THE 11th LATIN-AMERICAN CONGRESS ON ELECTRICITY GENERATION AND TRANSMISSION - CLAGTEE 2015
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Análise Comparativa entre Sistemas “Convencionais” de Iluminação e Sistemas a LED Marcos César Alves Castro, Eric Pinto de Oliveira, Guilherme da Silva Santos, Carminda Célia Moura de Moura Carvalho Abstract-- This paper presents a comparative analysis between fluorescent T5 lamps with high power factor electronic ballasts and tubular bulb LED lamps, both used in residential and commercial environments, considering power quality and efficiency parameters. In order to evaluate the impact of the lamps in power quality, the study compared parameters like active power, reactive power, power factor and harmonic distortion of current. The parameters of interest were obtained from a power quality analyzer. The measurements were carried out in the Laboratory of Electrical Installations of CEAMAZON (The Amazon Energy Efficiency Center) of Federal University of Para, Brazil. The analysis considered the INMETRO (Brazilian Institute of Metrology) rules to tests on lamps. The goal is to present a comparative analysis considering the referred lighting systems. Some cost analysis resulting from the retrofitting between “conventional” lighting systems using compact fluorescent lamps and LED systems in a residential consumer are already included. Index Terms-- Eficiência Energética, Lâmpada Fluorescente Tubular, Lâmpada LED, Qualidade da Energia Elétrica, Retrofitting.
I. INTRODUÇÃO
A
s lâmpadas elétricas geralmente são analisadas levandose em consideração aspectos como eficiência e quantidade de fluxo luminoso que este equipamento pode proporcionar, mas a verdade é que existem muitos outros aspectos a serem considerados nos estudos envolvendo a comparação entre diferentes sistemas de iluminação. As lâmpadas incandescentes, desde a sua invenção e até os dias de hoje, continuam utilizando o mesmo tipo de tecnologia para a produção do fluxo luminoso, ou seja, um filamento de tungstênio aquecido até a incandescência. Nesse tipo de lâmpada, a energia é consumida mais na forma de calor do que na forma de luz. As lâmpadas fluorescentes, que representam um segundo estágio na evolução da lâmpada elétrica, apresentam maior eficiência energética, gerando o fluxo luminoso a partir da Marcos César Alves Castro (e-mail:
[email protected]), Eric Pinto de Oliveira (e-mail:
[email protected]), Guilherme da Silva Santos (e-mail:
[email protected]) e Carminda Célia Moura de Moura Carvalho (e-mail:
[email protected]) são da Universidade Federal do Pará / Instituto de Tecnologia / CEAMAZON - Laboratório de Tecnologias Avançadas em Iluminação e Instalações Elétricas. Rua Augusto Correa, 1 - Guamá - CEP 66075-110 – Belém - PA - BRASIL
emissão de fótons de luz produzidos pelo choque de elétrons com uma mistura de gases. O último estágio de evolução da lâmpada iniciou com a utilização de componentes eletrônicos semicondutores, os quais produzem o fluxo luminoso devido ao movimento de elétrons dentro de um material semicondutor. Esse sistema é chamado de iluminação de estado sólido e utiliza diodos emissores de luz ou LED. Tanto as lâmpadas fluorescentes quanto as de LED se mostram melhores em relação à eficiência energética do que as antigas incandescentes. Porém, quando se considera aspectos de qualidade de energia elétrica, pode-se perceber que nem sempre eficiência e qualidade andam juntas. Qualidade de Energia Elétrica pode ser definida como a ausência relativa de variações de tensão provocadas pelo sistema da concessionária, particularmente a ausência de desligamentos, flutuações de tensão, surtos e harmônicos (este último pelo lado do cliente), medidos no ponto de entrega de energia (fronteira com as instalações da concessionária sob o ponto de vista do consumidor). Outros autores a conceituam como sendo qualquer problema manifestado na tensão, corrente ou frequência que resultará em falha ou operação inadequada em equipamentos de consumidores [1]. O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise comparativa entre lâmpadas tubulares fluorescentes e a LED. Para isso, foram utilizadas lâmpadas tubulares T5, que