Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO CAPITULO 2 MARCO TEORICO 2.1 Radiación Solar Se conoce por radiación solar al conjunto de radiaciones electromagnéticas que son emitidas por el Sol y que van desde el infrarrojo hasta el ultravioleta. La unidad práctica que describe la radiación solar que llega a la tierra es la irradiancia, o unidad de potencia por metro cuadrado [W/m²]. La radiación solar media recibida en superficie, expresada en W/m 2 y representada en la figura 2.1, oscila entre un máximo de unos 275 W/m 2 en las regiones despejadas de nubosidad del Sahara y Arabia, hasta un mínimo de 75 W/m2 en las islas brumosas del Ártico. La media global es de 170 W/m 2. Figura 2.1 Intensidad de la Radiación Solar en la superficie terrestre. Fuente: [8] Las radiaciones electromagnéticas, son ondas producidas por la oscilación o la aceleración de una carga eléctrica. Las ondas electromagnéticas tienen Oscar González Jorge Ibarra 20 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO componentes eléctricos y magnéticos. Las ondas electromagnéticas viajan en el vacío a la rapidez de la luz, transportando energía y cantidad de movimiento desde alguna fuente a un receptor. Existen muchas formas de ondas electromagnéticas que se distinguen por sus frecuencias y longitudes de onda, las cuales varían en un amplio rango. Esta variación es porque las fuentes que producen las ondas son completamente diferentes. El espectro electromagnético (figura 2.2) no tiene definidos límites superior ni inferior. La luz, llamada también luz visible o luz blanca, es uno de los componentes del espectro electromagnético, y se define como aquella parte del espectro de radiación que puede percibir el ojo humano. Figura 2.2. El espectro electromagnético y la luz visible. Fuente: [9] La radiación solar que llega a la Tierra, se conoce también con el nombre de radiación de onda corta, por los valores de longitud de onda en los que se concentra el máximo de emisión de energía solar. La atmósfera es mayormente Oscar González Jorge Ibarra 21 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO transparente a la radiación solar entrante. Considerando, como se ilustra en la (fig. 2.3), que al tope de la atmósfera llega un 100% de radiación solar, sólo un 25% llega directamente a la superficie de la Tierra (radiación directa) y un 26% es dispersado por la atmósfera como radiación difusa hacia la superficie, esto hace que un 51% de radiación llegue a la superficie terrestre. Un 19% es absorbido por las nubes y gases atmosféricos. El otro 30% se pierde hacia el espacio, de esto la atmósfera dispersa un 6%, las nubes reflejan un 20% y el suelo refleja el otro 4%. Entonces la radiación solar que llega a la atmósfera puede ser dispersada, reflejada o absorbida por sus componentes. Esto depende de la longitud de onda de la energía transmitida y del tamaño y naturaleza de la sustancia que modifica la radiación. Figura 2.3 Esquema de distribución de la radiación solar en sistema tierra atmósfera. Fuente: [9] 2.2 La Radiación Solar en Paraguay A pesar de su clima bastante húmedo la radiación solar global en Paraguay es relativamente elevada. Sin embargo, no se cuenta con datos muy confiables Oscar González Jorge Ibarra 22 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO provenientes de mediciones terrestres por falta de estaciones de medición apropiadas. Prácticamente la única fuente de datos disponible para todo el país es el “Atmospheric Science Data Center” de la NASA [1], cuyos datos de promedios mensuales de radiación solar global se obtuvieron a través de mediciones satelitales sobre un periodo de más de 20 años. La distribución territorial de los datos con una resolución de 1° de longitud por 1° de latitud es bastante homogénea (ver fig. 2.4). Los promedios anuales de la radiación global horizontal oscilan entre 4,7 kWh/(m2d) en Itapúa y 5,1 kWh/(m2d) en Alto Paraguay. El cuadrante correspondiente a la Ciudad de Asunción y sus alrededores tiene un valor medio diario de 4,9 kWh/m2 o un promedio anual de 1788 kWh/m2. En Alemania, el líder mundial en la instalación de energía solar fotovoltaica, dicha radiación alcanza valores de solo 940 a 1050 kWh/m 2 según la región, es decir un poco más de la mitad de nuestro país. La variación interanual en la zona de Asunción es entre 2,9 kWh/(m 2d) para el mes de junio y 6,6 kWh/(m2d) para los meses de diciembre y enero. Dado que es en invierno, cuando las noches son las más largas y consecuentemente se cuenta con la mayor demanda de energía para el AP, es necesario optimizar la orientación de los paneles solares para dicha estación. La orientación óptima en el hemisferio sur para todo el año es el norte y la inclinación óptima para el invierno equivale a la latitud más 20°, es decir 45° para la zona de Asunción. De esta forma se tendrá una radiación global sobre el plano del panel solar de 4,2 kWh/(m2d) en junio y 5,5 kWh/(m2d) en enero. Oscar González Jorge Ibarra 23 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.4 Promedio de Radiación Global diaria de Paraguay, años 1983 a 2005. Fuente: [1]. 2.3 Introducción a la energía solar fotovoltaica La tecnología solar fotovoltaica (FV) consiste en la conversión directa de la radiación del Sol en electricidad. Esta conversión se realiza a través de la célula solar, unidad básica en la que se produce el efecto fotovoltaico. La energía solar fotovoltaica está indicada para un amplio abanico de aplicaciones donde se necesite generar electricidad, bien sea para satisfacer las necesidades energéticas de aquellos que no disponen de la red eléctrica Oscar González Jorge Ibarra 24 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO (sistemas fotovoltaicos autónomos) o bien para generar energía a la red eléctrica (sistemas conectados a la red). Se puede realizar una primera clasificación de los sistemas fotovoltaicos en función de si están o no conectados a la red eléctrica convencional: • Sistemas fotovoltaicos autónomos son aquellos que están aislados de la red eléctrica. • Sistemas fotovoltaicos conectados a la red son aquellos que están directamente conectados a la red eléctrica. Una de las principales características de los generadores fotovoltaicos que los diferencia de otras fuentes de energía renovable es que únicamente producen electricidad cuando reciben la luz del Sol (irradiancia solar) y además la cantidad de energía que generan es directamente proporcional a la irradiancia solar que incide sobre su superficie. Resulta evidente que en multitud de aplicaciones el consumo energético se produce independientemente de la radiación solar (claro ejemplo resulta un sistema de iluminación donde precisamente de lo que se trata es de tener energía durante la noche). En este tipo de aplicaciones es necesario incluir un sistema de almacenamiento energético o de acumulación, en los sistemas FV la energía producida por los módulos FV se almacena en baterías. En otras aplicaciones, como el bombeo de agua o los sistemas conectados a la red no necesitan baterías, en el primer caso la energía se acumula en forma de energía hidráulica mientras que en el segundo la energía se acumula en la propia red eléctrica. Oscar González Jorge Ibarra 25 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO En general, un sistema fotovoltaico (figura 2.5) estará formado por: • Un generador fotovoltaico. • Una batería de acumulación. • Un regulador de carga. • Un inversor. • El consumo. 