Qualidade de Energia Elétrica das Lâmpadas
Fluorescentes Tubulares e Tubulares a LED
Fábio Chaves da Silva, Marcos Pablo Tavares de Gouvea, Marcos César Alves Castro,
Guilherme da Silva Santos, Carminda Célia Moura de Moura Carvalho
Universidade Federal do Pará / Instituto de Tecnologia / CEAMAZON Rua Augusto Correa, 1 - Guamá - CEP 66075-110 – Belém - PA - BRASIL
Resumo A busca por sistemas de iluminação mais eficientes levou ao desenvolvimento de novas fontes, como o LED (Diodo Emissor de Luz) que, ao contrário de fontes de iluminação tradicionais, tais como incandescentes, halógenas e as fluorescentes, tendem a produzir mais energia luminosa com um menor consumo de eletricidade. O LED representa um novo tipo de tecnologia para a produção do fluxo luminoso, com potencial revolucionário sobre o conceito de iluminação. Com os avanços tecnológicos já é possível ser encontrado no mercado para uso na iluminação pública e residencial, sendo considerada a iluminação do futuro. Neste artigo, é apresentada uma comparação entre o desempenho das lâmpadas fluorescentes tubulares e as tubulares LED no que diz respeito a qualidade de energia.
Palavras-chaves Lâmpada Led, Lâmpada fluorescente tubular, eficiência energética, qualidade de energia elétrica.
I.INTRODUÇÃO
A evolução da lâmpada elétrica pode ser dividida em três estágios: o primeiro é representado pela lâmpada incandescente, que continua utilizando até os dias de hoje o mesmo tipo de tecnologia para a produção do fluxo luminoso, ou seja, um filamento de tungstênio aquecido até a incandescência. O segundo estágio, iniciado na década de 30, é representado pelas lâmpadas fluorescentes, as quais produzem o fluxo luminoso a partir da emissão de fótons de luz produzidos pelo choque de elétrons com uma mistura de gases.
O terceiro estágio iniciou na década de 60, com a utilização de componentes eletrônicos semicondutores, os quais produzem o fluxo luminoso devido ao movimento de elétrons dentro de um material semicondutor. Esse sistema é chamado de iluminação de estado sólido e utiliza diodos emissores de luz ou LED.
À medida que as tecnologias avançam e tomam força no mercado existe um questionamento sobre qual produto é o melhor. Quando se fala em lâmpadas o questionamento é ainda maior porque vários fatores contribuem para a escolha daquela que melhor se adéqua às condições do ambiente em que será inserida; fatores como dimensões do local, exposição climática, alta ou baixa iluminação de acordo com a situação e diversos outros são decisivos para se definir qual lâmpada escolher. Em todos os casos, basicamente o que se almeja é uma boa iluminação e um consumo reduzido ou, se possível, ambos.
Por outro lado, a Qualidade de Energia Elétrica pode ser definida como a ausência relativa de variações de tensão na rede de energia elétrica da concessionária, particularmente a
ausência de desligamentos, flutuações de tensão, surtos e harmônicos, medidos no ponto de entrega de energia (fronteira com as instalações da concessionária sob o ponto de vista do consumidor). Outros autores a conceituam como sendo qualquer problema manifestado na tensão, corrente ou frequência que resultará em falha ou operação inadequada em equipamentos de consumidores [1].
O objetivo deste trabalho é apresentar uma análise comparativa entre lâmpadas tubulares fluorescentes e a LED. Para isso, foram utilizadas lâmpadas tubulares T5, que representam o que há de melhor em termos de tecnologia em lâmpadas fluorescentes, comparando o seu desempenho associado a parâmetros como potência, fator de potência e harmônicos, com o de lâmpadas tubulares a LED encontradas atualmente no mercado.
É importante frisar que a preocupação com o aumento da eficiência energética tem aumentado substancialmente o uso de lâmpadas fluorescentes T5 ou a LED. Tais equipamentos, embora mais eficientes, causam distorções harmônicas na rede elétrica que, entre outros efeitos, podem levar ao aumento do consumo de energia das instalações [9].
A principal fonte de harmônicos em instalações elétricas são os conversores estáticos de potência empregados, por exemplo, no acionamento de motores com velocidade variável [10]. Existem também outras cargas não lineares que podem ser citadas, como fornos a arco e lâmpadas de descarga (lâmpadas fluorescentes, de sódio de alta pressão, multivapores metálicos, etc.). Qualquer outra carga que requeira corrente não senoidal do sistema será uma carga produtora de correntes harmônicas, como as lâmpadas a LED.