representam o que há de melhor em termos de tecnologia em lâmpadas fluorescentes, comparando o seu desempenho associado a parâmetros como potência, fator de potência e harmônicos, com o de lâmpadas tubulares a LED encontradas atualmente no mercado. É importante frisar que a preocupação com a eficiência energética tem aumentado substancialmente o uso de lâmpadas fluorescentes T5 ou a LED. Tais equipamentos, embora mais eficientes, causam distorções harmônicas na rede elétrica que, entre outros efeitos, podem levar ao aumento do consumo de energia das instalações [2]. A principal fonte de harmônicos em instalações elétricas são os conversores estáticos de potência empregados, por exemplo, no acionamento de motores com velocidade variável [3]. Existem também outras cargas não lineares que podem ser citadas, como fornos a arco e lâmpadas de descarga (lâmpadas fluorescentes, de sódio de alta pressão, multivapores metálicos, etc.). Qualquer outra carga que requeira corrente não senoidal do sistema será uma carga produtora de correntes
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harmônicas, como as lâmpadas a LED. Pôde-se perceber nos experimentos realizados que, assim como as lâmpadas de descarga, as lâmpadas a LED também apresentam elevados índices de distorção harmônica. Na tentativa de cativar o público para as lâmpadas LED, alguns fabricantes igualaram o formato destas com o das fluorescentes tubulares. Vale a pena lembrar que o formato da lâmpada a LED pode ser o mais variado possível devido a sua constituição em si. Em vez de utilizar filamentos metálicos que se desgastam, radiação ultravioleta, descarga de gases ou eletrodos com números limitados de partidas, o LED produz luz pelo movimento de elétrons e lacunas em um semicondutor, um material ou composto que permite certo fluxo de eletricidade. Os elétrons se movem através da junção PN do semicondutor, sendo que o lado P dessa junção contém essencialmente lacunas (ou falta de elétrons), enquanto o lado N contém essencialmente cargas negativas (excesso de elétrons). À medida que o LED é polarizado diretamente, os elétrons se movimentam em direção à junção PN e se recombinam com as lacunas, assim a luz é emitida. Esse fenômeno é conhecido como eletroluminescência, sendo a base de funcionamento de do LED [4]. A Fig.1 caracteriza o processo de funcionamento de um semicondutor.
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TABELA I. LÂMPADAS UTILIZADAS (DADOS DOS FABRICANTES) Fabricante Modelo Potência Tensão Corrente Lâmpada (W) (Volts) Nominal (mA) A Fluorescente T5 28 (2x14) 100 a 220 15 a 25 B Fluorescente T5 28 (2x14) 100 a 220 16 a 28 A LED T8 8,5 120/227 32 a 75 B Luminária LED 17 127/220 * C LED T8 12 127/220 65 * Não informado pelo fabricante TABELA II. LÂMPADAS UTILIZADAS (DADOS DOS FABRICANTES) Fabricante Fator de Reator Vida Útil Potência (FP) (hora) A 0,99 a 0,96 Eletrônico de alto FP 24.000 B 0,99 a 0,96 Eletrônico de alto FP 26.000 A >0,91 50.000 B * * C 0,6 30.000 * Não informado pelo fabricante
As medições foram realizadas em uma bancada didática de instalações em eletrotécnica industrial, no Laboratório de Tecnologias Avançadas em Iluminação e Instalações Elétricas do CEAMAZON (Centro de Excelência em Eficiência Energética da Amazônia), localizado nas dependências da Universidade Federal do Pará, em Belém. O equipamento utilizado para coleta de dados foi o analisador de qualidade classe A da HIOKI, Modelo 9624-50 PQA-HiVIEW PRO, ilustrado na Fig.2.
Fig. 1. Processo de emissão de luz no LED [5]
Por serem diodos distribuídos em conjunto e muito próximos uns dos outros, quase nem se percebe que a lâmpada a LED, na verdade, é um conjunto de diodos e não apenas um único filamento ou seguimento, como é proposto no mercado. II. METODOLOGIA A. Materiais Para a realização deste trabalho foram avaliados cinco modelos de lâmpadas, sendo duas de fluorescentes tubulares T5 (LFT) de 14W com Reator Eletrônico de Alto Fator de Potência e acionamento duplo (duas lâmpadas de 14W), uma luminária linear de sobrepor a LED de 17W e duas tubulares LED (LTL) T8, uma de 8,5W e a outra de 12W. Um resumo das características das amostras ensaiadas é apresentado nas Tabelas I e II.
