luminotecnia – métodos de avaliação · iii resumo a luminotecnia, enquanto área que estuda a...

Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

Luminotecnia

Tiago Samuel de Almeida Pereira Ribeiro

Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Orientador: Professora Doutora Maria Teresa Costa Pereira da Silva Ponce de Leão

i


Luminotecnia – Métodos de avaliação

Tiago Samuel de Almeida Pereira Ribeiro

VERSÃO FINAL

Dissertação realizada no âmbito do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Major Energia


Fevereiro de 2010


Métodos de avaliação

Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores


ii

© Tiago Ribeiro, 2010

iii

Resumo

A luminotecnia, enquanto área que estuda a iluminação artificial, tem uma importância

grande dentro dos sistemas de energia na medida em que cerca de 20 % do consumo mundial de

electricidade é destinado a esse fim. Nesse sentido, torna-se pertinente fazer um estudo dos

meios de produção de iluminação tendo em vista a redução do consumo de energia dedicado

para este efeito. Para esse desiderato é particularmente importante a nova tecnologia de

iluminação de estado sólido feita com os díodos emissores de luz ou Led.

Este trabalho vai pois focar-se na compreensão das principais formas de iluminação do

ponto de vista da sua tecnologia de base e procurar compará-las tendo em conta os critérios mais

relevantes.

Assim, irá ser estudada a viabilidade da aplicação de técnicas de análise de ciclo de vida no

contexto da iluminação. Para isso será apresentado o standard internacional de Avaliação de

Ciclo de Vida, como o método de apuramento de impactes ambientais associados aos produtos

desde o seu fabrico até ao seu final de vida e destruição.

Finalmente, irão ser estudados os principais indicadores que deverão presidir a uma escolha

consciente da tecnologia de iluminação. Irá ser feita uma separação entre aplicações exteriores e

interiores, com a identificação das práticas mais usuais para avaliar em que medida a introdução

de iluminação Led se justifica com base nos indicadores estudados.

Por fim realizar-se-á um caso de estudo para aplicação prática destes conhecimentos.

v

Abstract

Lighting has a great importance in today’s energy system since it represents close to 20 %

of worldwide electricity consumption. It becomes important to do a study of lighting production

techniques as a way of reducing the energy costs associated with general lighting. In that

regard it is particularly important the new technology of solid state lighting with light emitting

diodes.

This work will therefore focus on the comprehension of the different technologies and

compare them with the use of the most relevant criteria.

It will be studied the viability for the application of life cycle tools for the lighting products.

For that it will be presented the Life Cycle Assessment as the international standard for

evaluation of environmental burdens associated with products since manufacturing until

disposal.

Finally it will be studied the main aspects which should be taken into account when

deciding for a lighting production technique. It will be made a distinction between indoor and

outdoor lighting and identified the most usual scenarios and accessing how the introduction of

light emitting diodes would be of value.

In the end it will be presented a study case for application of these concepts.

vii

Agradecimentos

• À minha família e amigos.

• À professora Teresa Ponce de Leão pela orientação neste trabalho.

• Ao Dr. Paulo Partidário do LNEG pelas valiosas informações e esclarecimentos.

• A todos as restantes pessoas que tiveram a gentileza de me prestar informações

valiosas para a execução deste trabalho.

• A todos os professores e colegas que me acompanharam no meu percurso

académico.

ix

Índice

Resumo .......................................................................................................................................................iii

Abstract ....................................................................................................................................................... v

Agradecimentos ........................................................................................................................................ vii

Índice .......................................................................................................................................................... ix

Lista de figuras ......................................................................................................................................... xii

Abreviaturas ............................................................................................................................................. xv

Capítulo 1 .................................................................................................................................................... 1

Introdução ................................................................................................................................................... 1

1.1 Caracterização do tema ............................................................................................................... 1

1.2 Objectivos do trabalho ................................................................................................................ 2

1.3 Estrutura do trabalho ................................................................................................................... 4

Capítulo 2 .................................................................................................................................................... 5

A Iluminação ............................................................................................................................................... 5

2.1 Perspectiva Histórica .................................................................................................................. 5

2.2 Luz e Radiação Electromagnética ............................................................................................... 6

2.2 Principais Grandezas e Parâmetros ............................................................................................. 8

2.4 Qualidade da luz ....................................................................................................................... 14

2.4 Comentários .............................................................................................................................. 17

Capítulo 3 .................................................................................................................................................. 18

Tecnologias de Iluminação – Estado da Arte ......................................................................................... 18

3.1 Introdução ................................................................................................................................. 18

x

3.2 Incandescência .......................................................................................................................... 18

3.2.1 Lâmpada de incandescência normal .................................................................................... 18

3.2.2 Lâmpada de halogéneo ........................................................................................................ 21

3.2.3 Lâmpada de incandescência reflectora ................................................................................ 22

3.3 Descarga eléctrica em gases ...................................................................................................... 22

3.3.1 Luminescência em gases e vapores metálicos ..................................................................... 23

3.3.2 Lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão ................................................................... 26

3.3.3 Lâmpadas de luz mista ........................................................................................................ 28

3.3.4 Lâmpada de vapor de mercúrio com iodetos metálicos ....................................................... 29

3.3.5 Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão ......................................................................... 30

3.3.6 Lâmpada fluorescente .......................................................................................................... 31

3.3.7 Lâmpada fluorescente compacta .......................................................................................... 33

3.3.8 Lâmpada vapor de sódio a baixa pressão ............................................................................. 34

3.4 Iluminação de estado sólido (díodos emissores de luz – Led) .................................................. 34

3.4.1 Constituição e princípio de funcionamento. ........................................................................ 35

3.4.2 Características da luz ........................................................................................................... 39

3.4.3 Led - Notas finais ................................................................................................................ 42

3.5 Comentários .............................................................................................................................. 42

Capítulo 4 .................................................................................................................................................. 44

Análise de Ciclo de vida ........................................................................................................................... 44

4.1 Generalidades, metodologias e normas ..................................................................................... 44

4.2 Aplicação à iluminação ............................................................................................................. 46

4.3 Estudo de ciclo de vida ............................................................................................................. 47

4.4 Comentários .............................................................................................................................. 51

Capítulo 5 .................................................................................................................................................. 53

Aplicações da tecnologia .......................................................................................................................... 53

5.1 Introdução ................................................................................................................................. 53

5.2 Iluminação interior .................................................................................................................... 53

5.3 Iluminação exterior ................................................................................................................... 56

5.4 Indicadores para avaliação ........................................................................................................ 57

xi

5.5 Comentários .............................................................................................................................. 63

Capítulo 6 .................................................................................................................................................. 65

Caso de estudo .......................................................................................................................................... 65

6.1 Introdução ................................................................................................................................. 65

6.2 Aplicação de tecnologia Led à iluminação pública ................................................................... 66

6.3 Caso prático .............................................................................................................................. 72

6.3.1 Cenário 1 - Substituição com iluminação Led. ........................................................................ 76

6.3.2 Cenário 2 – Implementação de raiz. ......................................................................................... 79

6.4 Análise de resultados ................................................................................................................ 81

6.5 Comentários .............................................................................................................................. 82

Capítulo 7 .................................................................................................................................................. 83

Conclusões ................................................................................................................................................. 83

Referências ................................................................................................................................................ 87

xii

Lista de figuras

Figura 1.1 – Distribuição relativa da iluminação a nível mundial segundo categoria de uso. ..................... 2

Figura 1.2 – Iluminação - distribuição por tipo de tecnologia e sector de aplicação [2]. ............................ 3

Figura 2.1 – Espectro Electromagnético...................................................................................................... 7

Figura 2.2 – Curva de sensibilidade do olho humano à radiação em função do comprimento de onda �(�)

[6]. ................................................................................................................................................................ 8

Figura 2.3 – Ângulo sólido. ......................................................................................................................... 9

Figura 2.4 – Intensidade luminosa de uma fonte de luz em função do seu ângulo sólido. ........................ 10

Figura 2.5 – Triângulo de cores CIE e escala de temperaturas de cor. ...................................................... 12

Figura 3.1 – Constituição de lâmpada de incandescência. ........................................................................ 19

Figura 3.2 – Ciclo de halogéneo regenerativo. .......................................................................................... 21

Figura 3.3 – Montagem para descarga eléctrica num gás [5]. ................................................................... 24

Figura 3.4 – Curva de corrente eléctrica em função da tensão num tubo de descarga [5]. ........................ 24

Figura 3.5 – Constituição da lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão. ............................................. 27

Figura 3.6 – Constituição da lâmpada de vapor de sódio a alta pressão. ................................................... 30

Figura 3.7 – Constituição da lâmpada fluorescente. .................................................................................. 31

Figura 3.8 – Emissão de luz num Led. ...................................................................................................... 36

Figura 3.9 – Espectro da radiação Led [14]............................................................................................... 36

Figura 3.10 – produção de luz branca com Led´s pelo método RGB. ....................................................... 38

Figura 3.11 – Produção de luz branca em Leds com camada fosforescente. ............................................. 38

Figura 3.12 – Constituição de uma lâmpada Led [11]. .............................................................................. 39

Figura 3.13 – Tempo de vida esperado em função da temperatura do ponto-T [18]. ................................ 41

Figura 3.14 – Depreciação de fluxo luminoso em Led, em função do tempo de funcionamento para várias

temperaturas ambientes [18]. ...................................................................................................................... 41

Figura 4.1 – Enquadramento de um LCA [21]. ......................................................................................... 45

Figura 4.2 – Etapas constituintes do ciclo de vida de uma lâmpada.......................................................... 48

xiii

Figura 5.1 – Evolução do custo da luz [27]. .............................................................................................. 58

Figura 5.2 – Rendimentos Luminosos para várias fontes de luz. .............................................................. 59

Figura 6.1 – Iluminação pública com luminária VSAP e luminária Led. .................................................. 66

Figura 6.2 – Eficácia luminosa nas regioões mesópica e estocópica. ........................................................ 67

Figura 6.3 – Lâmpada emitindo fluxo em todas as direcções. ................................................................... 70

Figura 6.4 – Distribuição do fluxo luminoso de uma luminária de iluminação pública [30]. ................... 71

Figura 6.5 – Planta Auto-Cad da Rede de iluminação Pública. ................................................................. 72

Figura 6.6 – Rua 1 ..................................................................................................................................... 73

Figura 6.7 – Rua 2 ..................................................................................................................................... 73

Figura 6.8 – Rua 3 ..................................................................................................................................... 74

Figura 6.9 – Rua 4 ..................................................................................................................................... 74

Figura 6.10 – Valor anual líquido entre os dois investimentos (cenário 1). .............................................. 78

Figura 6.11 – Valor anual líquido entre os dois investimentos (cenário 2). .............................................. 80

xiv

Lista de tabelas

Tabela 2.1 – Tonalidade da luz em função da sua temperatura de cor ...................................................... 12

Tabela 2.2 – Nível de iluminância recomendado para algumas tarefas. .................................................... 15

Tabela 3.1 – Fluxos e rendimentos luminosos típicos para lâmpadas incandescentes............................... 20

Tabela 3.2 – Materiais constituintes da camada semicondutora para diferentes tipos de Led [14]. .......... 37

Tabela 6.1- Rácio S/P para vários tipos de lâmpada [29]. ......................................................................... 69

Tabela 6.2 – Eficácia luminosa de Leds a várias temperaturas de cor na região fotópica e mesópica [30].

.................................................................................................................................................................... 70

Tabela 6.3 – Dados em avaliação para cenário 1. ...................................................................................... 76

Tabela 6.4 – Fluxos financeiros para cenário 1. ........................................................................................ 77

Tabela 6.5 – Fluxos financeiros anuais actualizados (cenário 1). .............................................................. 78

Tabela 6.6 – Dados em avaliação para cenário 2. ...................................................................................... 79

Tabela 6.7 – Fluxos financeiros para cenário 2. ........................................................................................ 79

Tabela 6.8 – Fluxos financeiros anuais actualizados (cenário 2). .............................................................. 80

xv

Abreviaturas

CFL Compact Fluorescent Lamp.

CIE Commission International de l’Eclairage.

IRC Índice de restituição de cores.

ISO International Organization for Standardization.

LCA Life Cycle Assessment.

LED Light emitting diodes.

VMAP Vapor de mercúrio de alta pressão.

VSAP Vapor de sódio de alta pressão.

VSBP Vapor de sódio de baixa pressão.

UGR Unified Glare Rating.

1

Capítulo 1

Introdução

1.1 Caracterização do tema

Este trabalho é realizado no âmbito das tecnologias de iluminação artificial. Tem como objectivo fazer um estudo abrangente do ponto de vista da investigação científica que é responsável por novos desenvolvimentos, bem como a aplicação prática dessas descobertas. Assim, pretende-se fazer uma abordagem às principais soluções praticadas nesta área e relacioná-las, por um lado com os novos desenvolvimentos técnicos e a forma como estes poderão ser integrados às necessidades de iluminação de hoje, e por outro com as crescentes considerações a nível ambiental, e consequentes restrições legislativas, que urgem a adopção de meios cada vez mais eficientes e causadores de menores impactes ambientais.

Actualmente a iluminação representa aproximadamente 20% do consumo mundial de electricidade a que corresponde aproximadamente 2651 terawatt-hora por ano, e previsões apontam para que até 2030 a quantidade de energia usada para este fim possa aumentar cerca de 80%. Mas a iluminação não é apenas conseguida com recurso à energia eléctrica, havendo ainda diversos meios de iluminação alimentados directamente por outras fontes de energia como gasolina, gasóleo, etc. De facto, dados do ano 2005 indicam que mais de um quarto da população mundial usa ainda meios de iluminação alimentados por querosene dado não terem acesso a redes de electricidade [1] e [2].

Com base neste cenário torna-se necessário considerar as actuais práticas e avaliá-las em função dos novos desenvolvimentos tecnológicos para identificar estratégias que permitam reduzir desde já o peso energético associado com a iluminação.

Em concreto podem-se distinguir duas vertentes essenciais sobre as quais se pode actuar com vista a uma utilização mais racional dos recursos luminosos. Por um lado constata-se que em muitas situações há um uso desproporcionado da iluminação, sendo aplicada em lugares sem que a presença de pessoas o justifique, ou devido a projectos antigos, desactualizados ou mal dimensionados cuja revisão torna-se importante ser feita. Por outro lado, verifica-se que já existem actualmente os meios tecnológicos que permitem um uso substancialmente mais eficiente do recurso luminoso e cuja implementação trará grandes proveitos a nível económico e ambiental [2].

Tendo em conta as novas legislações aprovadas sobre o sector da iluminação, nomadamente a proibição gradual do uso de lâmpadas de incandescência e da progressiva diminuição dos meios de iluminação com conteúdoavaliar a implementação de nova práticas que respondam a estas exigências

1.2 Objectivos do trabalho

O objectivo deste trabalho é fazer a avaliação das fontes de diferentes necessidades.

Podem distinguir-se essencialmente quatro áreas distintasgeneralidade das aplicações de iluminação que são a área dos serviços, uso residencial, uso industrial, e a iluminação exterior

Figura 1.1 – Distribuição relativa da

As necessidades de iluminação são hoje em dia atendidas com recurso essencialmente às seguintes tecnologias:

• Incandescência – A produção meio da elevação de temperatura de um corpo. Estas normalmente com recurso à passagem de corrente eléctrica por um objecto metálico, e constituiu, de entre as principais tecnologantiga e conhecida de iluminação. Os principais produtos que usam esta tecnologia são as lâmpadas de incandescência e de halogéneo

• Descargas eléctricas em gases energia a nível atómico dos corposem gases e vapores metálicos

28%

16%

2

Tendo em conta as novas legislações aprovadas sobre o sector da iluminação, nomadamente a proibição gradual do uso de lâmpadas de incandescência e da progressiva diminuição dos

de iluminação com conteúdos de mercúrio e outros elementos tóxicos, tornaavaliar a implementação de nova práticas que respondam a estas exigências [3]

Objectivos do trabalho

O objectivo deste trabalho é fazer a avaliação das fontes de iluminação e da sua adequação a

se essencialmente quatro áreas distintas (figura 1.1) que contemplam a generalidade das aplicações de iluminação que são a área dos serviços, uso residencial, uso

exterior [4].

Distribuição relativa da iluminação a nível mundial segundo categoria de uso.

As necessidades de iluminação são hoje em dia atendidas com recurso essencialmente às

A produção de luz é obtida através da emissão de radiações por meio da elevação de temperatura de um corpo. Estas radiações normalmente com recurso à passagem de corrente eléctrica por um objecto metálico, e constituiu, de entre as principais tecnologias em uso actualmenteantiga e conhecida de iluminação. Os principais produtos que usam esta tecnologia são as lâmpadas de incandescência e de halogéneo [5].

Descargas eléctricas em gases – As radiações emitidas resultam de variações de rgia a nível atómico dos corpos produzidas habitualmente pela descarga eléctrica

e vapores metálicos. São radiações que não dependem da temperatura dos

48%

8%

16%

Serviços

Iluminação Exterior

Residencial

Industria

Tendo em conta as novas legislações aprovadas sobre o sector da iluminação, nomadamente a proibição gradual do uso de lâmpadas de incandescência e da progressiva diminuição dos

torna-se necessário [3].

iluminação e da sua adequação a

que contemplam a generalidade das aplicações de iluminação que são a área dos serviços, uso residencial, uso

iluminação a nível mundial segundo categoria de uso.

As necessidades de iluminação são hoje em dia atendidas com recurso essencialmente às

através da emissão de radiações por radiações são conseguidas

normalmente com recurso à passagem de corrente eléctrica por um objecto metálico, em uso actualmente, a forma mais

antiga e conhecida de iluminação. Os principais produtos que usam esta tecnologia

As radiações emitidas resultam de variações de produzidas habitualmente pela descarga eléctrica

. São radiações que não dependem da temperatura dos

Iluminação Exterior

Residencial

Industria

3

corpos, mas fundamentalmente da estrutura interna dos elementos químicos constituintes sendo denominadas de radiações luminescentes. As lâmpadas de vapor de sódio, vapor de mercúrio, fluorescentes são exemplos de equipamentos que usam esta tecnologia [5].

Estas tecnologias estão totalmente desenvolvidas e largamente disseminadas nas diversas aplicações de iluminação artificial (figura 1.2).

Figura 1.2 – Iluminação - distribuição por tipo de tecnologia e sector de aplicação [2].

Actualmente, verifica-se que em resultado das investigações científicas e desenvolvimento tecnológico existem novos meios de iluminação capazes de responder às necessidades. Fala-se em concreto da iluminação de estado sólido feita com recurso a materiais semicondutores, mais especificamente os díodos emissores de luz (Led – Light emitting diodes). Pretende-se então avaliar estes meios de iluminação artificial, estudando as suas características técnicas, e fazendo uma análise comparativa através dos indicadores mais pertinentes, nomeadamente a nível de eficiência energética, custo, e adequação às tarefas. É com base nestes indicadores que será realizado um caso de estudo concreto para a implementação de iluminação Led.

Será feito também um estudo relacionado com o desenvolvimento sustentável da tecnologia, especialmente tendo em linha de conta a iluminação Led, e a necessidade de avaliar os impactes ambientais decorrentes da sua produção e utilização. Para esse efeito irá estudar-se a possibilidade da execução de um estudo de avaliação de ciclo de vida.

4

1.3 Estrutura do trabalho

Este documento encontra-se organizado num total de sete capítulos, dos quais este é o primeiro onde se faz a caracterização do trabalho.

No capítulo dois começa-se por fazer uma abordagem histórica sobre a iluminação artificial

desde o seu aparecimento como necessidade básica para o homem, até se tornar numa disciplina científica, e as várias invenções que foram ocorrendo ao longo dos anos. Seguidamente são apresentados os principais conceitos associados à iluminação, e as grandezas e parâmetros de interesse, cujo conhecimento é necessário para fazer a caracterização das tecnologias. Estas, por sua vez, são apresentadas no capítulo três onde é feita a descrição do estado da arte das fontes de luz, em especial das mais importantes, nomeadamente as lâmpadas de incandescência, de descarga e os díodos emissores de luz.

No capítulo quatro é abordada a problemática do desenvolvimento sustentável da tecnologia

tendo em conta os progressos feitos no âmbito da iluminação de estado sólido com os díodos emissores de luz. Será apresentada a avaliação de ciclo de vida (Life Cycle Assessment) como um método estandardizado e reconhecido internacionalmente para avaliar os impactes ambientais associados ao ciclo de vida de um produto, serviço ou processo. Seguidamente é definida a utilidade da aplicação deste método no contexto da iluminação, as vantagens e conclusões que dessa aplicação podem resultar, e uma aplicação parcial de um estudo de ciclo de vida, bem como os factores que limitam a possibilidade da sua execução completa num trabalho de carácter académico como este.

O capítulo cinco tratará mais uma vez com especial atenção a tecnologia Led, desta vez

numa vertente mais prática, do ponto de vista de aplicações concretas para se poder fazer uma comparação de desempenho com as outras tecnologias. Será realizada uma distinção entre iluminação interior e exterior para identificar situações em que a aplicação dos díodos emissores de luz tem utilidade. Nesse sentido, será feita uma comparação de parâmetros característicos e a eleição dos principais indicadores que servem para avaliar a utilidade e o mérito das várias opções.

Com base neste trabalho, o capítulo seis consistirá na realização de um caso estudo de aplicação de Leds em iluminação pública.

O capítulo sete final apresenta as principais conclusões do trabalho desenvolvido, indicando

possivelmente linhas de acção para a melhoria das práticas na área da iluminação. Também serão indicadas as dificuldades encontradas no decorrer desta dissertação e as

principais limitações do seu resultado final.

5

Capítulo 2

A Iluminação

2.1 Perspectiva Histórica

A iluminação artificial data de há milhares de anos desde que o Homem descobriu e aprendeu a controlar o fogo usando-o para se aquecer, cozinhar, protecção contra animais e finalmente para iluminação. De facto, a iluminação constitui uma das necessidades básicas para o Homem que desde cedo procurou arranjar formas de poder imitar as fontes de luz naturais e conseguir desenvolver actividades independentes destas.

Da descoberta do fogo ter-se-ão criado as primeiras formas de iluminação portáteis como tochas a partir de troncos de árvores. A partir daí foram criadas as primeiras lâmpadas primitivas com recurso a óleo e gorduras vegetais e animais, seguindo-se a criação das velas e da lâmpada a óleo.

É já a partir do século dezoito que consideráveis progressos são feitos desenvolvendo a lâmpada a óleo com a descoberta de matérias-primas mais adequadas para o combustível e novas aplicações sendo usadas na indústria, marinha, iluminação pública e de veículos, etc. Foi o início da era da tecnologia da iluminação [6].

O próximo grande desenvolvimento foi dado com a criação de iluminação por meios alternativos à chama sendo usados corpos sólidos incandescentes. Destacam-se a invenção da lâmpada incandescente, com o conhecido contributo de Thomas Edison, e da camisa de gás em finais do século 19.

Seguiu-se a produção de lâmpadas incandescentes com filamentos metálicos sendo usados inicialmente o ósmio e o tentálio, para finalmente em 1903 ser apresentada a primeira lâmpada funcional incandescente com filamento de tungsténio, começando a sua produção comercial em 1907 com o contributo de conhecidas companhias como a Philips e a Siemens. Consideráveis progressos foram paulatinamente sendo feitos nesta tecnologia ao longo de todo o século vinte [6].

Paralelamente foram feitas investigações relativas à produção de luz como resultado da descarga eléctrica em gases e vapores metálicos sendo já em pleno século vinte que são

6

produzidas as primeiras lâmpadas de vapor de mercúrio e vapor de sódio às quais se seguiram as lâmpadas fluorescentes.

A tecnologia mais recente é a da produção de luz através da passagem de corrente eléctrica em semicondutores sendo os LED (díodos emissores de luz) o grande passo tecnológico. Grandes progressos foram realizados desde a segunda metade do século vinte para que hoje se assuma como a potencial e mais promissora forma de iluminação do futuro.

O enorme desenvolvimento que ocorreu nos últimos dois séculos nas formas de produção de

luz artificial levou à criação de uma disciplina científica e tecnológica que se dedicasse ao estudo destes assuntos. Foi em 1880 que, no resultado da criação da lâmpada de incandescência, Werner Von Siemens referiu o termo “Tecnologia da Iluminação” pela primeira vez. A base científica para este termo está nas medições quantitativas de luz, ou seja na fotometria, que remonta a cerca de 1760 com a publicação de trabalhos de Pierre Bouguer e Johann Heinrich Lambert sobre a comparação da luminosidade entre diversas fontes de luz. Estes e outros estudos levaram, por exemplo à construção do fotómetro, aparelho capaz de medir a intensidade da luz [6].

Com o avanço da investigação surgiu a preocupação de encontrar os parâmetros que permitissem dominar esta ciência e definir grandezas convenientes, como por exemplo um padrão de luz reproduzível. Este e outros assuntos foram pois sendo discutidos em diversos encontros e congressos, e paralelamente foram sendo criadas várias associações de iluminação sendo a mais conhecida e influente a Comissão Internacional de Iluminação (CIE – Commission International de l’Eclairage) fundada em 1900 [7].

A disponibilidade cada vez maior de fontes de luz, e o aumento dos níveis de eficiência e de luminosidade, levaram a que progressivamente a iluminação viesse a ser encarada como um bem essencial aumentando assim a dependência da sociedade face a esta comodidade. Como tal, tornou-se necessário que cada vez mais atenção seja dada às aplicações concretas de iluminação e também aos efeitos que esta tem nos seus utilizadores. Actualmente a tecnologia de iluminação ou Luminotecnia é uma área científica muito diversificada que engloba não só as vertentes técnicas, nomeadamente de Engenharia, e Engenharia Electrotécnica em particular, mas também outras áreas importantes como as ligadas à medicina e saúde ou ainda arquitectura, economia, etc.

2.2 Luz e Radiação Electromagnética

A radiação Electromagnética é uma forma de energia composta por uma componente de campo eléctrico e outra de campo magnético que se propagam simultaneamente no espaço. Trata-se de um fenómeno físico complexo que se encontra estudado e descrito essencialmente através de duas teorias distintas.

