FELIPE LORENZO DELLA LUCIA
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE GESTÃO DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA ATRAVÉS DE REDES DE SENSORES E ATUADORES SEM FIO
CAMPINAS 2014
DEVELOPMENT OF A STREET LIGHTING MANAGEMENT SYSTEM BASED ON WIRELESS SENSORS AND ACTUATORS NETWORKS
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA ELÉTRICA E DE COMPUTAÇÃO
CAMPINAS 2014
Tese de Doutorado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Estadual de Campinas para obtenção do título de Doutor em Engenharia Elétrica, na área de Eletrônica, Microeletrônica e Optoeletrônica.
Doctorate thesis presented to the Electrical Engineering Postgraduation Program of the School of Engineering Electrical of the University of Campinas to obtain the Ph.D. grade in Engineering Electrical, in field of Electronics, Microelectronics and
Optoelectronics.
ESTE EXEMPLAR CORRESPONDE À VERSÃO FINAL DA TESE DEFENDIDA PELO ALUNO FELIPE LORENZO DELLA LUCIA E ORIENTADO PELO PROF. DR. LEANDRO TIAGO MANERA
_______________________________________________________________________
FELIPE LORENZO DELLA LUCIA
DESENVOLVIMENTO DE UM SISTEMA DE GESTÃO DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA ATRAVÉS DE REDES DE SENSORES E ATUADORES SEM FIO
DEVELOPMENT OF A STREET LIGHTING MANAGEMENT SYSTEM BASED ON WIRELESS SENSORS AND ACTUATORS NETWORKS
RESUMO
Este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sistema sem fio de gestão de iluminação pública. Através do sistema desenvolvido, é possível controlar a potência de cada lâmpada de vapor de sódio de alta pressão dos postes de iluminação pública de determinada região. Desta maneira, nos horários em que as vias públicas se tornam menos utilizadas, é possível reduzir a potência e o brilho das lâmpadas e economizar energia elétrica. O sistema proposto utiliza o pro-tocolo ZigBee para realizar a comunicação sem fio entre os módulos instalados nos postes. Este protocolo é baseado no protocolo IEEE 802.15.4 desenvolvido especialmente para redes de sen-sores sem fio e foca em baixo consumo de energia e transmissão da informação nó a nó da rede. Também é possível instalar sensores (luminosidade, umidade, etc.) nos módulos projetados e transformar cada unidade de iluminação pública em uma central de monitoramento de determina-da região. Os resultados mostram que o sistema economiza energia, sendo possível reduzir a po-tência das lâmpadas em até 60% sem que o fator de popo-tência do reator saia do valor mínimo esti-pulado na regulamentação (0,92). Os módulos desenvolvidos dão a opção ao operador de esco-lher a potência das lâmpadas em três valores distintos: 100%, 80% e 50% da potência nominal, sendo possível alterar estes valores conforme a necessidade do operador e do local onde o sistema será utilizado (condições de tráfego e segurança). O sistema foi testado em laboratório e em cam-po, em postes da Universidade Estadual de Campinas, onde ficou instalado pelo período entre 05/02/2014 e 01/04/2014. A potência das lâmpadas foi variada e medidas de iluminância e uni-formidade foram realizadas na via. Foi possível concluir que o sistema é robusto, imune a interfe-rências eletromagnéticas da rede de distribuição, e dá flexibilidade aos ajustes de iluminância e uniformidade de iluminação da via. O alcance de nó a nó da rede é, em média, de 260 m, o que torna a utilização do protocolo e do circuito utilizados adequados para esta aplicação, uma vez que a distância típica entre postes é de 30 a 40 metros. Estudos de viabilidade econômica foram realizados e mostram que o sistema é viável e apresenta taxas de retorno atrativas que dependem fortemente da tarifa de energia vigente.
Palavras-chave: Iluminação Pública. Controle de Iluminação. Eficiência Energética. Economia
ABSTRACT
This project presents the development of a wireless system for public street lighting man-agement. Through the developed system, it is possible to control the power of each high pressure sodium lamp of the streetlights in a particular region. Thus, at times when the public streets be-come less utilized, it is possible to reduce the power and brightness of the lamps and save energy. The proposed system uses the ZigBee protocol to perform wireless communication between the modules installed on the lampposts. This protocol is based on IEEE 802.15.4 protocol, developed especially for wireless sensors networks and focus on low power consumption and data transmis-sion node to node. It is also possible to install sensors (luminosity, humidity, etc.) in the designed modules and transform each unit of public lighting in a region into a monitoring station. The re-sults show that the system saves energy and it is possible to reduce the lamp power by 64%, without reducing the ballast´s power factor below the value stipulated in the regulation (0.92). The developed modules give the operator the option to choose the lamp power between three distinct values: 100%, 80% and 50% of rated nominal power, and it is also possible to change these values according to the operator´s needs and the installment place characteristics (traffic usage, security). The system was tested in laboratory and on field, on the lampposts at State Uni-versity of Campinas, where it remained installed in the period between February 5th and April 1st of 2014. The lamp power was varied and measurements of illuminance and uniformity were per-formed on the street. It was possible to conclude that the system is robust and immune to elec-tromagnetic interference from the energy distribution grid, and gives flexibility for adjustments of brightness and uniformity of the street lighting. The reach node to node of the network is, on av-erage 260 m, which makes the protocol and developed circuit adequate for this application, since the distance between lampposts is typically 30 to 40 meters. Economic viability studies have been conducted and show that the system is feasible and present attractive rates of return that depend heavily on the rate of current energy price.
Keywords: Street Lighting. Lighting Control. Energy. Efficiency. Energy Savings. Wireless Sen-sors Networks. Dimming. ZigBee.
SUMÁRIO
RESUMO ... VII
ABSTRACT ...IX
SUMÁRIO ...XI AGRADECIMENTOS ... XV LISTA DE FIGURAS ... XVII LISTA DE TABELAS ... XIX LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS ... XXI
1 INTRODUÇÃO ... 1
1.1 HISTÓRICO DA ILUMINAÇÃO PÚBLICA ... 1
1.2 A ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO BRASIL... 3
1.3 A NORMA ABNT 51:01 – ILUMINAÇÃO PÚBLICA ... 6
1.4 TIPOS DE LÂMPADAS UTILIZADAS EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA ... 9
1.4.1 Lâmpadas Incandescentes ... 10
1.4.2 Lâmpadas de Vapor de Sódio de Baixa Pressão ... 11
1.4.3 Lâmpadas de Descarga de Alta Intensidade (High Intensity Discharge - HID) ... 12
1.4.4 Lâmpadas de Vapor de Mercúrio ... 13
1.4.5 Lâmpadas de Iodetos Metálicos ... 13
1.3.6 Lâmpadas de Vapor de Sódio de Alta Pressão ... 14
1.3.7 Lâmpadas de LED ... 17
1.5 NOVAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA ... 17
1.5 MOTIVAÇÕES E OBJETIVOS ... 19
2 DESENVOLVIMENTO ... 22
2.1 O SISTEMA PROPOSTO ... 22
2.2 LÂMPADA TUBULAR SON-T 150 W ... 24
2.3 REATORES DE LÂMPADAS DE SÓDIO DE ALTA PRESSÃO ... 26
2.3.1 Reatores com Ajuste de Luminosidade (Dimerização) ... 27
2.4 PROTOCOLO ZIGBEE ... 29
2.6 SOFTWARE DE CONTROLE E MONITORAMENTO ... 39
3 RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 42
3.1 MEDIDAS DE POTÊNCIA ... 42
3.2 MEDIDAS DE ILUMINÂNCIA ... 45
3.3 MEDIDAS EM CAMPO ... 50
3.4 MEDIDAS DE ALCANCE DA REDE ... 55
3.5 MÓDULOS COM SENSORES ... 57
4 VIABILIDADE ECONÔMICA ... 60
5 CONCLUSÕES ... 65
5.1. TRABALHOS FUTUROS ... 66
5.2. APRESENTAÇÕES, PUBLICAÇÕES E RESUMOS DOS ARTIGOS ... 67
REFERÊNCIAS ... 69
APÊNDICES ... 72
Dedico este trabalho à minha sobrinha e afilhada, Ana, que, com apenas 3 anos de idade me ensinou grande lição de vida: como ter resiliência e enfrentar os desafios sempre sorrindo.
AGRADECIMENTOS
À minha esposa e companheira, Priscilla, pelo apoio, paciência e compreensão em tantas noi-tes que passei executando este trabalho em detrimento de sua companhia.
