MARIO K. KAWAPHARA
2& CÉZAR PIEDADE JUNIOR
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Parte de tese de doutorado do 1° autor intitulada: Utilização racional do sistema elétrico monofásico e trifásico em baixa tensão.
2
Aluno do Curso de PG Energia na Agricultura - FCA/UNESP - Botucatu/SP - Brasil e docente do Departamento de Engenharia Elétrica - UFMT, Cuiabá/MT - Brasil.
3
Orientador e docente do Departamento de Engenharia Rural - FCA/UNESP - Botucatu/SP - Brasil.
RESUMO Este trabalho tem como objetivo analisar os rendimentos dos diversos tipos de lâmpadas
comercialmente existentes, no sentido de caracterizar as baixas eficiências nos sistemas de iluminação, comprometendo a uma política de utilização racional da energia elétrica.
Através da análise de regressão buscou-se equacionar este sistema, no sentido de apontar para uma convergência nas recomendações técnicas e na utilização deste, com o máximo de eficiência e segurança.
Os resultados obtidos comprovaram que as lâmpadas incandescentes apresentam rendimentos extremamente baixos. Como proposta, desencadear uma política em nível nacional para substituir as lâmpadas incandescentes pelas fluorescentes, compatíveis com o local. E buscar , em nível de pesquisa, rever uma nova alternativa para fins de iluminação, com a utilização mais eficaz da energia elétrica e com um preço acessível à grande maioria.
Palavra-chave: iluminação, lâmpadas.
LOW EFFICIENCY ON ILLUMINATION SYSTEMS
SUMMARY This work has the objective of analyse the performances in different types of
commercial lamps, to determine the low efficiency on illumination systems, compromising the rational making use of electrical energy.
This system was solved through the regression analysis, in order to point out a convergence among the technical recomendations and it use, against the maximum level of efficiency and security.
The results confirm that the incandescent lamps present very low performances. As a proposal, it is necessary to unchain a national policy in order to replace the incandescent lamps for the fluorescent, according to the local. Moreover, inside the research, to review a new alternative to illumination, with a more efficient use of the electrical energy with an accessible price to the population.
Keyword: illumination, lamps. 1 INTRODUÇÃO
A utilização da energia elétrica alcançou um percentual razoável da sociedade, modificando de maneira profunda os seus hábitos. O aumento gradativo destas diversidades de equipamentos, funcionando na maioria das vezes, sem nenhuma preocupação quanto aos limites a serem ponderados, no sentido da utilização racional do sistema elétrico, tem proporcionado imensos prejuízos ao sistema e ao próprio consumidor.
Hoje, as indústrias ligadas à iluminação movimentam aproximadamente 1 bilhão de dólares anuais no Brasil. Para Mascaró & Mascaró (1992), a iluminação surge com um dos itens mais relevantes, na avaliação do sistema elétrico, já que é responsável por cerca de 20 % de toda a energia elétrica
Diante deste quadro, Rocha (1991) afirma que as indústrias de iluminação vêm fazendo a sua parte introduzindo lâmpadas, luminárias, reatores e componentes cada vez mais eficientes. No entanto, Cardoso (1979) avalia que uma fonte de luz ideal seria aquela que transformasse toda a energia elétrica solicitada, em uma radiação que fosse emitida num único comprimento de onda igual a 555 nm.
Goldemberg & Williams (1985) avaliam que continuar na dependência das lâmpadas incandescentes é dispendioso. No entanto, as lâmpadas incandescentes são as mais consumidas pelos brasileiros. Anualmente são vendidas cerca de 300 milhões de unidades.
Quanto às fluorescentes, segundo Turner et al. (1981), são normalmente utilizadas em prédios comerciais e em fábricas, devido principalmente a sua alta eficiência luminosa, quando comparadas às incandescentes. Goldemberg et al. (1988), ao avaliarem a importância do aumento da eficiência energética voltada para os usos finais, citam as lâmpadas compactas de luz fluorescentes, como energeticamente eficientes e como alternativas para as lâmpadas incandescentes, pois necessitam apenas de um terço a um quinto de potência exigida por aquelas, para produzir a mesma quantidade de luz com vida útil mais longa. Não esquecendo-se de que o sistema elétrico exige investimentos vultosos, 10 lâmpadas incandescentes de 100 W, custam ao setor 2 mil dólares.
