Made available in DSpace on 2016-06-02T20:09:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4149.pdf: 3640236 bytes, checksum: 4aa2aa39a2e563f087a25973327d591c (MD5) Previous issue date: 2012-02-09 / Financiadora de Estudos e Projetos / This study seeks to verify the influence of windows areas in the electrical energy consumption of dwellings in the city of São Carlos. In order to do this, the index WWR (window to wall ratio) was applied, representing the ratio of window area and the area of external surface (wall). The applied methodology consisted on field campaigns, modeling and computational simulation. First, taking into account a preexistent data basis, the characteristics of the electrical energy consumption for the whole area of the city of São Carlos was verified. Then, specific buildings were selected to be measured in loco. The field data allowed the determination of building parameters (orientation, volume and constructed area, area of façades and window areas), which were directly or indirectly used as data entry for modeling the electrical energy consumption of the dwellings set. The modeling process applied Artificial Neural Networks (ANN), which is a computational technique inspired on the structure of human neurons. Several models were developed and their performance was evaluated by the determination coefficient (R2) and relative errors, shown by the relationship between simulated and real data. The best model was selected to be applied in the simulation of the influence of WWR and electrical energy consumption. The results showed that the WWR index has influence on the residential consumption of the dwellings studied and that NE orientation causes the lowest impact on electrical energy consumption. Furthermore, an ideal range of WWR/volume between 0,06 and 0,07 is related to the lowest energy consumption per constructed area in the city of São Carlos. / Neste trabalho buscou-se verificar a influência da área de janelas no consumo de energia elétrica de residências localizadas na cidade de São Carlos-SP. Para isso, aplicou-se o índice WWR (do inglês window-to-wall ratio), que representa a razão entre a área de janela e a área de superfície externa (parede). A metodologia aplicada envolveu pesquisa de campo, modelagem e simulação computacional. Inicialmente foi feita uma verificação das características do consumo de energia elétrica para toda a área da cidade de São Carlos, a partir de uma base de dados pré-existente. Em função desses dados, foram selecionadas edificações específicas, para as quais foi realizado um levantamento in loco. Os dados de campo permitiram determinar parâmetros construtivos (orientação, volume e área construída, áreas de fachadas e áreas de janelas), os quais foram direta ou indiretamente utilizados como dados de entrada para uma modelagem do consumo de energia elétrica das residências amostradas. A modelagem foi desenvolvida por aplicação de Redes Neurais Artificiais (RNA), uma técnica computacional inspirada na estrutura dos neurônios humanos. Assim, foram desenvolvidos diversos modelos e verificados os seus desempenhos através do coeficiente de determinação (R2) e erros relativos apresentados pela relação entre dados simulados e dados medidos. O modelo de melhor desempenho foi selecionado para simular a influência do WWR no consumo de energia elétrica. Os resultados apontaram que o índice WWR tem influência sobre o consumo das residências amostradas e que há influência da orientação, sendo a orientação Nordeste a menos impactante no consumo de energia elétrica. Além disso, uma faixa de valor de WWR/volume construído entre 0,06 e 0,07 está relacionada à promoção do menor consumo de energia por área construída na cidade de São Carlos.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / This work presents an optimization methodology for lighting systems that employ LED. Initially, this work brings a calculation methodology capable of obtaining a thermal resistance of heat sink from their dimensions of area, besides enable optimization of the system through reducing their volume by through of change in the number of finned, length and consequently the weight of heat sink. Subsequently, the thesis present a new optimization methodology that has the objective of find the optimal point of operation lighting system taking into consideration the parameters of application current in the device, luminous flux, junction temperature, thermal resistance heat sink, number of LED and lifetime. An example of project is shown, confirming the theory, where the obtained results through of routine calculation