Ao meu orientador, professor Dr. Leandro Manera, pelo apoio, confiança, estímulo e amizade durante todas as etapas do curso de doutorado.
Ao meu estagiário e amigo Felipe Frazatto pelo auxílio em diversas etapas do desenvolvimen-to deste projedesenvolvimen-to.
Ao professor Dr. Gilmar Barreto pelo auxílio, estímulo e sugestões durante o desenvolvimen-to do projedesenvolvimen-to.
Ao professor José Antenor Pomilio e Jackson Bonaldo por terem gentilmente cedido seu tem-po e equipamentos para a realização de medidas de tem-potência no laboratório de alta tensão da FEEC.
Aos engenheiros da UNICAMP Vicente Vale e Rafael Carillo por terem me prestado grande auxílio e confiarem em meu trabalho para a realização dos testes em campo dentro do campus da UNICAMP.
Aos meus pais, Ricardo e Terezinha que sempre me ensinaram os verdadeiros valores da vida e aos meus irmãos Ricardo e Suzana, pelo companheirismo e pelo orgulho que sinto por ter crescido ao lado de vocês.
Aos meus amigos do LNNano que me acompanharam durante os anos em que cursei o douto-rado: Paulo Zambrozi Junior, Angelo Gobbi, Maria Helena Piazzetta, Luis Carlos Vieira, Rui Murer, Fernanda Regina e Gabriela Giordano.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Iluminação pública em Campos dos Goytacazes, RJ, 1883 ... 4
Figura 1.2 Malha de medição para medidas de iluminância nas vias ... 8
Figura 1.3 Diferentes espectros de lâmpadas utilizadas na iluminação pública ... 10
Figura 1.4 Lâmpada incandescente e seus principais componentes ... 10
Figura 1.5 Lâmpada de vapor de sódio de baixa pressão ... 12
Figura 1.6 Lâmpada de vapor de mercúrio e seus principais componentes ... 13
Figura 1.7 Lâmpada de iodetos metálicos e seus principais componentes ... 14
Figura 1.8 Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão e seus principais componentes ... 15
Figura 1.9 Comparação entre diferentes tipos de lâmpadas HID em termos de luminosidade e vida útil ... 16
Figura 2.1 Representação da operação do sistema proposto ... 22
Figura 2.2 Diagrama de blocos de um nó da rede do sistema ... 23
Figura 2.3 Módulo desenvolvido. Dimensões: 19 cm de comprimento, 11 cm de largura e 9 cm de profundidade Peso: 900 gramas.Patente sendo requerida ... 24
Figura 2.4 Diagrama de blocos de um reator eletrônico genérico ... 27
Figura 2.5 Comparação entre diferentes protocolos em termos de distância ponto a ponto e taxa de transmissão de dados ... 30
Figura 2.6 Tipos de topologias de rede suportadas pelo protocolo ZigBee. Par, estrela, mesh e árvore ... 31
Figura 2.7 Diagrama de conexão do regulador de tensão ajustável LM317 ... 34
Figura 2.8 Representação do circuito de controle projetado. ... 35
Figura 2.9 Simulações com três resistores diferentes selecionados através das portas dos transistores. (a) Saída de 3 V, (b) Saída de 6 V e (c) Saída de 9 V aproximadamente ... 36
Figura 2.10 Resultado da simulação na condição de nenhum transistor conduzindo ... 37
Figura 2.11 Layout do circuito para a fabricação e montagem ... 38
Figura 2.12 Circuito de controle fabricado e montado ... 38
Figura 2.13 Tela do Software (GUI) de interface do sistema com o operador ... 39
Figura 3.1 Wattímetro Yokogawa WT3000 do laboratório de alta tensão da UNICAMP ... 43
Figura 3.2 (a) Esquema do sistema de medição da potência e fator de potência dos
módulos desenvolvidos e (b) bancada de medidas ... 43
Figura 3.3 Potência Ativa (% da Potência Nominal) e Fator de Potência em
função de diferentes níveis de controle ... 44
Figura 3.4 (a) Demonstração de redução da potência nominal da lâmpada de
vapor de sódio pelo sistema e (b) Histograma das imagens. ... 46
Figura 3.5 Luxímetro Minipa MLM-1011 utilizado nas medidas de iluminância ... 47
Figura 3.6 Esquemático de medida de iluminância vs distância para diferentes
níveis de dimerização ... 47
Figura 3.7 Iluminância em função da distância da lâmpada para diferentes níveis
de controle de dimerização ... 48
Figura 3.8 Iluminância em função do nível de controle. Medida realizada a 8 m de
distância da lâmpada ... 48
Figura 3.9 (a) Rua escolhida para a instalação dos módulos e (b) local de
instalação dos módulos com os postes de instalação em destaque ... 49
Figura 3.10 Instalação de um módulo em um poste da UNICAMP ... 52
Figura 3.11 Módulo instalado em um poste da UNICAMP pronto para testes ... 52
Figura 3.12 Fotografias da lâmpada de um dos postes com os módulos instalados
em diferentes condições de potência ... 53
Figura 3.13 Transição entre diferentes níveis de dimerização da lâmpada do poste ... 53
Figura 3.14 (a) Alcance máximo entre o rádio coordenador e o rádio roteador 1, (b) alcance máximo entre o rádio coordenador e o rádio roteador 2, (c)
alcance máximo entre o rádio coordenador e o rádio roteador 3 ... 56
Figura 3.15 Estimativa do número de saltos necessários para a informação
abranger o centro da UNICAMP ... 57
Figura 3.16 Sensor de iluminância do tipo LDR (Light Depent Resistor) conectado
ao módulo ... 58
Figura 3.17 Leitura da porta analógica do conversor A/D em função da iluminância ... 58
Figura 4.1 Taxa Interna de Retorno em função do número de horas por noite em
que a potência da lâmpada é reduzida ... 62
Figura 4.2 Taxa Interna de Retorno em função da porcentagem de redução da
potência de uma lâmpada ... 62
Figura 4.3 Taxa Interna de Retorno em função do custo do circuito dos nós do
sistema ... 63
Figura 4.4 Taxa interna de retorno para diferentes classes de consumo. A tarifa da
energia elétrica utilizada foi a média das tarifas no ano de 2013 ... 64
Figura 5.1 Registros de temperatura no ano corrente de testes em campo e nos
LISTA DE TABELAS
Tabela 1.1 Tipos e Quantidades de Lâmpadas de Iluminação Pública no Brasil.
Dados de 2008...5
Tabela 1.2 Classificação das vias públicas segundo o volume de tráfgo...6
Tabela 1.3 Classificação das vias públicas conforme a classe de iluminação...7
Tabela 1.4 Iluminância Média Mínima e Fator de Uniformidade para cada classe de iluminação...9
Tabela 2.1 Características da Lâmpada Phillips SON-T 150...25
Tabela 2.2 Parâmetros dos rádios utilizados no projeto...33
Tabela 3.1 Relação entre os níveis de controle e os níveis de dimerização...45
Tabela 3.2 Medidas de Iluminância nos pontos de medição da via...54
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas
A/D Analógico/Digital
AES128 Advanced Encryption Standard – 128 bits ANEEL Agência Nacional de Energia Elétrica API Application Programming Interface
AT Attention Mode
DALI Digital Addressable Lighting Interface
GUI Graphic User Interface
HID High Intensity Discharge
HPS High Pressure Sodium
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IEA International Energy Agency
IRC Índice de Reprodução de Cores LDR Light Dependent Resistor LED Light Emitting Diode
MC Módulo de Comunicação
NBR Norma Brasileira
PLC Power Line Communications
PROCEL Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica ReLuz Programa Nacional de Iluminação Pública Eficiente
TIR Taxa Interna de Retorno
UC Unidade de Controle
1 INTRODUÇÃO
1.1 HISTÓRICO DA ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Desde o início da civilização, o homem busca uma forma de iluminar adequadamente suas aldeias, vilas e cidades. A iluminação pública dos centros urbanos passou por grandes mudanças ao longo da história, sendo algumas mudanças ocorridas de formas graduais e outras de formas mais abruptas.
O início das cidades foi marcado pela utilização de lâmpadas e velas alimentadas por combustíveis provindos de óleos animais e vegetais. Gorduras animais (óleo de baleia, cera de abelhas, sebos) e vegetais (óleos de oliva e sésamo, resinas), eram largamente utilizadas princi-palmente devido à característica de suas chamas, que apresentavam brilho adequado e o consumo do combustível era um processo lento, perdurando todo o período noturno [1].