II.REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
A. Lâmpadas Fluorescentes
reprodução de cor [2]. A Fig. 1 exemplifica a característica construtiva dessas lâmpadas.
Fig. 1 Estrutura interna e funcionamento de uma lâmpada fluorescente tubular.
As lâmpadas fluorescentes tubulares estão em constante evolução, na primeira geração destas lâmpadas, que foram desenvolvidas com diâmetro T12 (38mm) e T10 (33,5mm), por vários anos, foram praticamente as únicas utilizadas no Brasil. Atualmente, com a evolução da tecnologia estão sendo empregados novos tipos de fósforos, usados no interior do tubo de descarga para a transformação de radiação ultravioleta em luz visível, conhecidos como trifósforos, tornando-as cada vez mais eficientes energeticamente. Com isso, obtém-se uma eficiência luminosa de até 100 lm/W, muito maior que a obtida com o tipo de fósforo comum, temperatura de cor variando entre 2700K e 6000K e índice de reprodução de cor de 85% [2].
Essa evolução das lâmpadas fluorescentes tubulares se verifica no diâmetro, como é mostrado na Fig. 2, que associado ao desenvolvimento óptico das luminárias, garante maior aproveitamento do fluxo luminoso.
Fig. 2 Lâmpadas fluorescentes tubulares.
Além disso, com a compactação do diâmetro do bulbo dessas lâmpadas, necessita-se de menores quantidades de mercúrio em sua composição, possibilitando maiores rendimentos do sistema, visto que bulbos com menores diâmetros permitem maior reflexão do fluxo luminoso, conforme mostra a Fig. 3.
Fig. 3. Representação da reflexão da luz com a redução do diâmetro do tubo das lâmpadas T12, T10, T8 e T5.
Toda essa evolução teve como finalidade básica substituir as fluorescentes tradicionais por lâmpadas de alta eficiência, como as T5 acionadas por reator eletrônico de alto fator de potência. Porém, com o desenvolvimento tecnológico das lâmpadas a LED (Diodo Emissor de Luz), surgiram no mercado lâmpadas com consumo de energia elétrica muito inferior ao das fluorescentes, podendo chegar a 80%, segundo alguns fabricantes.
B. Lâmpadas a LED (Diodo Emissor de Luz)
Os LEDs são componentes semicondutores que têm a propriedade de converter corrente elétrica em luz visível. Essa transformação é diferente da encontrada em lâmpadas convencionais, que fazem uso de filamentos metálicos, radiação ultravioleta e descarga de gases, entre outras técnicas [2].
No início, os LEDs eram utilizados apenas para sinalização e indicação de estado de equipamentos eletrônicos, ou seja, seu fluxo luminoso não atingia níveis suficientes para serem aplicados em sistemas de iluminação geral. Com a sua evolução tecnológica, foi possível desenvolver técnicas para reduzi-los de tamanho, aumentar o fluxo luminoso e emitirem luz branca. Assim, tornaram-se uma alternativa real na substituição das lâmpadas tradicionais, proporcionando significativa economia de energia e ainda requerendo o mínimo de manutenção devido sua longa vida útil (até 50.000 horas), permitindo a sua utilização em locais de difícil acesso [3].
A luz emitida pelos LEDs depende do tipo de material utilizado na fabricação do semicondutor. Para que o LED passe a gerar luz em uma ampla faixa do espectro, vai depender do material utilizado na dopagem do semicondutor durante o processo de fabricação, bem como da combinação dessa variedade de elementos químicos, como por exemplo, galênico, arsênio, alumínio, índio, fósforo e nitrogênio [4]. As principais vantagens dos LEDs que os fazem superar várias fontes de iluminação existentes são: alta eficiência luminosa, dimerização, variedade e controle dinâmico de cores, alta resistência a choques e vibrações, ausência de radiação ultravioleta e infravermelha, baixo consumo de energia, baixa tensão de operação, luz direta e também é considerado ecologicamente correto, pois na sua fabricação não se utiliza mercúrio, chumbo ou outro material considerado danoso ao meio ambiente [4] e [5].