coincided with the values found in experimental. The work also present the development of electronic topologies to power a public lighting system employing LED. Therefore, a driver to power of LED based in the integrated two-flyback converters was proposed. One prototype this system was implemented, where the luminaire provide a power of 63W. The experimental results proved the project methodology through of system satisfactory operation, presenting power factor near unit, high efficiency and a low input current distortion was obtained. / Este trabalho apresenta uma metodologia de otimização para sistemas de iluminação que empregam LEDs. Inicialmente, traz-se uma metodologia de cálculos capaz de obter a resistência térmica de dissipadores de calor a partir de suas dimensões de área, além de possibilitar a otimização do sistema através da redução do volume do mesmo por meio da variação do número de aletas, do comprimento e consequentemente da massa do dissipador. Posteriormente o trabalho apresenta uma nova metodologia de otimização que tem o objetivo de encontrar o ponto ótimo de operação do sistema de iluminação, levando-se em conta os parâmetros de corrente direta aplicada no dispositivo, fluxo luminoso, temperatura de junção, resistência térmica do dissipador, número de LEDs e vida útil dos mesmos. Um exemplo de projeto é demonstrado confirmando a teoria apresentada, onde os resultados obtidos através da rotina de cálculos coincidiram com os valores encontrados experimentalmente. O trabalho também apresenta o desenvolvimento de uma topologia eletrônica para alimentar um sistema de iluminação pública empregando LEDs. Dessa maneira, um driver para acionamento de LEDs baseado na integração de dois conversores flyback foi proposto. Um protótipo desse sistema foi implementado, onde a luminária apresenta uma potência de 63W. Resultados experimentais comprovam a metodologia de projeto através da operação satisfatória do sistema, apresentando fator de potência próximo ao unitário, elevada eficiência e o conteúdo harmônico da corrente de entrada do sistema de iluminação atendeu a norma.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This work presents the analysis and implementation of a connection between two power converters, applied to street lighting with LEDs. This connection is called optimized cascade. The main idea of this connection is the reduction of the processed energy by the second converter, increasing this way the system efficiency. Besides that, the electrolytic capacitor is eliminated, aiming the life-span increase of the converter. To do that, the capacitance is reduced, causing a low frequency ripple, which is compensated by the second converter. This way, it is possible to unify high eficiency with long life-span on this converter. Such characteristics are considered fundamentals on LED driver. To prove the idea, two prototypes were built, one based on feedback control scheme and the other on a feedback plus feedforward control scheme. Both had shown good results, however the feedback plus feedforward controller proved to be more effiective on the active compensation of the low frequency ripple. In the end, a comparison between the two most used topologies on LED driver with the optimized cascade was performed. The results had shown a possible application range, advantages e limitations of this idea. / Este trabalho apresenta a análise e implementação de uma conexão entre dois conversores de potência, com aplicação para iluminação pública com LEDs. Essa conexão foi chamada de cascata otimizada. A principal ideia dessa conexãoo é a minimização da energia processada pelo segundo conversor, aumentando assim a eficiência do sistema. Além disso, o capacitor eletrolítico é eliminado desta topologia com o intuito de aumentar a vida útil do sistema. Para tal, a capacitância é reduzida, sendo a ondulação de baixa frequência, proveniente de tal redução, compensada ativamente pelo segundo conversor. Com isso, é possível unir alta eficiência e durabilidade, características consideradas fundamentais em um driver para LEDs. Para provar a ideia, dois protótipos foram desenvolvidos, um baseado em controle feedback e o outro baseado na união de um controle feedback com feedforward. Ambos mostraram bons resultados, o entanto o controle feedback mais o feedforward mostrou-se mais eficaz na compensação ativa da ondulação de barramento. Por fim, uma comparação entre as duas topologias mais utilizadas em drivers para LED e a cascata otimizada foi realizada. Os resultados obtidos mostraram sua possível faixa de aplicação, bem como vantagens e limitações.

