Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The classrooms are the more permanent environments at schools; therefore their thermal, visual and acoustic characteristics must be carefully considered. Visual comfort can be achieved only with daylighting; artificial lighting is necessary when the daylighting is insufficient. The artificial lighting is responsible for high energy consumption in buildings. According to Klüsener (2009), who analysed a building of UFSM in accordance with Brazilian energy efficiency standards (RTQ-C), the artificial lighting systems reached the level E (on a A-E scale). In general, simple actions could be improving the energy efficiency of the building lighting system. Considering that the university buildings have a similar performance, the adaptation of lighting systems is important for low-energy consumption. This study aims to define classrooms guidelines for visual comfort in accordance with illuminance levels available and their distribution on the work surface where tasks are performed, as well as the energy efficiency of the classrooms lighting systems. The classrooms were selected to represent the existing universe buildings. The classrooms were characterized with regard to dimensions, surface light reflections, opening systems, solar orientation, sun shading systems, external obstructions and artificial electrical lighting systems. The illuminance levels were measured in two classrooms simultaneously with Instrutherm luximeters, model LDR 225. The measurements were in accordance with the Brazilian standards (NBR 15215) and were carried out at six points on an orthogonal grid. A comparative analysis was made for the classrooms that were simultaneously measured. Additionally the partial RTQ-C lighting criteria were applied on the classrooms lighting systems and the theoretical external illuminance levels were calculated in order to generate the daylight factor (DF). The results pointed that the internal daylight distribution is affected by external obstructions that reduce the portion of visible sky and these are not considered in the windows design. For simultaneous daylighting and artificial lighting, the illuminance levels are excessive and poorly distributed; consequently they cause high energy consumption. The existence of unnecessary sun shading systems, for southern solar orientations and for windows with complete sky obstructions, contributes for the insufficient classrooms illuminance levels. The RTQ-C criteria analysis point levels E and C for the classrooms. In general, the DF do not correspond to expected values indicated by international recommendations. / As salas de aula, por serem ambientes de maior permanência dos alunos, devem possuir condições de conforto térmico, visual e acústico adequadas. O conforto visual pode ser obtido com a iluminação natural ou com auxilio da artificial quando a natural não é suficiente. Quando se utiliza a iluminação artificial, existe a preocupação com o consumo energético da edificação. Segundo estudos realizados por Klüsener (2009), que aplicou o Regulamento Técnico da Qualidade para Etiquetagem do Nível de Eficiência Energética de Edifícios (RTQ-C) em uma edificação do campus da UFSM em Camobi, o sistema de iluminação é de baixa eficiência energética, tendo atingido o nível E. No entanto, segundo o mesmo estudo, existe um potencial para a melhoria da eficiência energética a partir de ações simples. Partindo-se do pressuposto que as outras edificações da universidade possuem um desempenho semelhante, percebe-se a importância de adequar os seus sistemas de iluminação a fim de reduzir o consumo de energia. Esse trabalho tem como objetivo apontar diretrizes que visem o conforto visual no que diz respeito aos níveis de iluminância disponíveis e sua distribuição no ambiente, bem como à eficiência energética de sistemas de iluminação de salas de aula. Para isso, foram selecionadas salas de aula que fossem representativas do universo existente no campus. Após, foram feitos os levantamentos de suas características físicas (dimensões, cores das superfícies, tipos de aberturas, orientação solar, tipos de proteções solares, presença de obstruções externas, tipos e distribuição de luminárias e lâmpadas) e foram realizadas medições in loco com luxímetros digitais da marca Instrutherm, modelo LDR 225 e segundo recomendações da NBR 15215 (ABNT, 2005d). Também foi feita uma análise parcial segundo os Requisitos Técnicos da Qualidade para o Nível de Eficiência Energética de Edifícios Comerciais, de Serviços e Públicos (RTQ-C) e uma análise comparativa entre os níveis de iluminância medidos e os coeficientes de contribuição de iluminação natural (CIN) estimados. Com os resultados obtidos, verificou-se que a distribuição da iluminação natural é afetada por condições do entorno que causam obstruções do céu visível, não sendo consideradas no projeto das aberturas. Nas medições com iluminação natural mais artificial, os níveis são excessivos e mal distribuídos, causando consumo desnecessário de energia. As proteções solares presentes nas orientações a norte desconsideram as condições do entorno. A avaliação parcial através da aplicação dos requisitos específicos do RTQ-C para os sistemas de iluminação resultou em nível E para as salas do CE e em nível C para as outras. Os CIN calculados em grande parte do tempo não corresponderam aos valores teóricos esperados para salas de aula, conforme literatura.