Além do baixo rendimento das lâmpadas, reatores e luminárias, Mascaró & Mascaró (1992) evidenciam, ainda, que a grande parte da luz emitida no espaço é refletida, absorvida, transmitida ou difundida pelas superfícies interiores do local, podendo atingir valores significativos de perdas, conforme sejam os fatores de reflexão e absorção destas superfícies.
2 MATERIAL E MÉTODO 2.1 Material
A presente pesquisa foi realizada utilizando-se de informativos técnicos de fabricantes instalados no Brasil, no período entre 1975 a 1995.
2.2 Método
Os valores obtidos destes informativos técnicos foram analisados mediante equações, utilizando-se o programa estatístico REGS1, com análiutilizando-se para 8 (oito) funções características, conforme descrito por Hoffman & Vieira (1983); e o melhor ajustamento foi selecionado através dos valores do coeficiente de determinação (R2) e do teste F.
3 RESULTADOS
As equações ajustadas para as diversas funções encontram-se nos Quadros 1 e 2. Para registro destes valores adotaram-se as mesmas codificações do Apêndice 1, complementadas com :
R2 Coeficiente de determinação F Teste F
** F é maior que F ( crítico ), para 1 e n - 2 graus de liberdade, relativo a um nível de significância de 1 %
n Número de pares da amostra Sx Erro padrão da média PL Potência da lâmpada ( W ) REND Rendimentos das lâmpadas
Quadro 1 - Rendimento médio de lâmpadas incandescentes, mistas, vapores de mercúrio, fluorescentes, vapores metálicos e vapores de sódio de alta pressão.
Equipamento Rendimento médio ( % ) Sx (%) n Lâmpadas incandescentes 2,23 0,05 95
Lâmpadas mistas 3,30 0,08 33 Lâmpadas vapores de mercúrio 7,38 0,08 44 Lâmpadas fluorescentes 10,23 0,18 75 Lâmpadas vapores metálicos 12,64 0,29 28 Lâmpadas vapores de sódio alta pressão 14,58 0,34 64
Quadro 2 - Equação ajustada para as lâmpadas, REND = f ( PL ).
Equipamento Equação ajustada n R2 F Sx Lâmp. incandescentes REND=-0,0002+0,0047Ln(PL) 95 0,9341 1317,78** ----Lâmpadas mistas REND=-0,0215+0,0097Ln(PL) 33 0,9018 284,54** ----Lâmp. vap. mercúrio REND=0,0274+0,0090Ln(PL) 44 0,8935 352,42**
----Lâmp. fluorescentes REND = 0,1023 75 ---- ---- 0,0018 Lâmp. vap. metálicos REND = 0,1264 28 ---- ---- 0,0029 Lâmp. vap. sódio AP REND=-0,0139+0,0299Ln(PL) 64 0,8308 304,43**
----4 DISCUSSÃO
As lâmpadas são avaliadas, na maioria das vezes, através da sua eficiência luminosa em lumens por watt. No entanto, este índice não é adequado para averiguar o seu real rendimento como fonte de luz. Dependendo da fonte luminosa, estes números são relativamente elevados, não permitindo traçar nenhum paralelismo quanto ao seu comportamento, no sentido de se buscar um máximo aproveitamento da energia. Neste sentido, buscou-se avaliar as principais fontes de luz em função do seu rendimento médio, tomando-se como referência uma fonte de luz de eficácia ideal, onde 1 watt é aproximadamente 668 lumens, conforme Bossi & Sesto (1978) e Antas (1984).
A lâmpada de vapor de sódio de alta pressão foi a que apresentou um rendimento médio mais elevado, de 14,58 % ± 0,34, enquanto que a incandescente indicou ter o mais crítico, com apenas 2,23 % ± 0,05, conforme apresentado na Figura 1.
As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão e as lâmpadas fluorescentes têm, respectivamente, rendimentos 6,53 e 4,58 vezes maiores do que as incandescentes. São números bastante significativos quando avaliados entre eles, no entanto, todas as fontes de luz apresentam eficiências extremamente baixas, quando avaliadas no sentido de se buscar o máximo de aproveitamento da energia elétrica para fins de iluminação.