Fig. 2. Analisador de Qualidade da HIOKI, Modelo 9624-50 PQA-HiVIEW PRO
B. Métodos Para avaliação do impacto das lâmpadas quanto à qualidade de energia elétrica, foram analisados os seguintes parâmetros: potência ativa e reativa, fator de potência, distorção harmônica total (DHT) na tensão (v) e corrente (i), além do espectro harmônico de corrente. Antes de se iniciar as medições com as lâmpadas, foi verificada a distorção da tensão de alimentação da bancada (DHTv), Fig. 3, onde se constatou que os níveis de distorção se mantiveram abaixo de 2%, conforme recomendado pelo módulo 8 do PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional) seção 8.1. E, apesar das cargas amostradas serem monofásicas e bifásicas, optou-se por medir as três fases que alimentam a bancada didática, a fim de que todas ficassem disponíveis para os testes.
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Fig. 3. Tendência dos valores de DHTv das três fases que alimentam a bancada.
3
Fig. 6. Contribuição das componentes harmônicas na corrente para a LFT T5 de 14W do fabricante B com reator eletrônico de alto FP.
Configurado para captação dos parâmetros desejados no intervalo escolhido de um minuto num período de uma hora, o analisador registrava 60 amostras para cada experimento realizado. Dentre os valores obtidos, para o espectro harmônico de corrente e de tensão foram calculados, de cada amostra, uma média aritmética dos 60 resultados a fim de encontrar um único valor para cada componente harmônico. Todas as medições foram feitas em 127 Volts. Na Fig. 4 é apresentada a realização de um experimento. Fig. 7. Contribuição das componentes harmônicas na corrente para a LTL T8 de 8,5W do fabricante A.
Fig. 4. Medições nas lâmpadas T5 de 14W do fabricante A
Fig. 8. Contribuição das componentes harmônicas na corrente para a Luminária LED de 17W do fabricante B.
III. RESULTADOS Nos gráficos correspondentes às Fig. 5 a 9 são apresentadas as contribuições harmônicas na corrente de cada lâmpada. No eixo “Y” tem-se o percentual em relação à fundamental e no eixo “X” a ordem do harmônico.
Fig. 9. Contribuição das componentes harmônicas na corrente para a LTL T8 de 12W do fabricante C.
Fig. 5. Contribuição dos componentes harmônicos na corrente para a LFT T5 de 14W do fabricante A com reator eletrônico de alto FP.
Em um segundo momento foi feita a análise com as tecnologias unificadas, ou seja, foram comparadas as potências ativa e reativa consumidas pelas LFT e as potências ativa e reativa consumidas pelas LFL, junto com a luminária LED. Os resultados são apresentados nas Fig. 10 a 13, onde no eixo “Y”
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tem-se a potência em VA ou Var e no eixo “X” as 60 medições feitas no intervalo de uma hora.
Fig. 14. Valores de DHTv nas LFT T5 para as medições das amostras. Fig. 10. Valores de Potência Ativa nas LFT T5 para as medições das amostras.
Fig. 15. Valores de DHTv nas LTL e Luminária a LED para as medições das amostras. Fig. 11. Valores de Potência Ativa nas LTL e Luminária a LED para as medições das amostras.
Fig. 16. Valores de DHTi nas LFT T5 para as medições das amostras. Fig. 12. Valores de Potência Reativa (Capacitiva) nas LFT T5 para as medições das amostras.
Fig. 17. Valores de DHTi nas LTL e Luminária a LED para as medições das amostras. Fig. 13. Valores de Potência Reativa (Capacitiva) nas LTL e Luminária a LED para as medições das amostras.
Finalmente, foi realizada a análise em torno da DHTi e da DHTv, assim como do fator de potência. Nas Fig. 14 a 17 o eixo “Y” representa o percentual do harmônico em relação à fundamental e o eixo “X” as 60 medições realizadas.
Nas Fig. 18 e 19, o eixo “Y” se torna uma grandeza adimensional para o fator de potência, para o intervalo de 0 a 1, e o eixo “X” representa as 60 medições realizadas.
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Fig. 18. Fator de Potência nas LFT T5 para as medições das amostras.
Fig. 19. Fator de Potência nas LTL e Luminária a LED para as medições das amostras.