Made available in DSpace on 2015-04-01T11:58:39Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Arquivototal.pdf: 5598319 bytes, checksum: 7939bc1053cd6202d44bb40f8dab05b2 (MD5) Previous issue date: 2013-10-04 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / Daylight can provides human health and well-being, as well as economic benefits. Daylight can creates interesting interiors supportive of human health and energy can be saved by dimming down or switching off electric lighting that are not needed. The surrounding, the building design and the daylight system are key elements of the greater or lesser possibility of use of the natural light. This Master s dissertation aims to study the potential use of the natural light, considering the minimum window size required on João Pessoa Paraíba Brazil legislation (JOÃO PESSOA, 1971) for residential spaces illuminated by pass-through and conduction components. A series of computer simulations were used in evaluating the daylight availability, provided by Daysim. There were carried on 480 simulations by associating five residencial rooms living room/bedroom 01; bedroom 02; maid s room; kitchen and bathroom and six design variants opaque and transparent sill; protruding and enclosed balcony; balcony s depth (1,20; 1,50; 2,00; 2,50 e 3,00 m), maximum plot ratio allowed; floor level (ground level and fourth floor); and North, East, South, and West facade orientations. Daylight Autonomy (DA) and Useful Daylight Illuminance (UDI) are the performance indicators used to predict the rooms performance using dynamic daylight simulations. Around 40% of the models have fell-short levels of Useful Daylight Illuminance. Protruding or enclosed balcony, opaque or transparent sill, and floor level affects the levels of natural lighting in rooms. / O uso da luz natural como fonte de iluminação além dos impactos positivos no bem-estar físico e mental do homem possui vantagens econômicas. A possibilidade de economia de energia elétrica depende da obtenção do nível de iluminamento requerido, de forma total ou complementar. O entorno e a edificação, através dos componentes de passagem e condução da luz, são elementos determinantes da maior ou menor possibilidade de aproveitamento da luz natural. Nesse aspecto, este trabalho tem como objeto de estudo o potencial de aproveitamento da luz natural, considerando as dimensões mínimas permitidas pelo Código de Obras de João Pessoa, em ambientes residenciais com sistema de iluminação natural composto de componentes de passagem associados a componentes de condução. O método para a análise do comportamento da luz natural foi simulação computacional, tendo sido o utilizado o software Daysim. Foram realizadas 480 simulações para cinco ambientes sala/quarto 01, quarto 02, quarto de empregados, cozinha e banheiro , associando três variáveis no componente de condução peitoril transparente e opaco; componente de condução saliente e encravado; e profundidade do componente de condução (1,20; 1,50; 2,00; 2,50 e 3,00 m) e três variáveis associadas ao entorno entorno construído a partir do critério de máxima ocupação do solo; altura do pavimento (térreo e 4º pavimento); e orientação (Norte, Leste, Sul e Oeste). Os parâmetros de análise foram a Iluminância Natural Útil (INU) e a Autonomia da Luz Natural (ALN). Considerando as variáveis e os parâmetros adotados, aproximadamente 40% dos modelos simulados apresentam iluminação natural insuficiente. Os fechamentos laterais (saliente ou encravado), a transparência desses fechamentos e o pavimento destacam-se como variáveis que interferem significativamente nos níveis de iluminação natural.

