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SOLAR LIGHTING - Iluminação Solar Baseada em HBLEDs (ART1305)

Em artigo de autoria de Raghavan Sompath de 2009, a Freescale (www.freescale.com) mostra que soluções baseadas em HBLEDs podem ser altamente convenientes tanto em termos de consumo como custo, abrindo assim novas portas para o aproveitamento de fontes de energia alternativas, como a solar. Neste artigo, traduzido na íntegra, mostramos as vantagens destas soluções.

Nos últimos quinze anos, a demanda de energia cresceu dez vezes e o custo da energia aumentou quatro vezes. Blackouts e condições precárias de fornecimento de energia ocorreram nos Estados Unidos e outros países e podem continuar á medida que a demanda de energia aumenta e a geração de energia falha na sua necessidade de aumento. De acordo com recente informe da North America Realiability Corp, a demanda de eletricidade somente nos Estados Unidos deve crescer em 141 000 megawatts na próxima década enquanto apenas 57 000 megawatts de novas fontes foram identificadas. Isso deixa um déficit de 84 000 megawatts, o equivalente a 160 usinas de grande porte.

Gerar eletricidade (a maior parte utilizada em aplicações de iluminação) gera 37% de todos os gases do efeito estufa, de acordo com a United State Energy Information Administration. Assim, devemos começar a olhar para as fontes alternativas de energia, como a solar, que uma tecnologia verde e não custa tanto como a geração hidroelétrica, geotérmica ou nuclear.

No século 21 haverão nada menos do que 300 milhões de lares em países sub-desenvolvidos desprovidos de iluminação adequada. As razões podem variar, mas devem incluir a falta de recursos (custo muito alto), falta de infraestrutura e descasamento entre fornecimento e demanda. Muitos lares ainda usam querosene em lamparinas feitas em casa ou ainda velas para a iluminação.Estas fontes fracas, amarelas e fumarentas são perigosas e não ecologicamente amigáveis. A longo prazo elas são mais caras que outras fontes de luz como os LEDs de alto brilho (HBLEDs) brancos, alimentados por energia soar.

 

Tipo de iluminação

Querosene caseiro

Incandescente

Fluorescente Compacta

WLED

Eficiência (lumens/watt)

0,03

5-18

30-79

25-50

Vida útil (horas)

Suprimento do querosene

1000

6500-15000

50000

Durabilidade

Frágil e perigoso

Muito fárágil

Muito frágil

Robusto

Consumo de energia

0,04-0,06 litros/hora

5W

4W

1W

CCT oK

- 1800º

2652º

4200º

5000º

Custo depois de 50 000 horas (dólares)

1251

175

75

20

Tabela 1 - Comparação entre as diversas fontes de luz

 

Porque Utilizar HBLEDs Para Iluminação

- Maior durabilidade

Os LEDs duram mais do que qualquer outro tipo de fonte de luz passando de dez anos, em muitas aplicações. Eles incorporam uma tecnologia de estado sólido similar à utilizada nos microprocessadores de última geração. Estes dispositivos de estado sólido não têm partes móveis, nenhum vidro frágil e nenhum mercúrio, nenhum gás tóxico e nenhum filamento. Não existe nada para quebrar, romper, vazar ou contaminar. Diferentemente das fontes convencionais de luz, os LEDs não estão sujeitos a falhas súbitas ou queima. Não existe nenhum ponto na vida útil no qual a fonte de luz deixa de funcionar, em lugar disso, os LEDs gradualmente se degradam na performance ao longo do tempo. A maioria dos LEDs está prevista para fornecer até 70% da potência inicial mesmo depois de 50 000 horas de operação. Numa aplicação onde a fonte de luz deve ser utilizada por 12 horas por dias, 365 dias por ano, isso pode resultar numa vida útil de 1onze anos com apenas 30% de degradação (70% dos lumens) da potência inicial de saída.

 

Figura 1 - Eficiências das diversas fontes de luz - Fonte Philips - Lumileds - Cree - Seoul Semi
Figura 1 - Eficiências das diversas fontes de luz - Fonte Philips - Lumileds - Cree - Seoul Semi

 

 

- Custos Reduzidos de Manutenção

Como as fontes de luz baseadas em LEDs duram até dez vezes mais do que uma fonte convencional de luz, não há necessidade de uma troca freqüente, reduzindo ou mesmo eliminando a necessidade de custos de manutenção e despesas de recolocação Isto pode ser particularmente importante nas aplicações críticas de iluminação, como bóias, sinalizadores, iluminação de saídas de emergência e segurança o que normalmente exige a troca periódica das fontes as quais devem ser agendadas.