2.3.1 El generador Fotovoltaico Es el encargado de transformar la energía del Sol en energía eléctrica. Está formado por varios módulos fotovoltaicos conectados en serie y/o paralelo, y a su vez cada módulo fotovoltaico está formado por unidades básicas llamadas células fotovoltaicas. La potencia que puede suministrar una única célula fotovoltaica típica es del orden de 3W. Este valor resulta pequeño para la mayoría de las aplicaciones, hace que el fabricante las agrupe conectándolas en serie y/o paralelo para formar los módulos fotovoltaicos. La potencia que puede suministrar un módulo fotovoltaico dependerá del número de células que posea. Un valor típico para módulos compuestos por 36 células conectadas en serie oscila entre los 50 y 100 W, dependiendo del área de cada una de las células. Si esta potencia aún resulta insuficiente para una determinada aplicación, el instalador conecta los módulos necesarios, en serie y en paralelo, hasta obtener la potencia requerida. 2.3.2 Sistema de baterías Oscar González Jorge Ibarra 26 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO La energía producida por el generador FV se acumula, en caso de ser necesario (ya se ha visto que los sistemas conectados a la red no necesitan baterías), en un sistema de baterías. De este modo la energía producida durante las horas de sol se puede utilizar durante la noche, o en momentos en los que no se disponga de la suficiente radiación solar para generar la energía necesaria. La batería es pues un elemento que va a estar cargándose y descargándose cíclicamente (p.ej. en un sistema de iluminación FV la batería se carga durante el día y se descarga en las horas de la noche). 2.3.3 Regulador de carga Para controlar los procesos de carga y descarga de la batería se utiliza un regulador de carga. Este elemento es el encargado de proteger la batería contra sobrecargas o contra sobredescargas excesivas que podrían resultar dañinas para la batería, acortando su vida útil. El modo de operación es bien sencillo: cuando el regulador detecta que la batería está siendo sobrecargada, desconecta el generador FV y cuando detecta que la batería está siendo sobredescargada, desconecta los consumos. Los módulos FV producen corriente continua (DC), que se puede almacenar directamente en baterías. Cuando se extrae potencia eléctrica de las baterías, ésta también es en forma de corriente continua. En el caso de que se desee dar servicio a determinados consumos que pueden ser en corriente alterna (AC) (como ocurre con la mayoría de los consumos que habitualmente estamos acostumbrados a utilizar) Oscar González Jorge Ibarra 27 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO es necesario disponer de un inversor que es un dispositivo electrónico encargado de transformar la corriente continua en corriente alterna con el máximo rendimiento posible. Figura 2.5 Estructura básica de un sistema fotovoltaico. Fuente: [2] 2.3.4 Cargas Los consumos o cargas que el sistema fotovoltaico ha de satisfacer (luminarias, batidoras, radio, TV, motores, etc.), pueden ser DC o AC. Se considera a los consumos como una parte substancial del sistema fotovoltaico ya que estos son los que determinan el tamaño del sistema (lo que se conoce como dimensionado del sistema FV). En algunos sistemas FV los consumos se conocen a priori con exactitud, como en el caso de sistemas de telecomunicación; pero en otros casos resulta extremadamente difícil predecir el consumo de una instalación, como puede ser en el caso de una instalación de electrificación rural donde el consumo viene definido por el tiempo de Oscar González Jorge Ibarra 28 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO utilización de las cargas por parte de un determinado usuario. Esta incertidumbre viene determinada por la dificultad de prever el comportamiento del usuario con su instalación. 2.3.5 Inversores Son dispositivos de acondicionamiento de potencia, no obstante existen otras variedades para otro tipo de aplicaciones específicas como son los convertidores DC/DC. Los convertidores DC/DC pueden resultar necesarios cuando se pretenda modificar la relación voltaje/corriente de una fuente DC. La situación más común se presenta en el acoplo de un generador fotovoltaico a una bomba de agua DC. Dependiendo del tipo de motor y el tipo de bomba utilizada puede resultar difícil acoplar la salida de un generador FV a la entrada eléctrica requerida por el motor. Cuando el generador puede producir suficiente potencia para operar la bomba, pero no puede producir suficiente corriente, se puede utilizar un convertidor DC/DC para incrementar la corriente disminuyendo la tensión de salida del generador FV. 2.4 Aplicaciones Los sistemas fotovoltaicos aprovechan la radiación solar, fuente inextinguible, local, no contaminante y silenciosa para la producción de electricidad. Las aplicaciones se pueden clasificar en dos grandes grupos: Instalaciones aisladas de la red eléctrica, dando lugar a los denominados sistemas fotovoltaicos autónomos, para electrificación rural, señalización, comunicaciones, bombeo de agua, etc. Oscar González Jorge Ibarra 29 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Instalaciones conectadas a la red eléctrica: centrales fotovoltaicas y edificios conectados a red. 2.4.1 Sistemas fotovoltaicos autónomos Producen electricidad sin ningún tipo de conexión con la red eléctrica, a fin de dotar de este tipo de energía al lugar donde se encuentran ubicadas. Pueden distinguirse dos bloques: Aplicaciones espaciales: sirven para proporcionar energía eléctrica a elementos colocados por el ser humano en el espacio, tales como satélites de comunicaciones, la Estación Espacial Internacional, etc. La investigación en esta área propició el desarrollo de los equipos fotovoltaicos tal y como los conocemos en la actualidad. Aplicaciones terrestres, entre las que cabe destacar las profesionales: – Telecomunicaciones: telefonía rural, vía radio; repetidores (de telefonía, televisión, etcétera). – Electrificación de zonas rurales y aisladas: estas instalaciones, que se pueden realizar en cualquier lugar, están pensadas para países y regiones en desarrollo y todas aquellas zonas en que no existe acceso