O presente trabalho procura sistematizar o estudo sobre aproveitamento máximo da luz natural por meio do uso de um elemento da arquitetura passiva, a prateleira de luz (lightshelf), visando à redução do consumo de energia elétrica em iluminação artificial de salas de aula. Este tipo de elemento de proteção solar, colocado na parte superior da janela, favorece a distribuição e o controle da luz diurna e da luminância excessiva, proporcionando uma melhor percepção visual, quando houver quantidade e qualidade de luz suficiente. A partir do modelo reduzido de uma sala de aula pré-determinada do Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Unidade de Curitiba, foram testadas experimentalmente várias situações com as prateleiras de luz. A metodologia utilizada abrange as seguintes etapas: medições dos níveis de iluminamento com luxímetros digitais, em pontos pré-fixados no interior do modelo em escala reduzida da sala de aula; simulação das condições de exposição ao Sol, considerando diversos períodos do dia e épocas do ano por meio do uso de Relógio de Sol; análise de situações diversas do uso das prateleiras de luz; tabulação e análise dos resultados. Estas medições foram realizadas em três fases: (1) um pré-teste, com a finalidade de testar a maquete e o método proposto; (2) medições com as prateleiras de luz planas, cujos resultados foram comparados com algumas situações simuladas pelo computador, realizadas com a ajuda dos softwares ECOTECT e RADIANCE; (3) foram propostos novos tipos de prateleiras - côncava, convexa, côncava/convexa, e prateleiras planas com inclinação de 25°. As melhores configurações para estes novos tipos de prateleiras foram estudadas com o auxílio do software AUTOCAD 2002. Como resultado, observou-se que a prateleira de luz pode proporcionar iluminação natural mais uniforme, diminuindo o ofuscamento existente próximo às janelas, contribuindo para o melhoramento do balanço do brilho do espaço. Observou-se também que, com os tipos de prateleiras estudados no AUTOCAD 2002, houve um aumento da iluminação nos pontos mais distantes da janela. De acordo com os resultados obtidos, pode-se comprovar que o Sol pode ser usado como fonte de luz, desde que seja controlado por sistemas de iluminação natural bem projetados. / The purpose of the present dissertation is to organize systematically the study of adequate use of daylight by means of an element of passive architecture, the lightshelf, aiming at reducing electric energy consumption for artificial lighting in classrooms. This kind of solar shading element, placed at the upper part of a window, provides daylight control and its distribution, promoting a better visual perception, once there is sufficient daylight, qualitatively and quantitatively. Using a scale-model of a chosen classroom of the Centro Federal de Educação Tecnológica do Paraná, Curitiba, different situations were tested with a lightshelf. The used method comprehends following steps: illuminance measurements with digital luxmeters, in prefixed points inside the scale-model; simulation of solar exposition conditions, considering different periods of the day and of the year using sundials; analysis of different situations of lightshelves; data tabulation and analysis. These measurements were carried out in three phases: (1) a pre-test, aiming at testing the procedure; (2) measurements with horizontal lightshelves, comparing results with computer simulations with ECOTECT and RADIANCE; (3) innovative lightshelf types were proposed – concave, convex, concave/convex, and horizontal lightshelves with 25° tilt. Best configurations were studied graphically, with AUTOCAD 2002. As a result, it was noticed that the lightshelf might provide daylight more uniformly, reducing glare close to the window. Also, it was observed that with the innovative lightshelves, from the AUTOCAD study, there was even a daylight increase in the most distant points from the windows. According to the results, it can be proved that the direct sunlight may be used as a light source, once it is controlled by well-projected daylight systems.

CAPES / Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre dois modos de conexão de conversores CC-CC empregados em lâmpadas LED para iluminação pública. Uma das conexões é baseada na técnica conhecida como Reduced Redundant Power Processing e a outra é a conexão série de conversores estáticos. Os conversores SEPIC e buck-boost foram implementados, respectivamente, nos estágios de correção do fator de potência e controle de potˆencia demandada pela carga. Ambos os conversores operam em modo de condução descontínua de corrente. Protótipos de 70 W foram implementados para os dois tipos de conexão. Os resultados experimentais obtidos mostram o desempenho de cada tipo de conexão. Ambas as conexões estão em conformidade à norma IEC 61000-3-2 Classe C e as recomendações práticas IEEE Std 1789-2015. ´E realizada uma discussão sobre as vantagens e desvantagens de cada modo em estudo. / This work presents a comparative study between two different connections of DC-DC converters used in LED lamps for street lighting. One of the connections is based on the technique known as Reduced Redundant Power Processing and the other one is the series connection of static converters. The SEPIC and buck-boost converters were implemented, respectively, in the power factor correction and power control demanded by the load stages. Both of the converters operate in the discontinuous conduction mode of current. Prototypes of 70 W were developed for the two connection types. The experimental results obtained shows the performance of each connection type. Both of the connections are in compliance with the IEC 61000-3-2 Class C standard and the practicals recommendations IEEE Std 1789-2015. A discussion is realized about the advantages and disadvantages of each connection type.