Quanto as fluorescentes, ressalta-se que apesar de serem mais eficientes que as incandescentes, não observou-se nenhuma melhora no rendimento das lâmpadas miniaturas compactas de 7, 9 e 13 W, quando comparadas com as convencionais de 20 e 40 W. O que foi conseguido há anos, foi um desenvolvimento tecnológico de miniaturização da lâmpada e do reator, para uma perfeita adaptação aos bocais das incandescentes. Como avaliação verifica-se que, esta não ajustou-se a nenhuma equação de regressão do rendimento em função da potência, apresentando uma eficiência média de 10,23 % ± 0,18, para todas as faixas de potências entre 7 a 115 watts.
LI Lâmpadas incandescentes LM Lâmpadas mistas
LVC Lâmpadas vapores de mercúrio LF Lâmpadas fluorescentes LVM Lâmpadas vapores metálicos
LVS Lâmpadas vapores de sódio de alta pressão
Figura 1 - Rendimento médio das lâmpadas incandescentes, mistas, vapores de mercúrio, fluorescentes, vapores metálicos e vapores de sódio de alta pressão.
LVS
LVM
LF
LVC
LM
LI
LVS Lâmpada vapor sódio alta pressão REND=-0,0139+0,0299Ln(PL) LVM Lâmpada vapor metálico REND=0,1264
LF Lâmpada fluorescente REND=0,1023
LVC Lâmpada vapor de mercúrio REND=0,0274+0,0090Ln(PL) LM Lâmpada mista REND=-0,0215+0,0097Ln(PL) LI Lâmpada incandescente REND=-0,0002+0,0047Ln(PL)
Figura 2 - Comportamento do rendimento em função da potência ativa para lâmpadas incandescentes, mistas, vapores de mercúrio, fluorescentes, vapores metálicos e vapores de sódio de alta pressão.
Na avaliação das eficiências das lâmpadas em função das potências, observou-se a caracterização de 3 (três) blocos: primeiro, constituído pelas lâmpadas fluorescentes, vapores metálicos e vapores de sódio de alta pressão, apresentando os melhores rendimentos; o segundo, com as lâmpadas de vapores de mercúrio, com rendimentos intermediários e o terceiro, constituído pelas lâmpadas mistas e incandescentes, com rendimentos extremamente baixos.
Do total da energia elétrica consumida pelas lâmpadas, um percentual muito elevado transforma-se em perdas, somente na sua utilização final, desconsiderando-transforma-se que percorrera um longo caminho, desde a geração até o consumo. Dentro de um sistema extremamente complexo e preocupado sempre em limitar as perdas a níveis mínimos desde a geração até o consumo, as lâmpadas representam um foco de “iluminação” altamente deficiente.
A previsão de que entre 17 a 20 % do consumo nacional deve-se ao sistema de iluminação, que a indústria nacional comercializa aproximadamente 300 milhões de lâmpadas incandescentes por ano e que o rendimento médio das fluorescentes é 4,58 vezes ao rendimento médio das incandescentes, numa primeira avaliação, a substituição das lâmpadas incandescentes pelas fluorescentes compatíveis com o local, convergem para uma disponibilidade energética bastante significativa, no sistema energético nacional.
Percebe-se, portanto, que utilizar racionalmente materiais e equipamentos é, na realidade, introduzir mais uma fonte de geração no sistema. A comunidade ganha com maior disponibilidade de energia e o usuário continua a ser atendido com mais conforto, menos perdas e menor consumo de energia elétrica. Como resultado temos maior segurança nas instalações do consumidor, através do alívio do sistema, com menores cargas e perdas. Ainda, temos menores valores a serem pagos pelo consumo da energia elétrica, considerando-se a política do governo de custo ascendente nas tarifas cobradas.