a la red eléctrica comercial: viviendas aisladas, de ocupación permanente o periódica, refugios de montaña, etc. – Señalización: se aplica, por ejemplo, a señales de tráfico luminosas, formadas por diodos LED, alimentados por un panel solar y una batería. – Alumbrado público: se utiliza en zonas en las que resulta complicado llevar una línea eléctrica convencional. Oscar González Jorge Ibarra 30 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO – Bombeo de agua: estas instalaciones están pensadas para lugares tales como granjas, ranchos, etc. Se pueden realizar en cualquier lugar. Su uso puede ser tanto para agua potable como para riego. – Redes VSAT: redes privadas de comunicación (para una empresa, un organismo oficial, etc.) que actúan a través de satélite. La energía solar se utiliza para alimentar las estaciones de la red. – Telemetría: permite realizar medidas sobre variables físicas y transmitir la información a una central (p. ej.: control de la pluviometría de la cuenca de un río). Otras aplicaciones: juguetes, alumbrado en jardines, divertimentos. 2.4.2 Sistemas fotovoltaicos conectados a la red eléctrica En ellas, el productor no utiliza la energía directamente, sino que es vendida al organismo encargado de la gestión de la energía en el país. Tienen la ventaja de que la producción de electricidad se realiza precisamente en el periodo de tiempo en el que la curva de demanda de electricidad aumenta, es decir, durante el día, siendo muy importantes los kilovatios generados de esta forma. Cabe distinguir: Centrales fotovoltaicas y huertos solares: recintos en los que se concentra un número determinado de instalaciones fotovoltaicas de diferentes propietarios con el fin de vender la electricidad producida a la compañía eléctrica con la cual se haya establecido el contrato (Figura 2.6). Oscar González Jorge Ibarra 31 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.6 Huerto Solar. Fuente: [3] La energía vendida puede estar a nombre de una persona, una sociedad, etc. (la potencia instalada depende de las dimensiones del generador fotovoltaico). Cada instalación tiene su propietario y todas ellas se ubican en el mismo lugar. Esto posibilita mejoras en el mantenimiento de la instalación, vigilancia, pólizas de seguros, etc. Edificios fotovoltaicos: es una de las últimas aplicaciones desarrolladas para el uso de la energía fotovoltaica. La rápida evolución en los productos de este tipo ha permitido el uso de los módulos como material constructivo en cerramientos, cubiertas y fachadas de gran valor visual. Además, la energía fotovoltaica es el sistema de energías renovables más adecuado para la generación de electricidad en zonas urbanas sin provocar efectos ambientales adversos. La integración arquitectónica consiste en combinar la doble función, como elemento constructivo y como productor de Oscar González Jorge Ibarra 32 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO electricidad, de los módulos fotovoltaicos. La mayoría de estos sistemas han sido integrados en tejados, porque es allí donde alcanzan la máxima captación de energía solar, pero últimamente se está comenzado a integrarlos en muros y fachadas, en las que, por ejemplo el vidrio es reemplazado por módulos de láminas delgadas semitransparentes. En el ejemplo de la (Figura 2.7) se muestra la integración de los paneles solares en la fachada del edificio. A la hora de realizar este tipo de instalaciones se tienen en cuenta consideraciones estéticas (en la elección del tipo de panel), además de las relacionadas con el rendimiento energético. Figura 2.7 Ejemplo de edificio fotovoltaico. La fachada está formada por paneles solares. Fuente: [3] 2.5 Componentes fotovoltaicos en sistemas autónomos Los componentes básicos de una instalación fotovoltaica son: • Módulo fotovoltaico Oscar González Jorge Ibarra 33 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO • Regulador de carga • Inversor • Sistema de baterías de acumulación En cualquier caso, la instalación ha de cumplir la normativa vigente y disponer de los elementos habituales de operación y protección, como interruptores magneto térmicos, fusibles, puesta a tierra, etc. Ya que en sistemas fotovoltaicos es habitual trabajar con relativamente elevadas corrientes es importante dimensionar adecuadamente los conductores, utilizando secciones adecuadas y minimizando las longitudes de cableado con objeto de minimizar también las caídas de tensión en los circuitos entre los módulos FV, el regulador de carga, las baterías y el inversor. 2.5.1 Módulo fotovoltaico Un panel solar o módulo fotovoltaico está formado por un conjunto de células, conectadas eléctricamente, encapsuladas, y montadas sobre una estructura de soporte o marco. Proporciona en su salida de conexión una tensión continua, y se diseña para valores concretos de tensión (6 V, 12 V, 24 V...), que definirán la tensión a la que va a trabajar el sistema fotovoltaico. En la (Fig.2.8) se destacan las principales características de todo panel solar y puede verse un esquema típico de su construcción. Oscar González Jorge Ibarra 34 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.8 Constitución de un panel solar. Fuente: [3] Los tipos de paneles solares vienen dados por la tecnología de fabricación de las células, y son fundamentalmente: • Silicio cristalino (monocristalino y multicristalino). • Silicio amorfo. Tabla 2.1 Diferencias entre células de paneles solares. Fuente: [2] Oscar González Jorge Ibarra 35 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.5.2 El regulador En la gran mayoría de los sistemas fotovoltaicos autónomos con baterías es necesario un sistema de regulación de carga. La misión primordial de un regulador de carga en un sistema fotovoltaico autónomo con baterías es realizar un proceso óptimo de carga de la batería, permitiendo la carga completa pero evitando la sobrecarga y la sobre descarga. La estrategia de control del regulador de carga determina el proceso de carga de una batería y es responsable en última instancia tanto de la capacidad del sistema de satisfacer los consumos como de la vida útil de la batería. Además de la vigilancia y control del estado de carga de la batería con el objeto de maximizar su vida útil, el regulador de carga puede disponer de funciones adicionales como compensación por temperatura de batería, alarmas, monitorización y visualizadores. A pesar de que el regulador de carga puede suponer sólo un 5% del coste total del sistema, su funcionamiento tiene una gran influencia en la vida útil de la batería y por tanto en el coste final del sistema (de un 20 a un 40% en función del coste de sustitución del sistema de baterías). El regulador de carga permite aprovechar al máximo la energía suministrada por el generador FV, a la vez que garantizar la protección adecuada y buen servicio