A utilização de luminárias baseadas em diodos emissores de luz (LED) é uma tendência para iluminação de interiores e para iluminação pública devido a sua alta durabilidade e eficiência. Apesar destas características desejáveis impulsionarem a utilização de LEDs na iluminação, a vida útil dos drivers utilizados para o acionamento de LEDs de potência, baseados em topologias tradicionais, pode ser inferior a vida útil do próprio LED. Estes drivers são, geralmente, constituídos de topologias que utilizam capacitores eletrolíticos, que tem baixa vida útil, principalmente, em altas temperaturas de operação. Assim, este trabalho propõe uma luminária LED para iluminação pública que seja baseada em drivers modulares. Esta metodologia, visa o aumento da vida útil dos drivers, bem como a manutenção do funcionamento da lâmpada mesmo quando um dos módulos falhar. O projeto dos drivers eletrônicos e a modelagem matemática dos conversores é apresentada. Além disso, são apresentados resultados experimentais obtidos através de um protótipo com 50W (dois módulos com potência média de 25W, cada um). / The use of LED based luminaires is a tendency for both indoor and street lighting, due to its high durability and efficiency. Despite these desirable features propel the use of LEDs on lighting systems, the lifespan of its drivers can be lower than the LED itself. Such drivers are usually based on topologies that make use of electrolytic capacitors, which present low durability, mainly in high temperatures. Therefore, this work proposes a LED luminaire for street lighting based on modular drivers. This approach intends to increase the lifetime of the drivers, as well as maintain the luminaire in operation even with one or more modules failure. The design of the electronic drivers and the technique used for the mathematical modeling of the converters are presented. Furthermore, the obtained experimental results from a prototype with rated power of 50W (two modules with rated power of 25W each one) are presented.

CAPES / Esta dissertação apresenta um estudo comparativo entre dois modos de conexão de conversores CC-CC empregados em lâmpadas LED para iluminação pública. Uma das conexões é baseada na técnica conhecida como Reduced Redundant Power Processing e a outra é a conexão série de conversores estáticos. Os conversores SEPIC e buck-boost foram implementados, respectivamente, nos estágios de correção do fator de potência e controle de potˆencia demandada pela carga. Ambos os conversores operam em modo de condução descontínua de corrente. Protótipos de 70 W foram implementados para os dois tipos de conexão. Os resultados experimentais obtidos mostram o desempenho de cada tipo de conexão. Ambas as conexões estão em conformidade à norma IEC 61000-3-2 Classe C e as recomendações práticas IEEE Std 1789-2015. ´E realizada uma discussão sobre as vantagens e desvantagens de cada modo em estudo. / This work presents a comparative study between two different connections of DC-DC converters used in LED lamps for street lighting. One of the connections is based on the technique known as Reduced Redundant Power Processing and the other one is the series connection of static converters. The SEPIC and buck-boost converters were implemented, respectively, in the power factor correction and power control demanded by the load stages. Both of the converters operate in the discontinuous conduction mode of current. Prototypes of 70 W were developed for the two connection types. The experimental results obtained shows the performance of each connection type. Both of the connections are in compliance with the IEC 61000-3-2 Class C standard and the practicals recommendations IEEE Std 1789-2015. A discussion is realized about the advantages and disadvantages of each connection type.