Durante o império romano e idade média, existiam pessoas (normalmente escravos) res-ponsáveis por acender as lamparinas e velas distribuídas pelas ruas das cidades ao escurecer. Al-gumas cidades, como Paris do século XVII, exigiam ainda que os moradores que possuíam jane-las voltadas para as ruas deveriam acender ao anoitecer, lamparinas penduradas em suas janejane-las de modo a iluminar as ruas [2].
Com a revolução industrial, a iluminação das cidades passou por um processo de moder-nização, principalmente devido à explosão populacional dos grandes centros urbanos, que aumen-tava a necessidade de melhorias na iluminação das ruas. No final do século XVIII e início do século XIX, William Murdoch foi o responsável por desenvolver e popularizar o uso de ilumina-ção pública baseada na queima de gases (hidrocarbonetos) [3]. Este tipo de iluminailumina-ção se tornou bastante comum tanto nas cidades quanto nos subúrbios. Inicialmente as chamas das luminárias deveriam ser acesas manualmente, sendo posteriormente substituídas por sistemas automáticos de acendimento. Com o desenvolvimento comercial da eletricidade, a utilização de sistemas basea-dos em queima de gases perdeu gradativamente espaço para a eletricidade e a lâmpada elétrica, e em algumas décadas, foi completamente substituído.
Paralelamente ao desenvolvimento e início da exploração comercial da eletricidade, mui-tos inventores desenvolveram diferentes tipos de lâmpadas elétricas. A primeira delas pode ser atribuída ao inventor russo Pavel Yablochkov e utilizava arcos de descarga elétrica em corrente alternada para iluminar o ambiente [4]. As principais desvantagens deste tipo de lâmpadas eram a constante manutenção necessária, uma vez que os eletrodos de carvão se gastavam rapidamente, e o tipo de luz que estas lâmpadas emitiam: um brilho muito intenso que causava desconforto visu-al quando utilizadas nas ruas das cidades [5].
Outras iniciativas que utilizavam lâmpadas com filamentos incandescentes foram realiza-das e, no ano de 1879, o inventor americano Thomas Alva Edison criou a primeira lâmpada com filamento incandescente com viabilidade comercial [6]. Esta lâmpada possuía um filamento de carbono (fibras de bambu carbonizadas) e eletrodos de platina que, com a passagem de corrente elétrica através de seus terminais, aquecia o filamento até o ponto em que este emitia luz por in-candescência.
O primeiro exemplo de utilização de suas lâmpadas foi na cidade de Menlo Park, com o propósito principal de arrecadar fundos para financiar sua empresa, a Edison Electric Light Com-pany, que viria a se tornar a empresa General Electric [6]. A empresa de Edison fabricava lâmpa-das para a iluminação de ruas, avenilâmpa-das, estralâmpa-das, residências, prédios e fábricas, impactando de forma significativa a rotina e a organização da sociedade na época.
O século XX trouxe avanços tecnológicos em todos os ramos da ciência e também na ilu-minação pública. Foram criados novos tipos de lâmpadas e melhorias na forma de utilização dos componentes. As lâmpadas incandescentes foram utilizadas na iluminação pública até o advento das lâmpadas de descarga de alta intensidade (High Intensity Discharge - HID).
As lâmpadas HID produzem luz a partir de uma descarga elétrica entre dois eletrodos de tungstênio situados dentro de um bulbo de vidro contendo um gás inerte (Argônio, Xenônio, etc.) e sais metálicos (Mercúrio, Sódio, etc.), cujos tipos definem o tipo de lâmpada HID em questão. O gás é utilizado com o propósito de facilitar a faísca de ignição inicial e, uma vez que o arco está formado, ele evapora e ioniza os sais metálicos, produzindo um plasma que brilha com ca-racterísticas que dependem do gás, sua pressão e dos metais utilizados [7].
A grande vantagem das lâmpadas HID reside no fato de possuírem maior eficiência lumi-nosa do que as lâmpadas incandescentes, ou seja, para a mesmo consumo de energia elétrica,
produzem maiores quantidades de luz visível (lúmens). Enquanto uma lâmpada incandescente possui eficiência de 6 a 18 lm/W, as lâmpadas HID possuem eficiência entre 20-140 lm/W [7].
Atualmente, a tecnologia predominante na iluminação pública é a de lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão (High Pressure Sodium - HPS), uma variante das lâmpadas HID. Estas lâmpadas substituíram gradativamente as lâmpadas de vapor de mercúrio na iluminação pública também devido a sua maior eficiência luminosa (70-140 lm/W) [7].
As lâmpadas de LED (diodo emissor de luz) atualmente já começam a ganhar importância na iluminação pública principalmente devido a estimativas de maior tempo de vida e baixo con-sumo de energia. Espera-se que, com a redução do custo de lâmpadas e luminárias LED, este tipo de tecnologia predomine na iluminação pública mundial.
1.2 A ILUMINAÇÃO PÚBLICA NO BRASIL
No Brasil, o primeiro registro de que se tem notícia sobre a iluminação pública data de 1794, quando foram instaladas 100 luminárias a óleo de azeite em postes da cidade do Rio de Janeiro [8]. Em 1874 foram instaladas luminárias a gás em torno do chafariz central da cidade de Porto Alegre. Em Campos dos Goytacazes (Figura 1.1), no estado do Rio de Janeiro, em 1883, pela primeira vez a energia elétrica foi utilizada em iluminação pública. O sistema foi inaugurado pelo imperador Dom Pedro II e era alimentado por uma termoelétrica a vapor de 52 kW destinada exclusivamente a alimentação de 39 lâmpadas [8].
Figura 1.1 – Iluminação pública em Campos dos Goytacazes, RJ, 1883 [9].
Rapidamente o conceito foi difundido para outras cidades do país, sendo implantado em 1904 no Rio de Janeiro e 1905 em São Paulo. Na primeira metade do século XX, a cidade do Rio de Janeiro já possuía cerca de 10000 pontos de iluminação pública e o país utilizou lâmpadas incandescentes até os anos 1960 [8]. Estas foram então substituídas pelas lâmpadas de vapor de mercúrio e, a partir da década de 1990 as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão têm substi-tuído as lâmpadas de vapor de mercúrio. No ano 2000, foi criado o programa ReLuz dentro do âmbito do programa PROCEL (Programa Nacional de Conservação de Energia Elétrica) [8]. O programa PROCEL ReLuz atua como uma forma de financiamento de melhorias no setor da ilu-minação pública. Tendo sido prorrogado diversas vezes, o programa estimulou a modernização da iluminação pública pela troca de lâmpadas de vapor de mercúrio por lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão. A Tabela 1.1 mostra os tipos de lâmpadas utilizadas na iluminação pública no Brasil e a quantidade de pontos que utiliza determinado tipo de lâmpada.
Tabela 1.1. Tipos e Quantidades de Lâmpadas de Iluminação Pública no Brasil. Dados de 2008 [10]. Tipo de Lâmpada Quantidade Porcentagem do Total
Vapor de Sódio 9.294.611 62,93% Vapor de Mercúrio 4.703.012 31,84% Mista 328.427 2,22% Incandescente 210.417 1,42% Fluorescente 119.535 0,81% Multivapores Metálicos 108.173 0,73% Outras 5.134 0,03% Total 14.763.309 100%
De acordo com os dados mais recentes da Eletrobrás (2008), a demanda de iluminação pública no Brasil era estimada em 2,2 GW no ano de 2008, o que representa 4,5% da demanda nacional de energia elétrica e o consumo de energia na iluminação pública é estimado em 9,7 bilhões de kWh por ano, representando cerca de 3% do consumo de energia elétrica do país em 2008 [10]. A título de comparação, isto representa 15,7% da capacidade de geração da usina hi-drelétrica de Itaipu, ou ainda 3 unidades geradoras das 20 existentes na usina. De acordo com dados da Eletrobrás, são 14.769.309 pontos de iluminação pública no país [10].
Atualmente no Brasil, a iluminação pública possui equipamentos obsoletos, problemas no monitoramento de ativos, falhas e elevado consumo de energia, ausência de monitoramento e baixos níveis de iluminância. A responsabilidade de operação e manutenção da rede de ilumina-ção pública até então era cabida às distribuidoras de energia elétrica. No ano de 2010, foi definida a resolução normativa da ANEEL no 414/2010 que determina a transferência do sistema de ilu-minação pública, registrado como Ativo Imobilizado em Serviço, para a pessoa jurídica de direito público competente (municípios). O prazo para a transferência de ativos é 31 de dezembro de 2014. É esperada a modernização dos parques de iluminação pública brasileira e que sejam toma-das meditoma-das para melhoria da eficiência energética e luminosa. É exatamente dentro deste con-texto que se encontra inserido este trabalho, com o objetivo de inserir avanços tecnológicos e contribuir para o sistema de iluminação pública do país.