A primeira teoria é a de Maxwell que descreve a radiação electromagnética como um fenómeno de natureza ondulatória em que as suas diferentes propriedades são dependentes do comprimento de onda da radiação.

A outra teoria foi formulada por Planck e é denominada teoria quântica. Esta refere que todas as formas de radiação consistem em pequenas quantidades indivisíveis de energia designadas por quanta, de tal forma que diferentes tipos de radiação consistirão em quantas de nível de energia diferente.

7

Ambas as teorias fornecem uma explicação perfeita para partes distintas da radiação electromagnética. A teoria de Maxwell explica as leis da propagação da luz, sendo a teoria quântica adequada para explica a forma como a radiação é emitida e absorvida. Dessa forma tornou-se impossível escolher uma teoria principal que regule os fenómenos físicos associados à radiação, o que foi em parte conseguido por De Broglie e Heisenberg que publicou em 1927 uma equação matemática que indica o grau de impossibilidade em observar simultaneamente a radiação na sua natureza ondular e de partícula, naquela que ficou conhecida como a teoria unificada ou princípio da incerteza de Heisenberg [6].

A radiação electromagnética envolve então um conjunto alargado de fenómenos que podem portanto ser definidos pelo seu comprimento de onda. Diferentes comprimentos de onda referem-se portanto a diferentes regiões do espectro electromagnético como mostrado na figura 2.1.

Figura 2.1 – Espectro Electromagnético.

A luz consiste então em radiação electromagnética com um comprimento de onda tal que pode ser percepcionada pelo olho humano. O espectro visível situa-se entre os comprimentos de onda de 380 a 780 nanómetros [5].

Para comprimentos de onda superiores a este limite situam-se as radiações infravermelhas que se caracterizam pela emissão de calor sensível ao ser humano. Seguindo ainda mais no sentido crescente dos comprimentos de onda do espectro encontram-se as ondas de radar, seguindo-se as ondas de televisão e rádio FM e AM, e finalmente as ondas largas associadas com os geradores de corrente alternada e transformadores por exemplo de centrais eléctricas.

Com comprimentos de onda inferiores aos 380 nanómetros existem as radiações ultravioletas emitidas por exemplo pelo sol e que provocam bronzeamento da pele ou outros efeitos mais nocivos. Para ainda menores comprimentos de onda situam-se os raios X, capazes de penetrar os corpos, seguindo-se a perigosa radiação gama e os raios cósmicos [6].

As radiações visíveis situam-se portanto numa porção muito limitada do espectro

electromagnético. Para diferentes comprimentos de onda dentro desse limite é possível

8

distinguir diversas regiões que se manifestam através da maior ou menor sensibilidade para o olho humano, e se traduzem na percepção das diferentes cores. O espectro visível, normalmente designado como luz branca, é composto por uma combinação desses diferentes comprimentos de onda, ou seja das várias cores. Uma fonte de luz emite portanto radiação com comprimentos de onda no espectro visível podendo também conter radiação infravermelha e ultravioleta.

2.2 Principais Grandezas e Parâmetros

Nesta secção apresentam-se as grandezas e os parâmetros que permitem avaliar a iluminação em geral, e mais concretamente os diversos tipos de lâmpadas que serão apresentadas no próximo capítulo.

Inicialmente serão apresentadas as seguintes grandezas fundamentais: fluxo luminoso, intensidade luminosa, iluminância e luminância. Seguidamente definem-se alguns dos principais parâmetros luminotécnicos usados para comparação das fontes de iluminação como o rendimento luminoso, temperatura de cor, índice de restituição de cores e duração de vida.

O processo de quantificação das radiações electromagnéticas é geralmente feito com base

em medidas relacionadas com grandezas tradicionais como a potência ou energia. Para o caso particular da radiação visível existe um conjunto específico de grandezas porque, para além de levar em conta as quantidades de energia presentes na radiação, devem ser considerados os efeitos que esta tem no olho humano.

Como já foi referido, a luz é apenas a pequena porção de todo o espectro electromagnético que consegue ser percepcionada pelo olho humano e está compreendida para comprimentos de onda entre os 380 e os 780 nanómetros [5]. Mas nem toda essa radiação produz a mesma luminosidade. A figura 2.2 mostra a curva de sensibilidade ocular ao espectro electromagnético em função do comprimento de onda �(�), verificando-se que a sensibilidade é máxima (=1) para a radiação na região verde com um comprimento de onda aproximado de 555 nanómetros. Com base nisso seria possível definir uma unidade de medida correspondente ao watt luminoso, que equivaleria à radiação de 1 Watt a um comprimento de onda de 555 nm, pelo que para diferentes comprimentos de onda, ter-se-ia de afectar esse valor por um factor dado pela curva de sensibilidade [6].

Figura 2.2 – Curva de sensibilidade do olho humano à radiação em função do comprimento de onda �(�) [6].

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No entanto, a unidade adoptada resultou de um conceito anterior que caracteriza a intensidade luminosa emitida por uma fonte de luz numa dada direcção. Assim, definiu-se que uma fonte de luz emitindo uma candela de intensidade luminosa em todas as direcções produz uma conhecida quantidade de luz por segundo, ou seja um lúmen. Este tornou-se então o padrão generalizado de medida de luz.

Definem-se então as seguintes grandezas. Fluxo luminoso O fluxo luminoso (Φ) é a quantidade total de luz emitida por segundo por uma fonte

luminosa e a sua unidade é o lúmen (lm). É a energia radiada por segundo sob a forma de luz em função da sensibilidade do olho humano. Uma radiação de 1 watt com comprimento de onda de 555 nm, ou seja um watt luminoso, corresponde a um fluxo luminoso de 683 lúmen que corresponde portanto à máxima eficácia luminosa espectral perceptível pelo olho humano [5].

Intensidade luminosa. A intensidade luminosa (I) é a concentração de luz emitida por segundo numa determinada

direcção e a sua unidade é a candela (cd). É definida pelo fluxo luminoso emitido por uma fonte de luz numa dada direcção por unidade de ângulo sólido.

Um ângulo sólido (�) define-se como o quociente entre a área abraçada por uma esfera com centro no vértice do ângulo e o quadrado do raio dessa esfera, e a unidade é o esferoradiano (sr). Considere-se uma esfera (figura 2.3) de raio r com o seu centro coincidente com o vértice de um cone. Então, a área S da superfície da esfera abrangida pelo cone é proporcional ao ângulo sólido do cone � = �/.

Figura 2.3 – Ângulo sólido.

Como a área total da superfície de uma esfera vale 4�, o maior ângulo sólido possível, que abrange toda essa superfície, terá o valor � = 4�.

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Para se perceber a aplicação do conceito de ângulo sólido à iluminação atente-se na seguinte figura:

Figura 2.4 – Intensidade luminosa de uma fonte de luz em função do seu ângulo sólido.

Uma fonte de luz não deverá em geral emitir um fluxo luminoso constante em todas as direcções mas, considerando um cone suficientemente estreito com o seu vértice situado na fonte de luz, pode-se considerar que o fluxo luminoso emitido nesse cone é uniforme. A concentração desse fluxo no cone dividido pela abertura do cone, expressa por meio do seu ângulo sólido �, indica a intensidade luminosa � = /�.

É um conceito fundamental em iluminação já que graças a ele se tem a possibilidade de definir as aplicações práticas das diferentes fontes luminosas ao serem expressas em função das direcções de interesse a serem iluminadas, ao passo que outras têm mesmo de ser evitadas para, por exemplo evitar o encandeamento [8].

A unidade de Intensidade Luminosa candela é a unidade fundamental da fotometria, e é a partir desta que são derivadas as restantes unidades. Era inicialmente definida como a sexagésima parte da luminosidade emitida pela superfície de 1 cm2 de um corpo negro. A definição mais recente de candela remonta a 1979 correspondendo à intensidade luminosa numa direcção específica de uma fonte emitindo radiação monocromática de frequência 540 ∙ 1012 Hertz (555nm), e em que a intensidade de radiação nessa direcção é de 1/683 watt por esferoradiano.

Iluminância A iluminância (E), também por vezes referida como iluminação, é a quantidade de luz ou

fluxo luminoso ( ) recebido por unidade de área iluminada (S). � = /�, e a sua unidade é o lux ou lúmen por metro quadrado. É uma unidade base para a luminotecnia e é normalmente muito usada para fazer alusão ao nível de iluminação necessário para as diversas aplicações. Alguns valores de iluminância típicos são os seguintes:

100000 lux, para um dia limpo de sol. 1000 lux, para um escritório de trabalho. 30 lux, para iluminação artificial de via pública. Luminância A Luminância (L) especifica a intensidade luminosa emitida por unidade de área numa

determinada direcção. É definida como o quociente entre a intensidade luminosa emitida por uma fonte sobre uma superfície pela área aparente dessa superfície (� = �/��), e é medida em candela por metro quadrado (cd/m2). A área aparente corresponde à área projectada num plano perpendicular à direcção de observação.

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Como se verá esta grandeza é particularmente importante porque se relaciona mais directamente com aquilo que é captado pelo olho humano uma vez que corresponde a uma característica dos objectos ao serem iluminados.

As quatro definições apresentadas (fluxo luminoso, intensidade luminosa, luminância,

iluminância) constituem as grandezas fundamentais da luminotecnia sendo normalmente á custa destas que são projectadas as aplicações práticas de iluminação e existem relações conhecidas entre elas que são úteis nessas aplicações.

Para além destas grandezas existem alguns parâmetros adicionais que são igualmente importantes, particularmente na avaliação das características das diferentes fontes de iluminação que vão ser apresentadas no capítulo seguinte. Como tal é feita em seguida a apresentação e explicação destes parâmetros.

Rendimento luminoso O rendimento luminoso é definido como o quociente do fluxo luminoso emitido por um

fonte de iluminação e a sua potência eléctrica absorvida. É expresso em lúmen por watt (lm/W). Este é o principal parâmetro de medida da eficácia energética de uma fonte de iluminação, uma vez que avalia a proporção de energia que efectivamente é convertida em luz. De facto, como se irá ver, todos os processos de produção de luz acarretam, de uma maneira ou outra, perdas de energia. Essas perdas significam pois transformações de energia eléctrica em outras formas de energia que não a Luz como sejam a radiação ultravioleta ou infravermelha ou perdas de calor por condução ou convecção [5].

Obviamente que o rendimento luminoso, sendo definido à custa do fluxo luminoso, é dependente da sensibilidade do olho humano à radiação emitida, ou seja, mesmo a energia que é convertida em radiação de comprimento de onda perceptível pelo olho humano causa diferentes níveis de sensação, e como tal o rendimento luminoso relaciona-se directamente com a curva de sensibilidade espectral da figura 2.2. Como já foi visto a máxima percepção visual ocorre para um comprimento de onda de 555 nanómetros. Então uma radiação de 1 Watt com este comprimento de onda produz um fluxo luminoso de 683 lúmen pelo que o rendimento luminoso teórico máximo é de 683 lm/W. Na prática contudo os valores são bastante inferiores devido aos processos de funcionamento das diversas lâmpadas e às perdas de energia associadas.

Finalmente interessa salientar que o rendimento luminoso pode ser referido à lâmpada, luminária ou todo o sistema produtor de luz, uma vez que, como se irá ver, alguns tipos de lâmpadas necessitam de aparelhagem auxiliar para o seu funcionamento e portanto os valores de rendimento luminoso devem-se referir ao processo integral de produção de luz de uma determinada tecnologia luminotecnica.

Temperatura de cor A temperatura de cor é uma característica da luz que indica a cor aparente de luz emitida e

vem expressa em graus Kelvin. Ela é determinada através da escala de temperatura de cores inserida no triângulo de cores (figura 2.5) da CIE (Comissão de Iluminação Internacional) que é um sistema de classificação de cores. Essa escala, designada como curva de corpo negro ou de Planck, resulta da comparação com a temperatura de cor de um corpo negro ideal.

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Um corpo negro é um conceito físico derivado da propriedade de emissão de radiações dos corpos quando aquecidos. Assim um corpo que, quando aquecido acima de uma determinada temperatura, emita energia em todo o espectro até ao valor máximo teórico de acordo com a sua temperatura é um emissor térmico perfeito. É também um objecto capaz de absorver toda a radiação sobre ele emitida o que significa que nenhuma radiação o atravessa ou é reflectida. Assim, a temperaturas tão baixas que não seja possível a emissão de radiação visível ele terá um aspecto perfeitamente negro, daí a sua designação de corpo negro radiador [5].

Figura 2.5 – Triângulo de cores CIE e escala de temperaturas de cor.

Se uma fonte de luz tiver uma distribuição espectral semelhante à do corpo negro, como

acontece com as fontes térmicas (e.g. lâmpadas de incandescência), ele terá a sua localização no triângulo de cores na curva de corpo negro ou muito próxima desta. Para outras fontes, como as lâmpadas fluorescentes, com uma distribuição espectral diferente existem linhas isotérmicas que permitem calcular a sua temperatura de cor desde que não estejam demasiado afastadas da linha de corpo negro [6].

As temperaturas de cor da luz emitida por uma fonte luminosa têm uma relação próxima com a sua aparência e que é apresentada na tabela seguinte:

Tabela 2.1 – Tonalidade da luz em função da sua temperatura de cor

Temperatura de cor

(ºK) Tonalidade

<3300 Branco Quente

>3330 e <5000 Branco Neutro

>5000 Branco Frio

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Índice de restituição de cores. O índice de restituição de cores (IRC) é a propriedade das fontes de iluminação que indica a

sua capacidade de restituir correctamente as cores de um objecto ou superfície. Assim, sobre diferentes formas de iluminação, um mesmo objecto pode ter aparências distintas como por exemplo, uma tonalidade branca quando iluminado por uma lâmpada fluorescente ou mais amarelada por uma lâmpada de incandescência.

O IRC é expresso numa escala de 0 a 100 em que o valor maior corresponde à máxima restituição possível. A determinação do IRC é feita através de um método publicado em 1965 pela CIE que consiste no uso de uma amostra de 8 cores, ou mais em métodos mais recentes, de teste em que se avalia quão correctamente essas cores são reproduzidas pela fonte de luz em comparação com uma fonte padrão como o corpo negro. O valor final do índice de restituição de cores, frequentemente referido como Ra, é dado pela média dos oito valores de teste Ri[6].

�� = � �� ∙ 18�

��

Tempo de vida. Este parâmetro refere-se ao tempo de funcionamento de uma lâmpada até deixar de poder

operar nas suas condições normais. É impossível de uma forma geral prever a duração de uma lâmpada individual pois isso depende de um grande número de factores como as tensões e correntes de funcionamento, temperatura ambiente, condições de operação, etc. Contudo, existem formas de estimar o tempo médio de vida de um conjunto de lâmpadas através de testes e medições em determinadas condições.

O indicador mais usual relacionado com o tempo de vida útil é a duração de vida média que é definida como o tempo após o qual 50% de um número significativo de lâmpadas deixa de emitir fluxo luminoso. Para além deste indicador, os fabricantes podem definir outros valores de referência como um tempo de vida mínimo ou a depreciação de lúmen emitido ao longo do seu tempo de funcionamento.

Em todo o caso, a análise da duração de funcionamento de uma lâmpada varia grandemente com a tecnologia de iluminação em questão, já que as causas de falha são muito diversas, pelo que os parâmetros adequados serão usados na descrição das diversas tecnologias no capítulo seguinte.

Finalmente é importante referir que a curva de sensibilidade apresentada, e portanto as

grandezas e parâmetros que daí resultam, referem-se ao funcionamento do olho humano no modo de visão fotópica. Com efeito, o olho humano tem a capacidade de se adaptar às condições de iluminação existentes havendo pois partes específicas deste a funcionar consoante o nível de iluminação.

Assim, para níveis de luminância mais elevados, normalmente acima dos 10 cd/m2, o olho funciona no modo de visão fotópica ou visão diurna que se caracteriza pelo funcionamento dos cones oculares existentes principalmente no centro da retina. É nesta situação que a maioria das aplicações luminotécnicas irá trabalhar e é para níveis de iluminâncias entre os 500 e os 2000 lux, que compreende a maioria das tarefas de trabalho, que são realizadas a generalidade das investigações relativas ao funcionamento do olho humano. Como tal, é com base na curva de

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sensibilidade espectral fotópica, ou seja com as grandezas fotométricas, que se caracterizam as fontes de iluminação [9].

A visão estocópica ou nocturna ocorre para valores de luminância normalmente inferiores a 0,01 cd/m2. É o que acontece geralmente para noites estreladas em que os cones oculares deixam de funcionar e a sensibilidade à luz provem essencialmente dos bastonetes situados na zona periférica da retina. Nesta situação não há percepção de cor, e a maior eficácia visual desloca-se no espectro visível para a zona do azul esverdeado para um comprimento de onda de 507 nanómetros.

Entre os extremos da visão fotópica e da visão estocópica, ou seja para uma luminância compreendida aproximadamente entre 0,01 e 10 cd/m2, situa-se a visão mesópica característica de situações de entardecer ou de noite com um luar intenso. Nesta situação tanto os cones como os bastonetes oculares encontram-se em funcionamento, e é o que acontece na generalidade das situações de iluminação externa. Este facto é importante, tanto mais porque uma das mais importantes aplicações de iluminação, e que constituirá o caso de estudo neste trabalho, é a iluminação pública em que a situação de visão mesópica deve ser levada em conta na avaliação das diferentes soluções. Acresce a isso a dificuldade de não haver actualmente um padrão internacional bem definido para esta zona de visão, nomeadamente uma curva de sensibilidade espectral [9].

2.4 Qualidade da luz

A qualidade da luz é uma noção em larga medida abstracta que reflecte a adequabilidade da iluminação artificial à realização de uma tarefa pelo ser humano. A projecção e implementação de uma aplicação luminotécnica devem ser baseadas em função da área a ser iluminada e respeitando alguns parâmetros concretos relativos à percepção visual humana. Esses parâmetros são: o nível de iluminação, a distribuição da luminosidade ao campo de visão, ausência de encandeamento, a direcção da luz e sombras, cor da luz, aparência de cor e a reprodução de cor.

Nível de iluminação. O nível de iluminação é um dos aspectos mais importantes a considerar relativamente à

concepção de uma instalação. É normalmente especificado com recurso à grandeza iluminância já previamente referida como o fluxo luminoso recebido por unidade de área iluminada e cuja unidade é o lux (lúmen por metro quadrado). Dependendo do cenário concreto da aplicação são definidos os planos de interesse, ou seja, a altura mais indicada para considerar as actividades que aí vão decorrer. Para uma aplicação em ambiente interno é comum considerar-se o plano de trabalho, por exemplo a uma altura de 0.75m. Se for em ambiente externo o plano de interesse será normalmente a altura do chão [6].

A escolha da iluminância adequada para uma aplicação tem de ter em conta o grau de exigência ao olho humano que as tarefas a serem realizadas acarretam. Quanto mais exigente for o trabalho maior deve ser a iluminância. Assim, o nível de iluminação depende de factores como a duração do trabalho, a velocidade a que este deve ser realizado, o risco de se cometer erros, a idade do trabalhador, quantidade de luz natural presente, etc. Tendo isso em conta, são estabelecidas recomendações por entidades como a comissão internacional de iluminação CIE.

Em seguida apresenta-se uma recomendação da iluminância aconselhada para a maior parte das tarefas.

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Tabela 2.2 – Nível de iluminância recomendado para algumas tarefas.

Tarefa Iluminância

recomendada (lux)

Iluminação exterior 30

Nível geral para indústria 300

Oficinas, lojas, armazéns 500

Escritórios, laboratórios 750

Trabalho de precisão, montagem

instrumental, avaliação de cores > 1000

A qualidade de iluminação abrange ainda um conjunto mais alargado de parâmetros. Estes

são em geral de difícil quantificação mas nem por isso devem ser considerados menos importantes porque reflectem essencialmente noções relativas ao conforto do olho humano face à luminosidade existente.

Distribuição de luminâncias. A distribuição da luminosidade no campo de visão relaciona-se com a grandeza luminância.

Esta exprime a densidade de radiação emitida por uma superfície luminosa vista de uma direcção específica e é medida em candela por metro quadrado. Quanto maior for a luminância de uma superfície melhor ela será vista pelo olho humano. Percebe-se pois que, embora a iluminância possa ser adequada a determinada tarefa, não é garantida uma boa qualidade de iluminação se não houver um bom equilíbrio de luminâncias. O que acontece é que os objectos não são vistos directamente da fonte de luz que os aLcança. Na realidade o que se vê é a luz reflectida pela superfície dos objectos para os nossos olhos. Como as propriedades de reflexão dos diferentes objectos num mesmo lugar podem ser muito diferentes, pode haver um conjunto de luminâncias muito diversas o que implica grandes contrastes para o olho humano, podendo provocar dificuldade de percepção ou concentração e cansaço. Assim, deve procurar-se ter uma distribuição de luminâncias num mesmo lugar o mais uniforme possível, sendo recomendado que não ultrapassem a relação 3 para 1 [6]. Então a escolha do equipamento luminotécnico deve garantir que, quando combinado com os objectos presentes num lugar, origine um nível de distribuição de luminância adequado.

Ausência de encandeamento. O encandeamento ou ofuscamento é a situação de dificuldade de ver em resultado da

presença de uma fonte de luz muito intensa, como acontece por exemplo ao olhar directamente para o sol. O encandeamento resulta em geral da diferença entre a luminancia da tarefa visual a ser executada, ou seja o que se está a ver, e a luminância de uma fonte de luz muito intensa. O encandeamento pode resultar na acção instintiva de desviar o olhar da fonte de luz, ou pode impossibilitar a realização de uma determinada tarefa se, por exemplo esta se situar na mesma linha de visão da fonte causadora de encandeamento. É habitual por isso fazer-se a distinção entre o encandeamento de desconforto e o encandeamento inibidor para os quais existem diferentes formas de avaliação.

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Destaca-se por isso a necessidade de os equipamentos luminosos serem desenhados de forma a evitar o mais possível as situações de encandeamento, com a introdução de elementos como difusores e reflectores, e ainda que os projectos de iluminação sejam cuidadosamente efectuados. Por exemplo, para projectos de iluminação da rede viária é imperativo que não haja situações de encandeamento pelas graves consequência em termos de acidentes que daí podem resultar. Devem portanto ser usadas as normas e métodos existentes, nomeadamente os publicados pela Comissão Internacional de Iluminação como é exemplo o UGR (Unified Glare Rating), para garantir o mais possível a inexistência de encandeamento.

Direcção do fluxo luminoso e sombras. A direcção do fluxo luminoso e a produção de sombras no campo de visão são outros

parâmetros relativos à qualidade da iluminação já que influenciam a forma como é percepcionado o ambiente em redor.

O fluxo luminoso pode ser emitido essencialmente de duas maneiras. Uma é a luz direccional que é aquela que é emitida sob a forma de um feixe estreito e que ao aLcançar um objecto produz altos contrastes com zonas de sombra e zonas altamente iluminadas. Este tipo de iluminação causa uma forte modelagem e facilita a percepção das formas. Por outro lado, a luz pode ser emitida de forma difusa, ou seja aLcançando os objectos desde várias direcções o que resulta na produção de pouca ou quase nenhuma sombra. Nesse caso a capacidade de modelagem é limitada sendo por isso difícil percepcionar as formas e os contornos dos objectos [6].

Na concepção das soluções de iluminação devem-se balancear o uso entre luz difusa e direccional para que seja obtido o efeito de modelagem adequado, sendo esta prática especialmente indicada para situações de iluminação decorativa ou com um elevado nível estético. Factores como a luz indirecta, ou seja aquela que é obtida por reflexão em superfícies claras ou transparentes, são também importantes no que diz respeito ao design das aplicações de iluminação e mais especificamente na escolha das fontes luminosas. É levando em conta estes factores que se conseguem as melhores soluções contribuindo para uma melhor segurança, através por exemplo da iluminação de objectos perigosos, ou um bom nível estético como no caso da iluminação de montras, vitrinas, etc.

A cor da luz, aparência de cor e a reprodução de cor O espectro electromagnético visível é constituído por um conjunto de comprimentos de

onda ao qual estão associadas cores. A cor da fonte de luz depende pois da composição espectral da radiação emitida, sendo a cor branca uma composição de diferentes cores do espectro visível. Em contrapartida, a cor aparente das superfícies ou objectos iluminados depende não só da composição espectral da luz incidente, mas também das características desses mesmos objectos ou superfícies que reflectem a luz incidente para poder ser captada pelo olho humano. Isto significa que um objecto percepcionado pelo olho humano como colorido tem a característica de reflectir a luz selectivamente, ou seja, um objecto vermelho reflecte principalmente a radiação de comprimento de onda na zona do vermelho absorvendo a maioria da restante radiação. Por outro lado, o mesmo objecto pintado de vermelho só vai ser percepcionado dessa cor se a radiação incidente tiver uma componente significativa de cor vermelha, caso contrário o objecto será visto com uma cor diferente, o que se relaciona

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intimamente com o índice de restituição de cores das fontes luminosas que já foi atrás explicado.

Serve isto para referir que as fontes de iluminação, e mais especificamente a componente espectral da luz por elas emitidas, influenciam decisivamente a forma como são vistos todos os objectos, superfícies, e demais componentes do mundo que nos rodeia. Tal deve ser levado em conta nos projectos de iluminação mas também em actividades banais do dia-a-dia. Por exemplo, a escolha de cortinados pode ser feita com recurso à luz natural do sol sem se levar em conta que na maior parte do tempo em que eles estão a ser utilizados terão a iluminação proveniente de uma fonte de iluminação artificial, e como tal podem ter um efeito diferente do pretendido. Situação análoga pode acontecer para a escolha de vestuário para um evento nocturno sem se considerar as condições de iluminação concretas. Por outro lado, há ocasiões em que a correcta reprodução de cores tem menos interesse, como acontece na iluminação pública de estradas onde o objectivo é iluminar a via para distinguir correctamente os seus limites e os seus utilizadores sejam veículos ou peões. Nestes casos, critérios de natureza económica e prática devem ter predominância na escolha concreta das fontes de iluminação [6].

2.4 Comentários

Este capítulo serviu como forma introdutória à vasta área de conhecimentos dedicada às tecnologias de iluminação.