de las baterías. En caso de sobrecarga pone el generador FV en circuito abierto evitando el paso de corriente del generador hacia la batería. En caso de sobre descarga puede cortar el suministro a los consumos o bien avisar mediante una alarma indicando que la tensión de batería es inferior a los Oscar González Jorge Ibarra 36 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO niveles mínimos de seguridad. Una máxima de trabajo. La instalación del regulador se ha de realizar en un lugar fácilmente accesible de modo que resulte cómoda la utilización de los elementos que habitualmente dispone para control del estado de la instalación (visualizadores e indicadores). En el mercado existen diversos tipos de reguladores, con prestaciones y sistemas de medida diferentes. Un regulador avanzado, además de integrar las funciones de prevención de sobrecarga y sobre descarga, se encarga de suministrar información sobre el estado de carga de la batería. Permite la selección del tipo de carga (normal o carga de igualación) así como la corrección de la tensión de corte en función de la temperatura. Algunos reguladores pueden realizar el seguimiento del punto de máxima potencia del generador FV, maximizando la energía transferida desde el generador FV hacia la batería. Algunos reguladores de carga disponen de un sistema de monitorización que registra y almacena la operación del sistema, pudiéndose descargar sus datos a un ordenador mediante un puerto serie. En sistemas FV autónomos centralizados, en los que la energía se distribuye a los usuarios desde un punto central de generación, el regulador de carga puede incorporar funciones de regulación de suministro de energía (en inglés se utiliza habitualmente el término “energy dispatching”) a usuarios individuales, pudiendo cortar el suministro a aquellos que consumen demasiado o realizando labores de tarifación remota. Oscar González Jorge Ibarra 37 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO En un sistema fotovoltaico con baterías, durante el día la energía eléctrica que proviene del generador alimenta el consumo y el exceso de energía carga la batería y durante la noche la batería se descarga para alimentar el consumo. Las misiones del sistema de regulación de carga son, por un lado, evitar que debido a una corriente excesiva proporcionada por el generador, éste pueda sobrecargar el acumulador; y por otro, evitar que la baterías se sobre descarguen y su estado de carga decaiga por debajo del nivel mínimo permitido (normalmente se recomienda no descargar una batería de Pb-ácido más del 30%). La mayor parte de los reguladores permiten inicialmente que toda la corriente del generador pase hacia la batería, después, cuando la batería está cerca del final de la carga, suministrará corrientes intermitentes para mantener la batería en un estado de flotación. Algunos reguladores sobrecargan la batería periódicamente (cargas de ecualización) para homogeneizar los distintos vasos que componen la batería y disminuir la estratificación del electrolito. Un regulador funciona habitualmente por control de la tensión, directamente relacionada con el estado de carga, medida en los terminales de la batería. Es recomendable que esta medida se realice por el método de cuatro puntas para descontar las caídas de tensión en los cables, fusibles u otros elementos situados entre el regulador y la batería. En función del método específico de control utilizado, puede ser de varios tipos aunque los dos métodos básicos son el regulador serie y el regulador paralelo. El regulador serie, cuando detecta Oscar González Jorge Ibarra 38 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO que la batería está completamente cargada, pone en circuito abierto el generador FV. El regulador paralelo deriva la corriente del generador FV a través de un dispositivo disipador situado en paralelo entre el generador fotovoltaico y la batería. Esta derivación es progresiva, disminuyendo la corriente de carga paulatinamente en función de la tensión de batería. Los reguladores paralelos únicamente son utilizados en sistemas de poca potencia, debido principalmente al problema que supone disipar elevadas potencias. Una modificación habitualmente utilizada en los reguladores serie es la utilización de un control PWM para la carga de la batería. En lugar de poner el generador fotovoltaico en circuito abierto, a partir de unos determinados niveles de tensión, se produce una carga pulsada, PWM, de la corriente. Esto hace que se cargue mejor la batería. Un regulador en un sistema FV ha de ser configurado específicamente en función del tipo de batería, aplicación y condiciones climáticas. Algunos reguladores también proporcionan información al usuario sobre la operación del sistema y el estado de la batería. En la mayor parte de los casos el regulador sirve como centro de información del estado del sistema y punto de conexión del cableado de varios componentes en el sistema. Los interruptores de los reguladores pueden ser dispositivos de estado sólido o relés electromecánicos. Aunque en los reguladores más simples se utilizan relés electromecánicos, en la mayoría de los casos se utilizan transistores de Oscar González Jorge Ibarra 39 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO potencia que necesitan menor potencia de activación, son más pequeños y pueden operar un número mayor de ciclos. En algunos tipos de baterías, particularmente las de plomo-ácido, se recomiendan cargas periódicas de ecualización para mantenimiento óptimo de la batería. En la mayoría de los casos se requiere la intervención del usuario que puentea el regulador durante la carga de ecualización. Algunos reguladores permiten la automatización de este proceso con una frecuencia programada. Se recomienda realizar esta operación una vez cada dos o tres semanas. El regulador se selecciona en función de la tensión del sistema y de la corriente de cortocircuito, Isc, del generador FV (en condiciones estándar de medida), aplicándole un factor de seguridad (normalmente 1,3) debido a que en determinadas ocasiones (días con nubes) la irradiancia puede alcanzar los 1.300 W/m2. Las principales funciones de los reguladores son: • Prevenir la sobrecarga de la batería. Limitar la energía suministrada a la batería por el generador FV cuando la batería está plenamente cargada. • Prevenir la sobre descarga de la batería. Desconectar los consumos de la batería cuando el estado de carga de la batería es muy bajo. • Proporcionar funciones de control del consumo. Conectar y desconectar automáticamente los consumos en un momento determinado (p.ej. conectar Oscar González Jorge Ibarra 40 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO una lámpara desde la puesta hasta la salida del Sol). Establecer un control de consumos prioritarios. • Proporcionar información