1.3 A NORMA ABNT 51:01 – ILUMINAÇÃO PÚBLICA
A norma que regulamenta a iluminação pública no Brasil é elaborada pela ABNT (Asso-ciação Brasileira de Normas Técnicas). A norma ABNT NBR 51:01 de 04/04/2012 estabelece referências normativas, termos e definições, classificações de vias e procedimentos em geral para a normatização da iluminação pública no Brasil. A norma exige que os projetos de iluminação pública devem atender aos requisitos específicos do usuário, provendo benefícios econômicos e sociais para os cidadãos, incluindo [11]:
a) Redução de acidentes noturnos;
b) Melhoria das condições de vida, principalmente de comunidades carentes; c) Auxílio à proteção policial;
d) Facilidade do fluxo do tráfego;
e) Destaque a edifícios e obras públicas durante a noite; f) Eficiência energética.
A tabela 1.2 mostra a classificação das vias públicas de acordo com o tráfego noturno de veículos entre as 18 e 21 horas em ambos os sentidos, em pista única.
Tabela 1.2 – Classificação das vias públicas segundo o volume de tráfego [11]. Classificação Volume de tráfego
Leve 150 a 500
Médio 501 a 1200 Intenso Acima de 1200
Além da classificação conforme o volume de tráfego, a norma classifica também as vias conforme a classe de iluminação (tabela 1.3).
Para a medição da iluminância nas vias públicas, a norma define a metodologia de medi-das utilizando uma malha (grade) de medição. Os pontos dessa grade devem ser definidos pelas
interseções das linhas transversais e longitudinais à pista de rolamento e às calçadas, consideran-do a existência de:
a) Uma linha transversal alinhada com cada luminária;
b) Uma linha transversal no ponto médio entre as duas luminárias; c) Uma linha longitudinal no eixo de cada faixa;
d) Uma linha longitudinal no eixo de cada calçada.
A Figura 1.2 ilustra a construção desta malha de medição com os pontos de medição des-tacados e nomeados na sequência do alfabeto.
Tabela 1.3 – Classificação das vias públicas conforme a classe de iluminação [11].
Descrição da Via Classe da
Ilu-minação Vias de trânsito rápido em geral com
separação de pistas; Auto-Estradas.
Volume de Tráfego Intenso V1 Volume de Tráfego Médio V2 Vias arteriais, alta velocidade de tráfego
com separação de pistas; vias de mão dupla.
Volume de Tráfego Intenso V1
Volume de Tráfego Médio V2
Vias coletoras; vias de tráfego importan-te; vias radiais urbanas e de interligação
de bairros.
Volume de Tráfego Intenso V2 Volume de Tráfego Médio V3
Volume de Tráfego Leve V4
Vias Locais; vias de Conexão Menos importante; vias de acesso residencial.
Volume de Tráfego Médio V4
Figura 1.2 – Malha de medição para medidas de iluminância nas vias [11].
Uma vez definida a grade de medição no local de interesse, devem ser realizadas as medi-das de iluminância nos pontos de medição. De posse destes valores, é necessário calcular a Ilu-minância Média Mínima (Emed,min) e a Iluminância Média (Emed) da via. O valor de Emin é obtido diretamente das medidas e consiste no menor valor de iluminância de todos os pontos de medi-ção. Emed é obtido através da equação 1.1 [11].
𝐸
𝑚𝑒𝑑=
∑ 𝑖𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛â𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑙ℎ𝑎𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑜𝑛𝑡𝑜𝑠 𝑑𝑎 𝑚𝑎𝑙ℎ𝑎 (1.1)O parâmetro denominado fator de uniformidade mínimo (U) é obtido pela divisão da Emin por Emed, conforme a equação 1.1 [11]. O fator de uniformidade caracteriza o quão uniforme é a iluminação em determinada via, não sendo recomendado ter altos índices de iluminância em de-terminado ponto da via e baixos níveis em outros pontos. Os valores de Emin e U para cada classe de via estão apresentados na tabela 1.4 [11].
𝑈 =
𝐸𝑚𝑖𝑛Tabela 1.4 – Iluminância Média Mínima e Fator de Uniformidade para cada classe de iluminação [11]. Classe de Iluminação Iluminância Média Mínima
(Emed,min) (lux)
Fator de Uniformidade Mínimo (U) V1 30 0,4 V2 20 0,3 V3 15 0,2 V4 10 0,2 V5 5 0,2
1.4 TIPOS DE LÂMPADAS UTILIZADAS EM ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Existem diversos tipos de lâmpadas que podem ser utilizadas na iluminação pública. A Figura 1.3 mostra a diferença no espectro de emissão das lâmpadas na região da luz visível [12]. Quanto mais próximo do espectro da luz do dia, mais fielmente as cores dos objetos são reprodu-zidas (maior IRC) sendo que as lâmpadas incandescentes apresentam os melhores IRCs. O Índice de Reprodução de Cores (IRC) é uma grandeza que mede o quão fiel é a reprodução das cores vistas sob a iluminação de determinada fonte quando comparada à iluminação pela luz solar. Quanto mais próximo de 100 (ou 100%) melhor é o índice daquela fonte.
Figura 1.3 – Diferentes espectros de lâmpadas utilizadas na iluminação pública [12].
1.4.1 Lâmpadas Incandescentes
Lâmpadas incandescentes consistem basicamente em um bulbo de vidro contendo um fi-lamento metálico que incandesce e emite luz quando uma corrente elétrica flui através de seus terminais (vide Figura 1.4).
Cerca de 95% da energia emitida por este tipo de lâmpada é situada na faixa infraverme-lha do espectro (calor), fazendo com que sua eficiência luminosa seja baixa (6 a 18 lm/W) [7]. As atuais lâmpadas incandescentes possuem um filamento de tungstênio imerso em gás argônio. O tungstênio é normalmente escolhido devido ao seu alto ponto de fusão e baixa taxa de sublimação em altas temperaturas. O argônio tem a finalidade de reduzir ainda mais a taxa de sublimação do tungstênio e aumentar a temperatura de operação da lâmpada, aumentando também sua eficiência luminosa [7].
O tempo de vida das lâmpadas incandescentes não é afetado pelo número de vezes em que estas são acionadas (depende da qualidade de seu filamento), mas é estimado em torno de 1000 horas sendo significativamente menor do que o de outros tipos de lâmpadas [7].
Em lâmpadas incandescentes, o IRC é muito alto (próximo de 100), com temperatura da cor entre 2400 a 3100 K, o que representa a luz do dia na primeira hora após o amanhecer. Entre-tanto a eficiência luminosa das lâmpadas incandescentes é a mais baixa dentre todas as lâmpadas elétricas modernas (6 a 18 lm/W). O baixo preço e alto índice de reprodução de cores ainda fa-zem com que as lâmpadas incandescentes sejam utilizadas na iluminação pública e estimativas apontam que 2% da iluminação pública no mundo ainda seja feita com este tipo de lâmpada e 1,42% no Brasil [7], [10].
1.4.2 Lâmpadas de Vapor de Sódio de Baixa Pressão
As lâmpadas de vapor de sódio de baixa pressão são utilizadas desde 1930 e possuem a maior eficiência luminosa (200 lm/W) dentre as lâmpadas convencionais utilizadas atualmente na iluminação pública (com exceção dos LEDs) [7]. Elas são do tipo de descarga de baixa intensida-de e necessitam intensida-de um reator para realizar a ignição e manter a corrente na lâmpada, e assim co-mo as lâmpadas fluorescentes e de alta intensidade de descarga, requerem um período de aqueci-mento antes que o brilho nominal seja atingido. A alta eficiência luminosa se deve principalmente ao fato de o espectro de emissão deste tipo de lâmpada ser extremamente estreito e concentrado na região mais sensível do olho humano. No entanto, este espectro estreito provoca uma piora no índice de reprodução de cores (ficando próximo de zero), fazendo com que este tipo de lâmpada não seja largamente utilizado na iluminação pública. O tempo de vida deste tipo de lâmpada varia
de 10000 a 16000 horas, sendo que as potências típicas variem entre 26 e 180 W. A Figura 1.5 ilustra as diferenças nos espectros entre diferentes lâmpadas [13].