Analisando-se os referidos parâmetros, constatou-se que apesar da tecnologia LED mostrar-se mais eficiente, uma das amostras estudadas desse tipo de lâmpada apresentou consideráveis índices de distorção harmônica de corrente. Caso fosse realizada a expansão para uma quantidade instalada elevada desta lâmpada tubular a LED em questão, a DHTi poderia alcançar valores alarmantes. De acordo com os resultados das medições apresentados, a utilização de lâmpadas fluorescentes tubulares T5 acionadas por reator eletrônico de alto fator de potência ainda encontrase como uma boa alternativa para projetos de sistemas de iluminação. Porém, o uso de LED em sistemas de iluminação contribui para a maior eficiência energética e longa vida útil do sistema, além de não depositar elementos químicos nocivos no meio ambiente. IV. ANÁLISE DE RETROFITTING Com o surgimento da tecnologia LED, um dos maiores questionamentos feitos é a respeito da viabilidade da substituição das lâmpadas mais usadas atualmente, que são as lâmpadas fluorescentes compactas, pelas lâmpadas LED. A fim de fazer essa verificação foi elaborada uma análise baseada em uma residência de 7 compartimentos. É de fácil percepção que as lâmpadas LED possuem um custo elevado de aquisição, porém um baixo consumo de energia elétrica, comparado às lâmpadas fluorescentes compactas. A fim de verificar o gasto de aquisição e o gasto com o consumo de energia desses dois tipos de lâmpadas (LED e fluorescente compacta) foram elaboradas duas análises com especificações semelhantes entre os tipos de lâmpadas (devido ao fato de que as lâmpadas LED devem ser comparadas às fluorescentes em relação ao fluxo luminoso, pois há casos de lugares em que a substituição não foi eficiente com relação a iluminação do
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local, tendo como vantagem o baixo consumo, porém uma baixa iluminação como consequência) [6]. Na residência de 7 cômodos considerada para a análise do retrofitting existe um ponto de luz com lâmpada fluorescente compacta em cada compartimento. Para o estudo, supõe-se que as lâmpadas são usadas, em média, 4h por dia, o que corresponde, por ano, a 1460h de uso para cada lâmpada; também foi considerado que cada uma dessas lâmpadas possui um fluxo luminoso médio de 1400 lúmens. Na primeira análise foram confrontados 3 diferentes fabricantes de lâmpadas, sendo dois fabricantes de lâmpadas fluorescentes compactas e um fabricante de lâmpada LED. Todas as lâmpadas possuem fluxo luminoso equivalente ao das lâmpadas presentes na residência de referência. É apresentado na Tabela III, para cada fabricante, o número de lâmpadas e as suas respectivas potências, podendo-se verificar a potência total associada a cada projeto (observa-se que o fluxo luminoso das lâmpadas é bem semelhante). Nessa tabela também são apresentados os preços de aquisição unitário das lâmpadas, bem como o valor total de aquisição das 7 lâmpadas do projeto. TABELA III CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS LÂMPADAS E VALORES DE AQUISIÇÃO PARA O PROJETO
Lâmpada
LED
Fluorescente compacta
Fluorescente compacta
Fabricante
A
B
C
Quantidade de lâmpadas Potência da lâmpada (W) Potência total do projeto (W)
7
7
7
14
23
24
98
161
168
Fluxo luminoso (lm)
1400
1430
1460
Custo da unidade
R$60,00
R$13,34
R$11,12
Custo total
R$420,00
R$93,38
R$77,84
Vida mediana (h)
15000
8000
6000
Fator de multiplicação (N)
1
1,875
2,5
Valor total para 15000 h (R$)
R$420,00
R$175,09
R$194,60
Foi adotado como referência o tempo de vida de 15000h, e como as lâmpadas não possuem os mesmos valores de vida útil, foi feito um cálculo para determinar um número pelo qual se deve multiplicar a vida mediana das outras lâmpadas para que se obtenha o valor de 15000h [7]. Esse fator de multiplicação, que foi chamado de N, é obtido a partir da relação entre as 15000h de referência e o valor da vida útil da lâmpada em questão (Vidamediana), como mostrado em (1). N
15000 Vidamediana