Apresentou-se uma perspectiva histórica da ciência, que é importante para conhecer a sua evolução, mas principalmente para se perceber a forma como as novas descobertas vão sendo feitas, integradas nas aplicações práticas e quais os desafios a que a investigação cientifica foi dando resposta ao longo dos anos, e aqueles para os quais ainda têm de ser realizados esforços.

Foram expostas as principais noções físicas directamente ligadas com as tecnologias de iluminação como radiação electromagnética, e as principais grandezas e parâmetros luminotécnicos indispensáveis para a caracterização do estado da arte a ser apresentada no próximo capítulo.

Também foram apresentados, de uma forma breve, alguns conceitos relativos à qualidade da luz que se considerou ser importantes na perspectiva do objectivo principal do trabalho, ou seja, métodos de avaliação luminotecnica, e que serão usados no decorrer desta dissertação.

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Capítulo 3

Tecnologias de Iluminação – Estado da Arte

3.1 Introdução

Neste capítulo irá ser feita a descrição das principais tecnologias de iluminação. Em concreto serão tratadas as tecnologias de incandescência e de descarga eléctrica em gases as quais são usadas na generalidade das situações de iluminação. Também será estudada a tecnologia de iluminação de estado sólido através de díodos emissores de luz ou Leds. Para o caso da tecnologia de incandescência e de descarga serão apresentados os seus principais produtos, ou seja os vários tipos de lâmpadas que usam essa tecnologia.

O estudo das diferentes tecnologias consistirá na descrição da sua constituição, o seu princípio de funcionamento, o respectivo balanço energético bem como as características do espectro electromagnético produzido. Igualmente serão apresentados valores típicos de rendimento luminoso, tempo de vida, índice de restituição de cores e temperatura de cores.

3.2 Incandescência

A incandescência constitui a forma tradicional de produção de luz artificial. É realizada com um aparelho emissor de radiações por elevação da temperatura que resultam da passagem de corrente eléctrica por um material condutor. As radiações emitidas desta forma, ou seja, em resultado do aquecimento de materiais, têm em geral a denominação de radiações térmicas ou caloríficas já que dependem exclusivamente da temperatura do corpo emissor. Quando parte dessa radiação é emitida dentro do espectro visível dá-se o fenómeno de incandescência, sendo por isso denominada radiação incandescente [5].

3.2.1 Lâmpada de incandescência normal

Uma lâmpada de incandescência tradicional é constituída pelas seguintes partes principais: filamento, ampola, gás de enchimento e base (figura 3.1).

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O filamento é a parte da lâmpada responsável pela produção de luz. Quanto mais alta for a temperatura do filamento, maior será a proporção de radiação visível emitida, ou seja, maior é o rendimento da lâmpada. Desta forma, o material constituinte do filamento deverá ser capaz de aguentar temperaturas tão altas quanto possíveis tendo portanto um ponto de fusão elevado. Por outro lado, a temperatura à qual se consegue elevar o material pela passagem de corrente eléctrica é tanto maior quanto a sua resistência, pelo que são necessários materiais com elevada resistividade. Nas lâmpadas de incandescência modernas o material constituinte do filamento é o tungsténio.

O gás de enchimento é inserido dentro da ampola envolvendo o filamento com a função de reduzir a vaporização deste decorrente do funcionamento contínuo a altas temperaturas. Usam-se para o efeito gases inertes como o azoto, árgon ou crípton conseguindo-se maiores temperaturas de funcionamento e consequentemente maiores rendimentos luminosos. Por outro lado, o funcionamento da lâmpada numa envolvência gasosa acarreta o inconveniente de acrescentar perdas de calor por condução e convecção através do gás. Para combater esta situação é comum espiralar-se o filamento, conseguindo-se reduzir o seu tamanho e diminuir a superfície de contacto com o gás, reduzindo assim as perdas de calor e aumentando o rendimento.

A ampola de uma lâmpada incandescente é um invólucro de vidro que envolve o filamento com função de protecção e distribuição do fluxo luminoso. Pode ter diversas formas e pode ser transparente ou ter um acabamento opalino que permite uma melhor distribuição do fluxo luminoso evitando ou atenuando o encandeamento.

A base ou casquilho da lâmpada serve para fazer a ligação desta ao seu suporte. É a partir do casquilho que se montam os suportes de vidro que por sua vez contêm os fios condutores que transportam a corrente eléctrica até ao filamento. Os casquilhos podem ter diversas formas e tamanhos sendo mais utilizados os do tipo Edison (E) ou Baioneta (B).

Figura 3.1 – Constituição de lâmpada de incandescência.

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Como já foi referido a produção de luz artificial por incandescência implica a elevação da temperatura de um corpo. No entanto verifica-se que, de toda a radiação emitida pela elevação da temperatura, grande parte é infra-vermelha e apenas uma pequena porção corresponde a radiações com comprimento de onda sensível ao olho humano. Isto significa que a maioria da energia eléctrica fornecida para o funcionamento de uma lâmpada de incandescência é usada numa função diferente do seu objectivo principal. Para além disso existem ainda as perdas por convecção e por condução resultantes da atmosfera gasosa que envolve o filamento. Assim, numa lâmpada de incandescência tem-se aproximadamente a seguinte distribuição energética decorrente do seu funcionamento: 70% de radiação infra-vermelha; 20 % de perdas por condução e convecção; 10 % de radiação incandescente visível para o olho humano [5].

As lâmpadas de incandescência são fabricadas numa gama alargada de potências para serem aplicadas em diversas aplicações consoante as necessidades de luz emitida. Na tabela seguinte apresentam-se valores usuais de potência usados em lâmpadas de incandescência e o respectivo fluxo luminoso emitido.

Tabela 3.1 – Fluxos e rendimentos luminosos típicos para lâmpadas incandescentes.

Potência (W) Fluxo Luminoso

(lm) Rendimento Luminoso

(lm/W)

25 230 9,2

40 430 10,8

60 730 12,2

75 960 12,8

100 1380 13,8

150 2220 14,8

200 3150 15,8

Os valores dos rendimentos luminosos obtidos pelas lâmpadas de incandescência variam

aproximadamente entre os 9 a 20 lm/W. Para além disso, estes valores diminuem durante o seu funcionamento devido principalmente ao desgaste do filamento de tungsténio que vai sendo lenta mas progressivamente desagregado por vaporização e origina o depósito de material nas paredes interiores das ampolas provocando o seu enegrecimento. Esse desgaste, e consequente diminuição da secção do filamento, provoca um aumento da resistência e como tal uma diminuição da intensidade de corrente que o percorre o que implica uma diminuição do fluxo luminoso emitido. Por fim o filamento metálico acaba por desagregar-se terminando então a produção de fluxo luminoso na lâmpada. Adicionalmente, é conveniente que as condições de alimentação das lâmpadas se mantenham aproximadamente constantes, especialmente a tensão de alimentação, porque causam uma redução considerável do tempo de vida útil. A duração de vida média das lâmpadas de incandescência varia aproximadamente entre 1000 e 2500 horas [10].

Relativamente às características da luz emitida salienta-se que os níveis de luminância directos provenientes do filamento são altos, aproximadamente entre os 500 e os 2000 cd/m2. De facto estes são valores demasiadamente elevados para se poder olhar directamente pois causam encandeamento e podem ser prejudiciais ao olho humano. Para evitar isso devem ser usados acessórios adicionais como difusores, ampolas especiais, como as de acabamento opalino, ou outras condições especiais de instalação que permitam apresentar níveis de

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luminância adequados às tarefas concretas a que se destinam e que sejam seguros para os seus utilizadores.

A luz emitida tem uma temperatura típica de cores de aproximadamente 2700 ºK, apresentando portanto uma tonalidade branca quente. O seu espectro electromagnético abrange grande parte do espectro visível emitindo portanto comprimentos de onda de todas as cores. Assim, este tipo de lâmpadas possui habitualmente um índice de restituição de cores óptimo (100).

3.2.2 Lâmpada de halogéneo

Para evitar o enegrecimento das ampolas nas lâmpadas de incandescência decorrentes da degradação do filamento existe um processo (figura 3.2) que consiste na adição de um elemento químico com propriedades especiais (halogéneo) ao gás de enchimento. Assim, é adicionado iodo, flúor ou bromo, o que vai permitir o funcionamento de um ciclo de halogéneo regenerativo, que consiste na combinação do halogéneo com o tungsténio vaporizado formando um gás que, por meio de correntes de convecção, se aproxima do filamento. Devidos às altas temperaturas esse gás é decomposto em tungsténio voltando a depositar-se no filamento [5].

Figura 3.2 – Ciclo de halogéneo regenerativo.

Para suportar os elevados valores de temperatura necessária ao ciclo de halogéneo é usado

uma ampola feita em quartzo. A reutilização do tungsténio permite aumentar a duração de vida média deste tipo de

lâmpadas para as 2000/3000 horas. Permite também temperaturas de funcionamento maiores o

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que causa um aumento dos fluxos luminosos e dos rendimentos luminosos que podem chegar aos 25lm/W [10].

3.2.3 Lâmpada de incandescência reflectora

De entre as lâmpadas de incandescência é ainda de referir as lâmpadas reflectoras. Para além de particularidades construtivas, como diversas formas e materiais usados, elas têm como principal característica o facto de possuírem uma cobertura espelhada incorporada na superfície interior da ampola que permite a reflexão do fluxo luminoso emitido pelo filamento.

O material usado, normalmente o alumínio, é denominado reflector dicróico ao ter a propriedade de reflectir alguns comprimentos de onda e absorver outros, alterando portanto as características do espectro emitido, permitindo assim modelar as características da luz. É possível, com a adequada escolha do material reflector, fazer com que apenas comprimentos de onda abaixo de determinado valor sejam reflectidos, conseguindo-se assim filtrar radiações infravermelhas e diminuir por isso grande parte do calor transmitido no feixe de luz pelas lâmpadas incandescentes. Dada a localização do espelho no interior da ampola, este está completamente protegido contra efeitos de corrosão ou desgaste de qualquer tipo, não havendo por isso aumentos nos custos de manutenção nem diminuição dos rendimentos luminosos [5].

3.3 Descarga eléctrica em gases

Contrariamente às radiações incandescentes, as radiações que não dependem da temperatura do corpo denominam-se luminescentes. Este tipo de radiação depende fundamentalmente da estrutura atómica do corpo emissor e não se pode expressar em função da temperatura, mas antes relaciona-se com as trocas energéticas que ocorrem a nível dos seus átomos.

É este tipo de radiações que acontecem nas lâmpadas de descarga e segundo as quais é baseado o seu principio de funcionamento. Para se perceber de que forma ocorre este tipo de radiação há que considerar a matéria a nível atómico e dos seus principais constituintes.

Um átomo é constituído pelo núcleo com neutrões de carga eléctrica nula, e protões de carga eléctrica positiva. Fora do núcleo existem electrões em número igual ao de protões com carga negativa que executam trajectórias ou orbitas à volta do núcleo. As referidas orbitas que cada electrão realiza, correspondem a um nível de energia potencial associado a essa partícula. Assim, electrões com órbitas mais afastadas do núcleo têm maior energia potencial do que aqueles que circulam mais perto. Se não houver perturbações exteriores o átomo encontra-se num estado de equilíbrio em que o número de cargas positivas e negativas é igual, não havendo qualquer emissão ou absorção de energia por parte dos electrões. No entanto, se houver uma actuação externa nos átomos, por exemplo devido á aplicação de uma tensão eléctrica no material, o átomo pode ir para um estado de excitação que poderá conduzir ao aparecimento de diferentes fenómenos. Por um lado, os electrões mais exteriores alargam as suas orbitas podendo libertar-se da estrutura atómica tornando-se electrões livres. Outros electrões passam a ocupar órbitas mais exteriores devido ao excedente de energia. Finalmente, outros electrões podem passar a ocupar órbitas mais interiores, que ficam entretanto desocupadas devido às variações de energia, e como para o fazer têm de diminuir o seu nível de energia potencial, transformam esse excedente sob a forma de radiação.

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A energia radiante emitida pela passagem de um electrão para uma órbita mais interior não é sempre igual. Essa radiação pode ser luz no espectro visível, infravermelha, ultravioleta, raios X, etc. Pode portando ter diversos comprimentos de onda. Em geral, quanto maior for o número de órbitas que o electrão transita em direcção ao interior do átomo menor será o comprimento de onda da radiação emitida.

As radiações luminescentes podem ter diversas classificações segundo o tipo de agente responsável pelo seu aparecimento. Assim, pode haver radiações emitidas por corpos radioactivos, causadas por fenómenos químicos ou bioquímicos, provocada por agentes mecânicos, etc. Para as aplicações práticas de iluminação interessam porém as radiações luminescentes produzidas pela descarga eléctrica em gases e vapores metálicos [5].

3.3.1 Luminescência em gases e vapores metálicos

Partindo de uma descarga eléctrica os electrões das camadas exteriores dos átomos recebem energia que dentro de certos valores pode causar a alteração das suas órbitas iniciais. Ao fim de um tempo muito curto, na ordem dos 10-8 segundos, o electrão volta á sua trajectória inicial devolvendo a energia absorvida sob a forma de radiação. O comprimento de onda da radiação emitida, e portanto o tipo de radiação, pode ser calculado através da aplicação da lei fundamental da emissão de radiação por luminescência, cuja fórmula é a seguinte:

W = (h ∙ c)/λ Em que, W= Energia absorvida pelo electrão. h = Constante universal de Planck. c = Velocidade da luz. λ = Comprimento de onda. Para o estabelecimento de uma descarga eléctrica no seio do gás, fecha-se este num tubo de

vidro isolado do exterior e com uma pressão adequada. Em cada extremo do tubo existe uma peça metálica que serão os eléctrodos a partir dos quais se pode estabelecer uma diferença de potencial. Adiciona-se ainda uma resistência variável em série com o tubo e um voltímetro e um amperímetro para medir tensão e corrente como se mostra na figura seguinte, que reflecte o esquema básico das lâmpadas de descarga.

Aplicando uma diferença de potencial ao sistema pode-se conseguir que alguns dos átomos do gás contido no tubo se ionizem. Então os iões e os electrões livres dirigem-se para os eléctrodos iniciando-se uma corrente eléctrica a qual é então designada de descarga eléctrica no gás.

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Figura 3.3 – Montagem para descarga eléctrica num gás [5].

As características da descarga dependem de um conjunto grande de factores como a tensão

entre os eléctrodos, a sua constituição e forma, a distância entre eles, a pressão do gás, etc. No entanto, de uma forma genérica podem-se identificar algumas fases distintas que constituem a descarga eléctrica e são evidenciadas na figura seguinte que mostra aproximadamente uma curva de funcionamento tensão-corrente (figura 3.4).

Figura 3.4 – Curva de corrente eléctrica em função da tensão num tubo de descarga [5].

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A fase inicial da descarga, correspondente à porção de traçado (A-B), segue aproximadamente a lei de ohm havendo portanto um aumento da corrente eléctrica á medida que é também aumentada a diferença de potencial entre os eléctrodos. Esta relação prolonga-se até um valor limite denominado corrente de saturação a partir do qual a corrente permanece constante em função do aumento de tensão (B-C). Este comportamento da descarga pode ser explicado pelo facto de ocorrer a ionização de uma pequena quantidade de átomos do gás, sendo esses iões positivos atraídos para o terminal negativo (cátodo) e os electrões livres dirigem-se para o terminal positivo (ânodo) criando então aquela corrente eléctrica de reduzido valor. Ao aumentar a tensão essa corrente aumenta sendo os electrões e iões atraídos cada vez mais intensamente para os eléctrodos onde se recombinarão voltando ao seu estado neutro. A corrente de saturação corresponde ao momento em que a atracção dos electrões e iões para os eléctrodos é feita ao mesmo ritmo com que eles são produzidos, não havendo portanto aumento da corrente eléctrica. Em toda esta zona de funcionamento da descarga não há a produção de quaisquer fenómenos luminosos sendo que a descarga termina se deixar de haver tensão eléctrica aplicada entre os eléctrodos. Trata-se então uma descarga dependente ou não autónoma.

Na zona seguinte (C-D) volta a haver aumento da corrente eléctrica em resposta á elevação da tensão. Tal acontece porque o potencial eléctrico entre os eléctrodos é suficiente para transmitir energia a alguns electrões tal que estes provocam choques com outros electrões periféricos dos átomos do gás provocando a ionização de novos átomos e o aparecimento de mais electrões livres, ou seja um aumento da corrente eléctrica. Esta fase da descarga é habitualmente designada como descarga semi-independente já que ocorre devido a um fenómeno separado do aumento da tensão, embora não se consiga manter se a causa exterior, ou seja, a tensão nos eléctrodos seja interrompida. O conjunto da descarga dependente e semi-independente (A-D) é vulgarmente designado de descarga de Townsend [5].

A partir deste ponto verifica-se que, em resultado de um aumento da tensão, a corrente eléctrica no gás aumenta acentuadamente, tanto que é necessário diminuir a tensão através do aumento do valor da resistência variável (D-E). Agora observa-se que a descarga é mantida mesmo que seja reduzida consideravelmente a tensão de excitação nos eléctrodos do tubo. Pode-se portanto prescindir do agente exterior de excitação, desde que seja mantida uma pequena tensão suficiente para que continue a haver ionização dos átomos do gás.

A zona seguinte corresponde à chamada descarga independente, autónoma ou luminescente, onde a corrente eléctrica aumenta de valor, mesmo que permaneça constante a tensão de alimentação, e aparece uma luminosidade no seio do gás (E-F e F-G). O fenómeno físico que explica estes factos é denominado ionização por choque. Consiste na possibilidade de, em resultado da tensão aplicada, os electrões livres resultantes poderem dar origem por choque com outros átomos a outros electrões livres que por sua vez podem ter comportamento idêntico e irem sucessivamente criando um número cada vez maior de electrões livres, ou seja, um aumento potencialmente ilimitado do valor da intensidade de corrente no gás. Em resultado disso há a necessidade de haver um meio capaz de limitar esta corrente. Esse meio é um aparelho denominado balastro constituído por uma resistência, ou uma reactância no caso de corrente alternada, de valor elevado para limitar as correntes de arranque. Durante a descarga autónoma os electrões livres e os iões positivos mantêm a corrente eléctrica. Muitos dos choques que ocorrem não provocam por si só a ionização dos átomos, mas antes excitam electrões exteriores dos átomos que por sua vez vão causar a emissão de radiações entre as quais a luz.

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Finalmente, se a corrente continuar a ser aumentada, pode acontecer que o material catódico seja aquecido de tal forma que origine a emissão térmica de electrões, ou seja, o calor excita os electrões do cátodo de tal forma que são produzidos electrões livres. Este fenómeno origina uma nova descarga designada descarga de arco que é caracterizado por uma característica de resistência negativa na curva tensão-corrente (H-J) [5].

A importância destas referências ao processo de descarga eléctrica nos gases e vapores

metálicos, e às suas diversas fases, tem a ver com o facto de as várias lâmpadas de descarga se distinguirem pela zona de descarga dos gases em que trabalham. Assim existem lâmpadas cuja produção de luz é realizada na região de descarga luminescente ou autónoma, e outras trabalham na região de descarga de arco. As lâmpadas que trabalham na zona de descarga luminescente incluem as de néon, pequenos radiadores ultravioletas, etc. As principais lâmpadas de descarga, aquelas mais largamente utilizadas em situações de iluminação geral, funcionam na zona de descarga de arco e serão seguidamente apresentadas.

3.3.2 Lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão

A lâmpada de vapor de mercúrio utiliza a luminescência produzida pela descarga eléctrica numa atmosfera gasosa. A produção de luz neste tipo de lâmpadas é feita na região de descarga de arco, ou seja, é uma lâmpada de cátodo quente em que há emissão térmica de electrões por aquecimento do cátodo. As características da descarga dependem da intensidade de corrente no gás mas principalmente da pressão do vapor de mercúrio que está contido na lâmpada.

Verifica-se que o rendimento luminoso provocado pela descarga eléctrica no vapor de mercúrio é reduzido para pequenas pressões e aumenta consideravelmente para as pressões mais elevadas. Tal facto explica-se devido ao vapor de mercúrio a baixa pressão corresponder a pequenas densidades electrónicas onde existem trocas de energia nos níveis mais baixos e como tal as radiações obtidas terão comprimentos de onda pequenos situando-se essencialmente na zona das radiações ultravioletas. Ao aumentar-se a pressão aumenta também o nível de densidade de electrões, por isso passa a haver maior excitação de electrões exteriores que, quando voltam aos seus níveis normais, emitem radiações com comprimentos de onda maiores o que conduz a um efectivo aumento das radiações no espectro visível e consequentemente a um maior rendimento luminoso.

Interessa pois compreender a constituição e o funcionamento das lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão, sendo que as de baixa pressão, que correspondem às lâmpadas fluorescentes, serão estudadas mais á frente.

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Figura 3.5 – Constituição da lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão.

As lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão têm a constituição apresentada na figura 3.5.

Têm um tubo de cristal de quartzo com diâmetro entre os 8 e os 40 milímetros e um comprimento entre 3 e 20 centímetros, dependendo da potência da lâmpada, mantido fixo com recurso a um suporte. Dentro deste tubo existe uma quantidade de mercúrio vaporizado a alta pressão (1000 a 10000 mm de coluna de mercúrio) e ainda um gás nobre, normalmente o árgon, que tem maior facilidade de vaporização com a função de ajudar o arranque da lâmpada. Os eléctrodos principais estão colocados sob as extremidades do tubo e são constituídos por um material com alto ponto de fusão como o tungsténio impregnado nas pontas com uma substância emissora de electrões. Existe ainda um eléctrodo auxiliar, situado muito próximo de um dos eléctrodos principais, e que se liga ao eléctrodo principal oposto através de uma resistência de alto valor (da ordem 25000 ohm), que será a resistência de arranque. Entre o tubo de quartzo e a ampola exterior existe um gás como o azoto, a pressão suficientemente elevada mas inferior à pressão atmosférica, com a função de evitar a formação de arco eléctrico entre as partes metálicas internas da lâmpada. Finalmente existe o casquilho com dimensões e formato adequado á potência da lâmpada, sendo normalmente usado o casquilho de Edison [5].

Uma vez ligada a lâmpada á rede eléctrica, não é suficiente aplicar-se uma tensão entre os eléctrodos principais para ocorrer a ignição do gás, porque a distância entre eléctrodos é demasiada para se dar a ionização dos seus átomos. Então, é aplicada uma tensão entre o eléctrodo principal e auxiliar que estão muito próximos. Estabelece-se uma descarga entre esses dois eléctrodos que provoca a ionização do árgon no tubo e que inicia a descarga principal.

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Uma vez iniciada a descarga principal o mercúrio no interior do tubo aquece e a pressão aumenta, aumentando igualmente a tensão entre os eléctrodos principais da lâmpada. O mercúrio vai então sendo gradualmente vaporizado. O tempo total de arranque de uma lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão varia consoante o modelo, potência e características da lâmpada, podendo demorar entre 4 a 6 minutos [5].

O valor da tensão entre os eléctrodos deve ser limitado para que não atinja o valor da tensão de alimentação o que conduziria ao término da descarga. Isso é conseguido através da quantidade de mercúrio introduzida no tubo, que deve ser tal que a tensão e pressão não ultrapassem determinados limites. Durante o período de arranque da descarga principal a corrente atinge valores elevados, entre 1,5 a 2 vezes o valor da corrente nominal, e por isso existe aparelhagem para limitar esse valor, ou seja, o balastro.

Como em regime permanente as pressões do mercúrio no tubo são muito altas não se pode estabelecer a descarga auxiliar necessária para o arranque da lâmpada, pelo que uma vez desligada é necessário um certo tempo para que o gás no interior do tubo volte à pressão normal para poder novamente arrancar a lâmpada.

O espectro da radiação de um lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão contém principalmente radiações ultravioletas e radiações visíveis. Como a ampola absorve a maioria das radiações ultravioletas, serão essencialmente as radiações visíveis transmitidas para o exterior. Os comprimentos de onda destas radiações estão sensivelmente entre os 400 e os 580 nanómetros, havendo por isso as componentes amarela, verde e azul e faltando as radiações vermelhas que se situam para comprimentos de onda entre os 610 e os 720 nm. A luz emitida tem uma aparência branca-azulada e o índice de restituição de cores nestas lâmpadas é aproximadamente de 50 pelo que não devem ser usadas quando se pretenda uma alta restituição [5].

Os rendimentos luminosos deste tipo de lâmpadas variam aproximadamente entre os 30 e os 60 lm/W. Entre 15 a 20 % da energia de excitação da lâmpada é convertida em radiação visível sendo cerca de 20 % ultravioleta, 15 % infravermelha e o restante perdido por condução e convecção. Pode ser usada uma composição química fluorescente para converter parte da radiação UV em radiação visível aumentando em perto de 10 % o rendimento da lâmpada [5].

Estas lâmpadas podem ter uma duração de vida média até cerca de 12000 horas tendo no preço a sua principal vantagem face a outras lâmpadas de descarga como as de vapor de sódio a alta pressão. São particularmente indicadas para iluminação de espaços exteriores, jardins, parques e outras grandes áreas.

3.3.3 Lâmpadas de luz mista

As lâmpadas de luz mista resultam da necessidade de corrigir a tonalidade azulada da luz emitida nas lâmpadas de vapor de mercúrio. Consistem essencialmente na adição de um filamento de tungsténio, como o das lâmpadas de incandescência, em série com o tubo de descarga. Assim a falta de radiação da zona de vermelho é corrigida pela emissão por incandescência que o filamento de tungsténio produz. A radiação de cor quente incandescente é somada à produzida pela descarga eléctrica no vapor de sódio onde adicionalmente parte da radiação UV é convertida pela camada fluorescente. Assim consegue-se obter uma luz branca agradável melhorando o índice de restituição de cores [5].

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O filamento de tungsténio serve também para limitar a corrente de arranque funcionando assim como balastro, permitindo portanto que estas lâmpadas possam ser ligadas directamente à rede. No entanto, o filamento de tungsténio tem uma duração de vida média inferior aos restantes componentes da lâmpada, tendo de ser usadas temperaturas de funcionamento menores para que ele tenha uma maior duração, o que baixa consideravelmente o rendimento luminoso. Neste tipo de lâmpadas os rendimentos luminosos tipicamente não ultrapassam os 30 lm/W, conseguindo-se uma duração de vida média de aproximadamente 2000 horas [5].