 

- Maior Eficiência Energética

As fontes de luz baseadas em LEDs são mais eficientes do que as incandescentes e a maioria das fontes halógenas de luz, Os LEDs brancos atuais fornecem mais de 20 lumens por watts e prevê-se que cheguem a valores tão altos como 50 lumens por watt no futuro. Ao escolher uma fonte de luz de estado sólido como alternativa, é importante considerar o nível de benefícios do sistema na sua totalidade. Por exemplo, com uma quantidade superior de lumens por watt, os LEDs utilizados num sistema de iluminação predial também consomem menor energia por hora que outras fontes de luz, o que os torna ecologicamente mais amigáveis e eficientes em termos de custos.

 

Benefícios dos LEDs

* Confiáveis (100k horas) - custos de manutenção reduzidos

* Maior eficiência energética - verde, solução com benefícios de custos.

* Pode ser momentaneamente ou totalmente controlado em brilhos, sem variações de cor - controle por modulação de largura de pulsos (PWM).

* Não usa mercúrio- está de acordo com regulamentação ambiente.

* Operação com baixa tensão DC - elimina conexões de alta tensão.

 

Como a Iluminação Solar a LED Funciona

Um painel solar converte energia solar em uma tensão elétrica que serve para carregar uma bateria. O microcontrolador de 8 bits HCS08QG4 da Freescale (MCU) com um timer de dois canais de 16 bits é utilizado para controlar e monitorar a carga da bateria e para alimentar os LEDs. PWM é utilizado para a carga da bateria e para um conversor A/D que monitora a tensão da bateria. Se a tensão da bateria cai a menos de 50% da plena carga, os brilhos dos LEDs são reduzidos automaticamente para 50% variando-se o ciclo ativo do segundo canal PWM. A idéia é fornecer luz para aplicações de longa duração, menos que seja com menor brilho. Se a tensão da batera cai para 10% da nominal, então a MCU desliga o LED de modo a garantir que a bateria não seja completamente esgotada.

 

Escolhendo o Microcontrolador Correto

Existem múltiplas alternativas para selecionar uma MCU para uma aplicação de LEDs alimentados por energia solar; os HCS508QG4/8 oferecem uma excelente combinação de recursos necessários a um custo muito competitivo.

Os MC9S08Q8/4 estendem as vantagens do cerne HCS08 da Freescale para uma opção de menor número de pinos e menor invólucro. Os dispositivos QG são de baixa tensão com uma memória flash no chip, programável com tensões tão baixas como 1,8 V. Eles incluem os recursos padronizados dos microcontroladores HCS08, incluindo o modo de espera, e diversos modos de parada, capacidades analógicas poderosas, um set completo de módulos seriais, um sensor de temperatura e opções robustas de memória.

Destaques

S08QG

Cerne

HCS08

Flash

8k/4k

RAM (byte)

512/256

Freqüência do barramento

10 MHz

ADC

Até 8 canais (10 bits)

Comparador analógico

Sim

Interrupção por teclado

Até 8 pinos

Timers (até)

Um timer de 16 bits (2 canais)

Um timer de 8 bits

SCI

1

SPI

1

PC

1

Tensão de operação

1,8 – 3,6 V

Invólucro

8 DIP/SOIC/QFN

16 pinos DIP/TSSOP/QFN

Destaques do MC9S08QG8/4

 

Aplicações

A iluminação solar de HBLEDs pode ser utilizadas em iluminação de ruas, domiciliar, emergência, e iluminação rural.

Semáforos são operacionais por um dia inteiro na maioria das cidades e luzes de rua para maior parte do dia. Substituindo por tecnologia HBLEDs as lâmpadas tradicionais de halogênio ou lâmpadas fluorescentes compactas (CFL), pode-se obter uma enorme economia em termos de redução de consumo e menores custos de manutenção.

A International Finance Corporation (IFC), o setor do braço privado de investimento do World Bank Group tem um projeto denominado "Lighting the Bottom of the Pyramid" (Iluminando a base da pirâmide), plneja vender sistemas de iluminação por LEDs com energia solar para 1,6 bilhões de pessoas em todo o mundo, que não estejam ligadas á rede convencional de energia. Pela falta de acesso a iluminação elétrica, muitas destas pessoas e seus negócios, podem deixar de utilizar combustíveis a base de carbono como querosene, para suas necessidades de iluminação. Utilizando energia solar e iluminação por LED nestas localidades, podemos reduzir os perigos para saúde e a emissão de gases do efeito estufa associada a queima de combustíveis fósseis.

 

Uma nota final sobre economia de energia

Em 2006 a china era o segundo maior consumidor de eletricidade do mundo, gerando 2,475 bilhões kWh. Doze por cento desta energia era utilizada em iluminação. Por volta de 2020, se a eficiência dos LEDs alcançar 160 lm/w, e penetrar em 30% do mercado Chinês, a economia de energia pode chegar a 200 Bilhões de kWh.

 

Conclusão

A tecnologia de iluminação por LED é uma alternativa significativa para economia e custo proporcionando soluções de baixa manutenção numa ampla gama de aplicações em iluminação. Usando significativamente menos energia do que os métodos tradicionais, os LEDs também ajudam o meio ambiente cortando a geração de energia elétrica e as emissões associadas de gases do efeito estufa.

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