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A partir dos fatores de multiplicação pôde-se encontrar o valor total gasto por um cliente para uma duração equivalente de 15000h das 7 lâmpadas. Para calcular esse valor, multiplica-se o fator de multiplicação (N) pelo preço de aquisição das 7 lâmpadas, obtendo-se o valor a ser gasto com a aquisição das lâmpadas para durarem as 15000h. Todos os valores calculados estão presentes na Tabela III. Após o cálculo do custo de aquisição das lâmpadas, foi verificado o valor a ser pago pelo cliente com o consumo de energia para cada tipo de lâmpada presente no projeto. Na Tabela IV são mostrados esses valores. TABELA IV CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS LÂMPADAS E VALORES DO GASTO COM O CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
Lâmpada
LED
Fluorescente compacta
Fluorescente compacta
Fabricante
A
B
C
Quantidade de lâmpadas
7
7
7
Potência da lâmpada (W)
14
23
24
Potência total do projeto (W)
98
161
168
1460
1460
1460
Horas de consumo por lâmpada em um ano Potência total consumida em um ano (kWh)
6
de calcular em quanto tempo o consumidor teria seu retorno financeiro. Para se elaborar as retas é necessário lembrar que a equação da reta é no formato apresentado em (2):
2
y at b
Onde o “y” é o preço a ser pago, “a” é o coeficiente angular, “b” é o coeficiente linear e “t” é a variável em horas. Dessa forma, o coeficiente linear é o próprio preço de aquisição das lâmpadas e para que possa ser obtido o coeficiente angular “a” será usada a informação que se tem a respeito do preço para 15000h, ou seja, será substituído o valor de “t” por 15000h e “y” é o preço que aponta a planilha para 15000h. Com os valores de “y”, “t” e ”b” conhecidos, fica fácil de encontrar o valor de “a” a partir de (3):
a
y b t
3
Os parâmetros da reta, baseadas nesse cálculo, para cada fabricante estão dispostos na tabela V. TABELA V EQUAÇÕES QUE DESCREVEM AS RETAS DE TENDÊNCIA DO GASTO EM RELAÇÃO AO TEMPO PARA CADA TIPO DE LÂMPADA
143,08
235,06
245,28
Lâmpada
Fabricante
Coeficiente angular
Coeficiente linear
Equação da reta
Preço do KWh
R$ 0,49425
R$ 0,49425
R$ 0,49425
LED
A
0,0484365
420
y = 0,0484365t + 420
Custo da energia por ano
R$ 70,72
R$ 116,18
R$ 121,23
Fluorescente compacta
B
0,0792925
175,088
y = 0,0792925t + 175,09
Custo da energia para 15000h
R$ 726,55
R$ 1.193,61
R$ 1.245,51
Fluorescente compacta
C
0,08274
194,6
y = 0,08274t + 194,60
Custo total para 15000h
R$ 1.146,55
R$ 1.368,70
R$ 1.440,11
Os valores apresentados na Tabela IV foram obtidos com base na suposição feita anteriormente de que cada lâmpada fica ligada, em média, 4h por dia (1460h por ano). Então, o valor em kWh gasto por ano é dado pela multiplicação da potência total do projeto pelo número de horas de consumo por ano. Como preço atual do kWh da concessionária local é de R$0,49425 [8], multiplicando-se o valor do kWh gasto por ano pelo preço do kWh tem-se o valor a ser pago com o consumo de energia em um ano. Do mesmo modo, também foi feito o cálculo do consumo de energia para o número de horas de referência (15000h), conforme apresentado na Tabela IV. Nesta tabela também se encontra o resultado do custo total para as 15000h, que é resultado da soma dos valores de aquisição para 15000h (obtidos na Tabela III) com os valores de consumo de energia para 15000h. A partir desses resultados é possível confrontar o gasto associado à lâmpada LED com o das lâmpadas fluorescentes compactas. Se for traçada uma reta para cada fabricante será possível verificar onde o gasto se iguala, a fim
Com essas informações é possível plotar as retas e verificar onde o valor do consumo se iguala. A reta da lâmpada LED do Fabricante A foi confrontada primeiramente com a reta da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante B (chamada de FLC 2). Essas retas foram plotadas conforme Fig. 20:
Fig. 20. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos em relação ao tempo, da lâmpada LED e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante B (para a primeira análise).