5 CONCLUSÕES
As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão e as lâmpadas fluorescentes têm, respectivamente, rendimentos 6,53 e 4,58 vezes maiores do que as incandescentes. São números bastante significativos quando avaliados entre eles; no entanto, todas as fontes de luz que utilizam a energia elétrica apresentam rendimentos extremamente baixos. As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão apresentaram os melhores rendimentos; mesmo assim, com apenas 14,58 % ± 0,34, enquanto as incandescentes apresentaram os piores, com apenas 2,23 % ± 0,05. Recomenda-se, a uma política, em nível nacional, na substituição das lâmpadas incandescentes pelas fluorescentes, compatíveis com o local, e buscar, em nível de pesquisa, rever uma nova alternativa para fins de iluminação, com a utilização mais eficaz da energia elétrica e com um preço acessível a grande maioria.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ANTAS, L. M. Conversão de unidades de medida. São Paulo: Traço, 1984. 245p. BOSSI, A., SESTO, E. Instalações elétricas . São Paulo : Hemus, 1978. 1071p. CARDOSO, R. P. Luminotécnica. Portugal: Dinalivro, 1979. 228p.
GOLDEMBERG, J., WILLIAMS, R. H. The economics of energy conservation in developing countries: A case study of the electrical setor in Brazil. In Energy Sources: Conservation an Renewables, D. Hafmeister, H. Kelly e B. Levi Corgs. New York: American Institute of Physics, 1985. p. 402 - 425. GOLDEMBERG, J. et al. Energia para o desenvolvimento. São Paulo: T. A. Queiroz, 1988. 101p. HOFFMAN, R., VIEIRA, S. Análise de regressão: uma introdução à econometria. São Paulo: Hucitec,
1983. 379p.
MASCARÓ, L., MASCARÓ, J. L. Uso racional de energia elétrica em edificações. Associação Brasileira da Indústria de Iluminação ( ABILUX ), São Paulo, 44p. 1992.
ROCHA, S. Química dos lumens. Construção, São Paulo, n. 2269. p.6 - 12, 1991.
TURNER, W. et al. Economic analysis of energy - efficient lamps. Industrial Engineering, v. 13, n. 1, p.24 - 25, 1981.
APÊNDICE 1
Informativos técnicos de equipamentos elétricos, obtidos diretamente dos fabricantes
Estes valores encontram-se nos Quadros 3 a 8 .Para aquisição desses valores adotaram-se as seguintes codificações:
Código Material ou Equipamento Fabricante Data Unidade FLI1 Lâmpada incandescente GE 1995 lumens FLI2 Lâmpada incandescente Silvânia 1993 lumens FLI3 Lâmpada incandescente GE 1992 lumens FLI4 Lâmpada incandescente Philips 1983 lumens FLI5 Lâmpada incandescente Philips 1984 lumens FLI6 Lâmpada incandescente Osram 1975 lumens FLI7 Lâmpada incandescente Philips 1990 lumens FLI8 Lâmpada incandescente GE 1994 lumens FLI9 Lâmpada incandescente GE 1984 lumens FLI10 Lâmpada incandescente Osram 1989 lumens FLI11 Lâmpada incandescente Osram 1984 lumens FLF1 Lâmpada fluorescente GE 1995 lumens FLF2 Lâmpada fluorescente Silvânia 1993 lumens FLF3 Lâmpada fluorescente GE 1992 lumens FLF4 Lâmpada fluorescente Philips 1983 lumens FLF5 Lâmpada fluorescente Philips 1984 lumens FLF6 Lâmpada fluorescente Osram 1975 lumens FLF7 Lâmpada fluorescente Philips 1990 lumens FLF8 Lâmpada fluorescente GE 1994 lumens FLF9 Lâmpada fluorescente GE 1984 lumens FLF10 Lâmpada fluorescente Osram 1989 lumens FLF11 Lâmpada fluorescente Osram 1984 lumens FLVS1 Lâmpada vapor de sódio AP GE 1995 lumens FLVS2 Lâmpada vapor de sódio AP Silvânia 1993 lumens FLVS3 Lâmpada vapor de sódio AP GE 1992 lumens FLVS4 Lâmpada vapor de sódio AP Philips 1983 lumens FLVS5 Lâmpada vapor de sódio AP Philips 1984 lumens FLVS6 Lâmpada vapor de sódio AP Osram 1975 lumens FLVS7 Lâmpada vapor de sódio AP Philips 1990 lumens FLVS8 Lâmpada vapor de sódio AP GE 1994 lumens FLVS9 Lâmpada vapor de sódio AP Osram 1989 lumens FLVS10 Lâmpada vapor de sódio AP Osram 1984 lumens
continuação.