3.3.4 Lâmpada de vapor de mercúrio com iodetos metálicos

O desenvolvimento deste tipo de lâmpadas decorreu das limitações a nível de cor das lâmpadas de vapor de mercúrio. O baixo índice de restituição de cores ou a falta de cor vermelha na luz emitida justificou o desenvolvimento de várias técnicas para combater essas limitações.

Os estudos realizados concluíram que a inclusão de halogenetos metálicos (em particular os iodetos) no tubo de descarga contribui para a melhoria das características da luz.

Diferentes materiais podem ser usados para formar este tipo de lâmpadas pelo que existe uma grande variedade de soluções podendo distinguir-se os três seguintes grupos principais: emissores de três cores que usam o sódio, tálio e índio; emissores atómicos que utilizam elementos químicos raros produzindo uma radiação com múltiplas riscas na região visível do espectro; emissores moleculares que produzem um espectro praticamente contínuo.

A constituição deste tipo de lâmpada é semelhante às de vapor de mercúrio a alta pressão. O tubo de descarga é fabricado em quartzo e deve ter uma forma adequada à luz que se pretende obter e à sua uniformidade. Dentro do tubo de descarga são depositados os iodetos metálicos junto com o mercúrio.

Neste tipo de lâmpadas não é possível efectuar o seu arranque simplesmente através de um eléctrodo auxiliar pelo que é necessária aparelhagem auxiliar (ignitor).

O princípio de funcionamento destas lâmpadas também se assemelha aos das lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão sendo que o facto de haver mais elementos metálicos participantes na descarga implica uma maior complexidade associada ao processo. Quando se alimenta uma lâmpada de iodetos metálicos a radiação inicialmente obtida é a do mercúrio porque os iodetos estão não vaporizados nas paredes do tubo de descarga. Com o aumento da temperatura os iodetos vaporizam e são transportados por difusão e convecção para a região mais quente da descarga, onde corre a dissociação do iodeto metálico nos seus componentes halogéneo e metal. Seguidamente os átomos metálicos resultantes são excitados causando a emissão de radiação. Depois disso os átomos movem-se para a zona mais fria onde se recombinam com o elemento halogéneo formando novamente o composto inicial, sendo este ciclo comparável ao que se realiza nas lâmpadas incandescentes de halogéneo. Assim, o mercúrio deixa de ser o elemento emissor de radiação, tendo ante a função de regular a tensão de arco e a temperatura para a radiação nos restantes elementos metálicos [5].

Como resultado desta tecnologia obtêm-se lâmpadas com um razoável índice de restituição de cores na ordem dos 85 e uma temperatura de cor elevada entre os 3000 e 6000 ºK. Os rendimentos luminosos também são melhorados relativamente à lâmpada de vapor de mercúrio a alta pressão rondando os 80 lm/W. A duração de vida média varia entre as 8000 e 10000 horas [10].

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3.3.5 Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão

As lâmpadas de vapor de sódio assemelham-se quer em aspectos construtivos quer em princípio de funcionamento às lâmpadas de vapor de mercúrio. São portanto lâmpadas de cátodo quente em que a produção de luz é feita principalmente na zona de descarga de arco do gás. A utilização do sódio é devida principalmente ao facto de se conseguir produzir uma maior proporção de radiação visível do que através do mercúrio conseguindo-se por isso maiores rendimentos luminosos. Também, como acontece nas lâmpadas de vapor de mercúrio, tem uma grande importância o valor da pressão a que é submetido o gás dentro do tubo de descarga, quer em termos de eficiência energética quer nas características da luz emitida. Seguindo o que vem sendo feito, tratar-se-á inicialmente das lâmpadas a alta pressão.

As lâmpadas de vapor de sódio a alta pressão são construtivamente semelhantes às de

mercúrio como mostra a figura 3.6. São constituídas por um tubo de descarga feito em óxido de alumínio capazes de aguentar as altas pressões a que estão submetidos os gases e consequentemente a altas temperaturas de funcionamento. A ampola exterior é feita em vidro duro desenhado para resistir convenientemente à intempérie. Entre estes dois componentes existe uma zona de vácuo elevado. Como aparelhagem auxiliar é necessário, tal como nas lâmpadas de mercúrio, um balastro para limitar as correntes de arranque. Adicionalmente é usado um ignitor que proporciona um pico de tensão para a lâmpada arrancar e um condensador para compensação do factor de potência [5].

Figura 3.6 – Constituição da lâmpada de vapor de sódio a alta pressão.

Dentro do tubo de descarga, para além do sódio, existe um excedente em mercúrio para

facilitar a descarga. Para facilitar o arranque é incluído um gás, normalmente o xénon, a baixa pressão que permite elevar a temperatura do sódio e do mercúrio para que seja obtida uma pressão de vapor adequada para a excitação dos átomos [5].

Os rendimentos luminosos obtidos neste tipo de lâmpadas são bastante elevados uma vez que a grande maioria da radiação emitida se situa no espectro visível. Aproximadamente 30 % da energia de entrada da lâmpada é convertida em iluminação, sendo 15 a 20 % radiação infravermelha, e o restante é perdido por condução e convecção. A consequência da elevação da pressão do sódio na radiação é a de que grande parte desta passa a ser emitida nos extremos do tubo de descarga, sendo obtida uma luz de cor branca dourada com uma grande quantidade de

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vermelho, e um índice de restituição de cores tipicamente entre 25 a 60 que transmite uma melhor sensação visual, em oposição à luz amarela monocromática obtida com o sódio a baixa pressão em que a restituição de cores é bastante baixa. Dependendo da potência das lâmpadas e do índice de restituição de cores podem-se conseguir rendimentos luminosos aproximadamente entre os 60 e os 130 lm/W, e a temperatura de cor varia entre os 2000 e 2500 ºK [5].

O tempo de arranque neste tipo de lâmpadas é de aproximadamente 5 minutos, e têm uma duração de vida média entre as 20000 e 30000 horas aproximadamente [10].

Tal como na lâmpada de vapor de mercúrio pode ser usada em aplicações de iluminação de espaços exteriores, jardins, parques e outras grandes áreas, sendo o seu principal uso a iluminação pública de estradas.

3.3.6 Lâmpada fluorescente

As lâmpadas fluorescentes são lâmpadas de descarga a vapor de mercúrio a baixa pressão. Como já foi referido, a descarga eléctrica no mercúrio caracteriza-se pela emissão de uma radiação com um espectro descontínuo que se situa na zona ultravioleta e também na zona visível. Também como já foi visto, quanto maior for a pressão do gás maior será o rendimento luminoso porque é maior a quantidade de radiação emitida na zona visível do espectro. As lâmpadas fluorescentes trabalham com vapor de mercúrio a baixa pressão em que a maior parte da radiação produzida é ultravioleta sendo depois usadas substâncias fluorescentes depositadas nas paredes do tubo de descarga que ao serem excitadas por essa radiação passam a emitir radiação visível para o exterior.

A constituição de uma lâmpada fluorescente é apresentada em seguida.

Figura 3.7 – Constituição da lâmpada fluorescente.

Esta lâmpada é constituída por um tubo de descarga alongado feito em vidro e que neste

caso é também o elemento mais exterior da lâmpada, não havendo então qualquer ampola exterior como nas outras lâmpadas de descarga (vapor de mercúrio e sódio alta pressão, etc.). As dimensões do tubo estão estandardizadas, sendo adoptado o tamanho adequado às características pretendidas para a luz emitida. O diâmetro do tubo é determinado pela corrente de descarga e pela quantidade de radiação emitida por esta, enquanto o comprimento depende essencialmente do fluxo luminoso que se quer produzir e da tensão estabelecida nos extremos do tubo de

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descarga. Dentro do tubo de descarga existe o mercúrio e um gás inerte, normalmente o árgon [5].

Nas paredes interiores do tubo de descarga é depositada uma capa de substâncias minerais fluorescentes com função de converter as radiações ultravioletas em luz. O material usado para esta função tem extrema importância na lâmpada pois dele depende em larga medida as características da luz em termos de restituição de cores, temperatura de cor, assim como o rendimento luminoso do aparelho. Existem diversas substâncias descobertas ao longo dos anos que são capazes de fazer esta função. Alguns materiais exibem características fluorescentes por si, embora em geral os compostos químicos apenas terão essas propriedades através de um processo de purificação que consiste na adição de uma substância, denominada activadora. É deste processo que resultam as características da luz fluorescente emitida. Alguns exemplos de substâncias fluorescentes são os halofosfatos de cálcio como o fluorofostafo de cálcio ou o clorofosfato de cálcio com activadores como o antimónio ou o magnésio [6].

Em geral a substância fluorescente não é capaz de filtrar completamente a radiação ultravioleta proveniente da descarga eléctrica no gás, mas para a generalidade das aplicações isso não tem grande consequência. Para algumas situações como a iluminação em museus não é aceitável qualquer emissão UV pelo que se recorre a uma cobertura extra com um material não fluorescente que previna essa emissão. Também pode haver a necessidade de uma cobertura especial devido a condições especiais de funcionamento tendo em conta a necessidade de protecção contra altas humidades ou variações de temperatura.

Nos extremos do tubo de descarga são colocados os eléctrodos, que são revestidos com um material emissor de electrões, e servem para fornecer energia eléctrica à lâmpada e consequentemente os electrões necessários para manter a descarga. Em geral, os eléctrodos são feitos à base de tungsténio, coberto com materiais como o óxido de bário ou cálcio que deve ser capaz de emitir electrões quando submetido a altas temperaturas. Finalmente, os casquilhos, localizados em cada uma das extremidades do tubo de descarga, são ligados aos eléctrodos sendo essencialmente constituídos por 1, 2 ou 4 contactos conforme o tipo de lâmpada e a forma do tubo de descarga. Para as lâmpadas mais usuais são usados casquilhos com 2 contactos. Adicionalmente, estas lâmpadas possuem aparelhagem auxiliar necessária ao seu funcionamento nomeadamente o balastro, arrancador e condensador [5].

O princípio de funcionamento de uma lâmpada fluorescente é o seguinte: para facilitar o arranque, os eléctrodos são pré-aquecidos através de um circuito auxiliar (arrancador) que lhes aplica uma tensão. Este pré-aquecimento permite que os eléctrodos estejam a uma temperatura adequada para emitir os electrões necessários para manter a descarga no gás, permitindo como tal que a excitação da lâmpada possa ser feita com uma tensão mais baixa do que o normal, ou seja, podendo ser ligada directamente á rede eléctrica. Para limitar a corrente de arranque é necessário um balastro tal como na maior parte das lâmpadas de descarga. Uma vez alimentada a lâmpada através dos seus eléctrodos, estabelece-se a descarga eléctrica dentro do tubo que contém uma pequena quantidade de mercúrio e um gás inerte. Este gás tem como função facilitar o arranque da descarga quando é mais difícil a excitação do mercúrio especialmente a baixas temperaturas, e controlar a velocidade de excitação dos átomos de mercúrio garantindo que a maioria dos electrões volta aos seus níveis de energia emitindo assim radiação em vez de serem ionizados [5].

O resultado deste processo é portanto a emissão de radiação electromagnética devido à excitação dos electrões dos átomos de mercúrio que, por estar contido no tubo a baixa pressão, é como já foi referido essencialmente uma radiação ultravioleta com comprimentos de onda da

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ordem dos 250 nanómetros. Esta radiação encontra nas paredes do tubo de descarga substâncias químicas fluorescentes que convertem a radiação aumentando o seu comprimento de onda que, na sua maioria, passa a pertencer ao espectro visível [5].

O balanço energético de uma lâmpada fluorescente é aproximadamente o seguinte: 25 % da energia de funcionamento é convertida em radiação visível; cerca de 30 % é convertido em perdas de calor por radiação infravermelha e à volta de 45 % é perdido por condução e convecção [5].

A eficiência energética desta lâmpada varia em função da camada fluorescente usada. Sem este filtro uma lâmpada de vapor de mercúrio a baixa pressão tem um rendimento luminoso típico de 5 lm/W, sendo que nas lâmpadas fluorescentes os rendimentos luminosos podem chegar aos 100 lm/W. Para as lâmpadas mais comuns esses valores variam aproximadamente entre os 50 e 90 lm/w consoante a potência. É conseguida luz com temperaturas de cor a variar entre os 2700 a 7500 K. O índice de restituição de cores nestas lâmpadas pode rondar tipicamente entre os 80 e 90, sendo possíveis obter índices de restituição superiores a 90 para aplicações em que isso seja desejável, à custa de uma menor eficiência energética [5].

O final de vida útil nestas lâmpadas ocorre normalmente como resultado do desgaste dos eléctrodos que resulta na perda de grande parte do material emissor de electrões. Como consequência a tensão normal de funcionamento aumenta relativamente à tensão de alimentação impedindo o arranque da lâmpada. Outra causa de desgaste é perda de eficácia da camada fluorescente que leva a uma diminuição do fluxo luminoso emitido devido ao ataque químico dos iões de mercúrio. A duração média de vida típica de uma lâmpada fluorescente situa-se para valores entre as 12000 a 20000 horas mas existem vertentes com durações consideravelmente superiores [10].

3.3.7 Lâmpada fluorescente compacta

As lâmpadas fluorescentes compactas (CFL – Compact Fluorescent Lamp) foram desenvolvidas para tirarem partido desta tecnologia em aplicações em que normalmente eram usadas exclusivamente as lâmpadas incandescentes. O princípio de funcionamento é portanto igual ao das fluorescentes normais mas diferenciam-se na sua constituição por terem um tamanho reduzido e um tubo de descarga curvado ou por um conjunto de tubos de menor dimensão.

Pode-se distinguir duas categorias de CFL que diferem essencialmente pela inclusão ou não da aparelhagem auxiliar. As CFL integradas incluem a alimentação incorporada e vêm normalmente equipadas com um casquilho do tipo Edison, sendo portanto adequadas para a substituição directa das lâmpadas incandescentes, e não necessitam de aparelhagem auxiliar exterior como balastro, arrancador e condensador. As CFL não integradas têm um casquilho normalmente de pinos e necessitam da aparelhagem auxiliar exterior de arranque. Necessitam portanto de condições específicas de instalação mas têm a vantagem de ter um peso menor e poderem ser mais económicas porque o sistema de arranque pode ser reaproveitado na altura da substituição da lâmpada.

Relativamente às fluorescentes normais as CFL têm portanto a possibilidade de uma gama de aplicações mais alargada e a hipótese da substituição directa das lâmpadas de incandescência. As características do fluxo luminoso emitido são basicamente as mesmas das fluorescentes normais em termos de restituição de cores e temperatura de cor. A duração de vida média situa-

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se entre as 8000 e 12000 horas e os rendimentos luminosos são menores, especialmente nas CFL integradas, devido ao reduzido volume do tubo de descarga.

3.3.8 Lâmpada vapor de sódio a baixa pressão

Este tipo de lâmpada assemelha-se na constituição e princípio de funcionamento à lâmpada fluorescente sendo usado o vapor de sódio a baixa pressão em vez do vapor de mercúrio.

A primeira grande implicação desta diferença construtiva é o facto de o arranque ser consideravelmente mais difícil porque o sódio está no estado sólido à temperatura ambiente. O arranque é conseguido pois com recurso a um composto gasoso auxiliar, normalmente contendo árgon e néon, em proporção adequada. Outra consequência do uso de vapor de sódio é a elevada tensão de arranque e o longo tempo de arranque, aproximadamente dez minutos, para funcionar com rendimento máximo [5].

O espectro electromagnético emitido situa-se maioritariamente na zona visível pelo que não é necessário o uso de substâncias nas paredes do tubo de descarga para converter radiação ultravioleta como nas lâmpadas fluorescentes, embora o tubo de descarga tenha de ser feito num material capaz de suportar as altas temperaturas necessárias para a vaporização do sódio [5].

A principal vantagem desta tecnologia é o elevado rendimento luminoso, conseguindo-se valores tão altos como 200 lm/W, sendo portanto o meio mais eficiente de produção de luz, ao qual alia uma elevada duração de vida média. No entanto, a luz emitida é praticamente monocromática amarela o que faz com que a de restituição de cores seja praticamente nula. A temperatura de cor é baixa de aproximadamente 1700 ºK. A sua principal área de aplicação é a iluminação pública mas têm sido substituídas nessa função pela lâmpada de vapor de sódio a alta pressão [5].

3.4 Iluminação de estado sólido (díodos emissores de luz – Led)

Os díodos emissores de luz (Led) são uma tecnologia de iluminação de estado sólido e que constituem a forma mais recente e em maior desenvolvimento da iluminação artificial. A descoberta deste recurso é atribuída a Henry Joseph Round que em 1907 reportou a observação de um brilho emitido por um cristal de carboneto de silício [11].

Esta tecnologia baseia-se pois na emissão de luz em semicondutores, especificamente os díodos, quando percorridos por uma corrente eléctrica ou em resposta a um campo eléctrico forte, causando assim o fenómeno designado por electroluminescência.

Os resultados práticos desta descoberta começaram a ser produzidos a partir da década de 1950, tendo o primeiro Led, emissor de cor vermelha, sido produzido em 1962 por Nick Holonyak Jr. Nos anos sequentes foram feitos diversos desenvolvimentos conseguindo-se, na década de 1970, alargar o espectro de luz com a produção de Leds emissores de luz verde, amarela e cor de laranja. Diversas aplicações apareceram então para esta tecnologia que começou a fazer parte de aparelhos como calculadoras, relógios digitais ou equipamentos de teste e de medida. Desenvolvimentos de relevo foram sendo progressivamente obtidos, conseguindo-se aumentar os níveis de eficiência e luminosidade bem como a redução dos custos de produção. Como consequência, o leque de aplicações dos Led foram sendo alargados

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passando a ser usados em iluminação exteriores de prédios, mensagens e cartazes publicitários [11].

Um dos maiores avanços nesta tecnologia foi conseguido já nos anos 90 pela mão de Shuji Nakamura e sua equipa que conseguiram pela primeira vez produzir o Led de luz azul de alta intensidade [12]. Deu-se assim um passo decisivo na obtenção de luz branca com Leds, e impulsionar a tecnologia para um número cada vez maior de aplicações para que, possivelmente no futuro, seja usada como fonte de iluminação generalizada.

3.4.1 Constituição e princípio de funcionamento.

A constituição básica de um Led é a de um conjunto de regiões realizadas em material semicondutor tal como acontece nos díodos normais. Esse material é obtido através de um processo, comummente designado por dopagem, que consiste na introdução de pequenas quantidades de matéria ou impurezas num material, formando uma junção do tipo p-n [13].

O material constituinte do cristal que forma o semicondutor será de um composto químico tipicamente com três electrões na camada exterior ou de valência como o alumínio, gálio ou índio. A região do tipo n será a fonte de cargas negativas. É obtida pela substituição de uma pequena quantidade de átomos do material principal por átomos de um elemento químico com um número superior de electrões de valência, neste caso quatro, provocando assim na região um excesso de cargas negativas. São usados frequentemente o silício e o germânio como elementos dopantes. Da mesma forma a região do tipo p será a fonte de cargas positivas onde o elemento introduzido terá um electrão a menos na camada exterior, provocando assim um défice de cargas negativas a que se dá a designação habitual de lacunas. Usam-se neste caso elementos como o zinco ou o magnésio [13].

Os electrões em excesso da região n bem como as lacunas da região p podem, se o material for submetido a uma tensão eléctrica, facilmente se libertarem da sua estrutura atómica e movimentarem-se pelo cristal levando assim ao transporte de cargas eléctricas.

Entre a região n e p deverá existir uma zona, designada de região activa pelo facto de ser ai que se irá produzir a luz, sendo constituída por camadas extremamente finas de material semicondutor. Quando, por acção de uma tensão eléctrica aplicada entre as regiões n e p, os electrões livres e as lacunas são enviados para a região activa, ficarão aí confinados havendo por isso a possibilidade de estes dois tipos de portadores de carga se recombinarem, o que a acontecer leva à libertação de um fotão, e consequentemente à emissão de luz [13].

Um esquema ilustrativo desse fenómeno aparece na figura 3.8.

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Figura 3.8 – Emissão de luz num Led.

O tipo de luz emitida por um Led caracteriza-se por ser uma radiação essencialmente contínua e monocromática com um comprimento de onda limitado (figura 3.9). O comprimento de onda dominante define a cor da radiação emitida e relaciona-se directamente com o tipo de materiais que constituem a junção p-n do díodo e da região activa. De facto, os primeiros Leds produzidos emitiam radiação com comprimentos de onda na zona do infravermelho e como tal não eram visíveis. O primeiro Led emissor de radiação na zona visível ao olho humano emitia luz vermelha e em seguida foi possível produzir Leds de cor verde e amarela [12].

Figura 3.9 – Espectro da radiação Led [14].

Para a obtenção do Led de cor azul foram necessários muitos anos de pesquisa e experiência de onde se destaca o trabalho desenvolvido por Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura, que contribuíram decisivamente para o desenvolvimento dos semicondutores em Nitreto de gálio (GaN) com os quais foi possível obter finalmente o led de luz azul. Esta invenção teve uma grande importância porque permitiu finalmente a obtenção de luz branca como se verá mais adiante [12].

Actualmente, a estrutura dos leds azuis é em geral a seguinte: uma região do tipo p, com

excesso de cargas positivas, à base de nitreto de gálio com dopagem de magnésio; a região do tipo n do mesmo material, com excesso de electrões por dopagem com silício; e a região activa à base de um composto triplo de Nitreto de Indio Gálio (InGaN). O substrato cristalino onde

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assenta o composto seria idealmente também á base de nitreto de gálio, mas por não ser possível fabricar cristais deste tipo com tamanho suficiente é usado por exemplo um substrato de safira (AL2O3) [13].

Este tipo de estrutura, apesar de ser um dos grandes passos de evolução tecnológica na área da iluminação, e o actual estado da arte dos Led, sofre de um problema que é a grande perda de eficiência com o aumento da corrente directa de funcionamento. Com efeito, este tipo de Leds conseguem grandes rendimentos luminosos (acima dos 100 lm/W) mas funcionando a baixas correntes, o que é indicado para aplicações pequenas como aparelhagem electrónica, telemóveis, relógios, etc. Para aplicações gerais de iluminação são necessários fluxos luminosos elevados, o que implica o uso de um elevado número de Leds. A alternativa natural é usar uma corrente de alimentação superior para elevar o seu fluxo luminoso emitido. No entanto, o que acontece é que o uso de correntes mais elevadas baixa consideravelmente a eficiência dos Led causando um efeito comummente designado por droop. Grande parte das investigações nesta área focam-se no combate a este problema com diversos investigadores e instituições a prosseguir várias caminhos e teorias que possam permitir a redução deste fenómeno [13].

Compreende-se pois que o desafio actual na área da investigação da iluminação Led é conseguir obter níveis de eficiência que compensem os elevados custos de fabrico para que a tecnologia possa ser alargada ao maior número de aplicações possível.

Mostra-se em seguida os materiais constituintes da camada semicondutora mais comuns

usados nos LEDs e a respectiva cor de luz emitida.

Tabela 3.2 – Materiais constituintes da camada semicondutora para diferentes tipos de Led [14].

Cor Material da camada

semicondutora. Abreviação

Vermelho Arseneto de Gálio Alumínio AsGaAl

Vermelho, Laranja, Amarelo Fosfeto de Índio Gálio Alumínio AlInGaP

Vermelho, Laranja, Amarelo Fosfeto Arseneto de Gáilo GaAsP

Verde, Azul Nitreto de Índio Gálio InGaN

A obtenção de luz branca a partir dos Led pode ser conseguida essencialmente de duas

formas distintas, sendo que ambas necessitam do Led de cor azul, o que explica a grande importância que teve a sua descoberta. Uma dessas formas é através da mistura de radiações com diferentes comprimentos de onda que constituem os componentes principais do espectro visível da radiação. Assim, são usados Leds de cor vermelha, verde e azul (red, green, blue – RGB-Leds), que combinados em determinadas proporções permitem a obtenção de luz branca, o que é representável no diagrama de cores da CIE [14].

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Figura 3.10 – produção de luz branca com Led´s pelo método RGB.

Uma maneira alternativa de produzir luz branca, e que é actualmente a mais usada na produção de Leds, consiste no uso de uma camada amarela fosforescente. Esta é colocada sob a luz azul proveniente do Led e, ao ser excitada por essa luz incidente, emite radiação verde e vermelha às quais se junta a luz azul não absorvida pela camada fosforescente, tendo assim as componentes fundamentais que se misturam e produzem luz branca (figura-3.12-a). Alternativamente a camada fosforescente pode absorver a luz azul e emitir luz amarela à qual seguidamente é adicionada luz azul não absorvida pela camada fosforescente produzindo também a desejada luz branca (figura-3.11-b). A natureza dos materiais usados para a camada fosforescente determinará por isso o meio de obtenção da luz [16].

Figura 3.11 – Produção de luz branca em Leds com camada fosforescente.

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Qualquer que seja o método usado percebe-se que a invenção do led azul foi um dos grandes avanços na tecnologia de iluminação actual já que abre as portas à possibilidade de cada vez mais aplicações baseadas nesta tecnologia, podendo mesmo pensar-se em que venham a ser no futuro a técnica generalizada de iluminação.

Uma lâmpada com tecnologia Led apresenta a seguinte constituição básica:

Figura 3.12 – Constituição de uma lâmpada Led [11].

Uma base de montagem, chamada de substrato, de material cristalino como a safira, onde

são colocados os materiais semicondutores (leds) em número e disposição adequada para a quantidade e qualidade da luz desejada.

Dois terminais eléctricos (ânodo e cátodo) são ligados por meio de um pequeno fio eléctrico a esta placa. É nestes terminais que é aplicada a tensão de alimentação a fornecer ao Leds.

Em baixo deste conjunto deverá ser colocada uma fonte de dissipação de calor responsável por diminuir a temperatura na zona semicondutora onde se produz a luz, sendo possível haver uma camada intermédia de material que facilite a propagação do calor.