O consumo de energia nos diferentes setores da economia cresce continuamente devido aos hábitos de consumo, aumento da população e necessidades tecnológicas atuais; considerando o efeito deste aumento de consumo sobre os recursos naturais, a conscientização da importância do uso racional da energia é cada dia um tópico de maior relevância em todo o mundo. Ante a crescente necessidade de reduzir o consumo energético das edificações, algumas metodologias apresentam-se como ferramentas úteis para o alcance deste fim, uma delas é a auditoria energética. A auditoria energética é um mecanismo para entender o desempenho energético de edifícios, através dela é possível detectar problemas operacionais, aumentar o conforto dos ocupantes e otimizar o uso da energia. O presente estudo utilizou uma metodologia de auditoria energética para conhecer o comportamento energético de diferentes prédios do setor terciário especificamente do setor educacional, pertencentes a Universidade de São Paulo (USP). A metodologia foi aplicada em diferentes edificações do setor, e a mesma incluiu a utilização de medições de variáveis elétricas, medições de iluminação segundo as normas preconizadas, software para estudo de usos finais e ferramentas de simulação computacional como o software Dialux e o EnergyPlus. As melhores oportunidades de eficiência energética foram avaliadas técnica e economicamente, comparando cenários para a execução de estratégias com diferentes tecnologias comercialmente disponíveis no mercado. A avaliação econômica incluiu a utilização de figuras de mérito como o tempo de payback, a taxa interna de retorno (TIR), o custo de ciclo de vida (LCC), o custo de ciclo de vida anualizado (ALCC) e o custo da energia conservada (CEC). Os resultados validam a auditoria energética como método para tomada de decisões no sentido de eleger as melhores ações de eficiência energética para uma edificação. / The energy consumption in different sectors of the economy grows continuously due to consumption habits, increase in population and current technological needs; considering the negative effect of this increased consumption the environment, awareness of the significance of rational use of energy is a topic of great importance worldwide. Faced with the growing need to optimize the energy consumption of buildings, some methodologies are presented as useful tools for achieving this goal, one of them is the energy audit. The energy audit is a mechanism to understand the energy performance of buildings and facilities, through it is possible to detect operational problems , increase occupant comfort and optimize energy use. The present study used a methodology of energy audit to understand the energy performance of different buildings of the tertiary sector and specifically in educational sector buildings belonging to the University of São Paulo ( USP ) . The methodology was applied in different buildings of this sector , and it included the use of power measurements, lighting measurements according to the standards, energy end-use software and computer simulation tools such as Dialux and EnergyPlus software .The best opportunities for energy efficiency were evaluated by comparing scenarios for the implementation of strategies with different technologies commercially available. The economic evaluation included the use of financial analysis tools such as payback time , the internal rate of return (IRR ) , the Life Cycle Cost (LCC) , the Annualized Life Cycle Cost (ALCC) and the Cost of Saved Energy (CSE) . The results validate energy audit as a method for decision making in order to select the best energy efficiency strategies for a building.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis aims to present the design and development of an Energy Harvesting (EH) circuit applied to wireless sensor networks (WSN), especially those that perform functions in lighting systems, such as monitoring or control. The primary function of an Energy Harvesting system is to convert, condition and manage energy from an available source in the environment, in order to power low power consumption devices, which usually would be fed by batteries. The most used energy sources in EH systems are solar, wind, electromagnetic waves, mechanical vibration and thermal differences. Thus Energy Harvesting is an alternative to increase the autonomy or even eliminate the use of batteries for portable, implanted or remote located devices. Initially, an analysis of the most appropriate energy sources to power wireless sensors networks is performed, taking into aspects such as energy density, advantages and disadvantages. Subsequently, the proposed EH circuit is developed and tested. One of the specific objectives is that the EH proposed circuit is capable to being adapted for different energy sources. The proposed circuit consists of two stages, the