del estado del sistema a los usuarios u operarios, mostrando o indicando información como el voltaje y corriente de la batería, estado de carga, alarmas, etc. • Servir como mecanismo de control para la conexión de otros generadores auxiliares de energía. • Servir como centro de cableado proporcionando un punto de conexión para otros componentes en el sistema, incluyendo el generador FV, la batería y las cargas o consumos. Figura 2.9 Conexiones del regulador de una instalación fotovoltaica. Fuente: [3] Una de las funciones principales del regulador de carga es el suministro de corriente, producida por el generador fotovoltaico, de modo que la batería se recargue completamente, pero sin sobrecarga. Sin un regulador de carga en el Oscar González Jorge Ibarra 41 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO sistema que prevenga la sobrecarga la corriente de carga, proporcional a la irradiancia, entraría en la batería independientemente de si ésta está cargada o no. Si una batería está completamente cargada, el continuar inyectando corriente origina un fuerte gaseo, pérdida de electrolito, calentamiento interno y corrosión acelerada de las rejillas, todo ello limita considerablemente la vida útil de la batería. Los reguladores de carga previenen la sobrecarga mediante limitación, interrupción completa, o pulsación de la corriente del generador fotovoltaico en función de unos determinados niveles de tensión de batería, relacionados con su estado de carga. La otra función principal del regulador de carga es evitar que la batería se descargue completamente. Durante periodos prolongados de muy baja radiación o de uso excesivo del consumo, la energía producida por el generador fotovoltaico puede no ser suficiente para recargar la batería. Cuando una batería de plomo-ácido se descarga excesivamente repetidamente se producen daños irreversibles que conducen a una pérdida de capacidad y vida útil. Para evitar la sobre descarga, el regulador desconecta el consumo cuando la tensión de batería desciende por debajo de unos determinados niveles de tensión. Previamente a la desconexión del consumo, el regulador avisa al usuario mediante la emisión de una serie de alarmas. De este modo el regulador de carga, a pesar de su sencillez y su bajo coste comparado con el coste total del sistema, es el elemento que está más íntimamente relacionado con la vida útil de la batería y el buen funcionamiento del sistema. Oscar González Jorge Ibarra 42 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.5.3 El inversor El generador FV produce corriente continua. En sistemas fotovoltaicos autónomos para poder utilizar cargas en corriente alterna se necesita un dispositivo electrónico, denominado inversor, que convierta la corriente continua en corriente alterna. Habitualmente en sistemas fotovoltaicos autónomos el inversor está conectado a una batería, mientras en un sistema fotovoltaico conectado a la red eléctrica el inversor está conectado directamente al generador fotovoltaico. Las funciones principales de los inversores son: inversión DC/AC, modulación de la onda alterna de salida y regulación del valor eficaz de la tensión de salida. Los inversores que se pueden encontrar normalmente pueden ser monofásicos o trifásicos a 50 Hz, con diferentes voltajes nominales de entrada con un amplio rango de potencias disponibles, de unos pocos vatios hasta varios megavatios. Pueden operar conectados a baterías o directamente al generador FV y pueden estar conectados a diferentes consumos o inyectar energía en la red eléctrica. Los inversores pueden clasificarse en función de la forma de onda de la tensión de salida: • De onda cuadrada. • De onda modificada o quasi-senoidal. • De onda senoidal (muy parecida a la onda de la red eléctrica). Los inversores de onda cuadrada son los más económicos. Se basan en un simple “chopeado” de la potencia DC de entrada, con muy poca modulación o Oscar González Jorge Ibarra 43 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO filtrado. La onda resultante tiene un gran contenido en armónicos no deseados. La distorsión armónica total (THD) es bastante elevada, en torno al 40%, y su rendimiento está en torno al 50-60%. La potencia de sobrecarga es baja, del 10-20% de la potencia nominal. Su regulación de voltaje también es muy baja. Se suelen utilizar con pequeñas cargas inductivas o resistivas, aunque algunos tipos de cargas pueden no operan satisfactoriamente. Los inversores de onda semi-senoidal o quasi-senoidal presentan una THD del 20% y sus rendimientos son mayores del 90%. Son utilizados en electrificación rural para alimentar los electrodomésticos más habituales, incluyendo ordenadores y equipos musicales. Algunas cargas como las impresoras láser, los microondas y los relojes (que pueden adelantar un 50%) pueden presentar problemas de operación con este tipo de inversores. Los inversores senoidales tienen un cuidadoso filtrado de la señal generada. En general son la mejor opción para la alimentación de cargas AC, no presentando ningún problema en relación con la THD o estabilidad de la tensión. Algunos tipos de consumos electrónicos como los equipos de telecomunicaciones o instrumentación delicada pueden requerir su utilización. Los inversores que producen ondas senoidales se están imponiendo sobre el resto de inversores que están dejando de ser utilizados, incluso para las aplicaciones más simples. Para cargas inductivas, como es el caso de los motores, la forma de la onda que llega al motor debe aproximarse lo más posible a una onda senoidal o a Oscar González Jorge Ibarra 44 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO una onda PWM cuyos primeros armónicos se presenten a muy alta frecuencia, ya que el máximo rendimiento en el giro del motor se produce por el armónico fundamental a una frecuencia de 50 Hz. Cualquier otro armónico presente en la onda que llegue al motor no produce giro, sin embargo disipa calor por efecto Joule como I²R, lo que provoca calentamientos en las bobinas de cobre y cuerpo del motor y por tanto pérdidas de rendimiento. A menudo estos armónicos son los responsables de la degradación y destrucción de los aislamientos de las bobinas. La regulación del valor eficaz de la tensión de salida en inversores autónomos suele realizarse mediante control PWM. Ya que la tensión DC de entrada al inversor varía, también lo hace la producción de corriente de carga y en consecuencia la tensión de apagado de los interruptores de los semiconductores que forman el inversor. Como consecuencia la duración de los pulsos de la onda de salida debe ser modulado (estrechándolo o ensanchándolo). En algunos inversores la regulación de la tensión de salida se realiza con ayuda de transformadores o regulando la tensión antes del inversor. El funcionamiento general de un inversor está basado en puentes