Método rápido e eficaz para desenvolvimento de luminárias mais eficientes

Para considerar uma luminária eficiente não basta verificar seu consumo de energia. É necessário também avaliar se ela atende a níveis mínimos de iluminância exigidos pelas normas, o que em geral requer análise fotométrica com uso de goniofotômetro, equipamento nem sempre acessível. A metodologia aqui apresentada dispensa o goniofotômetro, o que baixa os custos e agiliza os ensaios luminotécnicos de aparelhos para as mais diversas aplicações.

Jorge Luis Carneiro Junior, Maria Fernanda Trujillo León e Oscar Armando Maldonado Astorga, da Unesp/FEG

Data: 10/08/2016

Edição: LUX Agosto 2016 - Ano 1 - N^o 2

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Para o uso mais eficiente da energia elétrica, tem-se procurado desenvolver equipamentos que consumam menos mas mantenham ou melhorem o desempenho anteriormente verificado. No setor de iluminação, as luminárias a LED apresentam menor consumo de energia quando comparadas a aparelhos que utilizam outras lâmpadas [1], mas nem todas possuem o mesmo desempenho de iluminação. Para verificar se uma luminária LED é realmente equivalente ao conjunto de outra tecnologia instalado anteriormente, é necessário conhecer a quantidade de luz incidente sobre uma determinada área, em ambos os casos [2].

Para uma melhor avaliação desses conjuntos de iluminação, são utilizados softwares que simulam as condições reais de uso [3]. Entretanto, esses softwares requerem como entrada um arquivo com as características das luminárias utilizadas na simulação. Esse arquivo possui extensão “.IES” e é gerado por gonifotômetros, equipamentos que medem com precisão a intensidade luminosa emitida pela luminária em cada ângulo, permitindo assim determinar a iluminação resultante na superfície de interesse, apresentada através da Curva de Distribuição Luminosa (CDL). O goniofotômetro, entretanto, é um equipamento caro e existente em poucas empresas e instituições, o que restringe apenas aos grandes fabricantes o acesso a tais ensaios, dessa forma limitando também o desenvolvimento de protótipos.

Este artigo apresenta a seguinte alternativa ao uso do goniofotômetro: por meio de modelamento analítico e medições diretas, obtêm-se de forma aproximada os valores de intensidade luminosa que seriam gerados pelo goniofotômetro, e estes então podem ser utilizados em softwares de simulação, como, por exemplo, o Dialux.

Fig. 1 – Variação da intensidade luminosa pela distância no plano transversal à luminária

A metodologia apresentada tem sido empregada para auxiliar empresas que desenvolvem conjuntos de iluminação, fornecendo a elas uma resposta rápida, confiável e de baixo custo sobre a eficiência dos seus protótipos.

Metodologia

Modelagem

Inicialmente, realizam-se as medições de iluminância nos planos transversal e longitudinal à luminária, em diferentes ângulos. Chama-se à curva no plano transversal a(ϕXZ), e à curva no plano longitudinal b(ϕYZ).

Assim, para cada plano, obtêm-se dois gráficos de iluminância (E) versus a distância (d) entre o respectivo plano e a luminária, como exemplificados nas figuras 1 e 2.

Pode-se relacionar os valores de iluminância e distância à intensidade luminosa proveniente da fonte de luz, utilizando a seguinte equação:

onde I é a intensidade luminosa, em candelas, para o ângulo no qual foi realizada a medição da iluminância E, com d sendo, neste caso, a distância do sensor até a fonte de luz [4].

Fig. 2 – Variação da intensidade luminosa pela distância no plano longitudinal à luminária

Utilizando a equação (1) e os ângulos previamente anotados, obtém-se a CDL pela interpolação dos pontos. A figura 3 apresenta uma CDL gerada via o método descrito.

Em determinados casos, as curvas de intensidade luminosa nos planos transversal e longitudinal são suficientes para a caracterização da luminária. Essas curvas costumam inclusive aparecer nas folhas de dados dos fabricantes. Neste trabalho, porém, busca-se uma relação entre essas duas curvas para a obtenção de uma função que represente a intensidade luminosa da luminária para qualquer ângulo considerado. Ou seja, até aqui trabalhamos com apenas dois planos mas, para um projeto real, é necessário considerar toda a região em volta da luminária. Utiliza-se, assim, um ângulo θ para relacionar os dois planos, conforme ilustra a figura 4.

Para se obter uma função que gere os valores de intensidade luminosa em todo o espaço, é necessário considerar as seguintes condições de contorno:

a função deve ser capaz de reproduzir os dados das medições nos planos transversal e longitudinal; e
a função deve ser capaz de representar uma fonte pontual de luz.

Aplicando essas condições de contorno, obtemos a seguinte equação geral para a intensidade luminosa:

Assim, podemos determinar para qualquer θ o valor da intensidade luminosa [4].

Fig. 3 – Curva de distribuição luminosa

Fig. 4 – Figura inicial do arquivo teste

Desenvolvimento do software

Escolheu-se para o desenvolvimento do software o ambiente Delphi 7, por disponibilidade do aplicativo e familiaridade com a linguagem. Mas poderia ter sido usada qualquer outra plataforma de desenvolvimento, pois o arquivo gerado é de texto puro, apenas com a extensão “.IES”.