first is a pre-amplifier and rectifier based on Villard multiplier. The second stage consists of a low-power boost converter with a synthesized inductor. The circuit is able to operate with minimum input voltages about 0.3 V, reaching maximum output of 5 V and 100mW of power. / A presente dissertação tem por objetivo apresentar a concepção e o desenvolvimento de um circuito Energy Harvesting (EH) aplicado a redes de sensores sem fio, notadamente aquelas que desempenham funções relacionadas a sistemas de iluminação, como por exemplo, monitoramento ou controle. A função primordial de um sistema EH é obter, converter, condicionar e gerenciar energia proveniente de uma fonte disponível no meio ambiente, de modo que esta alimente dispositivos de baixo consumo que usualmente seriam alimentados através de pilhas ou baterias. As fontes de energia mais empregadas para sistemas EH são solar, eólica, ondas eletromagnéticas, diferenças térmicas e vibrações mecânicas. Desse modo, Energy Harvesting é uma alternativa para o aumento da autonomia ou mesmo da eliminação do uso de baterias para dispositivos portáteis, implantados, ou dispositvos que se encontram locais remotos. Inicialmente, uma análise das fontes de energia mais propícias para a alimentação de uma rede de sensores sem fio é realizada, tendo em vista aspectos como densidade de energia, vantagens e desvantagens. Posteriormente, a topologia de circuito EH proposta é desenvolvida e testada. Um dos objetivos específicos é que o circuito EH proposto possa ser adaptado para diferentes fontes de energia. O circuito proposto é composto por dois estágios, o primeiro, é um pré-amplificador e retificador, baseado no multiplicador de Villard. O segundo estágio é composto por um conversor Boost de baixa potência, cuja indutância é sintetizada por meio de um circuito do tipo Gyrator. O circuito é capaz de operar com tensões de entrada mínima de 0,3 V, atingindo saída máxima de 5 V e 100 mW de potência.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This thesis presents the study and characterization of organic light-emitting diodes (OLEDs) with the proposal of obtaining an equivalent model that is useful in the OLED driver design and in lighting systems projects. Initially, a literature review covering the operating principle and the constructive aspects of OLEDs is presented. From this, a model that integrates scale, photometrical, electrical and thermal aspects is proposed. This model is static and dynamic and is called EFET. A procedure for parameter identification of the model is proposed, jointly with an analysis of the intrinsic capacitance effect on the OLED electrical, thermal and photometrical performance. The proposed model is able to predict and simulate the OLED based lighting systems before building, saving time and cost. The model is validated using different OLED samples and conclusions are derived from the experimental validation and simulation results. An approach considering the dimming methods of OLEDs is presented, showing the chromatic impact caused by each method. Finally, an OLED driver based on the concept of switched capacitor converters is proposed. The thesis results are satisfactory and provide an enhancement to the state of the art in modeling and OLED driving. / A presente tese de doutorado apresenta o estudo e a caracterização de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) com a proposta de um modelo equivalente que é útil no desenvolvimento de circuitos de acionamento e na análise de OLEDs, quando aplicados em sistemas de iluminação. Inicialmente, é apresentada uma revisão bibliográfica contemplando o princípio de funcionamento e os aspectos construtivos dos OLEDs. A partir disto, um modelo que integra os aspectos de escala, fotométricos, elétricos e térmicos é proposto. Esse modelo é denominado EFET e é dividido em estático e dinâmico. Uma proposta de procedimento para identificação dos parâmetros do modelo é apresentada, juntamente com a análise do efeito da capacitância intrínseca dos OLEDs no seu desempenho elétrico, térmico e fotométrico. Com o modelo proposto pode-se predizer e simular o comportamento dos OLEDs antes de construir o sistema de iluminação, reduzindo custos e tempo de desenvolvimento. O modelo é validado empregando diferentes amostras de OLEDs. Conclusões são obtidas a partir da validação experimental e de simulações empregando simuladores elétricos e da fluidodinâmica computacional através do método de elementos finitos. Uma abordagem considerando os métodos de ajuste da intensidade luminosa de OLEDs é apresentada, evidenciando o impacto cromático provocado por cada método. Por fim, um circuito de acionamento para OLEDs baseado no conceito de capacitores chaveados é proposto. Os resultados obtidos são satisfatórios e proporcionam um incremento ao estado da arte da modelagem e acionamento de OLEDs.