A Fig.4 caracteriza o processo de funcionamento de um semicondutor.
Fig. 4. Processo de emissão de luz no LED.
Atualmente, grande parte dos LEDs apresentam temperatura de cor de 6000K e IRC 70, mas já se pode encontrar com 3200K e IRC 90, os quais são adequados para iluminação de interiores. Em relação às lâmpadas LEDs, estão disponíveis variados modelos como as de bulbo tipo as incandescentes comuns, lâmpadas dicroicas, lâmpadas no formato PAR e lâmpadas LEDs tubulares semelhantes à fluorescente tubular T5 e T8 [8]. Essas lâmpadas são mais eficientes que as incandescentes e halógenas e tão eficientes quanto as fluorescentes e de descarga. Com o desenvolvimento constante dessa tecnologia, espera-se que nos próximos anos atinjam eficiência necessária para ultrapassar qualquer outra fonte de luz artificial possível [2].
III.MATERIAIS E MÉTODOS
Nesse artigo, apresenta-se um estudo comparativo entre lâmpadas T5, acionadas por reator eletrônico de partida rápida de alto fator de potência, e lâmpadas tubulares T8 a LED, as quais são consideradas as futuras substitutas dessa tecnologia. Entretanto, a análise será iniciada com fluorescentes tubulares acionadas por reator eletromagnético e, em seguida, por reator eletrônico de partida rápida, somente para demonstrar a evolução dessa tecnologia.
A. Materiais
Foram avaliados sete modelos de lâmpadas, sendo quatro
fluorescentes tubulares (LFT), duas LEDs tubulares (LTL) e uma luminária linear de sobrepor a LED. Apesar dos modelos serem diferentes, alguns possuem potências equivalentes, conforme indicado pelos seus fabricantes. Por exemplo, a lâmpada tubular LED T8 de 12W equivale a uma fluorescente de 20W e a luminária LED de 17W equivale a duas fluorescentes de 20W. Um resumo das características das amostras ensaiadas é apresentado nas Tabelas I e II.TABELA I.LÂMPADAS UTILIZADAS (DADOS DOS FABRICANTES) Fabricante Modelo Potência
Lâmpada (W) Tensão (Volts) Corrente Nominal (mA) A A A A B B C Fluorescente T5 LED T8 Fluorescente T8 Fluorescente T8 Fluorescente T10 Luminária LED LED T8 28 (2x14) 8,5 16 15 20 17 12
100 a 220 120/227 220 220 220 127/220 127/220
15 a 25 32 a 75 15 a 90 37 38 * 65 * Não informado pelo fabricante
TABELA II.LÂMPADAS UTILIZADAS (DADOS DOS FABRICANTES) Fabricante Fator de
Potência (FP) Reator Vida Útil (hora) A A A A B B C
0,99 a 0,96 >0,91 0,96 0,36 0,35 * 0,6
Eletrônico de alto FP - Eletrônico Eletromagnético Eletromagnético - - 24.000 50.000 15.000 7.500 7.500 * 30.000 * Não informado pelo fabricante
B. Métodos
Para avaliação do impacto das lâmpadas quanto à qualidade
de energia elétrica foram analisados os seguintes parâmetros: potência demandada, fator de potência (FP), distorção harmônica de corrente (DHTi) e distorção harmônica de tensão (DHTv).As medições foram realizadas em uma bancada didática fabricada pela WEG, Fig. 5, no Laboratório de Instalações Elétricas do CEAMAZON (Centro de Excelência em Eficiência Energética da Amazônia), localizado nas dependências da Universidade Federal do Pará.
Fig. 5. Bancada didática da WEG utilizada nas medições.
Na Fig. 6, são mostrados esses equipamentos.
Fig. 6. Analisador de qualidade MARH-21 e computador utilizados no experimento.
A geração de gráficos e análise estatística dos dados foram realizadas com o uso do software Excel 2010 da Microsoft, devido a maior facilidade no manuseio deste programa computacional.
Durante as medições, inicialmente as lâmpadas fluorescentes tubulares ficaram energizadas durante 20 minutos, a fim de estabilizar a descarga dos gases, já para as LEDs tubulares optou-se por um tempo inicial de10 minutos. As Fig. 7 e 8 mostram duas das lâmpadas T5 e a LED analisadas.
Fig. 7. Medições na LFT de 14W – T5.