de interruptores de semiconductores de potencia con un ciclo controlado de apertura y cierre generando ondas de pulsos variables (cuantos más pulsos menor distorsión armónica y mayor proximidad a la onda pura senoidal). Oscar González Jorge Ibarra 45 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.10 Ejemplos de inversores. Fuente: [2] Inversores en instalaciones conectadas a red Este equipo electrónico es el elemento central de una instalación fotovoltaica conectada a la red eléctrica. Además de realizar la conversión de continua a alterna, el inversor debe sincronizar la onda eléctrica generada con la de la corriente eléctrica de la red, para que su compatibilidad sea total. El inversor dispone de funciones de protección, para garantizar tanto la calidad de la electricidad vertida a la red como la seguridad de la propia instalación y de las personas. Los parámetros que determinan las características y prestaciones de un inversor son los siguientes: • Potencia: determinará la potencia máxima que podrá suministrar a la red eléctrica en condiciones óptimas. La gama de potencias en el mercado es enorme; sin embargo, para los sistemas domésticos existen desde 50 W (mini inversor situado en cada placa) o 400 W (para pequeños campos fotovoltaicos) hasta potencias de varios kilovatios. Muchos modelos están pensados para Oscar González Jorge Ibarra 46 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO poderlos conectar en paralelo, a fin de permitir el crecimiento de la potencia total de la instalación. • Fases: normalmente, los inversores cuya potencia es inferior a 5 kW son monofásicos. Los mayores de 15 kW suelen ser trifásicos. Muchos modelos monofásicos pueden acoplarse entre sí para generar corriente trifásica. • Rendimiento energético: debería ser alto en toda la gama de potencias a las que se trabajará. Los modelos actualmente en el mercado tienen un rendimiento medio situado en torno al 90 %. El rendimiento del inversor es mayor cuanto más próximos estamos a su potencia nominal y, con el fin de optimizar el balance energético, es primordial hacer coincidir la potencia pico del campo fotovoltaico y la potencia nominal del inversor. Si queremos tener un funcionamiento óptimo de la instalación, la potencia de pico del campo fotovoltaico nunca debe ser menor que la potencia nominal del inversor. • Protecciones: el inversor debería incorporar algunas protecciones generales, que, como mínimo, serían las siguientes: – Interruptor automático: dispositivo de corte automático, sobre el cual actuarán los relés de mínima y máxima tensión que controlarán la fase de la red de distribución sobre la que está conectado el inversor. El rearme del sistema de conmutación y, por tanto, de la conexión con la red de baja tensión de la instalación fotovoltaica, será también automático una vez restablecido el servicio normal en la red. Oscar González Jorge Ibarra 47 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO – Funcionamiento «en isla»: el inversor debe contar con un dispositivo para evitar la posibilidad de funcionamiento cuando ha fallado el suministro eléctrico o su tensión ha descendido por debajo de un determinado umbral. – Limitador de la tensión máxima y mínima. – Limitador de la frecuencia máxima y mínima. El margen indicado sería del 2 %. – Protección contra contactos directos. – Protección contra sobrecarga. – Protección contra cortocircuito. – Bajos niveles de emisión e inmunidad de armónicos. Es deseable que el estado de funcionamiento del inversor quede reflejado en indicadores luminosos o en una pantalla (funcionamiento anómalo o averías, detención de producción por avería en la red, etc.). También sería conveniente que el inversor ofreciera la posibilidad de ser monitorizado desde un ordenador. Si en la instalación se incluyen determinados sensores, puede aportar datos de radiación, generación solar, energía transformada a corriente alterna, eficiencia, etc. 2.5.4 Acumuladores. Tipos de baterías La llegada de la energía solar a los módulos fotovoltaicos no se produce de manera uniforme, sino que presenta variaciones por diferentes motivos. Algunas de estas variaciones son predecibles, como la duración de la noche o las estaciones del año, pero existen otras muchas causas que pueden producir Oscar González Jorge Ibarra 48 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO alteraciones de manera aleatoria en la energía recibida, como puede ocurrir con un aumento de la nubosidad en un determinado instante. Este hecho hace necesario utilizar algún sistema de almacenamiento de energía para aquellos momentos en que la radiación recibida sobre el generador fotovoltaico no sea capaz de hacer que la instalación funcione en los valores diseñados. Para ello se utilizarán las baterías o acumuladores. Las baterías son dispositivos capaces de transformar la energía química en eléctrica. El funcionamiento en una instalación fotovoltaica será el siguiente: Figura 2.11 Funcionamiento de la instalación fotovoltaica. Fuente: [3] Las baterías son recargadas desde la electricidad producida por los paneles solares, a través de un regulador de carga, y pueden entregar su energía a la salida de la instalación, donde será consumida. Tres son las misiones que tienen las baterías en las instalaciones fotovoltaicas: • Almacenar energía durante un determinado número de días. • Proporcionar una potencia instantánea elevada. • Fijar la tensión de trabajo de la instalación. Uno de los parámetros más importantes que tener en cuenta a la hora de elegir un acumulador es la capacidad. Se define como la cantidad de electricidad que puede lograrse en una descarga completa del acumulador partiendo de un estado de carga total del mismo. Se mide en amperios hora (Ah), y se calcula Oscar González Jorge Ibarra 49 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO como el producto de la intensidad de descarga del acumulador durante el tiempo en el que está actuando: C = t I. Además de la capacidad, debemos considerar otros parámetros en los acumuladores que vamos a utilizar en las instalaciones fotovoltaicas: • Eficiencia de carga: relación entre la energía empleada para recargar la batería y la energía realmente almacenada. Interesa que sea un valor lo más alto posible (próximo al 100 %, lo que indicaría que toda la energía utilizada para la recarga es factible de ser empleada en la salida de la instalación). Si la eficiencia es baja, será necesario aumentar el número de paneles solares para obtener los resultados deseados. • Auto descarga: proceso mediante el cual el acumulador, sin estar en uso, tiende a descargarse. • Profundidad de descarga: cantidad de energía en tanto por ciento, que se obtiene de la batería durante una determinada descarga, partiendo del acumulador totalmente cargado. Está relacionada con la duración o vida útil