Finalmente existe a lente que constitui o sistema óptico responsável por formar a luz emitida pelo Led para a forma e direcção desejadas [11].

3.4.2 Características da luz

A radiação emitida pelos díodos emissores de luz é caracterizada por um espectro contínuo com um comprimento de onda determinado pelo material da camada semicondutora como foi visto. Significa isto que, em oposição ao que acontece na generalidade das lâmpadas, a radiação emitida por um led com os materiais adequados cumpre essencialmente o propósito para que foi desenhado, ou seja a produção de iluminação, e portanto não contem radiações ultravioletas ou infravermelhas desnecessárias e frequentemente nocivas em determinadas aplicações.

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O fluxo luminoso emitido por um Led depende da sua potência. Ele pode ser da ordem de 1 ou 2 lúmen para Led de baixo consumo ou superior a 100 lúmen para os Led de maior potência. A tecnologia mais avançada disponível demonstra que é possível produzir Led com rendimentos luminosos consideravelmente acima de 100 lm/W. No entanto, na prática as aplicações reais de lâmpadas Led traduzem-se em aparelhos com rendimentos luminosos crescentes a partir dos 50 lm/W, o que significam níveis de eficiência energética muito superiores às lâmpadas de incandescência e comparáveis, com tendência para superar no futuro, ao desempenho das lâmpadas de descarga nomeadamente as fluorescentes [17].

Os LED de luz branca permitem a obtenção de luz com uma vasta gama possível de temperaturas de cor, tipicamente entre os 2500 K e 5000 K. A restituição de cores é uma das suas limitações tradicionais que vem sendo progressivamente melhorada. É usual hoje em dia valores típicos de IRC de 75, sendo em alguns casos possíveis índices de restituição mais elevados (> 90) [14].

Um aspecto de grande importância é a duração de vida média dos equipamentos. Para o Led de luz branca perspectivam-se ser possíveis durações de vida média superiores a 50000 horas o que constitui uma grande vantagem [18]. Em determinadas aplicações como túneis ou edifícios públicos os custos de manutenção bem como o custo de troca são elevados pelo que se deve procurar instalar equipamentos com os maiores tempos de vida útil possíveis Por outro lado, os Led possuem a propriedade de em geral não deixarem de funcionar de um momento para outro, como por exemplo acontece nas lâmpadas incandescentes, mas antes vão sofrendo uma diminuição do seu fluxo luminoso emitido. Como consequência a necessidade de troca de lâmpadas será extremamente reduzida, sendo o tempo de vida útil esperado por vezes superior inclusivamente ao da instalação onde vão funcionar, conseguindo-se assim uma redução dos custos de manutenção [19].

A análise do tempo de vida útil dos Led é especialmente complexa, devido principalmente ao facto de ser uma tecnologia muito recente e em grande desenvolvimento. Nesse sentido, e porque as aplicações práticas de iluminação com Leds são ainda reduzidas, não foi naturalmente possível determinar experimentalmente em tempo real e para um grande número de lâmpadas o tempo efectivo da sua duração como é feito para as demais tecnologias. Para que isso fosse feito seriam necessários, tendo em contas os valores da duração de vida útil perspectiváveis, mais de 5 anos de testes em funcionamento contínuo, o que significaria que quando os testes tivessem sido concluídos os produtos já seriam obsoletos.

A nível de duração, a tecnologia Led diferencia-se das restantes essencialmente pelo facto de, em geral, não deixarem de emitir fluxo luminoso. Seja em resultado, por exemplo da ruptura do filamento de tungsténio nas lâmpadas de incandescência, ou do desgaste dos eléctrodos nas lâmpadas de descarga, o fim de vida útil de uma fonte luminosa é atingido quando ela perde definitivamente a capacidade de produzir fluxo luminoso. No caso dos Led há portanto a necessidade se definir uma forma diferente de medir a sua duração de vida útil. Isso é feito à custa da diminuição do fluxo luminoso que vai ocorrendo com o seu funcionamento, ou seja da depreciação de lúmen emitido. Assim torna-se necessário definir valores a partir dos quais a radiação emitida não é suficiente para cumprir a função para a qual foi desenhada. Esses valores dependem obviamente da aplicação em concreto, mas em geral os testes efectuados indicam que o olho humano consegue aceitar sem se aperceber reduções de fluxo luminoso de 70 % para aplicações de iluminação geral e 50 % para aplicações decorativas. Uma vez definidos tais valores, são desenvolvidos métodos de estimação do tempo de vida útil, normalmente baseados

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em extrapolações da depreciação de lúmen a partir dos valores reais obtidos experimentalmente para as primeiras horas de funcionamento [20].

O principal factor que condiciona a depreciação do fluxo luminoso é a temperatura (figuras 3.13 e 3.14), mais especificamente a temperatura de funcionamento da junção p-n dos semicondutores. Esta é causada pelo aquecimento óhmico resultante da passagem de corrente eléctrica, e pela temperatura ambiente, que fazem com que haja uma degradação da camada fosforescente amarela, o que consequentemente causa a diminuição do fluxo luminoso [18].

Figura 3.13 – Tempo de vida esperado em função da temperatura do ponto-T1 [18].

Figura 3.14 – Depreciação de fluxo luminoso em Led, em função do tempo de funcionamento para várias

temperaturas ambientes [18].

Assim, e como não há libertação de calor por meio de radiação infravermelha, uma vez que toda a radiação emitida se situa na zona visível, é necessário que o aquecimento gerado seja removido por condução ou convecção. Como tal é necessário dotar as lâmpadas Led com a

1 O ponto T refere-se a um ponto especificado pelos fabricantes fora do Led, que se relaciona com a temperatura de junção e permite

assim estimar a sua temperatura.

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ventilação adequada e uma fonte de dissipação térmica. Adicionalmente, deve ser tido em conta as condições de operação dos aparelhos, nomeadamente os valores da corrente de funcionamento da camada semicondutora, assim como a temperatura ambiente no local de operação, para correctamente avaliar as condições de duração de vida média. Os estudos de

determinação da duração média de vida dos led actualmente originam resultados entre as 35000 e 60000 horas [18].

3.4.3 Led - Notas finais

Do estudo efectuado sobre as principais formas de iluminação constatou-se que, a nível de eficiência, a tecnologia Led mais avançada disponível consegue produzir rendimentos luminosos acima dos 100 lm/W, o que é já largamente superior ao das lâmpadas incandescentes, ligeiramente superiores às melhores lâmpadas fluorescentes, e com valores semelhantes aos das melhores lâmpadas de descarga de alta intensidade como a de vapor de sódio a alta pressão. Acredita-se no entanto que maiores rendimentos luminosos são possíveis já que, em laboratório, são atingidos valores acima dos 150 lm/W. A grande desvantagem tem a ver com o facto de tais rendimentos serem conseguidos com valores de corrente muito baixos na ordem das dezenas ou poucas centenas de miliamperes, o que significa que o fluxo luminoso emitido por um único Led é baixo (cerca de 100 lúmen para os melhores Led).

Para as aplicações práticas de iluminação mais comuns, são necessários níveis de fluxo luminoso muito superiores. Aumentar a potência fornecida para elevar o fluxo emitido não é possível devido a um efeito, conhecido como droop, que se traduz na descida acentuada dos rendimentos luminosos com o aumento da corrente de funcionamento. De facto grande parte das investigações nesta área tem como objectivo perceber a razão do aparecimento do droop e encontrar formas de o combater. Como tal as lâmpadas necessitam do uso de um grande número de Leds para obter a iluminação necessária. Significa isto que é necessário obter níveis de eficiência energética que compensem o alto custo de produção associado a esta tecnologia para que possa ser mais utilizada.

A tecnologia Led apresenta pois consideráveis vantagens em relação aos métodos de iluminação tradicionais, particularmente as lâmpadas incandescentes. Porém, algumas dessas vantagens são-no apenas a nível meramente potencial. Existem ainda muitas limitações técnicas para as quais muito trabalho de investigação está e continuará a ser realizado. Por outro lado, as outras tecnologias foram largamente desenvolvidas e têm vantagens a níveis de custos de produção e implementação nos mercados, o que faz com que os Led tenham ainda uma utilização reduzida e pensar neles como forma de iluminação generalizada seja ainda uma perspectiva de futuro longínquo. Não obstante, começa a ser cada vez mais pertinente a avaliação para aplicações concretas dos Led, como forma de contribuir para um uso mais eficiente da energia.

3.5 Comentários

Todo o capítulo três foi dedicado ao estudo das principais tecnologias de iluminação e aos seus produtos principais.

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Deve-se referir que existem ainda um conjunto alargado de tecnologias que não foram aqui expostas, como as lâmpadas de indução ou algumas lâmpadas de descarga como as de xénon, porque para além das suas aplicações serem diminutas, não é possível tratar todas as tecnologias por igual. Optou-se portanto por expor sucintamente as lâmpadas de incandescência e de descarga mais usadas, e dar alguma importância extra aos Led já que são mais recentes e menos conhecidos.

Relativamente aos valores referidos para caracterização do desempenho das várias tecnologias, como a duração média de vida ou a eficácia luminosa, eles devem ser entendidos como meramente indicativos já que variam grandemente entre os diversos fabricantes. É por isso em casos de estudo concretos que se deve ter um maior rigor na definição destes valores.

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Capítulo 4

Análise de Ciclo de vida

4.1 Generalidades, metodologias e normas

O Life Cycle Assessment (LCA) ou Avaliação de ciclo de vida é um método que permite avaliar o impacte ambiental de um produto, serviço ou processo durante o seu ciclo de vida, ou seja, desde a fase de design, passando pelo seu período de uso e até após o seu tempo de vida útil [21].

O conceito de ciclo de vida é baseado na assunção de que um produto, serviço ou processo tem um tempo limitado durante o qual poderá exercer a função para a qual foi concebido, e como tal deve ser avaliado o impacte anterior, durante e após esse período.

O LCA encontra-se actualmente documentado pela International Organization for Standardization (ISO) através de duas normas que contribuíram para que este método tenha uma aceitação generalizada e que constituem os documentos fundamentais para a sua realização. A norma 14040 intitulada “LCA - Principles and Framework” constitui o documento que enuncia os princípios a que deve obedecer um LCA bem como o enquadramento e o âmbito em que um estudo deste tipo deve ser inserido. A norma 14044 denominada “LCA – Requirements and Guidelines” é um documento de carácter mais prático destinado a conter os requisitos técnicos que devem constar de um LCA e as linhas de orientação para a sua realização [22].

Os principais princípios descritos nestas normas a que deve obedecer um LCA são: Ter uma perspectiva de ciclo de vida (cradle to grave), considerando todos os momentos

desde a extracção e aquisição de matérias-primas, materiais e custos energéticos para a realização dos produtos, bem como o seu uso, tratamento após o final de vida útil e destino final de detritos.

Proceder a um estudo com enfoque principalmente ambiental, sendo as avaliações de índole económica e social secundárias podendo ser abordadas em diferentes métodos de avaliação.

Tratar o LCA como uma abordagem relativa estruturada em função de uma unidade funcional que é o objectivo em estudo. Assim, todas as análises, entrada de dados e produção de saídas ou conclusões são relativas ao produto em estudo sendo o LCA o método através do qual isso é realizado.

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Fazer uma abordagem iterativa, na medida em que as diferentes fases do LCA usam os resultados das outras fases. Isso implica haver uma ligação entre as diferentes etapas que permita produzir e compreender resultados em função de todos os factores em discussão.

Dado ser um processo complexo, o LCA deve ser guiado por um máximo de transparência para se poder compreender os resultados e deve ser feito de forma compreensiva para que todos os aspectos envolvidos sejam perceptíveis permitindo que potenciais compromissos (trade-offs) sejam realizados.

Finalmente, deve-se ter uma abordagem baseada na ciência natural, podendo ser usadas, quando tal não for possível, abordagens económicas, sociais ou convenções internacionais, sendo pois o objectivo de permitir a tomada apropriada de decisões [21].

Um LCA contém as seguintes quatro componentes principais:

• Definição de objectivos e âmbito de estudo de um LCA; • Inventariação de dados de entrada e saída do estudo; • Avaliação de impacte; • Interpretação.

Figura 4.1 – Enquadramento de um LCA [21].

Os objectivos de um LCA incluem a aplicação pretendida (análise, design, informação,

etc.), as razões para a condução do estudo, a audiência alvo do estudo e se os resultados se destinam a ser usados em afirmações comparativas para divulgação pública. O âmbito do estudo refere-se ao produto, serviço ou processo que se pretende analisar e inclui a definição da sua função, unidade funcional, fluxo de referência, fronteiras de sistema em análise, categorias de impacte, os requisitos de dados necessários, a qualidade dos mesmos, etc. [21].

A inventariação de dados, correspondente à fase dois de um LCA, consiste justamente na aquisição da informação indispensável à realização do estudo, isto é as entradas e saídas relevantes de um sistema de produto. Engloba portanto a recolha de dados, cálculo de dados, e a alocação de fluxos, emissões e descargas. A recolha de dados deve ser feita para cada processo unitário dentro da fronteira do sistema definida no âmbito do estudo. Os dados recolhidos

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incluem: entradas de energia, entradas de matérias-primas, produtos, co-produtos, resíduos, emissões para o ar, descargas para os solos, entre outros. Após feita a recolha dos dados de interesse são necessários procedimentos de cálculo que incluem a validação dos dados recolhidos, a relação dos dados com os processos unitários e com o fluxo de referência da unidade funcional.

A terceira fase corresponde à avaliação de impacte do LCA é feito através de uma análise dos dados obtidos para compreender a sua importância ambiental. Ou seja, é feito um tipo de conversão dos resultados quantitativos da inventariação (fase 2) para resultados mais qualitativos e que em geral, têm maior importância e mais significância do ponto de vista do leitor ou interessado no estudo.

A interpretação do LCA foca-se nos resultados produzidos nestas duas etapas anteriores sendo feita uma análise para validar os resultados e avaliar a sua robustez. Essa análise consiste, por exemplo, em aferir que tipo de dados mudaria substancialmente as conclusões do estudo, ou quais os dados cuja exactidão é mais necessária para a qualidade dos resultados. Também inclui a avaliação de que tipo de dados contém incertezas associadas devido a estimativas ou dificuldades de obtenção, análise de cenários, etc. Realça-se pois nesta fase, a natureza iterativa do método pois pode frequentemente implicar a revisita às restantes fases até que se obtenham resultados que sejam consistentes com o objectivo e âmbito do estudo e que permitam obter conclusões, explicar limitações e fazer recomendações.

4.2 Aplicação à iluminação

No contexto das tecnologias de iluminação seria pertinente a execução de um estudo do tipo life cycle assessment associado à mais recente tecnologia de iluminação LED, na medida em que adicionalmente aos aspectos da eficiência, consumo energético, e propriedades da luz emitida, é cada vez mais importante avaliar o impacto ambiental que as novas descobertas na área da energia acarretam, tendo em conta as politicas de protecção ambiental vigentes. Sendo uma tecnologia tão recente e em tão grande desenvolvimento, torna-se ainda mais importante este estudo porque permite ajudar a compreender quais as vantagens e desvantagens associadas, e que nesta fase de investigação podem ser ainda consideradas para se conseguir soluções ambientalmente favoráveis e portanto um desenvolvimento sustentável da tecnologia.

A condução de um estudo formal de avaliação de ciclo de vida é um processo muito exigente quer em termos de informação necessária quer no tempo necessário para o executar. De facto a execução de um LCA requer a consideração de todos os recursos necessários em todas as etapas da vida de um produto. Para além das matérias-primas, é preciso considerar os gastos de energia, emissões e detritos associados à produção e obtenção de todos os componentes de um produto, à sua montagem, ao seu funcionamento e também ao tratamento após a sua vida útil. Em concreto, a avaliação de ciclo de vida aplicada aos díodos emissores de luz apresenta as seguintes dificuldades de execução:

A tecnologia está em constante evolução, sendo muito frequentes as notícias de novos níveis de performance atingidos por diferentes fabricantes envolvidos na sua investigação, ainda mais por estar inserida numa indústria tão importante como a dos semicondutores. Como tal, os processos de fabrico, especialmente dos materiais semicondutores, são em larga medida desconhecidos sendo isso agravado pela concorrência do sector, segredos industriais, etc. Isto indicia que, numa fase tão precoce de evolução tecnológica, a condução de uma avaliação de

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ciclo de vida seja exequível, e de certa forma recomendada, para uma empresa do sector que terá interesse com isso em avaliar o seu processo de produção, conseguir eventuais melhorias e promover o seu produto do ponto de vista da comparação com as outras formas de iluminação se o estudo revelar vantagens. Esta dificuldade no acesso à informação foi confirmada pela ausência de dados de relevo relativamente à tecnologia Led nas bases de dado disponíveis associadas aos softwares especializados na realização de avaliação de ciclo de vida [24].

Até hoje o único estudo LCA aplicado aos Led relevante que tenha sido anunciado foi feito pela empresa OSRAM do grupo Siemens um dos líderes mundiais na produção de iluminação Led, onde é feita, segundo as normas ISO já referidas, uma avaliação de ciclo de vida para lâmpadas Led sendo comparadas com lâmpadas equivalentes de incandescência e do tipo fluorescente compacto [23].

4.3 Estudo de ciclo de vida

Foram analisadas as vantagens da condução de estudos de avaliação de ciclo de vida, e as limitações à sua execução em concreto para os Leds. Daí resulta óbvia a impossibilidade de se efectuar no contexto deste trabalho a elaboração de um estudo formal de avaliação de ciclo de vida quer pelos requisitos temporais e de nível de trabalho, quer principalmente pelas limitações de informação que impossibilitam em concreto a fase dois de inventariação de um LCA.

Não obstante tais limitações, pretende-se estudar os impactos ambientais associados à tecnologia Led. Irá para isso ser feita uma estruturação dos componentes que um LCA formal deveria conter, assim como uma enumeração das principais vantagens e desvantagens da tecnologia Led tendo a preocupação de as relacionar com as diferentes fases da vida de uma lâmpada, e fazendo quando possível uma comparação com outras tecnologias de iluminação. Será portanto um estudo com uma perspectiva semelhante à que guia os LCA, sem no entanto ser um estudo formal desse tipo, e é apresentado em seguida.

A avaliação de ciclo de vida aplicada às formas de iluminação Led deverá ter como

objectivos analisar de que forma tal tecnologia se comporta ao longo de todo o seu ciclo de vida em termos ambientais, nomeadamente em factores como a emissão de elementos poluentes para a atmosfera, exaustão de recursos naturais, perigos para a saúde pública, etc.

Para fazer a melhor avaliação possível é necessário que o estudo seja do tipo comparativo. Como tal é necessário que juntamente com a avaliação dos Leds seja feito um estudo equivalente sobre as formas alternativas e concorrenciais a esta de iluminação. Ora como foi visto neste trabalho, as diferentes tecnologias têm um determinado nível de adequação às aplicações concretas, sendo então de esperar que o estudo de avaliação de ciclo de vida deva comparar os Leds com as melhores tecnologias no interesse da melhor avaliação possível. Por exemplo, para aplicações de iluminação pública seria aconselhável avaliar as luminárias com lâmpadas de vapor de sódio a alta pressão, lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão ou eventualmente de iodetos metálicos. Já para aplicações mais gerais, para uso residencial ou em serviços, era conveniente tratar as lâmpadas de incandescência e fluorescentes. A título de exemplo, refira-se que o já mencionado LCA produzido pela OSRAM compara os desempenhos de uma lâmpada de incandescência de 40 watt, uma lâmpada fluorescente compacta (CFL) de 8 watt e uma lâmpada Led de 8 watt [23].

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Uma vez definido o objectivo do estudo há que especificar o seu âmbito, ou seja, os produtos concretos em avaliação. Para tal é necessário, de acordo com as normas internacionais, definir a função do produto, a unidade funcional e o fluxo de referência.

Então, para o caso das lâmpadas em estudo, capazes de realizar uma função específica de produção de luz com características iguais ou aproximadas durante um determinado tempo, poderia ser definida uma unidade funcional à custa por exemplo do fluxo luminoso emitido. O fluxo de referência específica a quantidade de produtos necessária para executar a função.

Mais uma vez recorrendo ao estudo da OSRAM têm-se três lâmpadas capazes de produzir fluxos luminosos entre 345 e 420 lúmen, destinadas a funcionarem durante 25000 horas com uma temperatura de cor entre 2700 e 3000 ºK, e um índice de restituição de cores superior a 80. Isto pode ser conseguido de três formas distintas: Uso de 25 lâmpadas de incandescência com um tempo de vida de 1000 horas cada; uso de 2,5 lâmpadas fluorescentes compactas com um tempo de vida de 10000 horas cada; uso de uma lâmpada Led com um tempo de vida de 25000 horas [23].

Seguidamente seria necessário efectuar a definição de fronteira do sistema. Esta define os

processos unitários a serem incluídos no sistema e deve contemplar os elementos chave que constituem o produto e as diversas etapas do seu ciclo de vida

Para o estudo do ciclo de vida de uma lâmpada consideram-se as seguintes cinco etapas distintas ilustradas na figura seguinte.

Figura 4.2 – Etapas constituintes do ciclo de vida de uma lâmpada.

A primeira etapa diz respeito à produção dos componentes individuais que integrarão o

produto, como por exemplo os materiais semicondutores no caso dos LED, os filamentos das lâmpadas de incandescência, ou os tubos de descarga das lâmpadas fluorescentes. Deve levar em conta, como entradas, os recursos adquiridos nomeadamente as matérias-primas necessárias e os recursos energéticos gastos no processo.

A segunda etapa que concerne o processo de fabrico do produto final é onde é avaliado o processo de manufactura e a junção dos componentes individuais provenientes da primeira etapa. Devem ser considerados os gastos de energia necessários ao processo bem como o uso de matérias auxiliares.

A etapa número três refere-se ao transporte do produto final desde o local de fabrico até aos clientes finais sendo considerados essencialmente os custos de energia associados como os da produção da embalagem, meio de transporte, etc.

A quarta etapa é a de funcionamento da lâmpada, ou seja, o tempo durante o qual ela está pronta a realizar a sua função de produção de luz, em que é levado em conta a energia necessária nomeadamente a energia eléctrica.

Por fim a quinta etapa diz respeito ao fim de vida útil da lâmpada em que é avaliado o tratamento dos diferentes materiais componentes nomeadamente em termos de reciclagem,

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quando tal for possível, destruição de componentes e tratamento de detritos. Devem ser considerandos os respectivos custos energéticos em ambos os processos.

Para estas mesmas etapas deve-se definir ainda no âmbito do estudo as saídas de interesse que se relacionam com as categorias de impacte ambiental. Por exemplo, para a categoria de impacte ambiental do potencial de aquecimento global, que mede o contributo de uma substância emitida para a atmosfera no aquecimento global do planeta, devem-se usar como saídas as substancias que no decorrer do ciclo de vida do produto em avaliação são emitidas e têm efeito nesta categoria como as emissões de dióxido de carbono (CO2). Outros exemplos de categorias de impacte são o potencial de toxicidade para humanos, impacto nos ecossistemas, consumo de recursos naturais, entre outros, dependendo naturalmente da extensão que se queira dar ao estudo.

A fase seguinte à definição de objectivos e âmbitos do LCA é a de inventário de ciclo de

vida que envolve os procedimentos de recolha de dados e os procedimentos de cálculo para as entradas e saídas relevantes do produto que foram atrás definidas.

A recolha de dados consiste na obtenção da informação relevante que define os recursos consumidos e os efeitos produzidos associados a cada uma das etapas do ciclo de vida. Neste caso os principais dados de interesse a serem recolhidos como entradas do sistema deverão ser a energia primária necessária ao funcionamento das cinco etapas fundamentais do seu ciclo de vida, como a obtenção das matérias-primas, materiais auxiliares, etc.

A Energia primária é a energia contida em recursos naturais como carvão, petróleo, luz solar, vento, ondas, água dos rios, materiais radioactivos, etc., antes de sofrer alteração na sua natureza. Portanto deve ser considerada, em função do local onde decorrem as etapas do ciclo de vida, e a forma como essa energia primária é transformada nomeadamente em electricidade. Assim, considerando que a fase de utilização e de fim de vida das lâmpadas decorrerá, por exemplo na Europa, deve ser levado em conta os meios de produção de electricidade nesta região. Já para o fabrico de alguns componentes será usual a sua produção em países como a China, Malásia, etc., onde diferentes meios de produção de energia eléctrica são empregues nomeadamente centrais a carvão que acarretam um consumo de energia primário distinto de outros meios de produção e portanto um impacte ambiental diferente.

A actividade de recolha de dados pode frequentemente ser muito exaustiva e consumidora de recursos pelo que é possível que haja restrições práticas que devem ser consideradas e documentadas no relatório de estudo. Em função destas restrições pode haver a necessidade de revisitar o âmbito e o objectivo do estudo na primeira fase.

Como saídas, ou seja, como resultados após o cálculo dependentes das entradas, devem ser obtidos os dados referentes às categorias de impacte ambiental definidas no âmbito do estudo tais como o potencial de aquecimento global. Assim são calculados os valores de interesse tais como o das emissões para a atmosfera, descargas para a água ou solos, entre outros. Os procedimentos de cálculo são necessários após a recolha de dados para produzir os resultados do inventário do sistema. De acordo com as normas, estes procedimentos terão a função de validar os dados recolhidos, relacionar os dados com os processos unitários e com os fluxos de referência da unidade funcional. Então a aplicação destes procedimentos à avaliação de ciclo de vida das lâmpadas deverá resultar na obtenção de valores para o consumo de energia primária e para os parâmetros ambientais de relevo que forem incluídos no estudo.

50

Apresenta-se de seguida, tal como foi referido, a listagem das principais vantagens e desvantagens ambientais associadas com as lâmpadas de díodos emissores de luz, que se conseguiu apurar. Algumas destas têm por base as conclusões retiradas do estudo LCA da Osram, e tal deve ser encarado com naturalidade pois é usual a comparação entre os resultados obtidos por diferentes estudos de avaliação de ciclo de vida sobre o mesmo produto. Daí a importância do uso do método estandardizado que permita a transparência necessária para fazer essas comparações.

