profundidade de descarga de 20% e 1200 ciclos de vida com profundidade de 50% (PRINCON, 2004).

2.4 EXEMPLO PRTICO DE UM SISTEMA FOTOVOLTAICO

O projeto a seguir se baseou nas normas NBR-5413 que se refere a projetos luminotecnicos, NBR-5410 para projetos em baixa tenso e NR-10 que uma norma regulamentadora para proteo fsica de pessoas, animais e equipamentos.

Neste projeto forma utilizadas lmpadas de LED alimentadas por placas fotovoltaicas, com o intuito de demonstrar a harmonia que estes dois sistemas, trabalhando em conjunto, pode proporcionar.

Para uma sala de aula com as dimenses de 6,50 m de largura por 9,30 m de comprimento, totalizando uma rea de 60,45m2 e levando em considerao que as luminrias esto instaladas a 1,70 m do plano de trabalho dessa sala, ou seja, as carteiras dos alunos.

De acordo com a NBR-5413 (ABNT, 1992) para uma sala de aula a quantidade de fluxo luminoso mnima necessria ser de 300 a 500 lm/m, porm nos clculos sero utilizados 300 lm/m.

Os LEDs escolhidos para esse projeto tm as seguintes especificaes: a) Lmpada tubular de teto de LED; b) Potncia de 20 W; c) Fator de potncia de 0,90; d) Eficincia luminosa de 100 Lm/W; e) Fluxo luminoso de 1.450 lumens; f) Tempo de hora de vida de 50.000 horas.

Para descobrir a quantidade necessria de lmpadas de LED para atingir a especificao da norma utilizou-se o fato de que para uma rea de 60,45 m seriam necessrios 18.135 lumens, pois 300 x 60,45 = 18.135 lumens.

Logo dividindo a quantidade de lumens encontrada (18.135 lumens) por 1.450 lumens que quantidade de uma nica lmpada, ser encontrado um total aproximado de 12 lmpadas.

Porm, cada lmpada consome 20 W de potncia, para um total de 12 lmpadas seriam necessrios 240 W de potncia. J para o inversor seria necessrio tambm incluir as suas perdas. Em um inversor de 700 W as perdas seriam de 20%, logo 140 W de potncia que ser somada ao total de potncia das lmpadas, totalizando 380 W. Esse ser o valor exigido pela carga do sistema de iluminao a LED.

Com esses dados se pode definir tambm qual a corrente que o sistema ir utilizar, fazendo a diviso de 380 W por 220 V, que ser a tenso de trabalho das lmpadas, que resulta em um total de 1,72 A. Como a sala funciona durante 4 horas, ento a carga ir utilizar 6,9 Ah aproximadamente 7,0 Ah.

Fazendo uma converso de 220 V, que as lmpadas necessitam para 12 V, que as baterias geram teremos 220 V por 12 V ser igual a 18.33, multiplicando esse valor encontrado por 1,72 A que a carga necessria do sistema, teremos 31,52 A e ainda multiplicando esse valor por 4 horas de funcionamento temos 126,08 Ah, valor esse que ser atribudo ao banco de baterias.

Contudo, para que as baterias no cheguem ao limite de descarga ou tecnicamente, sua tenso de corte, ser necessrio utilizar duas baterias de 100 Ah, totalizando 200 Ah.

Finalmente, para que se determine a quantidade de placas necessrias para suportar essa demanda, se deve saber qual o valor de corrente que ela produzir, apenas dividindo a potncia da placa por sua tenso gerada, 50 W por 12 V chegando assim a um total de 4,16 A, valores esses atribudos atravs dos modelos de placas utilizado no sistema. Tambm se deve considerar o tempo que essa placa ir levar para carregar esse banco de baterias, ento, para diminuir o tempo de carregamento da bateria utilizou-se duas placas.

O total de corrente gerada por essas duas placas chegou a 8,33 A, logo para saber qual o tempo que ir levar para carregar esse banco de bateria por completo basta dividir o valor do banco de bateria pelo total de corrente que o sistema gera, ou seja 200 Ah dividido por 8,33 Ah dando um total de 24 h, lembrando esse total de tempo pode ser reduzido aumentando a quantidade de placas.

3 CONCLUSO

Este artigo teve como objeto principal mostrar a importncia que um sistema de gerao fotovoltaica poder ter na gerao convencional de energia, podendo contribuir para a reduo do efeito estufa que tem como um dos principais causadores a queima de combustveis fosseis, inclusive para gerao de energia eltrica.

A necessidade da reduo do efeito estufa j um problema discutido por lideres do mundo inteiro, assim como a gerao de energia convencional, pois em muitos casos, para haver eletricidade necessrio a queimas de combustveis fosseis, logo, temas como gerao limpa de energia, tornou-se assunto principal em reunies mundiais.

Uma fonte inesgotvel de energia como o Sol no pode ser desprezada, porm a limitao em seu uso se torna um ponto fraco para seu investimento, contudo, utilizando-a para sistemas que necessitam de pouca energia pode se tornar vivel. Iluminao a LED, por exemplo, poderia se tornar um grande aliado para uso se sistemas fotovoltaicos, pois, para o funcionamento adequado da iluminao a LED so necessrios poucos Watts de potncia.

A exemplificao de um projeto luminotcnico a LED alimentado por placas fotovoltaicas apresentado neste trabalho, mostrou a possibilidade de se realizar iluminao com sistemas de baixo consumo, podendo assim, reduzir aos poucos a necessidade da energia convencional.

REFERNCIAS

MARTINS, FR, et all. O aproveitamento da Energia Elica- 2008. Revista Brasileira de Ensino de Fsica So Jos dos Campos SP - Artigo Cientfico Disponvel em: . Acessado em 24 de Maio de 2011.

DUTRA, Marques Ricardo. Propostas de Polticas Especficas para Energia Elica no Brasil aps a Primeira Fase do PROINFA. (TESE DOUTORADO). Rio de Janeiro, 2008.

MARCONDES Mnica, et all Panorama dos Investimentos em Energia Elica no Brasil e no Mundo Artigo Cientfico 2006. Disponvel em: . Acessado em 24 de Maio de 2011.

MME Ministrio de Minas e Energia. Braslia: MME, 2008. Disponvel em: . Acessado em 24 de Maio de 2011.

Agncia Nacional de Energia Eltrica. Atlas de Energia Eltrica do Brasil 2 ed. Braslia: ANEEL, 2005.

QUINTEROS, Andr Ricardo Aquecimento de gua por Energia Solar, SOLETROL. Aquecedores solares. 2000.

HERNNDEZ, Krenzinger, Anlise Experimental e Simulao de sistemas Hbridos e Elico-Fotovoltaicos, Tese de Doutorado, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS, 2004.

PRINCON - Energia Fotovoltaica Manual sobre tecnologias, projeto e instalao Portugal, 2004.

MALLMANN, A. P. Comunicao via e-mail. Ncleo Tecnolgico de Energia Solar (NT-SOLAR). Centro Brasileiro para Desenvolvimento de Energia Solar Fotovoltaica (CB-SOLAR). Abril 2008.

COSTA, Gilberto Jos Corra da. Iluminao econmica: clculo e avaliao / Gilberto Jos Corra da Costa 4. ed. Porto Alegre: EDICUCRS, 2006.

MAMEDE FILHO, Joo: Instalaes Eltricas Industriais 6 ed. 2002 Editora LTC.