Fig. 8. Medições na luminária a LED de 17W.
As Tabelas III a VI apresentam os valores nominais dessas lâmpadas, fornecidos pelos fabricantes, bem como o custo para aquisição das mesmas no mercado, na época das análises.
TABELA III.LÂMPADAS T514W(FABRICANTE A)
DADOS NOMINAIS E CUSTO DE AQUISIÇÃO
Potência (W) Tensão (Volts) TC (K) IRC Reator 28 (2x14) 105-240 6500 80-89 Sim
TABELA IV.LÂMPADAS T514W(FABRICANTE A)
DADOS NOMINAIS E CUSTO DE AQUISIÇÃO (CONTINUAÇÃO) Starter Fluxo
Luminoso (lm)
Eficiência Luminosa (lm/W)
Vida Útil (hora)
Preço (R$)
Não 1250 89 24.000 7,60
TABELA V.LUMINÁRIA LED17W(FABRICANTE B)
DADOS NOMINAIS E CUSTO DE AQUISIÇÃO
Potência (W) Tensão (Volts) TC (K) IRC Reator
17 100-240 5000 >80 Não
TABELA VI.LUMINÁRIA LED17W(FABRICANTE B)
DADOS NOMINAIS E CUSTO DE AQUISIÇÃO (CONTINUAÇÃO) Starter Fluxo
Luminoso (lm) Luminosa (lm/W) Eficiência Vida Útil (hora) Preço (R$)
Não 1350 79 30.000 245,00
IV.RESULTADOS E ANÁLISES
Antes de se iniciar as medições com as lâmpadas, foi verificada a distorção da tensão de alimentação da bancada (DHTv), Fig. 9, onde se constatou que os níveis de distorção mantiveram-se abaixo de 2%, conforme recomendado pelo módulo 8 do PRODIST (Procedimentos de Distribuição de Energia Elétrica no Sistema Elétrico Nacional) seção 8.1. E, apesar das cargas amostradas serem monofásicas e bifásicas, optou-se por medir as três fases que alimentam a bancada didática, a fim de que todas ficassem disponíveis para os testes.
Fig. 9. Tendência dos valores de DHTv das três fases que alimentam a bancada.
Pôde-se perceber nos experimentos, que assim como as lâmpadas de descarga, as lâmpadas a LED também apresentam altos índices de distorção harmônica.
Figura 10. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LFT 15W com reator eletromagnético.
Figura 11. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LFT 16W com reator eletrônico de alto FP.
Figura 12. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LFT 20W com reator eletromagnético.
Figura 13. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LFT 2x14W com reator eletrônico de alto FP.
Figura 14. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LTL 12W.
Figura 15. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LTL 8,5W.
Figura 16. Contribuição das componentes harmônicas nas medições da LTL 17W.
A partir do levantamento dos dados das medições e da análise dos gráficos dos valores médios, conforme mostrado nas Fig. 17 a 21, verificou-se que, entre as mostras analisadas, a que apresentou melhor desempenho foi a lâmpada tubular LED T8 do fabricante A, por apresentar baixa demanda de potência e um alto fator de potência. Porém, apesar da tecnologia LED empregada em sistemas de iluminação apresentar-se mais eficiente, algumas dessas lâmpadas, como a tubular LED T8 do fabricante C, podem injetar altos níveis de harmônicos na rede elétrica. Nesse caso, as maiores contribuições para a DHTi das componentes observadas foram aquelas de ordem ímpar, as quais são as principais causadoras de distúrbios sobre equipamentos e instalações.
Fig. 17. Valores médios de DHTv para as medições das amostras.
Fig. 19. Valores médios de Potência Reativa para as medições das amostras.
Fig. 20. Valores médios do Fator de Potência para as medições das amostras.
Fig. 21. Valores médios de DHTi para as medições das amostras.
V.CONCLUSÕES
Este trabalho apresentou algumas características básicas das tecnologias fluorescentes empregadas, em grande parte, em sistemas de iluminação residencial e comercial, bem como da tecnologia LED, que em outros tempos era mais restrita a aplicações de sinalização e aparece atualmente como uma alternativa de aplicação em sistemas de iluminação residencial e comercial. Além disso, devido ao seu exponencial crescimento tecnológico a curto e médio prazo, vem ganhando espaço frente às demais fontes de iluminação artificial existentes.