Estas conclusões têm de ser vistas portanto com o adequado espírito crítico, por não estarem quantitativamente fundamentadas, devido ao facto de não ter sido realizado neste trabalho em concreto a metodologia LCA, pelas razões já indicadas. Para além disso, esta relação de vantagens e desvantagens, assim como o mencionar de conclusões obtidas por outros estudos, deve ser entendida como os parâmetros de interesse que um estudo de avaliação de ciclo de vida formal e independente deveria averiguar, confirmando ou não estes resultados.

Uma questão importante é a do consumo de energia associado ao processo de produção das

lâmpadas de díodos emissores de luz. De acordo com o LCA realizado pela ORSAM – Siemens os custos de energia associados à manufactura do produto são respectivamente 15.3 Quilowatt-hora (KWh) para as 25 lâmpadas de incandescência, 10.2 KWh para as 2.5 lâmpadas fluorescentes compactas e 9.9 KWh para a lâmpada Led [23]. Isto significa que, embora o custo individual de produção da lâmpada Led seja o mais elevado, levando em conta o tempo total de funcionamento e o número de lâmpadas necessárias de cada tipo, ou seja o fluxo de referência, conclui-se que o custo energético primário para a produção é menor para a tecnologia Led.

Considerando agora o total de energia consumido para todo o ciclo de vida o referido estudo apresentou os seguintes valores: 3302 KWh para as lâmpadas de incandescência e 667 KWh para as fluorescentes compactas e Led [23]. Esses resultados dão uma indicação de que o processo de fabrico dos LED não é, como se poderia pensar, demasiado pesado em termos de consumo de energia quando comparado com as principais alternativas, e representa menos de 2% do gasto energético associado a todo o seu ciclo de vida.

Neste estudo são consideradas para avaliação seis categorias de impacte ambiental sendo uma delas o potencial de aquecimento global, já atrás explicitado, e que foi determinado na unidade de equivalente de C02. Para as lâmpadas de incandescência os resultados ao longo de todo o ciclo de vida foram de 567 quilogramas (Kg) de equivalentes de C02 enquanto para a lâmpada CFL e Led foram de 115 Kg de equivalentes de C02 [23]. Nas restantes categorias de impacte ambiental com potencial de toxicidade para humanos ou potencial de acidificação, os resultados apresentam sempre esta mesma tendência, ou seja, valores equivalentes entre a tecnologia Led e CFL e consideravelmente maiores para a lâmpada de incandescência.

Assim, as principais conclusões anunciadas no estudo são o reduzido custo energético da produção dos Led relativamente ao consumo de todo o ciclo de vida, e um desempenho em termos energéticos e ambiental equivalente entre as lâmpadas Led e CFL e consideravelmente superior relativamente às de incandescência [23].

A constituição dos Led apresenta a grande vantagem de não possuir mercúrio na sua

constituição diferenciando-se assim das lâmpadas fluorescentes que são uma das tecnologias mais eficientes actuais para soluções gerais de iluminação. O mercúrio é um metal que se encontra no estado líquido nas condições de pressão e temperatura normais e que é considerado um poluente de alto risco devido aos efeitos tóxicos que pode causar para a saúde humana. A

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reciclagem das lâmpadas que contêm mercúrio é portanto obrigatória, mas é de realçar o desenvolvimento de tecnologias que elimine este risco potencial, agravado pelos utilizadores que não fazem o envio das suas lâmpadas usadas para reciclagem.

É necessária a avaliação dos materiais usados na constituição dos Led, especialmente das

camadas semicondutoras feitas com compostos químicos como o Arseneto de Gálio Alumínio, Fosfeto de Índio Gálio Alumínio, Nitreto de Índio Gálio entre outros. Estes desenvolvimentos são relativamente recentes e as maiores preocupações, a nível dos fabricantes, residem na melhoria dos níveis técnicos como a eficiência energética. Reforça-se pois a importância da realização dos estudos apropriados nomeadamente em termos de segurança, toxicidade e tratamento dos resíduos de forma a avaliar apropriadamente a qualidade ambiental inerente a esta tecnologia.

Os níveis de eficiência energéticas dos LED na sua fase de utilização são muito superiores

aos das lâmpadas de incandescência o que tem uma grande importância em termos de potenciais poupanças económicas mas, principalmente na vertente ambiental, na redução de emissões de gases poluentes para a atmosfera. Nesse sentido, e atendendo aos previsíveis futuros desenvolvimentos expectáveis para a tecnologia, acredita-se que as legislações criadas para proibir gradualmente o uso de equipamentos pouco eficientes como as lâmpadas de incandescência sejam uma decisão fundamentada e com bom suporte científico baseado nos estudos de avaliação de ciclo de vida.

4.4 Comentários

Destaca-se a importância de métodos científicos estandardizados como ferramentas importantes para o desenvolvimento sustentável da tecnologia. Em concreto a avaliação de ciclo de vida - LCA afigura-se como o principal instrumento disponível para esse efeito. Foram vistas as limitações ao desenvolvimento deste tipo de estudos, especialmente no contexto de um trabalho académico, mas ficaram também bem patentes as vantagens que dele podem decorrer como forma de avaliar apropriadamente os impactes ambientais para a área da iluminação.

Salienta-se a escassez de estudos e resultados importantes nesta área realizados a nível profissional e da parte dos agentes mais directamente ligados com a tecnologia, como fabricantes, o que limita em boa medida as conclusões para este trabalho mas reforça a necessidade da execução de estudos deste tipo.

Como principais conclusões, devem-se referir as potenciais vantagens ambientais associadas aos Leds que apontam para a utilidade dos investimentos realizados nesta área. Começa pois a ser cada vez mais pertinente a execução de estudos para o alargamento das aplicações para esta tecnologia.

O trabalho realizado em termos de definição de objectivos e âmbito de um LCA pode ser encarado como fase de partida para uma execução futura de um estudo completo de avaliação de ciclo de vida para os díodos emissores de luz.

Finalmente importa referir que pese embora o elevado tempo dispendido na aprendizagem da metodologia de life cycle assessment, e a sua aplicação à iluminação, não foi possível apresentar resultados devido às dificuldades de aceder a informação e pelo elevado nível de trabalho que um estudo formal deste tipo implica.

52

Também é importante referir, até para futuros trabalhos académicos deste tipo, que para obter resultados é necessário partir de situações mais específicas do que aquilo que se fez nesta dissertação, ou seja é imperativo ter um conjunto de produtos concretos e a possibilidade de obter informação sobre estes para a execução de uma avaliação de ciclo de vida.

53

Capítulo 5

Aplicações da tecnologia

5.1 Introdução

Uma vez estudados sob o ponto de vista de constituição, princípio de funcionamento e principais características técnicas as mais importantes formas de iluminação é necessário avaliar a adequação das diferentes tecnologias às actividades para as quais é necessário o uso de iluminação artificial.

As aplicações de iluminação são naturalmente muitas com necessidades e características diversas. Assim, para efeito dos assuntos que se pretende discutir neste trabalho irá ser feita uma distinção entre iluminação exterior e interior, verificando quais as soluções práticas mais comuns, analisando genericamente as vantagens e inconvenientes das várias tecnologias, e procurando identificar situações em que seja, num contexto de eficiência energética, adequada a utilização de fontes de iluminação Led.

Depois, irá ser feita uma escolha dos indicadores concretos de relevo para o decisor, que permitam a escolha criteriosa do melhor tipo de solução luminotécnica a implementar nos casos em concreto. O objectivo inerente a esta escolha, não é a análise detalhada dos parâmetros luminotécnicos característicos dos equipamentos. A sua função é a de permitir a escolha genérica entre tecnologias de iluminação proporcionando ao decisor os factores mais relevantes que o auxiliem nessa escolha, e avaliando portanto o potencial de poupança, retorno de investimento, viabilidade de cenários de substituição, redução de emissões etc.

5.2 Iluminação interior

A iluminação interior refere-se às necessidades de iluminar correctamente as áreas onde serão realizadas tarefas específicas por pessoas, incluído portanto o uso doméstico, em serviços ou industrial. Os níveis de iluminação são definidos com recurso essencialmente à grandeza iluminância em função das tarefas específicas a realizar pelos utilizadores. Esses valores encontram-se tabelados em documentação própria da Comissão Internacional de Iluminação,

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onde também é usual haver a indicação do índice de restituição de cores, UGR e temperatura de cor da luz adequados. Os níveis de iluminância para iluminação interior situam-se para a generalidade dos casos entre 100 e 2000 lux [24].

A iluminação para uso doméstico caracteriza-se por uma grande variedade de aplicações e

onde os aspectos de criatividade e estética têm grande importância pelo que os parâmetros de temperatura de cor e índice de restituição de cores são muito importantes. Uma boa restituição cromática é essencial para aplicações de carácter decorativo em que também é útil empregar fontes com diferentes temperaturas de cor para transmitir diversas tonalidades aos objectos. Na maioria das aplicações é desejável uma distribuição uniforme da luminosidade pelos compartimentos e um fluxo luminoso intenso para que sejam reflectidas em grande detalhe os objectos e superfícies. Muitas vezes interessa criar uma iluminação que transmita uma sensação agradável para os visitantes, recorrendo-se frequentemente a aplicações com múltiplos pontos de luz de pequena intensidade que apresentam um bom efeito estético. Depreende-se pois, que em muitas destas situações a eficiência energética e a poupança económica, embora importantes, não sejam os indicadores de maior interesse para o utilizador.

A iluminação para uso em serviços como escritórios, zonas de atendimento ao público e

outras caracteriza-se pela necessidade de soluções funcionais e eficientes sendo os aspectos de ordem estética secundarizados. A luz deve incidir primariamente sob o plano de trabalho onde deve haver uma distribuição tão uniforme quanto possível evitando a formação de sombras e encandeamento. Em oposição à iluminação decorativa devem evitar-se fortes contrastes de luminância e de cor que podem causar cansaço e dificuldade de percepção e concentração nas tarefas e adicionalmente, deve haver uma boa relação entre as fontes de luz artificial e a luz natural tirando o máximo partido desta. Em conclusão, este tipo de utilização deve portanto garantir o conforto visual dos seus utilizadores e faze-lo tão eficientemente quanto possível.

A iluminação de uso industrial caracteriza-se por ter especificações muito próprias

consoante as aplicações concretas. Pretende-se pois iluminar convenientemente as tarefas garantindo toda a segurança possível na sua execução. Algumas dessas tarefas requerem níveis de iluminância muito elevados (2000 lux), como acontece em trabalhos de precisão. Noutros casos são suficientes iluminâncias bem mais reduzidas (100 lux) como actividades de secagem. Há pois uma grande diversidade de cenários. Grande parte das aplicações requer IRC elevado (80 ou 90), e em alguns casos é necessária uma temperatura de cor mais elevada (> 4400 K) como em trabalhos de inspecção de cor ou de precisão [24]. Finalmente deve referir-se a necessidade da maior fiabilidade possível dos sistemas de iluminação porque as falhas na indústria podem causar consequências graves a nível de segurança bem como elevados prejuízos económicos. Há portanto grande conveniência no uso de fontes com elevada duração e reduzidos custos e necessidades de manutenção.

A iluminação interior é assegurada basicamente pelas lâmpadas de incandescência normais,

de halogéneo e reflectoras e pelas lâmpadas fluorescentes, quer as normais tubulares quer as compactas. Interessa pois analisar também as características dos Led que a tornam adequada para este tipo de iluminação.

A produção de luz por incandescência tem sido gradualmente menos utilizada com o aparecimento de novas tecnologias. A sua aplicação actualmente é essencialmente feita em

55

iluminação interior e a tendência natural é continuar a diminuir atendendo também às novas exigências legislativas [3].

Uma das grandes vantagens que possuem é o facto de produzirem uma restituição de cores óptima, o que é particularmente indicado para aplicações decorativas e para tarefas específicas como montagem de precisão ou de avaliação de cores. Também apresentam a vantagem de permitir fontes luminosas pequenas, quase pontuais, em virtude de não haver necessidade de equipamento auxiliar ao processo de produção de luz, e a luz produzida é facilmente controlável usando equipamento óptico adequado. Estas propriedades tornam-na atractiva para situações de iluminação de lugares pequenos, luzes de presença, etc., e permitem uma variedade de aplicações com um elevado nível estético. O custo do investimento inicial da tecnologia de incandescência é inferior comparativamente às restantes opções mas essa poupança é geralmente perdida pelo consumo elevado de electricidade e pela reduzida vida útil que provoca custos adicionais de substituição. Nesse sentido, e tendo em conta a existência de substitutos para virtualmente todas as aplicações à altura é seguro excluir as lâmpadas de incandescência para a iluminação funcional eficiente.

As formas de produção de luz fluorescentes constituem o substituto natural das lâmpadas de

incandescência em iluminação interior. Estas não possuem índices de restituição de cores óptimos como as incandescentes, mas os seus valores (85 a 95) são suficientes para a maioria das aplicações.

Em termos de dimensões estas lâmpadas têm tamanhos consideráveis devido à sua construção que requer os tubos de descarga grandes e ainda aparelhagem auxiliar como balastros. As lâmpadas fluorescentes tubulares, de maior dimensão, requerem condições específicas de instalação, e consequentemente acarretam custos adicionais, pelo que não são adequadas para substituição directa das lâmpadas de incandescência, destinando-se pois a situações de projectos de raiz ou implicando uma reformulação da concepção da instalação. A vertente compacta (CFL) é indicada para a substituição directa das lâmpadas incandescentes havendo actualmente praticamente uma equivalência completa entre as duas tecnologias em termos de formas e tamanhos.

Uma vantagem considerável reside no facto de não emitirem radiações infravermelhas o que é geralmente importante em termos de iluminação interior pois deste modo não causa a produção de calor indesejado. Por outro lado, apresentam uma gama elevada de temperaturas de cor o que permite a adaptação a diferentes situações.

Os custos de investimento são superiores aos das lâmpadas incandescentes mas a sua eficiência energética e elevados tempos de vida útil permitem compensar esse acréscimo ao longo do seu tempo de utilização.

Os Leds apresentam potencialmente as características ideais para as fontes de iluminação

interior em termos de tamanho, eficiência e tempo de vida, e o desenvolvimento deste tipo de iluminação vem permitindo alargar a sua gama de aplicações.

Em termos de dimensões são potencialmente as fontes de iluminação mais pequenas o que as tornam atractivas para uma variedade de aplicações como iluminação de segurança, luzes de presença ou decorativa.

O espectro de radiação dos LED, limitado normalmente à zona visível, implica que a luz emitida é desprovida de radiações ultravioletas e infravermelhas que produzem potenciais danos e aquecimento indesejado, que se tornam particularmente nocivos na iluminação de obras de

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arte ou objectos mais sensíveis a estas radiações. Por outro lado, é possível obter uma elevada gama de temperaturas de cor que influenciam a tonalidade da luz e consequentemente a forma como são percepcionados os objectos. Como tal a iluminação Led adequa-se a aplicações em museus ou outras de carácter expositivo. O nível de restituição cromático é uma das limitações tradicionais destas fontes de iluminação, mas que tem vindo progressivamente a ser melhorado. O IRC típico é de cerca de 75 sendo possíveis valores superiores à custa de eficiência energética. Estes números, ainda que satisfatórios para a generalidade das aplicações, são inferiores relativamente aos obtidos por outras fontes alternativas. Os custos de investimento são naturalmente os maiores entre as principais fontes de luz já que estão associados a um processo de fabrico complexo e dispendioso [14].

Todas estas características indiciam que as lâmpadas fluorescentes são ainda a alternativa

mais adequada para a iluminação de interiores, especialmente no que diz respeito às actividades directamente desenvolvidas por pessoas. Não só possuem uma qualidade de luz superior como estão desenvolvidas e adequadas a uma gama grande de aplicações, e têm níveis de eficácia luminosa comparáveis ou superiores aos Led. Assim sendo, e atendendo ao que se pratica na área da iluminação eficiente, deve-se procurar ir introduzindo esta tecnologia a nível das situações que requerem menores quantidades de luz e também menor qualidade da mesma. Será assim possível obter poupanças energéticas a nível de áreas de circulação, casas de banho, luzes de presença, etc.

5.3 Iluminação exterior

A iluminação exterior inclui diversas categorias como a iluminação pública de estradas e passeios, iluminação de túneis, aeroportos, ou ainda as aplicações de carácter mais decorativo como a iluminação de monumentos, fachadas de edifícios, montras, cartazes publicitários, etc.

Relativamente à iluminação interior distingue-se essencialmente pelo maior tamanho das superfícies a iluminar, e pela actuação sobre os equipamentos e sobre a área iluminada dos diversos agentes atmosféricos, ou de outras condições adversas de funcionamento, como por exemplo, os altos níveis de poluição e de concentração de gases na iluminação de túneis. Como tal, em situação de iluminação exterior refere-se habitualmente às fontes de luz como luminárias ou armaduras, ou seja, o conjunto constituído pela lâmpada, a armadura de protecção, o sistema óptico, a aparelhagem auxiliar, e a ligação à rede eléctrica.

No que concerne à tecnologia usada existe uma grande variedade de situações. Para o caso mais usual, que é a iluminação pública de estradas e passeios são geralmente

usadas as lâmpadas de descarga de alta intensidade, nomeadamente as de vapor de mercúrio e sódio a alta pressão.

Em situações com função decorativa requerem-se fontes luminosas que transmitam uma boa restituição das cores, e que permitam a visualização detalhada dos objectos e obras arquitectónicas como monumentos ou fachadas de edifícios. Assim, é habitual o uso de luminárias com lâmpadas de iodetos metálicos que combinam uma elevada restituição de cores, assim como altas temperaturas de cor. Compreende-se que, para estas aplicações o mais importante não é a eficiência energética, mas antes os aspectos estéticos que permitem o fomento da actividade económica, por exemplo com atracção de turistas. Nesse sentido é ainda

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comum encontrarem-se situações onde são empregues tecnologias francamente desactualizadas e ineficientes como as de incandescência ou até as antigas lâmpadas a gás2.

Outra função importante da iluminação exterior é a iluminação de segurança como é necessário em túneis, aeroportos, entre outros. Estas situações caracterizam-se principalmente pela necessidade de sistemas fiáveis, porque as falhas podem ter consequências graves, e de pouca manutenção, porque os custos associados são muitas vezes elevados devido às localizações de difícil acesso.

Mais uma vez interessa ver quais as características da tecnologia Led que a torna aplicável,

neste caso à iluminação de exterior. Relativamente à iluminação pública esta tem como missão providenciar níveis de

iluminação nocturna que garantam a segurança e conforto para peões e veículos. Por outro lado, deve respeitar custos de investimento e exploração adequados. Assim, a aplicação de iluminação Led deve ser estudada numa perspectiva de potencial de poupança face às infra-estruturas mais antigas e já amortizadas, onde são usadas fontes menos eficientes. Por outro lado, face às restrições quanto ao uso de equipamentos com elevado conteúdo de mercúrio [3], é de encarar na realização de novos projectos a possibilidade de integrar desde já a tecnologia Led que afasta essa preocupação ambiental e de saúde pública. Também o facto de não produzirem radiação ultravioleta, que atrai mosquitos, tem como consequência uma diminuição nos custos com a manutenção.

A nível da iluminação decorativa de exterior há um grande potencial para aplicação dos Led. Por um lado há um uso, em muitos casos, de fontes de luz pouco eficientes pelo que a margem de poupança pode ser significativa. Mais ainda, as limitações que as tecnologias de descarga de alta intensidade revelam, que as impedem de ser usadas em aplicações decorativas, são atendidas pelas características dos Led, ao terem uma gama elevada de temperaturas de cor e menores limitações a nível da restituição de cores.

Em termos da iluminação de túneis ou outros lugares de difícil acesso as vantagens residem na elevada duração de vida que possuem e que permitem diminuir os custos associados á manutenção e troca das lâmpadas.

Mais uma vez se realça que, tal como em situações de interior, é nestes pequenos sectores do mercado da iluminação geral que deve começar a ser ponderada a implementação de sistemas luminosos com base em Leds. Há ainda limitações técnicas que têm de ser combatidas para que a luz obtida seja em quantidade e qualidade equivalente às melhores opções disponíveis.

5.4 Indicadores para avaliação

O estudo até agora realizado sobre as tecnologias de iluminação centrou-se principalmente nas características técnicas das fontes de luz, especialmente em termos da sua constituição e das propriedades da luz emitida. No entanto, um projecto luminotécnico engloba bem mais do que isso. Para além da escolha dos tipos de iluminação, há que fazer o cálculo luminotécnico

2 Estima-se a existência em toda a Europa de cerca de 100000 luminárias a gás funcionando com um rendimento

luminoso de 2lm/w aproximadamente [25].

58

verificativo das grandezas, a nível principalmente de iluminância no plano de interesse, uniformidade de luminâncias, encandeamento e distribuição adequada do fluxo luminoso. Também importante é o estudo económico das soluções encontradas, pois é este, em última análise, que determina a viabilidade da sua aplicação na óptica do cliente comparador do produto final.

Pretende-se então agora avaliar de um ponto de vista não meramente técnico, nem dos aspectos específicos das aplicações, mas antes com recurso aos critérios de eficiência energética e potencial de poupança económica mais relevantes para o utilizador, que em última instância é quem decide sobre a aplicação prática da tecnologia. Há por isso que proceder à escolha de indicadores relevantes, que possam ser considerados independentemente das aplicações concretas, e que forneçam ao agente responsável pela escolha de uma tecnologia de iluminação os dados concretos e objectivos que reflictam as suas prioridades e permitam facilitar o processo de decisão.

O custo da iluminação é possivelmente o critério mais importante do ponto de vista do

decisor na escolha de uma tecnologia, já que se confrontado com duas soluções distintas que satisfaçam as suas necessidades, a sua opção vai naturalmente recair naquela que acarretar menores custos.

Na figura seguinte é possível verificar a evolução do custo da iluminação ao longo dos anos [27].

Figura 5.1 – Evolução do custo da luz [27].

Os valores apresentados nesta figura representam o custo, em termos unicamente da energia

necessário, por fluxo luminoso emitido e por tempo de funcionamento através de diferentes tecnologias de iluminação desde 1800 até 1992. É um valor em cêntimos de dólar por lúmen hora convertidos para os preços de 1992. Esta figura serve para ilustrar a forma como o desenvolvimento tecnológico permite disponibilizar um bem, neste caso a iluminação, com um custo menor à medida que esse desenvolvimento vai acontecendo. Cada ponto do traçado corresponde portanto a uma tecnologia tida como a mais eficiente, ou seja com um menor custo, para a época em questão. Assim, os primeiros pontos correspondem às tecnologias mais antigas

como a vela, lâmpada a óleo, lâmpada a gás, etc. A partir de 1883 referem à lâmpada eléctrica [27].

Da análise do gráfico verificaprogressivo deste custo, particularmente certamente relacionado com os progressos tecnológicos conseguidos, e já referidos no capítulo dois deste trabalho, como a lâmpada de incandescência com filado século e as tecnologias baseadas na descarga eléctrica em gases esdo século vinte, datas que coincidem com as porções do traçado onde a diminumais acentuada. Este decréscimo do custo da iluminação tem como consequência natural um aumento da utilização da tecnologia de base

Na figura 5.2 mostram-se os valores de rendimentos luminosos das mais importantes tecnologias actuais.

Figura

É importante verificar que as tecnologias quase todas se encontram suficientemente

desenvolvidas e não registam há muito tempo aumentos significativos de eficPelo contrário os Led, não só têm sofrido uma grande evolução nos últimos anos, como se espera que seja possível continuar a melhorar o seu desempenho apreciavelmente num futuro próximo. Deste modo percebepossam ter, e que já foram em boa parte referidas, o aumento generalizado da sua gama de aplicações é directamente dependente da diminuição do seu custo.

O custo da iluminação é portanto muito importante para a avaliação das tecnologiaequipamentos concretos a usar. Otécnicos são tidos em consideração na quantificação desse custoimportância excessiva ao valor de compra dos equipamentos

O custo da luz é uma definição aceite na indústria da iluminação que é apreseguinte equação [26].

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Incandescentes

Halogéneo

Fluorescentes

VMAP

VSAP

VSBP

59

como a vela, lâmpada a óleo, lâmpada a gás, etc. A partir de 1883 os pontos do traçado à lâmpada eléctrica [27].

Da análise do gráfico verifica-se que a tendência principal é notoriamente de decréscimo particularmente ao longo de todo o século vinte.

certamente relacionado com os progressos tecnológicos conseguidos, e já referidos no capítulo como a lâmpada de incandescência com filamento de tungsténio no início

século e as tecnologias baseadas na descarga eléctrica em gases especialmente na parte final século vinte, datas que coincidem com as porções do traçado onde a diminu

Este decréscimo do custo da iluminação tem como consequência natural um aumento da utilização da tecnologia de base causadora dessa diminuição.

se os valores de rendimentos luminosos das mais importantes

5.2 – Rendimentos Luminosos para várias fontes de luz.

que as tecnologias quase todas se encontram suficientemente desenvolvidas e não registam há muito tempo aumentos significativos de eficPelo contrário os Led, não só têm sofrido uma grande evolução nos últimos anos, como se espera que seja possível continuar a melhorar o seu desempenho apreciavelmente num futuro próximo. Deste modo percebe-se que, independentemente de outras virtudes técnicas que

e que já foram em boa parte referidas, o aumento generalizado da sua gama de aplicações é directamente dependente da diminuição do seu custo.

custo da iluminação é portanto muito importante para a avaliação das tecnologiaequipamentos concretos a usar. O que acontece frequentemente é que nem todos os parâmetros

eração na quantificação desse custo, sendo aliásvalor de compra dos equipamentos.

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tendência principal é notoriamente de decréscimo ao longo de todo o século vinte. Tal facto estará

certamente relacionado com os progressos tecnológicos conseguidos, e já referidos no capítulo mento de tungsténio no início

pecialmente na parte final século vinte, datas que coincidem com as porções do traçado onde a diminuição do custo é

Este decréscimo do custo da iluminação tem como consequência natural um

se os valores de rendimentos luminosos das mais importantes

que as tecnologias quase todas se encontram suficientemente desenvolvidas e não registam há muito tempo aumentos significativos de eficácia energética. Pelo contrário os Led, não só têm sofrido uma grande evolução nos últimos anos, como se espera que seja possível continuar a melhorar o seu desempenho apreciavelmente num futuro

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200

Valores

Actuais

Valores

futuros

60

Esta formulação leva em consideração seis critérios distintos que são o fluxo luminoso emitido pelos equipamentos, o custo destes, o custo da mão-de-obra, o tempo de vida dos equipamentos, a sua potência de funcionamento e o custo da energia. O resultado é um número habitualmente expresso em dólares por milhão de lúmen hora.