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É possível notar pela Fig. 20 que a reta da lâmpada LED tem a inclinação menor que a da lâmpada fluorescente compacta, isso indica que ao longo do tempo o gasto com a LED é menor que a FLC 2. Através dessas retas é possível perceber que para t = 7865,45h o custo delas se iguala, ou seja, para o tempo acima desse número de horas o valor pago inicialmente pela LED é suprido com o consumo. Portanto, fazendo a mesma estimativa inicial de que as lâmpadas serão usadas 4h por dia (1460h por ano), então as 7865,45h são equivalentes a aproximadamente 5 anos e meio. Isso quer dizer que somente após esse período de tempo é que o cliente terá o retorno financeiro associado ao seu investimento. Fazendo-se a comparação entre a lâmpada LED do Fabricante A e a lâmpada fluorescente compacta do Fabricante C (chamada de FLC 3) foram obtidas as retas mostradas na Fig. 21:
7
TABELA VI CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS LÂMPADAS E VALORES DE AQUISIÇÃO PARA O PROJETO
Lâmpada
LED
Fluorescente compacta
Fluorescente compacta
Fluorescente compacta
Fabricante
A
B
C
D
Quantidade de lâmpadas
7
7
7
7
Potência da lâmpada (W)
11
18
18
20
Potência total (W)
77
126
126
140
Fluxo luminoso (lm)
1065
1110
1100
1240
Custo da unidade
45,00
11,78
10,00
10,67
Custo total
R$ 315,00
R$ 82,46
R$ 70,00
R$ 74,69
Vida mediana (h)
15000
8000
6000
8000
Fator de multiplicação (N)
1
1,875
2,5
1,875
Valor total para 15000 h (R$)
R$ 315,00
R$ 154,61
R$ 175,00
R$ 140,04
TABELA VII CARACTERÍSTICAS GERAIS DAS LÂMPADAS E VALORES DO GASTO COM O CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA
Fig. 21. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos em relação ao tempo, da lâmpada LED e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante C (para a primeira análise).
Também é possível observar pela Fig. 21 que a inclinação da lâmpada LED é menor que a da LFC 3. Através dessas retas é possível comparar e ver que o custo delas se iguala em t = 6514,92h, ou seja, a partir desse número de horas o valor pago inicialmente pela LED é compensado devido ao seu baixo consumo de energia. Portanto, fazendo a mesma estimativa inicial de que as lâmpadas serão usadas 4h por dia (1460h por ano), então as 6514,92h são equivalentes a aproximadamente 4 anos e meio. Isso quer dizer que somente após esse período de tempo é que o cliente terá o retorno financeiro associado ao investimento em lâmpadas LED. Considerando-se a mesma residência, foi feita uma segunda análise de modo semelhante à primeira análise. No entanto, para essa nova análise o fluxo luminoso das lâmpadas é em torno de 1100lm e também foram considerados 4 fabricantes, sendo apenas um deles de lâmpada LED com fluxo luminoso semelhante ao das demais lâmpadas. Foram repetidos os mesmos passos da primeira análise, com os resultados obtidos apresentados nas Tabelas VI e VII.
Fluorescente Fluorescente Fluorescente compacta compacta compacta
Lâmpada
LED
Fabricante
A
B
C
D
Quantidade de lâmpadas
7
7
7
7
Potência da lâmpada (W)
11
18
18
20
77
126
126
140
1460
1460
1460
1460
112,42
183,96
183,96
204,40
Preço do Kwh
R$ 0,49425
R$ 0,49425
R$ 0,49425
R$ 0,49425
Custo da energia por ano
R$ 55,56
R$ 90,92
R$ 90,92
R$ 101,02
Custo da energia para 15000h
R$ 570,86
R$ 934,13
R$ 934,13
R$ 1.037,93
Custo total para 15000h
R$ 885,86
R$ 1.088,75
R$ 1.109,13
R$ 1.177,97
Potência total do projeto (W) Horas de consumo por lâmpada em um ano Potência consumida em um ano (kwh)
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Também foi feita uma tabela com as funções de tendência do valor gasto em relação ao tempo (Tabela VIII): TABELA VIII EQUAÇÕES QUE DESCREVEM AS RETAS DE TENDÊNCIA DO GASTO EM RELAÇÃO AO TEMPO PARA CADA TIPO DE LÂMPADA
Lâmpada
Fabricante
Coeficiente angular
Coeficiente linear
Equação da reta
LED
A
0,03806
315
y = 0,03805725t + 315
Fluorescente compacta
B
0,06206
154,6125
y = 0,062055t + 154,61
Fluorescente compacta
C
0,06206
175
y = 0,062055t + 175
Fluorescente compacta
D
0,06895
140,04375
y = 0,06895t + 140,04
Com essas informações foi possível plotar as retas e verificar onde o valor do consumo se iguala. A reta da lâmpada LED do Fabricante A foi comparada com a da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante B (chamada de FLC 2). Essas retas foram plotadas conforme Fig. 22:
Fig. 23. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos em relação ao tempo, da lâmpada LED e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante C (para a segunda análise).