Figura 1.5 - Lâmpada de vapor de sódio de baixa pressão. [14]
1.4.3 Lâmpadas de Descarga de Alta Intensidade (High Intensity Discharge - HID)
Lâmpadas de descarga de alta intensidade geram luz a partir da criação de um arco elétri-co através de eletrodos de tungstênio. As lâmpadas são montadas em um tubo de quartzo ou alu-mina fundida e preenchidas com gases contendo vapores metálicos, que definem o tipo de lâmpa-da HID. O gás auxilia na geração lâmpa-da descarga elétrica e o vapor metálico emite luz ao ser aqueci-do e levar o metal ao ponto de vaporização. Existem três tipos de lâmpadas HID: Vapor de Mer-cúrio, Iodetos Metálicos e Vapor de Sódio. Assim como outros tipos de lâmpadas, as lâmpadas HID necessitam de um reator que promove a ignição e mantém estável a corrente através dos eletrodos.
As Lâmpadas HID possuem diversas vantagens que fizeram com que sua utilização se po-pularizasse na iluminação pública: eficiência luminosa, longo tempo de vida, relativamente in-sensível à temperatura, pequenas dimensões (os valores serão discutidos em itens seguintes). Também são utilizadas em aplicações onde é necessário iluminar grandes áreas sendo necessária economia tanto na manutenção quanto no consumo de energia elétrica. Dentre as desvantagens, é possível citar o baixo IRC e relativo alto tempo de ignição e aquecimento [7].
1.4.4 Lâmpadas de Vapor de Mercúrio
As lâmpadas de vapor de mercúrio são as mais antigas lâmpadas HID e foram extensiva-mente utilizadas ao redor do mundo. A modalidade de vapor de alta pressão possui eficiência luminosa entre 23 e 60 lm/W, tempo de vida entre 6000 e 28000 horas e IRC entre 15 e 62. Este tipo de lâmpada possui baixo custo e, devido a esta razão, ainda são bastante utilizadas na ilumi-nação pública, apesar da baixa eficiência quando comparadas às lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão [7]. O tempo de vida destas lâmpadas é determinado principalmente pela degradação dos eletrodos. A Figura 1.6 mostra os componentes das lâmpadas de vapor de mercúrio.
Figura 1.6 – Lâmpada de vapor de mercúrio e seus principais componentes [15], [16].
1.4.5 Lâmpadas de Iodetos Metálicos
As lâmpadas de iodetos metálicos possuem eficiências luminosas inferiores às das lâmpa-das de vapor de sódio de alta pressão, no entanto possuem melhor IRC por produzir luz mais branca. Estas lâmpadas são bastante similares às lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, mas também possuem iodetos metálicos, tais como iodeto de sódio e iodeto de escândio, em
combina-ção com o gás do interior do bulbo. A eficiência deste tipo de lâmpada está situada entre 47 e 105 lm/W e o IRC entre 65 e 92. Estas lâmpadas estão tipicamente disponíveis em potências entre 35 e 1500 W e o tempo de vida destas lâmpadas está situado entre 6000 e 20000 horas, determinado pela degradação dos eletrodos [7]. A Figura 1.7 mostra uma lâmpada de iodetos metálicos e seus principais componentes.
Figura 1.7 – Lâmpada de iodetos metálicos e seus principais componentes [17], [18].
1.3.6 Lâmpadas de Vapor de Sódio de Alta Pressão
Nas lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, a luz é produzida pela passagem de cor-rente elétrica (descarga) através do vapor de sódio contido na atmosfera da lâmpada. Os elétrons do sódio são excitados pela corrente elétrica, emitindo luz quando deixam o estado excitado e voltam para o estado fundamental [7]. Como nas lâmpadas descritas anteriormente, são utilizados dois bulbos na lâmpada (vide Figura 1.8). O bulbo interior é fabricado em alumina sinterizada, sendo resistente à corrosão causada pelo sódio e altas temperaturas [19]. O bulbo externo é tipi-camente fabricado em vidro borosilicato ou quartzo fundido com vácuo e tem por finalidade a proteção do bulbo interno e sua isolação da temperatura ambiente [7].
Figura 1.8 – Lâmpada de vapor de sódio de alta pressão e seus principais componentes [19] [20].
No bulbo interno, além do vapor de sódio, existe gás xenônio e amálgama de sódio e mer-cúrio que é parcialmente vaporizada quando a lâmpada atinge a temperatura de operação [19]. A principal função deste composto é o aumento da vida útil da lâmpada pela redução da condutivi-dade térmica no interior da lâmpada, uma vez que o mercúrio tem baixa condutivicondutivi-dade térmica. A tensão da lâmpada é fortemente dependente das condições térmicas de operação, sendo sua esta-bilização complexa, visto que o vapor saturado de sódio tem sua pressão alterada por pontos mais frios no tubo de descarga [20].
Para a ignição das lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, é utilizado um pulso de al-ta tensão (maior que 2 kV) e alal-ta frequência (dezenas de kHz) para ionizar o gás no interior do bulbo interno. Após a ignição, é necessário um período de tempo, normalmente dez a quinze mi-nutos, para atingir o brilho máximo [7]. Durante este período, o brilho e a cor da lâmpada variam até atingir a estabilidade. Uma vez atingida a estabilidade, a tensão das lâmpadas varia com a potência e, devido a esta característica, a lâmpada de vapor de sódio de alta pressão mantém sua resistência equivalente constante, mesmo quando ocorre variação na potência entregue à lâmpada [19].
O parâmetro que determina a vida útil destas lâmpadas é o lento e gradual aumento da tensão de operação causado principalmente pelo escurecimento das extremidades do tubo de
des-carga. A causa desse escurecimento é devida a mudança na pressão do gás e pelo material arran-cado dos eletrodos durante a operação normal da lâmpada [19]. O aumento da tensão da lâmpada causa um aumento de potência entregue, acelerando ainda mais o processo de aumento da tensão do arco elétrico, causando a falha da lâmpada.
As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão são as que possuem maior eficiência lumi-nosa dentre as lâmpadas HID (70-140 lm/W) [7]. Estas lâmpadas, entretanto, possuem coloração amarelada (IRC entre 21-83), sendo utilizada especialmente em aplicações em que a economia é mais importante do que a definição de cores [7]. O tempo de vida das lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão está situado entre 5000 e 28000 horas de uso e a potência nominal das lâmpadas está situada entre 40 e 400 W [7]. A Figura 1.9 ilustra a comparação entre diferentes tipos de lâmpadas HID em termos de luminosidade e tempo de vida para a potência de 400 W. É eviden-ciada a vantagem das lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão sobre as demais. As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão são as mais utilizadas na iluminação pública no Brasil e no mundo e, por este motivo são o objeto de estudo deste trabalho [7], [8].
1.3.7 Lâmpadas de LED
As lâmpadas de LED (Light Emitting Diodes) são compostas de diodos emissores de luz de alto brilho. As lâmpadas de LED tendem a ser o futuro da iluminação pública no mundo prin-cipalmente devido ao baixo consumo de energia, alta eficiência luminosa (em torno de 120 lm/W), alto IRC (entre 75 e 95) e longos tempos de vida (50000 a 100000 horas) [7]. Vantagens como longo tempo de vida, possibilidade de dimerização total e acionamento/desligamento ins-tantâneo, prometem fazer com que as lâmpadas de LED ganhem muito espaço na iluminação pública. O custo das lâmpadas e luminárias de LED ainda é um obstáculo a ser superado, no en-tanto, nos próximos anos a tecnologia de iluminação com luminárias LED tende a ter seu custo reduzido, viabilizando sua utilização em projetos de iluminação.
1.5 NOVAS TECNOLOGIAS DE ILUMINAÇÃO PÚBLICA
Novas tecnologias, como as lâmpadas de LEDs (Light Emitting Diodes), prometem au-mentar ainda mais a eficiência luminosa na iluminação pública e melhorar as características da iluminação: uniformidade, iluminância, conforto visual e confiabilidade. Além disso, novas tec-nologias de telecomunicações e a tecnologia da informação também já começaram a ser utiliza-das na iluminação pública. Dentro deste tema, está inserido o presente trabalho.
Algumas iniciativas para controlar e monitorar a iluminação pública foram previamente reportados utilizando uma tecnologia denominada Power Line Communications (PLC) [22], [23]. Esta tecnologia se aproveita da rede de alimentação das lâmpadas para enviar os sinais de co-mando pela mesma fiação. Apesar de interessante por utilizar a infraestrutura já existente, esta tecnologia possui alguns inconvenientes que podem comprometer a confiabilidade do sistema: O preço dos controladores remotos PLC é alto e a PLC geralmente sofre de problemas de variações de impedância e ruído elevado [22], [23]. Quando há um curto-circuito, ocorrem falhas de comu-nicação, uma vez que a rede não se recupera automaticamente. Além disso, esta tecnologia não tem foco em eficiência energética [22], [23].