Foi mostrada a contribuição dos LEDs como fontes de iluminação para eficiência energética e conservação de energia, uma vez que a necessidade de aumento da eficiência energética de dispositivos de iluminação, somada à procura por soluções com alto fator de potência, tem contribuído para a busca por soluções utilizando LEDs.
Durante a análise pôde-se constatar que as lâmpadas tubulares a LED e a luminária a LED mantiveram seus valores de potência demandada bem próximos dos valores nominais declarados pelos seus fabricantes, diferente das outras tecnologias de lâmpadas tubulares, cujas potências sempre mostraram-se acima do valor nominal declarado, confome mostra a Fig 18. Uma dessas amostras chegou a
apresentar praticamente o dobro do valor nominal, devido a potência requerida pelo reator.
Para os testes das lâmpadas tubulares a LED utilizou-se os mesmos conectores das lâmpadas fluorescentes tradicionais, ou seja, além de boa eficiência e longa vida útil, esse tipo de lâmpada (a LED) apresenta-se como uma boa alternativa de retrofit (substituição).
Por último, pode-se realizar um estudo comparativo através de análise gráfica, considerando aspectos de qualidade de energia, entre as lâmpadas fluorescentes tubulares, com ênfase às T5, que são consideradas as mais eficientes dessa tecnologia, e as tubulares a LED, que são vistas como o futuro da iluminação. Para essa análise, serão considerados os seguintes parâmetros: potência ativa, potência reativa, fator de potência e distorção harmônica de corrente. Analisando-se os referidos parâmetros, constata-se que apesar da tecnologia LED mostrar-se mais eficiente, uma das amostras estudadas desse tipo de lâmpada apresentou consideráveis índices de distorção harmônica de corrente. Caso fosse realizada a expansão para uma quantidade instalada elevada desta lâmpada tubular a LED em questão, a DHTi poderia alcançar valores alarmantes.
De acordo com os resultados das medições apresentados, a utilização de lâmpadas fluorescentes tubulares T5 acionadas por reator eletrônico de alto fator de potência ainda encontra-se como uma boa alternativa para projetos de sistemas de iluminação. Porém, o uso de LEDs em sistemas de iluminação contribui para a maior eficiência energética e longa vida útil do sistema, além de não depositar elementos químicos nocivos no meio ambiente.
Embora essa tecnologia ainda necessite de evolução, principalmente no que se refere à padronização de sua fabricação, melhoria de algumas características técnicas e custo inicial, seu futuro mostra-se bastante promissor, pois a popularização desta tecnologia tenderá a reduzir ainda mais seu custo de fabricação, tornando-a mais competitiva. Dessa forma, essa tecnologia pode apresentar-se mais vantajosa como promotora de eficiência energética e qualidade de energia nos sistemas de iluminação.
VI.REFERÊNCIAS
[1] I. A. Pires. “Conceitos Iniciais: Qualidade de Energia e Harmônicos”. Capítulo I. Revista O Setor Elétrico, janeiro de 2010.
[2] Gonçalves, Joana Carla Soares; Vianna, Nelson Solano; Moura, Norberto Corrêa da Silva. PROCEL EDIFICA – Eficiência Energética em Edificações: ILUMINAÇÃO NATURAL E ARTIFICIAL, 2011. [3] Vasconcellos, Luiz Eduardo Menandro; Limberger, Marcos Alexandre
Couto. Iluminação Eficiente: Iniciativas da Eletrobrás PROCEL e Parceiros, 2013.
[4] Castro, Douglas Bezerra de. “Iluminação por LEds”. Revista On-line
IPOG – Instituto de Pós Graduação, ESPECIALIZE, 2013. [5] Da Silva, Mauri Luiz. LED: A Luz dos Novos Projetos, 2011. [7] Gois, Alexandre. LEDs na Iluminação Arquitetural, 2008.
[8] PHILIPS, Guia Prático Para Iluminação. Lâmpadas, Reatores, Luminárias e LEDs, 2009. Disponível em: <http://www.lighting.philips.com.br>. Acessado em: 25/06/2014. [9] Souza, Luiz Felipe Wilcox de & Ross, Ricardo Penido. “Algumas
Experiências Relevantes em Monitoração e Análise de Qualidade de
Energia Elétrica-Harmônicos”. Revista Eletricidade Moderna, v. 365, p.
184-195, 2004.