Outras vantagens da utilização do Delphi é a sua fácil integração com aplicativos como os do Microsoft Office, especialmente o Microsoft Excel, utilizado para receber os valores das medições realizadas em laboratório.

Para utilizar o programa, o usuário realiza as medições nos pontos previamente definidos e preenche uma planilha. O programa carrega os dados da planilha e realiza os cálculos apresentados aqui anteriormente, de forma a gerar o arquivo de texto contendo ângulos e valores de intensidade luminosa.

A organização das informações obedece às normas da Iesna Illuminating Engineering Society of North America (Sociedade Norte-Americana de Engenharia de Iluminação), as quais definem os ângulos que devem ser utilizados para os cálculos e a forma como os dados são dispostos no arquivo de saída.

O arquivo “.IES” gerado então pode ser utilizado em programas específicos de simulação de projetos luminotécnicos, como Dialux e Relux, mas também em outros programas que tenham essa funcionalidade ativada, como o AutoCAD.

Fig. 5 – Luminária LED testada no Lesip-Unesp/FEG

Aplicação

As luminárias baseadas em tecnologia de estado sólido são, por natureza, mais eficientes do que as que utilizam outras tecnologias. Nelas, apenas uma pequena porcentagem na energia é desperdiçada em forma de calor, ao contrário do que acontece, por exemplo, com lâmpadas incandescentes ou mesmo fluorescentes. Assim, em casos de reformas de sistemas de iluminação, é necessário saber quantas luminárias baseadas na nova tecnologia são necessárias para substituir os conjuntos existentes, sem que haja diminuição do iluminamento médio disponível.

A metodologia proposta neste artigo tem sido utilizada no Lesip Laboratório de Eficiência Energética em Sistemas de Iluminação Pública, do Departamento de Engenharia Elétrica da Unesp – FEG (Guaratinguetá, SP), para avaliar conjuntos de iluminação quanto à sua capacidade luminotécnica. Permite, assim, determinar qual a quantidade de luminárias necessárias para atender aos padrões de iluminação para as diferentes áreas de trabalho. A figura 5 mostra uma luminária LED de 35 W, enviada ao Lesip para levantamento de suas características elétricas e luminotécnicas.

No procedimento de teste, a luminária é montada em uma sala escura, cujas paredes internas são pintadas de preto fosco, para que a reflexão da luz não interfira nas medições. São coletados os dados de iluminância, com o emprego de um luxímetro (ou “chromameter”, como é chamado o aparelho CL 100 da Minolta), dados esses que são depois transferidos para uma planilha Excel. Em seguida, os dados do Excel são carregados no software construtor que, por sua vez, gera o arquivo “.IES” que constituirá a entrada do Dialux. Este último gera a curva de distribuição luminosa da luminária e permite a simulação de diferentes situações, como iluminação interna, externa e iluminação pública. A figura 6 apresenta a curva de distribuição luminosa da luminária mostrada na figura 5.

Fig. 6 – Curva de distribuição luminosa gerada no Dialux a partir dos dados obtidos com o método proposto

Portanto, conhecendo o conjunto anteriormente instalado e os valores de iluminância definidos pelas normas para um determinado local, é possível saber se o conjunto testado atende ou não às necessidades do ambiente ao qual se destina.

Conclusões

Apresentou-se aqui uma metodologia para análise fotométrica de luminárias que dispensa o recurso ao goniofotômetro, reduzindo assim os custos de desenvolvimento e, principalmente, o tempo para obtenção dos resultados dos ensaios. A metodologia consiste em considerar que a luminária não possui grandes variações de intensidade luminosa em ângulos adjacentes e, através de interpolação, encontrar um padrão para a distribuição luminosa do conjunto.

Envolve a realização de medições de iluminância em pontos bem determinados, sendo os dados carregados em um software que os converte para valores de intensidade luminosa. O mesmo software faz a interpolação dos pontos e gera um arquivo que pode ser usado como entrada de softwares de simulação. A simulação, por sua vez, mostrará se o conjunto em questão apresenta desempenho suficiente para atender às normas que fixam valores mínimos de iluminância média e de uniformidade para os mais diversos ambientes.

A metodologia foi testada e já é utilizada no auxílio a empresas que desenvolvem protótipos de luminárias energeticamente mais eficientes.

Referências

Carvalho, D.; Carvalho, P. M.; Antognoli, T. F.: Substituição de lâmpadas comuns de iluminação pública por um sistema de LEDs no Campus Unicamp. Revista “Ciências do Ambiente On-Line” vol. 5, nº 2, dezembro,/2009.

Pessoa, J. L. N.; Ghisi, E.: Nota Técnica referente à eficiência luminosa de produtos LED encontrados no mercado brasileiro. Centro Brasileiro de Eficiência Energética em Edificações, Florianópolis, dez./2013.

Companhia Energética De Minas Gerais: Projetos de Iluminação Pública, Manual de Distribuição. Belo Horizonte, nov./2012.

Niskier, J.; Macintyre, A.J.: Instalações elétricas. 5ª ed., Rio de Janeiro, LTC, 2008, pp. 225–228.