Outras abordagens utilizam protocolo DALI (Digital Addressable Lighting Interface) para operar. Esta é uma abordagem melhor do que a PLC em diversos aspectos.
Este protocolo foi criado por um conjunto de pessoas que trabalhavam em empresas como Osram, Phillips, Helvar e Tridonic e foi lançado no ano de 2001 [24]. O protocolo DALI foi cria-do para realizar o controle, através de um controlacria-dor central, sobre os reatores de lâmpadas fluo-rescentes instaladas em prédios e residências. Com o protocolo é possível ajustar a potência das lâmpadas, assim como ler dados de sensores. O sistema todo é cabeado e são necessários cinco fios, sendo dois reservados para a comunicação com os reatores [24].
As limitações deste protocolo são a necessidade de utilização destes cabos para conectar os reatores das lâmpadas às centrais de controle e o limite de cerca de 300 m de comprimento dos cabos, de forma que o sinal ainda seja interpretado pelos reatores. Além disso, os níveis lógicos do protocolo DALI são 9,5 V a 22,5 V para o nível lógico alto e -6,5 V a 6,5 V para o nível lógi-co baixo. Isso lógi-coloca o protológi-colo em um padrão inlógi-comum de níveis lógilógi-cos quando lógi-comparado com outras tecnologias [24].
Uma abordagem apresentada por Perez et al. tentou unir redes de sensores sem fio e o pro-tocolo DALI para controlar a iluminação pública, no entanto, o sistema exigiu um microcontrola-dor para decodificar as instruções do protocolo DALI e do protocolo sem fio [22]. Também foi necessário utilizar um circuito para ajustar os níveis de tensão de interface DALI e a utilização de cabeamento ainda era necessária para a conexão dos módulos à central de controle DALI, sendo apenas o sinal da central ao controlador sendo enviado sem fio [22].
Usar sistemas e redes GPRS (General Packet Radio Service) para transmitir informações também é possível, no entanto, além de aumentar a complexidade do sistema eletrônico, é neces-sário pagar tarifas para as operadoras para utilização do sistema (às vezes por a mensagem envia-da), tornando o custo proibitivo [25].
O controle sem fio de potência, brilho e intensidade luminosa das lâmpadas de iluminação pública é um tema extremamente recente na literatura. É mais comum encontrar sistemas comer-ciais que não revelam seus princípios de funcionamento do que artigos em periódicos e congres-sos.
Existem empresas, como Digi e Libellium, especializadas em redes distribuídas de senso-res, no entanto, atuam somente no monitoramento de iluminação pública e privada, mas não na redução de potências de lâmpadas.
Outras empresas, como Schréder (através de sua subsidiária Owlet) e Phillips, utilizam o protocolo Zigbee para gerenciar redes de iluminação pública, no entanto, são mais voltadas para a utilização da tecnologia em lâmpadas LED.
Alguns estudos de caso são reportados em países da Europa como um sistema que reduz em até 50% a potência das lâmpadas, implantado pela Phillips em uma rodovia na Holanda (entre Purmerend e Wognum) e também na cidade de Roterdam. No entanto, ambos são casos em que lâmpadas de LED foram utilizadas [26].
1.5 MOTIVAÇÕES E OBJETIVOS
O termo smart grid vem sendo cada vez mais utilizado para se referir a redes de potência que incorporam avanços recentes em telecomunicações e controle para melhorar seu desempenho [21]. As redes elétricas historicamente vêm aumentando sua complexidade e, por consequência, necessitam de soluções que envolvam técnicas mais avançadas de tomadas de decisão e componentes que auxiliem em seu monitoramento. A iluminação pública é um setor que oferece grande espaço para incorporar os avanços de telecomunicações e controle, visto que ainda utiliza tecnologias antigas e ineficientes.
Segundo dados da IEA (International Energy Agency), estima-se que entre 114 TWh por ano são consumidos apenas em iluminação pública e, pelo menos 57 TWh (50%) por ano poderiam ser economizados se novas tecnologias fossem implementadas em iluminação pública [7]. Em termos econômicos, isso representa cerca de 9,4 bilhões de dólares. Em vista disso, a eficiência energética é um tópico extremamente importante quando se estuda a iluminação pública.
O objetivo deste projeto de pesquisa é desenvolver um sistema para o controle, ajuste e monitoramento sem fio dos pontos de iluminação pública em uma cidade ou região. A finalidade principal é ajustar a potência das lâmpadas de iluminação pública de forma a economizar energia
elétrica nos momentos em que a redução do brilho das lâmpadas possa ser realizada. Durante as madrugadas, períodos nos quais o fluxo de pessoas e veículos se torna extremamente reduzido, é possível reduzir a potência das lâmpadas para reduzir o consumo de energia, sem que a segurança do local seja comprometida, sempre respeitando as normas de iluminação pública da ABNT (As-sociação Brasileira de Normas Técnicas) [11].
O sistema proposto utiliza apenas módulos de comunicação por Rádio Frequência e um circuito de controle, eliminando a necessidade de utilizar microcontroladores ou circuitos de adaptação de níveis lógicos. Foi decidido focar a aplicação do sistema em lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, pois estas ainda são as lâmpadas mais utilizadas em iluminação pública no Brasil e no mundo. O sistema prevê ainda a possibilidade de ser utilizado em lâmpadas de LED, de forma a não se tornar obsoleto quando esta tecnologia se tornar economicamente viável e di-fundida na iluminação pública. A instalação deve ser realizada de forma fácil e rápida, sem que o sistema entre em conflito com a rede de iluminação já existente, e sem que seja necessário trei-namento para instalação dos módulos.
Além disso, é possível transformar cada ponto de iluminação em uma central de monito-ramento, com diferentes tipos de sensores acoplados aos módulos instalados nos postes de ilumi-nação pública. A partir do momento em que a rede entra em operação, um banco de dados será criado para armazenar as condições em que cada lâmpada estava operando em determinada hora da noite e os dados dos sensores de cada nó da rede.
O projeto tem foco em eficiência energética e redução do consumo de energia elétrica, sendo assim, deverão ser priorizadas tecnologias, componentes e protocolos que minimizem o custo do sistema e possam resultar em taxas de retorno adequadas quando da implantação do sis-tema.
No capítulo 2 serão descritas todas as etapas de desenvolvimento do sistema, tais como, as lâmpadas utilizadas, os reatores de lâmpadas, o protocolo de comunicação utilizado, o circuito de controle desenvolvido, assim como o software de monitoramento.
O capítulo 3 cobre a realização das medidas em laboratório e em campo realizadas de forma a verificar o funcionamento do circuito. Serão realizadas medidas de potência, iluminância, medidas de alcance em laboratório e em campo.
O capítulo 4 abrange um estudo de viabilidade econômica da utilização do sistema na prá-tica. São estudadas as possibilidades de utilização do sistema durante diferente número de horas de utilização por noite, assim como a quantidade de redução na potência das lâmpadas, custo do circuito e da tarifa de energia.
Por fim, o capítulo 5 reúne as conclusões obtidas durante o desenvolvimento do sistema e etapas futuras do trabalho que poderão ser executadas.
2 DESENVOLVIMENTO
As seções seguintes descrevem o sistema de gestão de iluminação pública sem fio propos-to e os componentes utilizados e desenvolvidos para este fim.
2.1 O SISTEMA PROPOSTO
O sistema de gestão de iluminação pública sem fio proposto consiste em utilizar uma rede de sensores e atuadores sem fio para ter acesso e controlar cada lâmpada individualmente em determinada região. A Figura 2.1 ilustra o princípio de operação do sistema.
Cada poste de iluminação representa um nó de uma rede e a informação circula entre os nós. Os comandos dados por um operador, através de um software em uma central fluem através da rede, nó a nó, até chegarem aos destinos. É possível então, ajustar a potência de cada lâmpada em qualquer um dos nós que se deseje. Além disso, informações de cada nó são enviadas à cen-tral de operação, onde o software registra a situação dos nós e de eventuais sensores acoplados aos nós.
Cada nó é composto por três blocos básicos: Unidade de Potência (UP), Módulo de Co-municação (MC) e Unidade de Controle (UC). A Figura 2.2 apresenta um esquemático em dia-grama de blocos de um nó da rede e suas ligações.