Através dessas retas é possível comparar e ver que o custo delas se iguala para t = 5780,76h e, baseado na mesma condição das 1460h anuais, as 5780,76h são equivalentes a aproximadamente 4 anos, que é o tempo necessário para se obter o retorno financeiro. Da mesma maneira foi plotado também o gráfico comparativo para as retas da lâmpada LED do Fabricante A e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante D (chamada de FLC 4), conforme mostrado na Fig. 24:
Fig. 22. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos em relação ao tempo, da lâmpada LED e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante B (para a segunda análise).
É possível notar pela Fig. 22 que, como era de se esperar, a reta da lâmpada LED uma inclinação menor que a da lâmpada fluorescente compacta. Através dessas retas foi observado que para t = 6622,59h o custo delas se iguala e fazendo a mesma estimativa inicial de que as lâmpadas serão usadas 4h por dia (1460h por ano), pôde-se obter que as 6622,59h são equivalentes a aproximadamente 4 anos e meio. Plotando também as retas para fazer a comparação entre a lâmpada LED do Fabricante A e a lâmpada fluorescente compacta do Fabricante C (chamada de FLC 3), obteve-se a Fig. 23:
Fig. 24. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos em relação ao tempo, da lâmpada LED e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante D (para a segunda análise).
Comparando as retas obtidas é possível verificar que o custo delas se iguala para t = 5618,78h e, para a mesma base das 1460h anuais, as 5618,78h são equivalentes a aproximadamente 4 anos.
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Estima-se que o custo da lâmpada LED esteja diminuindo 50% a cada ano [9], então foi refeita a análise 1 considerandose, desta vez, o preço das lâmpadas LED reduzido pela metade. A partir daí foram obtidos novos gráficos com retas de tendências com valor inicial menor, o que certamente diminuirá o tempo em que o consumidor terá o seu retorno financeiro. Para a repetição da primeira análise (com custo da lâmpada LED reduzido em 50%) foram obtidos os gráficos apresentados nas Fig. 25 e 26:
Fig. 25. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos com relação ao tempo, da lâmpada LED (com custo de aquisição reduzido pela metade) e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante B (para a primeira análise).
Fig. 26. Comparação entre as retas dos valores a serem pagos com relação ao tempo, da lâmpada LED (com custo de aquisição reduzido pela metade) e da lâmpada fluorescente compacta do Fabricante C (para a primeira análise).
Como foi possível observar, o tempo em que o consumidor terá seu retorno financeiro foi reduzido. Na Fig. 25, o tempo para o qual o valor a ser pago se iguala é em t = 1121,22h, o que corresponde a aproximadamente 9 meses (dado que cada lâmpada é usada 1460h por ano). Já na Fig. 26, o tempo é de t = 445,11h, correspondendo a 3 meses e meio. Na análise apresentada para a Fig. 20, era tido um retorno financeiro em cerca de 5 anos e meio. Na mesma análise, porém com metade do preço de aquisição, esse valor é de 9 meses, o que
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corresponde a uma diminuição de 86% do tempo de retorno financeiro. V. CONCLUSÕES Este artigo apresentou algumas características básicas das tecnologias fluorescentes empregadas, em grande parte, em sistemas de iluminação residencial e comercial, bem como da tecnologia LED, que em outros tempos era mais restrita a aplicações de sinalização e aparece atualmente como uma alternativa de aplicação em sistemas de iluminação residencial e comercial. Além disso, devido ao seu exponencial crescimento tecnológico a curto e médio prazo, vem ganhando espaço frente às demais fontes de iluminação artificial existentes. Foi mostrada a contribuição do LED como fonte de iluminação para eficiência energética e conservação de energia, uma vez que a necessidade de aumento da eficiência energética de dispositivos de iluminação, somada à procura por soluções com alto fator de potência, tem contribuído para a busca por soluções utilizando LED. Durante a análise pôde-se constatar que as lâmpadas tubulares a LED e a luminária a LED mantiveram seus valores demandados de potência bem próximos dos valores nominais declarados pelos seus fabricantes, diferente das outras tecnologias de lâmpadas tubulares, cujas potências sempre se mostraram acima do valor nominal declarado, conforme Fig. 10, devido à potência requerida pelo reator. Para os testes das lâmpadas tubulares a LED utilizou-se os mesmos conectores das lâmpadas fluorescentes