Estes conceitos servem para justificar a escolha dos indicadores a apresentar de seguida, que serão essencialmente de carácter económico, e que influenciam no seu todo o custo associado ao ciclo de utilização de uma solução de iluminação. Estes indicadores serão depois usados num caso prático de iluminação onde será usada tecnologia Led para assim se avaliar o impacto da sua utilização relativamente à solução tradicional.

Potência. Este indicador corresponde ao total da potência eléctrica necessária para servir a aplicação

de iluminação. Será portanto a soma das potências eléctricas individuais de funcionamento dos equipamentos a instalar, lâmpadas ou luminárias e aparelhagem auxiliar se necessária.

A determinação desta potência deverá normalmente ter por base um cálculo luminotécnico que garanta o dimensionamento adequado das grandezas nomeadamente a iluminância e luminância, mas do ponto de vista do cliente estas grandezas não serão significativas. É por isso mais útil expressar-se como um indicador de comparação entre tecnologias o total da potência necessária para cada uma das soluções, que fornece desde logo uma informação considerável acerca da instalação como o seu tamanho, ou a rede eléctrica necessária.

Em alternativa, também é habitual indicar-se, especialmente em aplicações de interior, a densidade de potência expressa em Watt por metro quadrado de área a iluminar (W/m2).

Investimento inicial. O investimento inicial é o indicador relativo aos encargos económicos decorrentes da

implementação de uma situação de iluminação. Este valor será composto por duas componentes essenciais que são o custo de aquisição dos equipamentos e o custo de instalação.

A primeira componente reflecte por um lado os custos de fabrico de um dado produto e por outro a margem de ganho do fabricante. Assim sendo, é natural que numa fase inicial de aparecimento de um produto como é o caso dos Led, o seu preço de produção seja maior reflectindo, não só os custos de fabrico elevados, como uma maior margem de remuneração para os fabricantes, não só pelas óbvias razões económicas, como também pela necessidade de recuperar os investimentos feitos em investigação e desenvolvimento tecnológico.

À medida que os processos de fabrico são optimizados, e é massificada a produção, com a entrada de novos agentes no mercado, e o consequentemente aumento da concorrência, há a tendência de os preços diminuírem. Assim se percebe que nesta fase ainda relativamente precoce de aparecimento dos Led enquanto alternativa viável de iluminação, os preços de aquisição sejam elevados e daí a necessidade de se avaliar para casos concretos se as vantagens a nível técnico da tecnologia já são suficientes para compensar esse acréscimo no investimento inicial. Do ponto de vista prático a determinação do custo de aquisição dos equipamentos depende da quantidade de equipamentos usar, que tem, num projecto adequado, de ser determinado pelo respectivo cálculo luminotécnico.

61

Relativamente aos custos de instalação, estes representam os encargos necessários para a implementação da solução, que não o custo de aquisição de equipamentos, mas especificamente inerentes à tecnologia a adoptar. Por exemplo, a substituição de uma iluminação com recurso a lâmpadas de incandescência que usam casquilhos do tipo Edison, por iluminação fluorescente tubular que necessita de casquilhos com pinos, acarreta custos adicionais. Os custos de instalação incluem portanto o custo de mão-de-obra, transporte, materiais, custos de elevação, etc.

Então o indicador de investimento inicial (Invini) é dado por: �@FG-� = �H + �-. (5.2)

Onde, Caq e Cins representam respectivamente os custos de aquisição dos equipamentos e os

custos de instalação. E por: �@FG-� = @ ∙ I-� + �-.2 (5.3)

Em que, n representa o número de equipamentos a usar e Cuni é o custo unitário de compra

dos equipamentos. Tempo de utilização. É necessário haver uma previsão do tempo de funcionamento da instalação em concreto,

porque disso depende a utilidade de usar fontes de iluminação com maior ou menor duração de vida média. Caso se trate de uma aplicação em que não se conheça em concreto um limite para o tempo de utilização, o que na generalidade dos casos é o que acontece, dado se pretender que funcione o maior tempo possível, deve ser considerado o maior valor da duração de vida esperada de entre as fontes de iluminação em avaliação. Desta forma, é possível levar em conta as necessidades de troca de equipamentos durante o ciclo de utilização e fazer portanto uma avaliação mais correcta tendo em conta este factor, beneficiando o mais possível das fontes com maior duração.

Assim, define-se o horizonte temporal do projecto tp como:

#J =

KLMLN

#* $! = 2OPáRSTU

V (5.4)

Onde, tu representa o tempo de utilização projectado da instalação se for conhecido, tvmáx o tempo de duração de vida máximo de entre as tecnologias em avaliação e Txu a taxa de utilização, que expressa a proporção de tempo de funcionamento das fontes luminosas em função do tempo da instalação.

62

Custo de funcionamento. O custo de funcionamento engloba o conjunto dos encargos necessários para que a

instalação de iluminação funcione durante o horizonte temporal do projecto. Esses encargos englobam o custo da energia, e os custos de substituição e manutenção dos equipamentos.

O custo energético é o indicador dos encargos económicos resultantes do consumo energético dos equipamentos. Este custo deriva essencialmente dos rendimentos luminosos dos equipamentos em avaliação através dos quais é possível obter a iluminação pretendida com um determinado número de aparelhos de determinada potência. Tal não significa obrigatoriamente que o uso de fontes de iluminação com rendimentos luminosos superiores implique uma redução do custo energético. Pode também acontecer que, devido a certas propriedades da luz, se consiga obter uma situação de iluminação aceitável com o uso de equipamentos com rendimentos luminosos inferiores, mas em que a densidade de potência instalada seja menor do que a alternativa com equipamentos mais eficientes.

O custo de funcionamento vai pois depender directamente da potência eléctrica total instalada para o funcionamento dos equipamentos. Esta deve ser convertida em valores monetários à custa do tempo de utilização efectivo dos aparelhos (tue), que é dado por:

#*, = #6 ∙ WX* (5.5)

Em que, tp e Txu são, como definidos anteriormente, respectivamente o horizonte temporal do projecto e a taxa de utilização dos equipamentos.

Assim, o custo energético (Ce) será igual à energia total gasta pelos aparelhos (lâmpadas ou

luminárias) multiplicado pelo custo da energia eléctrica. Então o custo de funcionamento será dado por:

CZ = n ∙ (P ∙ t^Z) ∙ cZ (5.6)

Em que, n é o número de aparelhos usados, P a sua potência individual, e ce o custo da electricidade.

O custo de substituição é um valor que resulta da necessidade de ter de se substituir o

equipamento caso a sua duração de vida média esperada seja inferior ao tempo expectável de funcionamento da instalação. Como já foi referido, caso não seja possível definir esse valor é considerado o valor da duração de vida máxima de entre as soluções em avaliação. Assim, para uma determinada aplicação os seus custos de substituição serão zero caso a sua duração de vida esperada seja igual ou superior ao tempo de vida da instalação ou mais especificamente ao horizonte temporal do projecto. Caso a duração de vida média esperada seja inferior a este valor é necessário determinar o número de vezes que se espera vir a ser necessário substituir as lâmpadas/luminárias, o que corresponde a dividir o tempo de duração da instalação em funcionamento pela duração de vida da lâmpada e arredondar esse valor para o número inteiro mais próximo por defeito.

Então o número de vezes que se prevê ser necessária a substituição dos equipamentos (N`) é dado por:

63

a. =

KLMLN

0 "C #*, < #; $! &4,d 02Ue2O < "C #*, < #;V (5.7)

Em que, tp é o tempo de utilização da instalação, tv a duração de vida esperada dos equipamentos, e arrdef significa o arredondamento por defeito à unidade.

E o custo de substituição total esperado (Cs) será:

. = a. ∙ A. (5.8) O custo de substituição c` corresponderá ao custo de aquisição dos equipamentos que

deixaram de funcionar mais os custos necessário para fazer a troca dos equipamentos. O último indicador a considerar será o custo de manutenção (Cf) dos equipamentos que

corresponde aos encargos económicos derivados das actividades obrigatórias a realizar sobre a instalação para que sejam mantidos os níveis exigidos de desempenho. A manutenção é especialmente importante para aplicações de iluminação exterior em que os equipamentos estão sujeitos aos agentes atmosféricos e são necessárias actividades nomeadamente de limpeza para manter os aparelhos funcionais.

O custo de funcionamento será portanto a soma destes três custos principais: d = , + . + + (5.9)

5.5 Comentários

Neste capítulo cinco fez-se inicialmente uma caracterização genérica das situações de iluminação interior e exterior. Com isto pretendeu-se ilustrar os requisitos mais importantes associados a cada uma dessas situações de forma a encontrar casos de estudo pertinentes para a simulação de implementação de iluminação Led. Esses requisitos são expressos essencialmente à custa dos parâmetros e grandezas característicos que se encontram listados em normas nacionais e internacionais como as da Comissão de Iluminação Internacional (CIE).

Porém, para situações concretas a realização de um projecto luminotécnico tem que atender essencialmente aos equipamentos que estão disponíveis no mercado para se implementar na prática. Quer isto dizer que só se conseguem tirar conclusões válidas sobre a qualidade da tecnologia com a execução de casos práticos.

Esse caso prático é apresentado no próximo capítulo e será sobre a aplicação de luminárias Led em redes de iluminação pública. Para isso vai-se proceder a uma comparação entre luminárias de vapor de sódio de alta pressão e luminárias Led, que com a ajuda dos indicadores definidos neste capítulo deverão permitir a chegada de conclusões sobre a viabilidade de projectos deste tipo. Foi feita uma aplicação em Excel para cálculo destes indicadores para servir de base à avaliação das soluções.

64

Definiram-se deste modo quatro indicadores de avaliação e comparação entre tecnologias de iluminação que são a potência, investimento inicial, o tempo de utilização e o custo de funcionamento. Estes reflectem os principais aspectos a ter em conta para a escolha dos equipamentos luminosos. A ideia destes indicadores assim expressos, e consequentemente das suas parcelas, é a de poderem ser usados directamente para se relacionarem com as características da tecnologia que determinam o seu valor e que para o cliente que vai optar por uma determinada tecnologia tem diferentes graus de importância.

Mais uma vez se realça que estes indicadores deverão servir para ajudar genericamente à escolha de uma tecnologia de iluminação, mas existem no pressuposto que os cálculos luminotécnicos, e as normas e grandezas de interesse são respeitados.

65

Capítulo 6

Caso de estudo

6.1 Introdução

O seguinte caso de estudo é sobre a aplicação de tecnologia de iluminação de estado sólido Led à iluminação pública.

A iluminação pública tem como objectivo garantir as condições necessárias para a circulação nocturna de automóveis e de peões com conforto e segurança. Inclui portanto a iluminação das vias públicas como auto-estradas, estradas, ruas, pontes, jardins, etc. Esta deve ser feita salvaguardando ao máximo o aspecto estético do local e respeitando custos aceitáveis para o investimento inicial e exploração. Adicionalmente, a iluminação pública é importante porque tem um impacto na redução da criminalidade e um estímulo na actividade económica e turística.

Para a iluminação pública as soluções tradicionais usadas consistiam no uso de luminárias com base nas seguintes tecnologias: Vapor de sódio de baixa pressão; Vapor de mercúrio de alta pressão; Vapor de sódio de alta pressão; Vapor de mercúrio com iodetos metálicos. Estas luminárias caracterizam-se pela emissão de elevados fluxos luminosos, da ordem dos milhares de lúmen, necessários para este tipo de aplicação.

A produção de luz com recurso ao vapor de sódio a baixa pressão é, muito eficiente do ponto de vista energético mas tem o grande inconveniente de produzir uma restituição de cores muito baixa pelo que foi sendo progressivamente substituída há medida que foram desenvolvidas fontes com melhores índices de restituição cromática.

Nesse sentido, as luminárias usando lâmpadas de vapor de mercúrio a alta pressão permitem uma restituição de cores melhor (IRC de 50), e como tal foram sendo progressivamente usadas na iluminação pública, ainda que apresentem uma eficácia energética consideravelmente menor. O desenvolvimento da lâmpada de vapor de sódio a alta pressão veio permitir um nível superior de performance energética e, pese embora as limitações que denota ao nível da restituição de cores, é actualmente a solução prática mais comummente utilizada. Para casos onde uma alta restituição de cores seja desejada é aplicada a tecnologia de vapor de mercúrio com iodetos metálicos.

66

6.2 Aplicação de tecnologia Led à iluminação pública

A iluminação pública com tecnologia Led é uma aplicação recente com a implementação de alguns projectos em vários países. Esta opção surge, por um lado pela necessidade de obter cada vez mais soluções eficientes a nível energético, e por outro, com as normas legislativas que obrigam à progressiva redução dos equipamentos contendo mercúrio e outros elementos tóxicos [3]. Assim, há medida que se vão fazendo novos projectos, ou chega a altura de redesenhar ou substituir os actuais, deve-se avaliar a possibilidade da introdução de novas tecnologias.

As implementações concretas que vêm sendo feitas baseiam-se num decréscimo da potência instalada. Ora tendo em conta que, apesar das virtudes técnicas dos Led, eles apresentam uma eficácia luminosa inferior à da tecnologia de vapor de sódio de alta pressão, que é a mais frequente neste tipo de instalações, torna-se difícil de justificar o porquê dessa diminuição de potência.

Figura 6.1 – Iluminação pública com luminária VSAP e luminária Led.

As razões do uso de Led na iluminação pública relacionam-se com um conjunto diverso de

factores: Quando comparado com as luminárias de vapor de sódio a alta pressão (figura 6.1a)

constata-se que o nível de restituição de cores é substancialmente aumentando. Consequentemente a percepção das cores reais dos objectos e superfícies nas estradas aumenta, melhorando a qualidade de iluminação, e transmitindo uma maior sensação de segurança. As luminárias de vapor de sódio de alta pressão normalmente usadas possuem um índice de restituição de cores típico de 25. Com os equipamentos substitutos do tipo Led (figura 6.1b) esse valor é aumentado para 75.

Por outro lado o elevado intervalo de temperaturas de cor proporcionáveis pelos Led permite a sua adequação a uma maior variedade de aplicações como a iluminação de monumentos ou centros históricos, ao passo que as lâmpadas de vapor de sódio transmitem sempre a mesma tonalidade de cor quente já que a sua temperatura de cor não ultrapassa os 2500 ºK.

Estes dois factores representam uma melhoria na qualidade da iluminação, mas por si só não justificam a diminuição de potência instalada. De facto o que acontece é que o fluxo luminoso

67

emitido com recurso aos Led vai ser efectivamente menor e torna-se portanto necessário perceber as razões que justificam essa troca.

Uma das principais vantagens decorrentes do uso de iluminação pública Led relaciona-se com a resposta visual humana nas condições de visão mesópica.

O olho humano funciona distintamente consoante o nível de iluminação a que está submetido. Possui dois tipos de receptores de luz que transmitem sinais eléctricos enviados aos centros de visão no cérebro que são os cones e os bastonetes oculares. Na parte central da retina ocular, a fóvea, encontram-se exclusivamente cones, enquanto na restante retina existem cones e bastonetes numa proporção aproximada de 1 para 10. Consoante os níveis de iluminação, vai haver uma adaptação do olho que determina quais, e em que quantidade, os receptores oculares que estarão activos, e consequentemente a resposta visual do olho humano nessas condições. A grandeza que mais directamente se relaciona com a percepção do olho humano é, como já foi referido, a luminância expressa em candela por metro quadrado (cd/m2).

A visão mesópica, que se caracteriza pela utilização simultânea dos bastonetes e dos cones oculares, situa-se entre as condições de visão fotópica (diurna) e estocópica (nocturna), para luminâncias compreendidas aproximadamente entre 0.01 e 10 cd/m2 [9].

Como mostra a figura 6.2, as curvas da resposta visual em função da densidade espectral, ou seja do comprimento de onda das radiações, V (λ) para as condições de visão fotópica e estocópica encontram-se definidas, e é portanto possível avaliar com base nelas a eficácia luminosa das fontes de iluminação.

Figura 6.2 – Eficácia luminosa nas regioões mesópica e estocópica.

A região fotópica abrange a generalidade das aplicações práticas de iluminação e é com base

na resposta visual humana nestas condições que se definem as grandezas de iluminação habituais. Já para a região estocópica não existem situações práticas reais para as quais se tenha de levar em conta a respectiva curva de sensibilidade no que concerne ao design de iluminação

68

artificial. O problema desta simplificação é que na concepção das fontes luminosas se pensa exclusivamente na região de visão fotópica, levando portanto em conta apenas o funcionamento dos cones oculares como receptores de luz. Ora há medida que o nível de luz decresce, o olho adapta-se passando a haver progressivamente captação de luz pelos bastonetes oculares situados na periferia da retina.

A iluminação pública, tendo em conta os níveis de luminância normalmente adoptados, situa-se na região de visão mesópica. Revela-se portanto desajustada a avaliação das fontes de luz para iluminação pública com base nas grandezas fotométricas, já que estas não reflectem adequadamente a resposta ocular humana quando sujeita a este níveis de iluminação. Portanto, como na região de visão mesópica, para além dos cones oculares, os bastonetes também estão activos, a luz emitida deve ter um comprimento de onda tal que os estimule o mais possível, aumentando por conseguinte a percepção visual. A curva V (λ) para a região de visão estocópica mostra que os bastonetes são mais sensíveis à luz azul esverdeada sendo a máxima eficácia luminosa atingida para um comprimento de onda de aproximadamente 507 nanómetros.

Os estudos mais recentes [29] mostram que a percepção real do olho humano sob as condições de visão mesópica se relaciona com a resposta visual nas regiões de visão estocópica e de visão fotópica dada pelas respectivas curvas de resposta espectral, e mais especificamente com o rácio (S/P). Este rácio corresponde ao quociente entre o fluxo luminoso estocópico e o fluxo luminoso fotópico emitidos por uma determinada fonte luminosa. Tal significa que deve-se levar em conta igualmente o espectro da fonte luminosa nos efeitos que têm nos bastonetes, em lugar de considerar apenas o seu efeito nos cones oculares, algo que é feito com as grandezas habituais da luminotecnia.

Assim, os estudos conduziram à formulação de possíveis métodos de prever a verdadeira eficácia luminosa das fontes de iluminação sob as condições de visão mesópica que levam em conta a luminância e o referido rácio (S/P). Estes novos métodos3 consistem em geral no cálculo do valor (S/P) das fontes luminosas que, em função da luminância fotópica que produzem, permitem estimar um valor diferente de luminância, por vezes referido como luminância mesópica, que reflecte mais adequadamente a verdadeira resposta do olho naquelas condições. Ou seja, equipamentos com um rácio (S/P) diferente, e que emitem um fluxo luminoso diferente, podem causar a mesma sensação visual, expressa por exemplo em termos de luminância mesópica.

As implicações práticas destes conceitos são muito relevantes na forma de avaliar a eficiência energética das fontes de iluminação pública. Na prática isto significa que, na região de visão mesópica, as lâmpadas com um (S/P) inferior a 1, ou seja com um fluxo luminoso estocópico inferior ao fluxo luminoso fotópico, terão um rendimento luminoso inferior, enquanto aquelas que tiverem um (S/P) superior a 1 terão uma maior eficácia luminosa [29]. Isto verifica-se portanto desde que os níveis de luminância se mantenham suficientemente baixos para que os bastonetes oculares permaneçam activos, ou seja, para que se mantenham na zona de visão mesópica.

O valor do rácio (S/P) para diferentes tipos de lâmpadas comerciais é apresentado na seguinte tabela.

3 Não é explicitada a formulação completa, não só porque não é objectivo do trabalho, mas também pelas diversas

formulações variarem entre si, e não haver actualmente um método geralmente aceite.

69

Tabela 6.1- Rácio S/P para vários tipos de lâmpada [29].

Tipo de Lâmpada S/P

Vapor de sódio de baixa pressão 0.25

Vapor de sódio de alta pressão (250W) 0.63

Vapor de sódio de baixa pressão (400W) 0.66

Vapor de mercúrio de alta pressão (175W) 1.08

Vapor de mercúrio de alta pressão (400W) 1.33

Incandescente 1.36

Halogéneo 1.43

Fluorescente (branco frio) 1.48

Iodetos metálicos (175W) 1.51

Iodetos metálicos (400W) 1.57

Fluorescente (5000 ºK) 1.97

Led (branco 4300 ºK) 2.04

Fluorescente (6500 ºK) 2.19

Indução (6500 ºK) 2.88

Estes valores devem ser interpretados como meramente indicativos, uma vez que este rácio varia com as características particulares da lâmpada em questão.

De qualquer forma é reconhecível que as lâmpadas de vapor de sódio estão entre as que possuem um rácio (S/P) mais reduzido. Já os Led têm um (S/P) consideravelmente mais elevado. Atendendo aos valores constantes na tabela, conclui-se que a eficácia luminosa dos Led na região mesópica é superior à que demonstram na região fotópica, acontecendo o inverso para as lâmpadas de vapor de sódio a alta pressão.

Para as tecnologias com componentes espectrais consideráveis nos comprimentos de onda mais baixos (zona azul/verde) o nível de fluxo luminoso aumenta consideravelmente. Pelo contrário, as fontes com um espectro mais pronunciado nos comprimentos de onda elevados (zona vermelha/amarela), como são as lâmpadas de vapor de sódio, produzem uma menor sensação nos bastonetes oculares e portanto uma menor eficácia luminosa na zona de visão mesópica. Portanto, para níveis de luminância mais baixos, a sensibilidade do olho humano é maior para as fontes de iluminação com uma cor mais fria, ou seja, com uma temperatura de cor mais elevada. Nesse sentido, a elevada gama de temperaturas de cor disponível com recurso aos Led permite a sua optimização para a região mesópica (tabela 6.2), favorecendo a sua implementação em iluminação pública.

70

Tabela 6.2 – Eficácia luminosa de Leds a várias temperaturas de cor na região fotópica e mesópica

[30].

Tipo de Led Nível de luminância

(cd/m2)

Rendimento Luminoso

(lm/W)

Fotópico Mesópico

Branco frio (8000 K)

0.1

93.3 156.0

Branco natural (4500 K) 92.2 122.7

Branco Quente (3500 K) 84.2 101.5

Isto significa que com iluminação Led é necessário um fluxo luminoso menor para produzir

o nível de iluminação equivalente ao obtido com as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão. É portanto com base nesta premissa que se podem desenhar equipamentos produtores de luz que produzam um fluxo luminoso menor, segundo as grandezas fotométricas, mas que devido a um espectro optimizado para beneficiar do funcionamento dos bastonetes oculares produzem uma sensação visual equivalente no olho humano.

Salienta-se que embora sejam reconhecidas pelas mais importantes organizações de iluminação as insuficiências das grandezas fotométricas no que concerne as condições de visão mesópica, e haja já vários estudos e métodos propostos sobre o assunto, não existe ainda um standard internacional que reflicta adequadamente essa necessidade, ou seja a definição de um possível lúmen mesópico em oposição ao lúmen fotópico habitual. Como tal, isso prejudica a adequada avaliação das fontes luminosas, em especial os Led, para aplicação em iluminação pública.

Outra propriedade valiosa dos Led que se revela vantajosa na aplicação em iluminação pública reside na distribuição do fluxo luminoso. Uma lâmpada normal (figura 6.3) emite luz em todas as direcções o que significa que só parte dessa é aproveitada no plano de interesse.

Figura 6.3 – Lâmpada emitindo fluxo em todas as direcções.

Numa luminária comum são colocados equipamentos ópticos como reflectores e lentes para enviar o fluxo luminoso na direcção desejada, e evitá-lo noutras direcções onde causará efeitos indesejados como poluição luminosa ou encandeamento (figura 6.4).

71

Figura 6.4 – Distribuição do fluxo luminoso de uma luminária de iluminação pública [30].

O rendimento de uma armadura de iluminação pública é obtido à custa do quociente entre o fluxo luminoso emitido pela armadura e o fluxo luminoso emitido pelas fontes de luz aí instaladas. Por outro lado, pode-se exprimir a capacidade de converter o fluxo luminoso em iluminação útil em função da luminância no plano de interesse (lux/lm) ou da iluminância ((cd/m2)/lm).

A característica inerente aos Led, que a tornam vantajosa em termos de uma melhor distribuição fluxo luminoso, é as suas reduzidas dimensões. Comparativamente à tecnologia das lâmpadas de descarga, onde a produção de luz ocorre num tubo de descarga com consideráveis dimensões, numa luminária Led, tipicamente com dezenas de leds individuais, o tamanho pequeno dos semicondutores individuais permite a sua disposição optimizada para que o fluxo luminoso seja totalmente, ou em grande proporção, emitido num só hemisfério e direccionado primordialmente para a área de interesse a ser iluminada diminuindo a poluição luminosa e os níveis de encandeamento.

Na prática, mais uma vez isso significa que é necessário um menor fluxo luminoso inicial para obter níveis de iluminação equivalentes entre a tecnologia de descarga eléctrica em gases e os Led.

72

6.3 Caso prático

O caso prático de implementação de iluminação pública com tecnologia Led a apresentar de seguida tem por base os dados obtidos no âmbito da disciplina de projecto de licenciamento. Corresponde a uma instalação de iluminação pública alimentada pelas duas saídas para o efeito de um posto de transformação.

Como é regra nos projectos de iluminação pública foi necessário fazer a classificação dos

espaços a iluminar, neste caso vias rodoviárias e os passeios. Assim considerou-se os espaços a iluminar como correspondentes a uma zona residencial com edifícios onde, embora exista tráfego automóvel existe uma maior preocupação com pedestres e residentes. As estradas são vias urbanas secundárias, que têm como característica a velocidade inferior a 50 quilómetros por hora, presença de peões, veículos motorizados lentos e ciclistas. Assim, segundo a norma EN 13201 a classe de iluminação é CE4 e a situação de iluminação é B2. Nestas condições a iluminância média nos planos de interesse (faixas de rodagem e passeios) deverá ser superior a 10 Lux.