Figura 2.2 – Diagrama de blocos de um nó da rede do sistema.
O módulo de comunicação é responsável por enviar e receber informações da rede. A uni-dade de controle é um circuito eletrônico responsável por interpretar os dados recebidos pelo mó-dulo de comunicação e atuar sobre a unidade de potência para definir a potência fornecida para a lâmpada. A unidade de potência (reator eletrônico) é responsável pela ignição da lâmpada, con-trole da corrente e ajuste de potência (dimerização). Também é possível conectar diversos tipos de sensores nos nós para monitorar grandezas ambientais, tais como luminosidade, temperatura, umidade, qualidade do ar, etc. A Figura 2.3 mostra uma fotografia do módulo desenvolvido. As dimensões do módulo são: 19 cm de comprimento, 11 cm de largura e 9 cm de profundidade e o módulo pesa um total de 900 gramas. O funcionamento do circuito será descrito no item 2.5.
Figura 2.3 – Módulo desenvolvido. Dimensões: 19 cm de comprimento, 11 cm de largura e 9 cm de profundidade. Peso: 900 gramas. Patente sendo requerida.
2.2 LÂMPADA TUBULAR SON-T 150 W
A lâmpada de vapor de sódio escolhida para ser utilizada neste estudo foi do tipo tubular de 150 W de potência. Conforme já mencionado anteriormente, as lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão de 150 W estão dentre as mais utilizadas na iluminação pública no Brasil, sendo este o motivo pela escolha deste tipo de lâmpada como foco neste projeto. A escolha por este modelo e fabricante reside apenas no fato de ser uma lâmpada de baixo custo e facilmente encontrada no mercado. Lâmpadas de outros modelos e fabricantes poderiam também ser utilizadas sem afetar os resultados da pesquisa. A Figura 1.8 mostra uma fotografia desta lâmpada e a Tabela 2.1 apre-senta os parâmetros desta lâmpada fornecidos pelo fabricante.
Tabela 2.1 – Características da Lâmpada Phillips SON-T 150 [27]. Característica Parâmetro
Padrão de Bocal E40
Acabamento do Bulbo Transparente
Posição de Operação Qualquer
Tempo de Vida para 5% das Falhas 14000 horas Índice de Reprodução de Cores (IRC) 25
Fluxo Luminoso a 25 oC 15000 lm Eficiência Luminosa a 25 oC 98 lm/W Luminância Média 300 cd/cm2 Potência da Lâmpada 150 W Tensão da Lâmpada 100 V Corrente da Lâmpada 1,8 A
Tempo de Ignição 5 s (Max)
Tempo de Regime (90%) 5 min
Dimerizável Sim Tempo de Re-ignição 180 s Consumo de Energia (kWh/1000 h) 161 kWh Comprimento 210 mm Diâmetro 48 mm Comprimento do arco 61 mm
Posição do centro da luz 132 mm
Peso 160 g
Alguns parâmetros da tabela são particularmente importantes para a avaliação dos resulta-dos da pesquisa. O consumo da lâmpada e o tempo de vida podem ser utilizaresulta-dos para o cálculo de viabilidade econômica do sistema desenvolvido. A possibilidade de dimerização da lâmpada é um parâmetro essencial para a proposta da pesquisa e a eficiência luminosa e índice de reprodu-ção de cores tem relareprodu-ção com a iluminância e uniformidade medidas nos testes em laboratório e em campo.
2.3 REATORES DE LÂMPADAS DE SÓDIO DE ALTA PRESSÃO
As lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão necessitam de reatores para operar [7]. Re-atores são equipamentos capazes de fornecer alta tensão (maior que 2 kV) para iniciar um arco de descarga elétrica no gás que ocupa o interior da lâmpada [7]. Após a formação do arco, o circuito do reator limita a corrente através do gás, mantendo a descarga elétrica e a operação padrão da lâmpada. O consumo de energia dos reatores varia em função do tipo de circuito utilizado e de-terminam a eficiência e o fator de potência total do sistema (reator e lâmpadas). Mais de 50 % do volume total do reator é ocupado pelos elementos reativos do circuito (capacitores de barramento, indutores e transformadores) [7].
Existem dois tipos básicos de reatores de lâmpadas de vapor de sódio: os indutivos e os eletrônicos. Os reatores indutivos consistem em um núcleo ferromagnético e uma bobina que promovem a alta tensão necessária para a ignição da lâmpada. Os reatores eletrônicos utilizam circuitos eletrônicos e componentes de estado sólido para a ignição e manutenção da corrente das lâmpadas. Estes reatores não só consomem menos energia do que os indutivos, mas também permitem as lâmpadas operar em frequências mais altas (acima de 20 KHz), o que também menta a eficiência luminosa das lâmpadas entre 10 e 15% [7]. A eficiência geral do sistema au-menta assim em torno de 25% [7]. Alguns estudos sugerem também que os reatores eletrônicos aumentam a vida útil das lâmpadas em até 30% [7]. Outras vantagens dos reatores eletrônicos são: menores dimensões e peso, menor centelhamento, menor ruído, melhor ignição e estabilida-de operacional, maior fator estabilida-de potência, menor distorção harmônica e maior amplituestabilida-de estabilida-de dimeri-zação [7]. Por estes motivos, foi escolhido trabalhar com reatores eletrônicos neste projeto. Como desvantagem, os reatores eletrônicos são mais caros que os reatores indutivos convencionais.
A Figura 2.4 mostra um diagrama de blocos de um reator eletrônico genérico para lâmpa-das de vapor de sódio. A tensão da rede é retificada por um retificador de onda completa com baixa ondulação. O estágio seguinte consiste na correção do fator de potência, visto que circuitos de retificação capacitivos possuem tipicamente baixos fatores de potência. Em seguida, um inver-sor é utilizado para converter a tensão contínua do barramento em tensão alternada de alta fre-quência e comumente senoidal. O ignitor é o estágio que promove altas tensões para ignição da lâmpada e pode também ser parte integrante do circuito inversor.
Figura 2.4 – Diagrama de blocos de um reator eletrônico genérico.
O inversor pode ser projetado em três topologias distintas: inversor meia-ponte, inversor push-pull e inversor de ponte completa [19]. Dentre estas, os reatores tipicamente utilizam a to-pologia meia-ponte devido ao menor custo de fabricação do circuito, menores perdas de condu-ção (menor número de componentes) e menor corrente reativa [19]. A frequência de operacondu-ção dos inversores varia de acordo com o projeto. A utilização de frequências de ordens de dezenas de quilohertz reside no fato de estas altas frequências diminuem o tamanho dos componentes reati-vos dos circuitos, reduzindo também seus pesos e dimensões. Valores mais comuns estão na faixa de 19 a 21 kHz, no entanto estes valores podem gerar ressonância acústica no arco das lâmpadas e, circuitos mais modernos, utilizam frequências mais altas, da ordem de 50 kHz [19].
O ignitor pode ser obtido através de um circuito ressonante LCC (tensão de um capacitor paralelo à lâmpada sobe até atingir a tensão de ruptura de arco elétrico da lâmpada) ou através de pulsos de tensão sobre a lâmpada através de um transformador comandado por transistores, tiris-tores ou centelhadores [28-32].
2.3.1 Reatores com Ajuste de Luminosidade (Dimerização)
Os reatores eletrônicos mais recentes incorporam em seus circuitos a capacidade de ajuste de luminosidade e potência dissipada pela lâmpada com o objetivo de economizar energia elétri-ca. Esta técnica, comumente denominada “dimerização” (referência ao termo “dimming”), pode ser dividida em duas classificações: dimerização em níveis discretos e dimerização contínua.
Na dimerização em níveis discretos, a potência é comutada de um nível para outro de forma quase instantânea e os níveis de potência são fixos de forma discreta. Diferentes níveis discretos podem ser projetados de forma que o usuário possa escolher em qual potência a lâmpa-da vai operar em determinado momento. A dimerização contínua (analógica 1-10 VDC) permite
o ajuste da luminosidade e potência em qualquer valor entre dois níveis específicos, por exemplo, 30% e 100%.
Do ponto de vista de circuitos, o processo de dimerização pode ser realizado de três for-mas [19]:
Variação da frequência de comutação do inversor [33];
Variação da razão cíclica (duty-cycle) do inversor [34];
Variação da tensão de barramento [35] [36].
A variação da tensão de barramento é um procedimento que requer a utilização de um conversor CC-CC entre o retificador e o inversor. É necessária a manutenção de mínima tensão de circuito, o que limita a faixa de dimerização do sistema. A redução deve ser feita de forma gradual de forma a não extinguir o arco e não acelerar a degradação da lâmpada.