del acumulador. Si los ciclos de descargas son cortos (en torno al 20%), la duración del acumulador será mayor que si se le somete a descargas profundas (por ejemplo, del 80%). Además de los parámetros eléctricos, las características que serían deseables para las baterías a utilizar en las instalaciones solares son: • Buena resistencia al ciclado (proceso de carga-descarga) Oscar González Jorge Ibarra 50 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO • Bajo mantenimiento. • Buen funcionamiento con corrientes pequeñas. • Amplia reserva de electrolito. • Deposito para materiales desprendidos. • Vasos transparentes. Existen diferentes tecnologías en la fabricación de baterías, si bien unas son más adecuadas que otras para utilizarlas en las instalaciones solares. Las baterías se clasifican en función de la tecnología de fabricación y de los electrolitos utilizados. En la tabla 2.2 podemos comparar los principales tipos de baterías que hay en el mercado, a través de sus características básicas. Tabla 2.2 Características de los principales tipos de baterías. Fuente: [3] Las baterías más utilizadas en las instalaciones solares son las de plomoácido, por las características que presentan. Dentro de este tipo de baterías nos podemos encontrar diferentes modelos. Vamos a compararlos y analizar cuál es el más adecuado. Oscar González Jorge Ibarra 51 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO La tabla 2.3 nos muestra diferentes modelos de baterías de plomo-ácido que se utilizan en la práctica (dependiendo de la aplicación de la instalación), con las ventajas e inconvenientes que pueden presentar. Tabla 2.3 Baterías utilizadas en instalaciones solares. Fuente: [3] En aquellas instalaciones en las que vamos a tener descargas profundas, elegiremos baterías tubulares estacionarias, así como en las instalaciones en las que necesitemos una capacidad elevada. Es el caso que se da en las instalaciones autónomas de viviendas. Si la instalación solar es de pequeña dimensión, o de muy difícil mantenimiento, deberemos elegir baterías de gel, vigilando que no se produzcan ciclos de descargas profundos. Un ejemplo puede ser una instalación solar que alimenta un pequeño repetidor en lo alto de un monte. A la hora de elegir los acumuladores, es importante Oscar González Jorge Ibarra 52 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO tener en cuenta el efecto de la temperatura sobre los mismos. La capacidad aumenta a medida que sube la temperatura, y al revés, disminuye cuando baja la temperatura del lugar donde se encuentra ubicado. Si prevemos la posibilidad de que existan temperaturas por debajo de 0 ºC en el lugar de la instalación, deberemos elegir un acumulador de capacidad mayor que la calculada en el dimensionado de la instalación, con el fin de que no haya problemas en su funcionamiento. La construcción del acumulador se realiza conectando vasos individuales hasta obtener las condiciones de tensión y capacidad requeridas en la instalación que estamos realizando, en el caso de la utilización de baterías tubulares estacionarias. En las baterías monoblock, deberemos elegir aquella que sea acorde con la tensión de trabajo de la instalación y la potencia que se va a consumir en la misma. 2.6 ¿Qué son los LED’s? Los LEDs son componentes eléctricos semiconductores (diodos) que son capaces de emitir luz al ser atravesados por una corriente pequeña. Las siglas “LED” provienen del acrónimo en inglés “Light Emitting Diode” o lo que traducido al español sería “Diodo Emisor de Luz”. Estos están conformados básicamente por un chip de material semiconductor dopado con impurezas, las cuales crean conjunciones del tipo P-N. Los LED’s, a diferencia de los emisores de luz tradicionales, poseen polaridad (siendo el Oscar González Jorge Ibarra 53 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO ánodo el terminal positivo y el cátodo el terminal negativo) por lo que funcionan únicamente al ser polarizados en directo. La electroluminiscencia se da cuando, estimulados por un diferencial de voltaje en directo sobre sus terminales, las cargas eléctricas negativas (electrones) y las cargas eléctricas positivas (huecos) son atraídas a la zona de conjunción donde se combinan entre sí, dando como resultado la liberación de energía en forma de fotones como se ilustra en la siguiente figura: Figura 2.12 Liberación de fotones en una juntura P-N. Fuente: [22] Esto da como resultado una generación de luz mucho más eficiente ya que la conversión energética de da con mucho menos pérdida en forma de calor como ocurre con bombillas regulares con resistencias. Los LED’s son componentes que, dependiendo de la combinación de los elementos químicos presentes en los materiales que los componen, (ejemplo: AlGaInP, GaAs, GaInN, GaP, etc.) pueden producir un amplio rango de Oscar González Jorge Ibarra 54 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO longitudes de onda dentro del espectro cromático, dando como resultado diferentes colores, desde el infrarrojo, pasando por todo el abanico del espectro visible (rojos, amarillos, verdes, azules), hasta ultravioleta, por lo que son muy versátiles en cuanto a su uso en aplicaciones que requieren fuentes de iluminación con longitudes de onda que no se habían podido obtener previamente con fuentes de luz tradicionales. 2.6.1 Tecnología LED Los diodos emisores de luz (LED’s) existen desde hace varias décadas, aunque hasta no hace mucho, su uso estaba limitado a usos específicos. Antes de 1990, sólo estaban disponibles los LED’s de color rojo, verde y amarillo, esto limitaba su utilidad. La invención de los LED’s azules y ultravioletas (UV) y el incremento del brillo del LED permitieron recientemente la generación de luz blanca. Desde 1990 se aceleró el desarrollo y comercialización de semiconductores emisores de luz. Desde la invención del LED rojo en la década del 60, la potencia de la luz de este dispositivo se multiplicó por 20 cada 10 años, al mismo tiempo la disminución del costo de la luz LED (por lumen) fue de 10 veces, siguiendo la tendencia conocida como ley de Haitz (Steele 2007). En el caso de los nuevos LED’s blancos, la potencia del lumen (por dispositivo) se multiplicó por 6 entre 2002 y fines de 2006 mientras que el costo por lumen disminuyó 7 veces su valor. Entre 1995 y 2005 el mercado del LED blanco de alto brillo creció en un promedio de 42% anual (Steele 2007). Sin embargo, la tecnología aún está Oscar González Jorge Ibarra 55 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO lejos de madurar con una penetración en el mercado limitada sólo para usos específicos. Los LED’s de colores actualmente superan en calidad a las fuentes filtradas de luz incandescente por lo que comienzan a tener una mayor demanda comercial. Los LED’s generan una limitada amplitud de onda de luz, produciendo