Código Material ou Equipamento Fabricante Data Unidade FLC1 Lâmpada vapor de mercúrio GE 1995 lumens FLC2 Lâmpada vapor de mercúrio Silvânia 1993 lumens FLC3 Lâmpada vapor de mercúrio GE 1992 lumens FLC4 Lâmpada vapor de mercúrio Philips 1983 lumens FLC5 Lâmpada vapor de mercúrio Philips 1984 lumens FLC6 Lâmpada vapor de mercúrio Osram 1975 lumens FLC7 Lâmpada vapor de mercúrio Philips 1990 lumens FLC8 Lâmpada vapor de mercúrio GE 1994 lumens FLC9 Lâmpada vapor de mercúrio GE 1984 lumens FLC10 Lâmpada vapor de mercúrio Osram 1989 lumens FLC11 Lâmpada vapor de mercúrio Osram 1984 lumens FLM1 Lâmpada mista GE 1995 lumens FLM2 Lâmpada mista Silvânia 1993 lumens FLM3 Lâmpada mista GE 1992 lumens FLM4 Lâmpada mista Philips 1983 lumens FLM5 Lâmpada mista Philips 1984 lumens FLM6 Lâmpada mista Osram 1975 lumens FLM7 Lâmpada mista Philips 1990 lumens FLM8 Lâmpada mista GE 1994 lumens FLM9 Lâmpada mista GE 1984 lumens FLM10 Lâmpada mista Osram 1989 lumens FLM11 Lâmpada mista Osram 1984 lumens FLVM1 Lâmpada vapor metálico GE 1995 lumens FLVM2 Lâmpada vapor metálico Philips 1983 lumens FLVM3 Lâmpada vapor metálico Philips 1984 lumens FLVM4 Lâmpada vapor metálico Osram 1975 lumens FLVM5 Lâmpada vapor metálico Philips 1990 lumens FLVM6 Lâmpada vapor metálico GE 1994 lumens FLVM7 Lâmpada vapor metálico Osram 1989 lumens FLVM8 Lâmpada vapor metálico Osram 1984 lumens
QUADRO 3 . Fluxos luminosos de lâmpadas incandescentes. PL (W) FLI1 (lm) FLI2 (lm) FLI3 (lm) FLI4 (lm) FLI5 (lm) FLI6 (lm) FLI7 (lm) FLI8 (lm) FLI9 (lm) FLI10 (lm) FLI11 (lm) 15 120 --- --- --- --- --- --- 120 138 --- ---25 235 --- --- 250 250 220 250 235 255 230 230 40 455 400 455 460 460 425 450 455 488 430 430 60 780 680 780 790 790 750 740 780 810 730 730 75 1035 --- 1035 --- --- --- 1015 1035 --- 980 ---100 1470 1300 1470 1470 1470 1380 1400 1470 1500 1380 1380 150 2430 --- 2430 2520 2520 2340 2500 2430 2430 --- 2220 200 3250 --- 3325 3460 3460 3250 3480 3325 3420 --- 3150 300 5950 --- 5205 5310 5310 5100 5220 5950 5000 --- 5000 500 11000 --- 8850 9400 9400 9300 9500 11100 8800 --- 8400 1000 21000 --- --- 22000 22000 20000 22000 --- --- --- ---1500 33000 --- --- 33000 33000 31000 --- --- --- --- ---QUADRO 4 . Fluxos luminosos de lâmpadas vapores de sódio, alta pressão. PL (W) FLVS1 (lm) FLVS2 (lm) FLVS3 (lm) FLVS4 (lm) FLVS5 (lm) FLVS6 (lm) FLVS7 (lm) FLVS8 (lm) FLVS9 (lm) FLVS10 (lm) 50 3400 3000 3400 --- --- --- --- 3300 3500 3300 70 6000 5300 6000 5300 5300 --- 5800 5800 5600 5600 110 --- 9000 --- --- --- --- --- --- --- ---150 15000 12000 15000 12500 12500 --- 13500 14500 14000 14000 210 --- --- --- --- --- --- --- --- 