A variação da razão cíclica (duty cycle) do inversor impacta diretamente na tensão eficaz da saída do inversor. Deve-se atentar, no entanto, ao fato da forma com a qual a razão cíclica é alterada, visto que a forma de onda aplicada à lâmpada pode gerar grande distorção harmônica e, como consequência, gerar excitação da ressonância acústica [19].
A variação da frequência de comutação do inversor faz com que a impedância do filtro LC da saída do inversor também varie, alterando a potência entregue à lâmpada. Dessa forma, ao aumentar a frequência do inversor, a impedância do filtro também aumenta, reduzindo a potência da lâmpada.
Dentre os cuidados de utilização da dimerização em lâmpadas de vapor de sódio de alta pressão, os fabricantes recomendam esperar a lâmpada entrar em regime estacionário antes de utilizar a dimerização, manter pelo menos 30% da potência nominal de forma a evitar a erosão do material de cobertura dos eletrodos e não utilizar a dimerização por mais de 8 horas seguidas.
Com relação ao brilho das lâmpadas em condição de dimerização, até a redução de 50% na potência nominal da lâmpada não são registradas mudanças significativas na cor da luz emiti-da [19]. Para valores menores de potência, mediemiti-das em esferas de integração mostram que a luz da lâmpada tende a se tornar mais amarelada, com espectro mais concentrado, o que prejudica o IRC [19].
O reator utilizado no sistema desenvolvido (Unidade de Potência) foi um reator comercial, do tipo eletrônico com dimerização analógica para lâmpadas de 150 W que utiliza a variação da tensão de controle (1-10 V) para variar a razão cíclica do inversor e ajustar a potência de saída da
lâmpada. Este reator opera com tensão nominal de 220 V, fator de potência nominal de 0,98, cor-rente de entrada de 0.72 A e 3 kV de tensão de ignição.
2.4 PROTOCOLO ZIGBEE
O protocolo ZigBee é um padrão de comunicação para redes sem fio de baixa potência, concebido em 1998 e padronizado em 2003 pela ZigBee Alliance [37]. Este protocolo foi criado a partir do protocolo IEEE 802.15.4 (desenvolvido para redes de sensores sem fio) e tem por fina-lidade principal transmitir dados por longas distâncias, com baixo consumo de energia, através do envio de informação por dispositivos intermediários para alcançar os dispositivos mais distantes [37] [38]. Este tipo de roteamento de informação cria uma rede denominada mesh, que tem por principal característica, controle descentralizado e a ausência de um dispositivo com alta potência que seja capaz de comunicar diretamente com todos os dispositivos da rede. O protocolo possui ainda a funcionalidade de “dormir” (sleep), ou seja, é possível manter os dispositivos em um es-tado de baixíssimo consumo de energia, e somente acordá-los nos momentos em que se deseja que a transmissão de dados seja realizada.
O protocolo ZigBee é utilizado tipicamente em aplicações em que se requer baixo consu-mo de energia, longos tempos de vida de bateria, independência entre os dispositivos da rede, longas distâncias cobertas e segurança da informação (criptografia AES-128 bits). Aplicações típicas deste protocolo estão em monitoramento e sensoriamento, gerenciamento de energia, au-tomação industrial e residencial.
A Figura 2.5 ilustra a comparação entre diferentes protocolos em termos de distância pon-to a ponpon-to e taxa de transmissão de dados. É possível verificar que o propon-tocolo ZigBee apresenta grande alcance de transmissão (centenas de metros) e recepção, no entanto possui a menor taxa de transmissão de dados (centenas de kbps) dentre os protocolos mostrados. Desta maneira, a escolha do protocolo deve ser realizada através do estudo das necessidades de alcance e taxa de transmissão. Dentre as alternativas para a utilização nos sistemas de gestão de iluminação públi-ca, a utilização do protocolo ZigBee foi a que mais apresentou vantagens, visto que é possível abranger grandes áreas, consumir pouca energia, não sendo necessária a transmissão de grandes quantidades de dados.
Figura 2.5 – Comparação entre diferentes protocolos em termos de distância ponto a ponto e taxa de transmissão de dados [37].
A camada mais básica que compõe o protocolo ZigBee é a camada do protocolo IEEE 802.15.4. Esta camada consiste em um conjunto de padrões que definem o gerenciamento de energia, endereçamento, correção de erros, formato de mensagens e outras especificações que permitem a transmissão correta de dados entre dois dispositivos (rádios) [38]. ZigBee é um con-junto de camadas implementadas sobre a camada 802.15.4 que definem importantes característi-cas da rede, tais como [38]:
Roteamento: define como os dados fluirão de um dispositivo para o outro e atra-vés de vários outros dispositivos até chegar a seu destino final;
Criação da rede ad-hoc: processo automático de criação de uma rede ZigBee sem a necessidade de intervenção humana;
Rede Auto-Curável: o processo de auto-cura consiste em detectar automaticamen-te se um ou mais rádios apresentam falha ou saíram da rede e automaticamenautomaticamen-te encontrar outra rota para a transmissão da informação.
O hardware de cada rádio de uma rede ZigBee é basicamente o mesmo, no entanto, os dispositivos podem ser configurados de três tipos diferentes: coordenadores, roteadores e disposi-tivos finais. Toda rede ZigBee requer um, e apenas um, coordenador para operar. Este é um dis-positivo responsável por montar a rede, definir endereçamentos dentro da rede, manter a rede segura e operando corretamente. Este dispositivo normalmente é conectado a uma central de mo-nitoramento, como um servidor ou computador. Os roteadores são dispositivos que transmitem, enviam e roteiam dados. Atuam como mensageiros de informações entre dispositivos que estão muito distantes uns dos outros para enviar os dados diretamente. Também podem estar ligados a sensores e atuadores. Dispositivos finais são rádios que apenas recebem e transmitem dados, sem possuírem a funcionalidade de roteamento, ou seja, não atuam como mensageiros entre dispositi-vos. Estão ligados a sensores e atuadores e podem utilizar a função de dormência entrando em modo de baixo consumo de energia.
É possível montar redes apenas com um coordenador e dispositivos finais, um coordena-dor e roteacoordena-dores e redes com um coordenacoordena-dor, roteacoordena-dores e dispositivos finais. O protocolo ZigBee permite quatro tipos de topologias de rede (Figura 2.6): par, estrela, árvore e mesh [38]. A escolha pela topologia da rede é definida pela necessidade específica de cada projeto.
Figura 2.6 – Tipos de topologias de rede suportadas pelo protocolo ZigBee. Par, estrela, mesh e árvore [40].
Cada nó da rede representa um dispositivo que possui um endereço dinâmico de 16 bits dentro desta rede, que lhe é atribuído pelo coordenador no momento da montagem da rede. Além
disso, cada rádio possui um número serial de 64 bits único, que também é uma forma de endere-çamento. Através destes endereços, é possível identificar cada um dos nós da rede e receber e transmitir dados para aquele dispositivo especificamente. O número máximo de rádios em cada rede é de 65000, sendo que, quando valores maiores forem necessários, é necessária a criação de mais de uma rede [38]. O tamanho do pacote de dados enviado (número de bytes) depende do tipo de comando ou informação que está sendo transmitido.
O alcance (área de abrangência) da transmissão e recebimento de dados de um dispositivo para outro depende da potência do sinal, frequência de operação e do tipo e qualidade das antenas utilizadas nos rádios, topologia da região e número e tipos de obstáculos, podendo variar de al-gumas dezenas de metros a alguns quilômetros.
Para a escolha dos rádios a serem utilizados, era desejável que os dispositivos pudessem alcançar distâncias de transmissão e recepção de, pelo menos, 40 metros, com adequada margem de segurança. Pelo menos duas entradas analógicas eram desejáveis para acoplar sensores, crip-tografia AES-128 bits e pelo menos 4 saídas digitais para definir os níveis de dimerização das lâmpadas.
Os principais parâmetros dos rádios escolhidos para serem utilizados neste projeto (Módu-los de Comunicação) estão apresentados na Tabela 2.2, podendo-se destacar a frequência de ope-ração de 900 MHz, 200 kbps de taxa de transmissão, 24 dBm (250 mW) de potência de transmis-são, 3,3V de alimentação, 15 entradas/saídas de sinais digitais e 4 entradas analógicas com con-versor A/D de 10 bits. Os rádios são comerciais e foram comprados na rede varejista de compo-nentes eletrônicos.