A utilização de luminárias baseadas em diodos emissores de luz (LED) é uma tendência para iluminação de interiores e para iluminação pública devido a sua alta durabilidade e eficiência. Apesar destas características desejáveis impulsionarem a utilização de LEDs na iluminação, a vida útil dos drivers utilizados para o acionamento de LEDs de potência, baseados em topologias tradicionais, pode ser inferior a vida útil do próprio LED. Estes drivers são, geralmente, constituídos de topologias que utilizam capacitores eletrolíticos, que tem baixa vida útil, principalmente, em altas temperaturas de operação. Assim, este trabalho propõe uma luminária LED para iluminação pública que seja baseada em drivers modulares. Esta metodologia, visa o aumento da vida útil dos drivers, bem como a manutenção do funcionamento da lâmpada mesmo quando um dos módulos falhar. O projeto dos drivers eletrônicos e a modelagem matemática dos conversores é apresentada. Além disso, são apresentados resultados experimentais obtidos através de um protótipo com 50W (dois módulos com potência média de 25W, cada um). / The use of LED based luminaires is a tendency for both indoor and street lighting, due to its high durability and efficiency. Despite these desirable features propel the use of LEDs on lighting systems, the lifespan of its drivers can be lower than the LED itself. Such drivers are usually based on topologies that make use of electrolytic capacitors, which present low durability, mainly in high temperatures. Therefore, this work proposes a LED luminaire for street lighting based on modular drivers. This approach intends to increase the lifetime of the drivers, as well as maintain the luminaire in operation even with one or more modules failure. The design of the electronic drivers and the technique used for the mathematical modeling of the converters are presented. Furthermore, the obtained experimental results from a prototype with rated power of 50W (two modules with rated power of 25W each one) are presented.

Este trabalho estuda o uso de ferramentas de simulação computacional para projetos de iluminação em arquitetura. As diversas possibilidades de uso das ferramentas são testadas nos softwares ECOTECT v5.20 e Lumen Designer 2006, através de simulações realizadas para o edifício do Santander Cultural, em Porto Alegre (RS). O objetivo da pesquisa é auxiliar no entendimento das ferramentas de simulação computacional de iluminação pelos arquitetos e difundí-las em escritórios de arquitetura através da compreensão das facilidades e dificuldades que os arquitetos encontram no uso dessas ferramentas no dia-adia. Para tanto, a revisão de literatura baseia-se na relação entre iluminação, arquitetura e eficiência energética, fundamentos da luz, conforto visual, uso de simulação computacional em arquitetura e apresentação de softwares existentes no mercado. A metodologia desenvolve-se a partir da aplicação da simulação da luz, tendo sido simulados espaços destinados a escritórios, a fachada principal e o átrio central do edifício do Santander Cultural. Cada um dos espaços se destina a um tipo de uso e têm uma demanda diferente de iluminação, possuindo peculiaridades que permitem avaliar o comportamento da simulação computacional de iluminação em contextos diversos. Os resultados desta avaliação mostram a existência de softwares de simulação de iluminação para diferentes finalidades, e mostram ainda que cada tipo pode adaptar-se melhor a determinados casos (avaliações de quantidade de iluminação, de qualidade de iluminação, estudos acadêmicos). Apresenta-se, portanto, um grande potencial de uso das ferramentas, quando adequadas ao caso em que serão utilizadas, pois existindo uma melhor compreensão do objetivo a que se destinam, torna-se mais fácil compreender também as respostas geradas. / This work presents computer simulation use in architectural lighting projects. Simulation tools have many possibilities of use in lighting projects and in this research these possibilities are tested in ECOTECT v5.20 e Lumen Designer 2006. Some simulations were developed to the Santander Cultural building, in Porto Alegre (RS). The aim of this work is to provide computer simulation tools understanding and spread it out amongst architects, providing comprehension of its facilities and difficulties. The literature revision was based on possible existing relationship between architecture, lighting and energy efficiency, lighting fundamentals and visual comfort, computer simulation use in architecture and some softwares presentation. The methodology is based on simulation lighting tests and aplied to office spaces, façades and the atrium of Santader Cultural building. Each of these spaces have a different way of use and lighting need, permiting to evaluate the possibilities of lighting simulation in different contexts. Evaluation results show the existence of lighting simulation softwares for many purposes, and also show that each of them can better adapted to specific cases (quantitative and qualitative lighting evaluation, and academic researches). To conclude, is presented the potencial use of simulation tools when adapted to specific cases where they will be applied and whenever the objective comprehension is presented, it becomes easier to understand the answers regarding simulations.