18000 ---215 20200 19000 18000 --- --- --- --- 19000 --- 18000 250 27500 26000 27500 25000 25000 25500 27000 26000 25000 25500 350 34500 --- 34500 --- --- --- 34500 34500 34000 ---360 --- 36000 --- --- --- 36000 --- --- --- ---400 50000 47000 50000 46000 46000 47000 47000 50000 48000 47000 1000 --- --- --- 130000 130000 120000 130000 --- 130000 130000 QUADRO 5 . Fluxos luminosos de lâmpadas fluorescentes. PL (W) FLF1 (lm) FLF2 (lm) FLF3 (lm) FLF4 (lm) FLF5 (lm) FLF6 (lm) FLF7 (lm) FLF8 (lm) FLF9 (lm) FLF10 (lm) FLF11 (lm) 7 400 --- --- --- --- --- 400 400 --- 400 ---8 --- --- --- --- --- 430 --- --- --- --- ---9 600 600 --- --- --- --- 600 600 --- 600 ---10 --- --- --- --- --- 500 --- --- --- --- ---11 900 --- --- --- --- --- 900 900 --- 900 ---13 860 --- --- --- --- 760 900 850 --- 900 ---15 --- 840 800 800 800 800 840 800 870 840 ---16 --- 1020 1150 --- --- --- 1250 --- --- --- ---18 1200 --- --- --- --- --- --- --- --- --- ---20 1150 1300 1150 1120 1120 --- --- 1150 1150 1060 1150 30 --- --- --- --- --- --- --- --- 2250 --- ---32 --- 2500 2850 --- --- --- 2900 2850 --- --- ---40 3000 3200 3000 3000 3000 3200 --- 3000 3000 2700 3100 65 --- --- --- --- --- --- 4500 --- --- 4500 4800 85 6350 6550 5900 --- --- --- --- --- 6650 --- ---110 8900 8300 8200 8900 8900 --- 8300 8200 9200 8300 9200 115 --- --- --- --- --- 7100 --- --- --- ---
---QUADRO 6 . Fluxos luminosos de lâmpadas vapores de mercúrio. PL (W) FLC1 (lm) FLC2 (lm) FLC3 (lm) FLC4 (lm) FLC5 (lm) FLC6 (lm) FLC7 (lm) FLC8 (lm) FLC9 (lm) FLC10 (lm) FLC11 (lm) 80 3500 3400 3500 3500 3500 3600 3600 3500 3500 3700 3700 125 6000 5800 6000 6000 6000 6000 6000 6000 5800 6300 6300 250 12500 12100 12500 12600 12600 12700 12600 12500 12100 13000 13000 400 22000 21700 22000 22000 22000 21600 22000 22000 22100 22000 22000 QUADRO 7 . Fluxos luminosos de lâmpadas mistas.
PL (W) FLM1 (lm) FLM2 (lm) FLM3 (lm) FLM4 (lm) FLM5 (lm) FLM6 (lm) FLM7 (lm) FLM8 (lm) FLM9 (lm) FLM10 (lm) FLM11 (lm) 160 3000 2900 3000 3000 3000 2600 3000 3000 3000 3100 3100 250 5500 5200 5500 5500 5500 4900 5500 5500 5500 5600 5600 500 12500 12500 12500 13500 13500 12000 13500 12500 12500 14000 14000 QUADRO 8 . Fluxos luminosos de lâmpadas de vapores metálicos.
PL (W) FLVM1 (lm) FLVM2 (lm) FLVM3 (lm) FLVM4 (lm) FLVM5 (lm) FLVM6 (lm) FLVM7 (lm) FLVM8 (lm) 175 12000 --- --- --- --- 14000 --- ---250 18000 --- --- 18000 --- 20500 --- ---360 --- --- --- --- --- --- 28000 ---400 33000 31500 31500 28000 31500 36000 --- 28000 1000 --- --- --- --- 81000 110000 80000 90000 2000 210000 189000 189000 190000 189000 --- 190000 170000 3500 300000 --- --- 300000 --- --- 300000 300000