O cálculo luminotécnico foi feito com o software Dialux usando luminárias com lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão de 150 W.

Apresentam-se de seguida as principais características da instalação projectada.

Figura 6.5 – Planta Auto-Cad da Rede de iluminação Pública.

73

Foram definidas 4 tipos de rua (figura 6.6 a 6.9) com base nas larguras da estrada, passeios e lugares de estacionamento.

Figura 6.6 – Rua 1

Disposição bilateral frente a frente. Distância entre postes: 22 m. Altura de montagem 10 m. Iluminância média na faixa de rodagem: 31 lm. Iluminância média nos passeios: 18 lm.



74


Disposição unilateral. Distância entre postes: 22 m. Altura de montagem 10 m. Iluminância média na faixa de rodagem: 17 lm. Iluminância média no passeio: 13 lm.



75

Pretende-se agora proceder à troca das luminárias de vapor de sódio de alta pressão por luminárias Led de potência inferior. A escolha do decréscimo de potência, e dos equipamentos concretos a usar foi feita com base nos contactos com uma autarquia nacional, que procedeu á implementação de uma rede de iluminação pública deste tipo, e com base na tecnologia disponível no mercado português. Neste caso são equipamentos concebidos para substituição directa de luminárias com lâmpadas de vapor de vapor de sódio de alta pressão de 150 W.

O número total de luminárias projectadas para funcionar neste projecto foi de 24. A potência dos equipamentos é de 194 W, com uma potência individual luminosa de 150 W fornecida por lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, sendo a restante potência necessária para o equipamento auxiliar. As luminárias Led a usar na substituição apresentam uma potência individual de 83 W.

O cálculo luminotécnico com as novas luminárias não pode ser feito, pois não foi possível obter os ficheiros fotométricos para simulação no programa. Convém referir que, embora as grandezas fotométricas não sejam adequadas para avaliar a percepção ocular nas condições de visão mesópica, elas são as únicas internacionalmente reconhecidas pelo que será necessário que o cálculo luminotécnico seja validado segundo as normas em vigor.

Pretende-se avaliar os méritos deste investimento com base nos indicadores descritos no

capítulo 5. Como resultados finais vão-se obter o nível de poupança energética, a consequente redução de emissões e o tempo de retorno do investimento.

Utilizam-se os seguintes valores de referência para o cálculo4:

• Custo da electricidade – 0.115 €/Kwh [31]. • Taxa de inflação para o preço da electricidade – 3% ao ano [31]. • O preço unitário das luminárias Led é de aproximadamente 406 € [32]. • O preço unitário do conjunto luminária, lâmpada VSAP e equipamento auxiliar é

aproximadamente 200 € [33]. • Custo de mão-de-obra por luminária é de 50 € [28]. • Custos de manutenção assumidos nulos para ambas as tecnologias por falta de dados • Taxa de utilização das luminárias é de 4200 horas/ano [28].

Apresentam-se dois cenários distintos: Cenário 1 – Substituição das 24 luminárias de vapor de sódio de alta pressão por 24

luminárias Led. Cenário 2 – Implementação de raiz de 24 luminárias Led em vez de 24 luminárias de vapor

de sódio de alta pressão.

4 Valores estimados

76

6.3.1 Cenário 1 - Substituição com iluminação Led.

Neste caso, pressupõem-se que a instalação já se encontra equipada com as luminárias de vapor de sódio de alta pressão, e como tal pretende-se determinar se existe retorno do investimento durante o tempo de vida útil das novas luminárias. Os dados relevantes dos equipamentos encontram-se na seguinte tabela.

Tabela 6.3 – Dados em avaliação para cenário 1.

Alternativas

Denominação Díodos emissores de luz

(Led)

Vapor de sódio de alta pressão

(VSAP)

Custo unitário (€) 400 -

Potência (W) 83 194

Custos de Manutenção

(€/ano) - -

Tempo de vida útil (horas) 60000 25000

Então, com base nos indicadores definidos pode-se fazer a avaliação das soluções em causa. A potência total instalada para a alternativa Led é: g = 24 ∙ 83 = 1992 k

No caso da alternativa de vapor de sódio de alta pressão: g = 24 ∙ 194 = 4656 k

O investimento inicial (�@FG-�) dado para a implementação das luminárias Led é: �@FG-� = @ ∙ I-� + �-.2

�@FG-� = 24 ∙ 406 + 24 ∙ 50

�@FG-� = 10944€

Para a alternativa o investimento inicial é nulo porque neste cenário já se encontra em

funcionamento.

O horizonte temporal do projecto (to), tendo em conta o tempo máximo de vida útil de entre as fontes em avaliação de 60000 horas para as luminárias Led, e uma taxa de utilização de 4200 horas por ano é:

77

#6 = 2OPáRSTU

#6 = pqqqqrqq = 14.29 &@$"

Assim, considera-se um horizonte temporal de 14 anos para avaliação do projecto. O custo de funcionamento, tal como definido no capítulo anterior engloba o custo

energético, o custo de substituição e o custo de manutenção. O custo de manutenção por falta de dados não vai ser considerado neste estudo para

diferenciar as tecnologias. O número de substituições necessárias, atendendo ao tempo de utilização efectivos dos

equipamentos, e à sua duração de vida, será de zero vezes para as luminárias Led e duas vezes para as luminárias de vapor de sódio de alta pressão. Tendo em conta que o objectivo deste estudo é de avaliar a adequação actual da tecnologia Led, e que quando for altura de efectuar a substituição dos equipamentos já e admissível a existência de meios mais eficientes, não vai ser considerado para efeitos de cálculo os custos de substituição da tecnologia de vapor de sódio de alta pressão.

O custo energético (CZ = n ∙ (P ∙ t^Z) ∙ cZ ), tendo em conta um tempo efectivo de funcionamento anual de 4200 horas é:

Led , = 24 ∙ (0.083 ∙ 4200) ∙ 0.115

, = 962.136 €/&@$

VSAP , = 24 ∙ (0.194 ∙ 4200) ∙ 0.115

, = 2248.848 €/&@$

Na seguinte tabela apresentam-se então os principais fluxos financeiros com a execução do

projecto com luminárias Led, e da manutenção das luminárias de vapor de sódio de alta pressão.

Tabela 6.4 – Fluxos financeiros para cenário 1.

Led VSAP

Investimento inicial (€) 10944 0

Custo energético anual (€/ano) 962.14 2248.85

Custo de funcionamento anual (€/ano) 962.14 2248.85

78

Procede-se agora à actualização dos fluxos financeiros anuais decorrentes da execução do projecto, atendendo a uma taxa de aumento do preço da electricidade de 3 % ao ano.

Tabela 6.5 – Fluxos financeiros anuais actualizados (cenário 1).

Ano Custo de funcionamento (€) Investimento

Inicial (€) Lucro (€)

Valor anual

líquido

Led VSAP

0 962,14 2248,85 10944 - -10944,00

1 991,00 2316,31 - 1325,31 -9618,69

2 1020,73 2385,80 - 1365,07 -8253,61

3 1051,35 2457,38 - 1406,02 -6847,59

4 1082,89 2531,10 - 1448,21 -5399,38

5 1115,38 2607,03 - 1491,65 -3907,73

6 1148,84 2685,24 - 1536,40 -2371,33

7 1183,31 2765,80 - 1582,49 -788,84

8 1218,81 2848,77 - 1629,97 841,13

9 1255,37 2934,24 - 1678,87 2520,00

10 1293,03 3022,26 - 1729,23 4249,23

11 1331,82 3112,93 - 1781,11 6030,34

12 1371,78 3206,32 - 1834,54 7864,89

13 1412,93 3302,51 - 1889,58 9754,47

14 1455,32 3401,58 - 1946,27 11700,73

Figura 6.10 – Valor anual líquido entre os dois investimentos (cenário 1).

Nestas condições o retorno do investimento deve ocorrer ao fim de oito anos.

-15000

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Val

or a

nual

líqu

ido

(€)

Tempo de projecto (anos)

79

6.3.2 Cenário 2 – Implementação de raiz.

Neste caso, trata-se de avaliar um projecto executado de raiz, em que portanto não há quaisquer fontes

de luz instaladas

Tabela 6.6 – Dados em avaliação para cenário 2.

Alternativas

Denominação Díodos emissores de luz

(Led)

Vapor de sódio de alta pressão

(VSAP)

Custo unitário (€) 400 200

Potência (€) 83 194

Custos de Manutenção

(€/ano) - -

Tempo de vida útil (horas) 60000 25000

O investimento inicial (�@FG-�) dado para a implementação das luminárias Led é:

�@FG-� = @ ∙ I-� + �-.2 �@FG-� = 24 ∙ 406 + 24 ∙ 50

�@FG-� = 10944€

E para as luminárias de vapor de sódio de alta pressão:

�@FG-� = 24 ∙ 200 + 24 ∙ 50

�@FG-� = 6000€

Os restantes indicadores permanecem iguais aos do cenário 1.

Tabela 6.7 – Fluxos financeiros para cenário 2.

Led VSAP

Investimento inicial (€) 10944 6000

Custo energético anual (€/ano) 962.14 2248.85

Custo de funcionamento anual (€/ano) 962.14 2248.85

Tal como foi feito no cenário de substituição, procede-se à actualização dos fluxos

financeiros anuais decorrentes da execução do projecto, atendendo a uma taxa de aumento do

preço da electricidade de 3 % ao ano.

80

A diferença estará no fluxo financeiro do investimento inicial que representará o acréscimo

de investimento resultante da implementação de alternativa Led em oposição à implementação

da alternativa de vapor de sódio de alta pressão.

Tabela 6.8 – Fluxos financeiros anuais actualizados (cenário 2).

Ano Custo de funcionamento (€) Investimento

Inicial (€) Lucro (€)

Valor anual

líquido

Led VSAP

0 962,14 2248,85 4944 - -4944,00

1 991,00 2316,31 - 1325,31 -3618,69

2 1020,73 2385,80 - 1365,07 -2253,61

3 1051,35 2457,38 - 1406,02 -847,59

4 1082,89 2531,10 - 1448,21 600,62

5 1115,38 2607,03 - 1491,65 2092,27

6 1148,84 2685,24 - 1536,40 3628,67

7 1183,31 2765,80 - 1582,49 5211,16

8 1218,81 2848,77 - 1629,97 6841,13

9 1255,37 2934,24 - 1678,87 8520,00

10 1293,03 3022,26 - 1729,23 10249,23

11 1331,82 3112,93 - 1781,11 12030,34

12 1371,78 3206,32 - 1834,54 13864,89

13 1412,93 3302,51 - 1889,58 15754,47

14 1455,32 3401,58 - 1946,27 17700,73

Figura 6.11 – Valor anual líquido entre os dois investimentos (cenário 2).

-10000

-5000

0

5000

10000

15000

20000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14Val

or a

nual

líqu

ido

(€)

Tempo de projecto (anos)

81

Neste caso o retorno é conseguido ao fim de 4 anos.

6.4 Análise de resultados

O caso de estudo aqui exposto serviu para ilustrar a potencialidade do uso da iluminação de estado sólido - Led em iluminação pública de estradas. Mais uma vez se salienta a falta da validação adequada das normas através do cálculo luminotécnico que permitissem validar esta redução de potência.

De um ponto de vista energético e ambiental as vantagens são óbvias já que há uma redução de aproximadamente 57 % da potência eléctrica necessária diminuindo assim directamente o custo energético e as consequentes emissões de dióxido de carbono.

A nível do indicador de investimento inicial, como seria de esperar a tecnologia Led apresenta valores consideravelmente mais elevados. Esse acréscimo é recuperável tendo em conta o seu custo de funcionamento mas os tempos de retorno do investimento serão naturalmente o que determina do ponto de vista económico a utilidade deste investimento.

No cenário 1, é testada a substituição das luminárias de vapor de sódio de alta pressão pelas luminárias Led. Refira-se que, de um ponto de vista prático, este cenário é o mais provável uma vez que serão naturalmente mais os casos de substituição de tecnologias mais antigas do que implementações de raiz em que se possa optar por duas ou mais alternativas.

Embora o investimento seja recuperado praticamente a meio do horizonte temporal considerado para o projecto, esta situação merece alguma análise. O tempo de retorno do investimento é de oito anos, o que, de um ponto de vista meramente económico, significa que este investimento pode não ser atractivo. De facto, considerando que a alternativa de vapor de sódio a alta pressão apresenta uma duração de vida média de 25000 horas, verifica-se que, a uma taxa de utilização de 4200 horas por ano, haverá necessidade de substituição de equipamentos com uma frequência aproximada de 6 anos o que é inferior ao tempo de retorno do investimento5. Isso significa que, na óptica do cliente, poderá haver vantagem em explorar mais a sua actual infra-estrutura de iluminação pública uma vez que terá de proceder à substituição de equipamentos antes do tempo de retorno financeiro que ocorreria se optasse pela troca imediata.

No cenário 2, ou seja o caso de novas instalações de iluminação pública, o retorno do investimento em luminárias Led é reduzido para apenas 4 anos face à alternativa aqui testada. Isto indicia que esta tecnologia deve ser encarada como uma alternativa a considerar no planeamento de novos projectos.

Por outro lado, tendo em conta que uma porção apreciável das instalações de iluminação pública de estradas é feita com recurso a meios menos eficientes como as lâmpadas de vapor de mercúrio, ou na iluminação de jardins, monumentos, fachadas de edifícios, etc., em que é frequente a tecnologia de iodetos metálicos, percebe-se que há um conjunto alargado de aplicações em que é potencialmente vantajoso o uso de iluminação Led. Nestes casos o ganho medido em termos do indicador de custo de funcionamento deverá ainda ser mais elevado.

5 Este tempo refere-se à duração de vida da lâmpada e não de todo o sistema.

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De igual forma, pensando em outras vertentes da iluminação pública como os túneis, onde a taxa de utilização é mais elevada, os tempos de retorno do investimento podem ser consideravelmente reduzidos. Também em projectos antigos e já amortizados poderá haver grande vantagem com a sua substituição por esta tecnologia em forte desenvolvimento.

Outro aspecto interessante é considerar-se uma taxa de aumento da electricidade anual maior, por exemplo devido à necessidade de se reflectir nas tarifas os custos adicionais pela progressiva introdução de meios de produção renováveis. Assim, simularam-se cenários adicionais com uma subida anual do preço de electricidade diferente dos 3% admitidos para os casos base. Admitindo uma taxa de 6 % e 10 % anuais o tempo de retorno é diminuído respectivamente em 1 e 2 anos no cenário de substituição.

6.5 Comentários

Este capítulo focou-se numa das mais promissoras áreas de aplicação dos díodos emissores de luz, a iluminação pública. Foram apresentadas as características essenciais da luz por eles emitida que a tornam particularmente apelativa para esta aplicação, e também foram vistas algumas limitações nas grandezas luminotécnicas que condicionam a adequada avaliação da iluminação nocturna.

O caso prático apresenta fortes limitações pois foi baseado num contacto com câmaras municipais que implementaram esta tecnologia. Como os casos de aplicação prática dos Led são ainda muito escassos teve de se recorrer a esta situação para poder-se ilustrar o seu potencial neste trabalho.

Pôde-se aplicar os indicadores definidos no capítulo cinco que constituem parâmetros de ajuda à decisão para uma escolha mais racional do tipo de tecnologia a implementar nas aplicações práticas. Ficou patente que, como o custo de funcionamento ultrapassa grandemente o investimento inicial, deve-se dar uma maior importância a esse indicador, pois ao fim de alguns anos é perfeitamente recuperável o excedente no investimento.

Os resultados merecem uma análise crítica na medida em que se baseiam num caso não implementado na realidade, e ainda pelo facto de os valores que foram usados serem em grande parte estimativas. Assim, os resultados devem ser interpretados meramente como indicativos do potencial de poupança que pode ser atingido pelo uso de melhores práticas na área da iluminação.

83

Capítulo 7

Conclusões

Os desafios impostos para uma gestão mais eficiente da energia são uma questão importante e transversal a todo o sector energético, pois daí resultam vantagens a nível económico e ambiental. A iluminação, pelo facto de ter um grande peso no consumo final da energia eléctrica em todo o mundo, cerca de 20 %, é uma das áreas em que mais poupança pode ser conseguida se forem adoptas medidas adequadas. Foi neste contexto que se realizou esta dissertação.

Não havendo um objectivo definido para este trabalho, em termos de um produto final a apresentar, procurou-se ser o mais abrangente possível na exploração dos principais desafios associados à luminotecnia actual.

Em termos da evolução tecnológica é de realçar os enormes progressos registados na

iluminação de estado sólido em pouco mais de uma década. Com efeito, aquilo que há pouco tempo serviria principalmente para uso em pequenas aplicações como telemóveis ou outros objectos electrónicos é capaz actualmente de oferecer uma alternativa viável às tradicionais fontes de iluminação. Os Led apresentam dimensões reduzidas, potencial para uma elevada eficácia luminosa e uma grande duração. Como desvantagens há que assinalar as limitações no seu desempenho quando são sujeitos a correntes de funcionamento elevadas, e a sua grande sensibilidade às temperaturas altas que provocam uma depreciação acentuada do fluxo luminoso emitido. Estes dois importantes inconvenientes técnicos têm consequências ao nível das aplicações práticas da tecnologia, já que os fluxos luminosos provenientes dos Led são muito pequenos, o que significa que para níveis de luminosidade adequados às tarefas humanas são necessários muitos destes semicondutores com elevados preços de fabrico, o que constitui o maior entrave ao seu uso. De facto, considerando as alternativas constata-se que os níveis de performance energética e de qualidade da luz são os mesmos desde há muito tempo a esta parte, o que indicia que é altura de investir cada vez mais em alternativas. Por exemplo, no caso da lâmpada de incandescência apenas 10 % da energia consumida é transformada em energia útil pelo que se justificam as legislações em curso para banirem o uso futuro deste tipo de equipamentos. Finalmente é de referir as dificuldades encontradas na obtenção de informação útil e independente no que concerne a esta nova tecnologia Led. Este facto é compreensível

84

atendendo à novidade e à rapidez com que novos desenvolvimentos técnicos são conseguidos. Nesse sentido, para conseguir retratar o mais fielmente possível o estado da arte desta tecnologia foi necessário recorrer às informações dos fabricantes líderes mundiais, onde se encontram frequentemente informações contraditórias e restrições no acesso à informação, o que se explica tendo em conta a elevada concorrência no sector.

Também por isso, uma das contribuições que se pretende dar com este trabalho é o de identificar métodos que avaliem de uma forma independente a adequação da tecnologia às novas exigências económicas, técnicas e ambientais.

Um destes métodos é a avaliação de ciclo de vida ou life cycle assessment (LCA). É um

método de avaliação de impactes ambientais associadas com o ciclo de vida de um produto, serviço ou processo. Isto significa que deve ser feita uma análise de todas as etapas desde o fabrico e aquisição de matérias-primas até à sua destruição. A avaliação de ciclo de vida tem a vantagem ser um método estandardizado cuja execução requer o cumprimento de um conjunto de procedimentos que não só garantem a validade da avaliação, como permitem a comparação entre estudos do mesmo tipo e que podem eventualmente resultar em conclusões divergentes.

No contexto da iluminação a aplicação do LCA é útil para permitir conhecer os impactes associados com a tecnologia Led que estão em grande medida por determinar. Foi visto que no contexto deste trabalho a execução de um LCA não é possível, não só pelo tempo que demoraria como principalmente, pela falta de dados reais que permitissem a execução da fase dois de inventariação, tal como definido no standard da ISO. Atendendo a estas limitações o que se fez foi definir o objectivo e âmbito de um projecto deste tipo, que possa ser realizado mais tarde, bem como referir os principais aspectos que se pretende ver avaliados. Igualmente foram referidas algumas conclusões de um LCA realizado recentemente por uma empresa da área da iluminação que servem para ilustrar alguns dos impactes que devem ser avaliados num estudo deste tipo.

Para a realização completa de uma análise de ciclo de vida, nomeadamente o life cycle assesement definido pelas normas ISO, seria necessário a escolha de produtos concretos a avaliar, do tipo Led mas também das principais alternativas (descarga em gases e incandescência) para se poder efectuar um estudo comparativo e acessível ao público em geral. Também indispensável seria ter acesso através das bases de dados públicas, ou de informação dos fabricantes aos processos unitários que compõem o ciclo de vida dos produtos de forma a levar em consideração todas as matérias-primas, materiais auxiliares e gastos energéticos envolvidos.

O capítulo cinco deste trabalho foi dedicado à aplicação das tecnologias de iluminação em

situações concretas. Para isso fez-se uma distinção entre iluminação interior e exterior para verificar quais os requerimentos técnicos adequados a cada aplicação, e de que forma as várias alternativas do mercado, e em particular os Led, correspondem a isso. Este estudo tinha o intuito de funcionar como introdução a dois casos práticos de aplicação de Leds, um em iluminação interior e outro exterior. Infelizmente não foi possível encontrar em tempo útil um caso de aplicação de interiores, e mesmo no caso de exteriores para iluminação pública é de salientar a falta do cálculo luminotécnico, pelo que esta é uma das principais limitações do trabalho.

Do que se consegui apurar, quer pelo contacto com empresas, quer pela análise de aplicações práticas reais conclui-se que, pese embora os méritos técnicos dos Led, o seu uso é condicionado por um conjunto de factores dos quais se destacam a menor qualidade da luz

85

emitida em iluminação interior face às lâmpadas fluorescentes, e a menor eficácia luminosa relativamente às alternativas de descarga de alta intensidade para iluminação exterior. Não obstante, foi possível identificar sectores do mercado onde é pertinente desde já o uso de Leds, como a iluminação decorativa de lugares públicos, ou em zonas de circulação em interiores de edifícios, onde uma efectiva poupança económica, energética e ambiental é possível.

Numa fase seguinte do trabalho procurou-se eleger os indicadores que permitam a escolha criteriosa dos equipamentos. Após uma pesquisa bibliográfica sobre este assunto determinou-se que aquilo que influencia a adesão generalizada por parte dos utilizadores a um produto que é percepcionado como uma comodidade essencial, e tida como garantida por todos é o aspecto económico. Significa isto que só haverá incentivo à mudança se esta implicar um efectivo benefício económico para o utilizador final. Por outro lado, o que se verifica frequentemente é ser dada uma importância grande ao preço inicial da compra dos equipamentos não contemplando os encargos, ou parte deles, decorrentes da sua utilização. Assim, os indicadores de custo definidos servem para avaliar adequadamente o preço total do custo de luz e relacionarem-se com as características técnicas dos equipamentos que determinam o valor desses mesmos custos.

Foi isso que se fez no capítulo seis com estudo da viabilidade da implementação de

iluminação pública com recurso aos Led. São várias as vantagens que esta tecnologia tem para esta aplicação, como uma melhor restituição de cores, temperatura de cor ou um maior aproveitamento do fluxo luminoso de forma útil para as estradas e passeios. Particularmente interessante no decorrer desse estudo foi notar que um dos pressupostos usados para justificar a adequação dos Led à iluminação pública vem em desencontro ao que até aqui era consensual, ou seja a própria definição da grandeza lúmen. Assim, visto que em situações de baixa luminosidade o olho humano funciona na região de visão mesópica em que estão activos os bastonetes oculares, e como a grandeza lúmen está definida com base no funcionamento exclusivo dos cones, há uma dificuldade em medir verdadeiramente o efeito que as fontes de iluminação têm no ser humano quando sujeito a estas condições, através das actuais grandezas fotométricas. Foi com base nestes pressupostos que se admitiu como válida a redução de potência conseguida para o caso prático a executar. Como, não houve acesso a ficheiros fotométricos de luminárias Led não se pode validar com o cálculo luminotécnico esta redução de potência, a fim de verificar se eram cumpridas as normas.

Da análise dos cenários de substituição e projecto de raiz que compara o despenho das luminárias Led e vapor de sódio a alta pressão, resultaram tempos de retornos financeiros respectivamente de oito e quatro anos. De um ponto de vista estritamente económico não é absolutamente evidente a execução deste investimento já que os tempos de retorno são elevados especialmente no caso de substituição. No entanto, com este exemplo dá para ter uma ideia dos níveis de poupança que se podem obter considerando que há projectos de iluminação pública a funcionar com tecnologias bem menos eficientes do que a de vapor de sódio de alta pressão aqui considerada. Por outro lado viu-se que, num horizonte temporal de catorze anos, a redução no custo energético, e por consequência económico e ambiental, são consideráveis para que pelo menos valerá a pena o estudo da introdução desta e de outras práticas semelhantes em casos reais.

Como comentário final à execução deste trabalho deve-se referir a grande pertinência e

actualidade que este tema tem no contexto actual em que muita importância está a ser dada á

86

eficiência energética, à gestão dos recursos naturais, e aos cuidados ambientais. Ficou bem patente que a área da iluminação pode dar um valioso contributo em todos estes objectivos com base no nível de performance que os aparelhos de iluminação hoje em dia já apresentam.

Uma das principais conclusões a reter é a de que entre o aparecimento de um recurso ou de uma tecnologia promissora, como é o caso da iluminação de estado sólido, e a sua aplicabilidade ao mundo real pode decorrer um elevado período de tempo. Por um lado tem que ser feita a sensibilização para as vantagens do uso de fontes de iluminação eficientes, mas também deve ser avaliado o mérito em situações concretas que decorrem da sua aplicação.

Deve-se também ter em atenção a colocação de novos desafios, quando aparece uma nova tecnologia, que podem por vezes por em causa conceitos que se davam como garantidos.

Não se deverão cometer erros pela procura de oportunidades de negócio que comprometam, em nome de interesses económicos, o desenvolvimento sustentável da tecnologia. Há pois que ver o aparecimento em força destes novos produtos com o adequado espírito crítico, para que se possa fazer uma boa aplicação dos recursos. Cabe por isso aos estudiosos desta área a função de empregar os melhores métodos de avaliação e as melhores práticas para garantir que isso aconteça. Assim, conclui-se que tão ou mais importante como o desenvolvimento das novas tecnologias, é o uso que se faz delas.

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