tradicionais, ou seja, além de boa eficiência e longa vida útil, esse tipo de lâmpada (a LED) apresenta-se como uma boa alternativa de substituição. Embora essa tecnologia ainda necessite de evolução, principalmente no que se refere à padronização de sua fabricação, melhoria de algumas características técnicas e custo inicial, seu futuro mostra-se bastante promissor, pois a popularização desta tecnologia tenderá a reduzir ainda mais seu custo de fabricação, tornando-a mais competitiva. Dessa forma, essa tecnologia pode apresentar-se mais vantajosa como promotora de eficiência energética e qualidade de energia nos sistemas de iluminação. Quanto ao retrofitting, foi possível comprovar que as lâmpadas LED consomem menos energia elétrica, no entanto o seu preço de aquisição ainda é elevado, mesmo assim ao longo do tempo esse valor pago é suprido. O preço de aquisição das lâmpadas LED tende a diminuir com o passar do tempo e com isso diminui também o tempo em que o consumidor terá seu retorno financeiro. Ainda há o fato de que as lâmpadas LED duram mais do que as florescentes compactas, logo o preço de manutenção é menor. Se for confirmada a tendência de redução estimada para o custo das lâmpadas a LED em 50% ao ano, haverá uma diminuição de 86% em relação ao tempo em que o cliente alcançará o retorno financeiro. Logo, pode-se concluir que em pouco tempo a tecnologia LED dominará o mercado e com isso o custo com o consumo de energia será reduzido. Por fim, pode se dizer que atualmente o investimento em
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lâmpadas a LED é um investimento de longo prazo, no entanto se o preço diminuir como se espera, o retorno será de curto prazo. VI. REFERÊNCIAS [1] I. A. Pires. “Conceitos Iniciais: Qualidade de Energia e Harmônicos”. Capítulo I. Revista O Setor Elétrico, janeiro de 2010. [2] Souza, Luiz Felipe Wilcox de & Ross, Ricardo Penido. “Algumas Experiências Relevantes em Monitoração e Análise de Qualidade de Energia Elétrica-Harmônicos”. Revista Eletricidade Moderna, v. 365, p. 184-195, 2004. [3] Dias, Guilherme Alfredo Dentzien. Harmônicas em Sistemas Industriais. Porto Alegre, 2002. [4] Gois, Alexandre. LEDs na Iluminação Arquitetural, 2008. [5] Brancacci, J. LED – Nova Fronteira Tecnológica da Iluminação. Hórus energia. 6º Congresso Brasileiro de Eficiência Energética, 2009. Disponível em: . Acessado em 17/06/2014. [6] Kawasaki, Juliana Iwashita. “Precauções no retrofit com Leds”. Revista O Setor Elétrico, Edição 65, junho 2011. [7] Babireski, Daiane dos Santos e Teixiera, Mateus Duarte. "Análise comparativa da eficiência energética de Lâmpadas LED e Fluorescentes aplicadas a ambientes internos". Revista Lumière Electric, Edição 200, ano 16, p. 100-109, dezembro 2014. [8]
ANEEL, Tarifas Residenciais Vigentes. . 16/06/2015.
Disponível Acessado
em: em
[9] G1, Lâmpadas mais usadas no país deixam de ser produzidas em julho. Disponível em:. Acessado em 16/06/2015
VII. BIOGRAFIAS Marcos César Alves Castro nasceu em Belém do Pará em 1988. Fez curso Técnico em Eletrotécnica no Instituto Federal do Pará. Atualmente é estudante de graduação do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará. É bolsista de iniciação científica, desenvolvendo pesquisa associada a qualidade da energia, eficiência energética e modernização dos sistemas de iluminação com o uso da tecnologia led.
Eric Pinto de Oliveira nasceu em Belém do Pará em 1994. É estudante de graduação do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará. É bolsista de iniciação científica, desenvolvendo pesquisa associada a qualidade da energia, eficiência energética e análise de custos associados à substituição dos sistemas de iluminação convencionais por sistemas a LED.
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Guilherme da Silva Santos nasceu em Belém do Pará em 1992. É estudante de graduação do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Pará. É bolsista de iniciação científica, desenvolvendo pesquisa associada a qualidade da energia, eficiência energética e análise dos sistemas de iluminação utilizados em ambientes residenciais e comerciais considerando aspectos de eficiência e qualidade de energia. Carminda Célia Moura de Moura Carvalho nasceu em Belém-PA-Brasil em 1970. Graduou-se em Engenharia Elétrica pela Universidade Federal do Pará em 1993. Concluiu o Mestrado e o Doutorado em Engenharia Elétrica pela mesma Universidade em 1996 e 2006, respectivamente. É professora Associada da Universidade Federal do Pará. Suas linhas de interesse são qualidade da energia, operação de sistemas e processos industriais.