así directamente los colores deseados y consiguiendo eficiencias superiores que las tecnologías alternativas que dependen principalmente de luz blanca filtrada. Los LEDs que producen luz blanca aún deben esperar para lograr esa penetración en el mercado, debido a cuestiones de conversión. La luz no puede ser emitida directamente por un LED, debe ser generada por una conversión de fósforo de luz azul o UV, a partir de la mezcla de luz monocromática o por una combinación de las dos posibilidades. El uso de LED’s individuales que posean fósforos es la tecnología más generalizada. No obstante, esto presenta algunos grandes desafíos técnicos, especialmente en la creación de luz blanca cálida (similar a las incandescentes) ya que la eficiencia de los fósforos rojos queda por detrás de la de los disponibles para generar otros colores (Schubert y Kim 2005). Las eficiencias de la conversión de fósforo generalmente son bajas, esto reduce la eficiencia final de los productos. En la industria muchos creen que el criterio de mezclar luz terminará siendo dominante (brindando eficiencias de 200 lm/w – mucho más que una lámpara incandescente o fluorescente), aunque la falta de LED’s verdes de alta potencia actualmente limita la calidad del color blanco. Oscar González Jorge Ibarra 56 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.6.2 Tipos de LED’S Los diodos LED se clasifican en cinco variantes: Estándar o común Este tipo diodo LED es el más comúnmente utilizado en la mayoría de los equipos eléctricos y electrónicos. Su forma más habitual es redondeada o cilíndrica con el extremo superior en forma de bóveda. Su diámetro puede variar entre los 3 y los 5 mm, aunque se pueden encontrar también con otras formas, como rectangulares, por ejemplo. Los diodos LED’s más comunes se fabrican, normalmente, de colores rojo, verde y amarillo. De alta luminosidad Se asemejan mucho a los LED’s comunes, aunque pueden ser de mayor tamaño y sobre todo poseen más intensidad lumínica. Se fabrican con encapsulado transparente o con colores tenues. Pueden emitir luz roja, anaranjada, amarilla, verde, azul y blanca de acuerdo con la composición del chip. Se fabrican también con casquillo de rosca y bayoneta (presión) para colocarlos directamente en el portalámparas. Agrupados Se componen, generalmente, de dos o más LED’s colocados dentro de la misma cápsula, lo que permite obtener variedad de colores en la luz que estos emiten. Cuando se agrupan solamente dos LED’s, cada uno de ellos emite un color independiente si se energizan por separado, pero cuando se encienden Oscar González Jorge Ibarra 57 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO los dos juntos emiten otro color diferente. La combinación más frecuente consiste en integrar uno de color rojo y otro de color verde. Este tipo de LED lo encontramos comúnmente instalado, por ejemplo, en los cargadores de baterías. Cuando se coloca una batería para cargarla en uno de estos dispositivos, generalmente el LED emite luz de color rojo al comienzo de la carga, cambiando a luz verde cuando ésta se encuentra ya cargada. Otra variante agrupada es la que contiene tres LED’s para formar una triada “RGB” (Red-Green-Blue/Rojo-Verde-Azul). El tipo más común “RGB” tiene amplio uso en iluminación decorativa, pues generalmente se obtienen 16 combinaciones de colores diferentes, incluyendo el blanco. Los colores de este tipo de LED se pueden seleccionar y cambiar manualmente por medio de un mando remoto. En fachadas de edificios, ambientación y otros ornamentos, la variación de colores se puede controlar también por medio de ordenadores. Los diodos agrupados RGB se emplean igualmente para formar pantallas de televisión gigantes (tipo “Jumbo”), muy empleadas en espectáculos masivos al aire libre. Matrices de diodos Constituyen agrupaciones de LED’s colocadas en varias hileras siendo muy utilizadas en paneles informativos alfanuméricos (para formar números y letras). La agrupación más común es la de LED’s rojos, aunque las hay que muestran también la información en otros colores. Otra aplicación de las matrices de diodos son los “displays” de 7 segmentos. En algunos equipos de Oscar González Jorge Ibarra 58 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO sonido se emplean también matrices de diodos en sustitución del antiguo vúmetro analógico, con la finalidad de medir, de forma digital, los decibeles o niveles de audio, siendo muy utilizado en los mezcladores de sonido. Fuente de iluminación De un tiempo a esta parte, la tecnología de los diodos LED’s ha experimentado un gran avance hasta tal punto que actualmente se pueden sustituir las lámparas incandescentes por lámparas LED en una gran variedad de aplicaciones de iluminación en general. En el mercado se pueden encontrar para uso doméstico con potencias que van desde 1 a 25 watt (W), equivalentes a lámparas incandescente entre 10 y 150 watt y con tonalidades o temperatura de color parecidas a las que se obtienen con las lámparas ahorradoras CFL. Para alcanzar la potencia en watt (W) requerida, se agrupan varios LED’s. Las lámparas de este tipo que emiten una luz más potente están provistas con un disipador de calor y con casquillo de rosca, de presión, u otro tipo de conector similar para que se pueda retirar la lámpara incandescente o halógena del portalámpara y sustituirla directamente por una lámpara LED, sin que sea necesario sustituir el portalámparas ni realizar ninguna otra adaptación previa. Al igual que las lámparas ahorradoras CFL, las lámparas LED están provistas de un controlador encargado de regular la tensión y corriente que fluye a través de los chips que componen la lámpara. Oscar González Jorge Ibarra 59 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.6.3 Encapsulado de LED’S Existen numerosos encapsulados disponibles para los LED’s y su cantidad se incrementa de año en año a medida que las aplicaciones de los leds se hacen más específicas. Las partes constitutivas de un led se muestran en la (Figura 2.12) la cual representa tal vez el encapsulado más popular de los LED’s que es el T1 ¾ de 5mm de diámetro. Figura 2.13 Partes constitutivas de un LED. Fuente: [4] Como se puede ver el LED viene provisto de los dos terminales correspondientes que tienen aproximadamente 2 a 2,5 cm de largo y sección generalmente de forma cuadrada. En el esquema se puede observar que la parte interna del terminal del cátodo es más grande que el ánodo, esto es porque el cátodo está encargado de sujetar al sustrato de silicio, por lo tanto Oscar González Jorge Ibarra 60 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO será este terminal el encargado de disipar el calor generado hacia el exterior ya que el terminal del ánodo se conecta al chip por un delgado hilo de oro, el cual prácticamente no conduce calor. Es de notar que esto no es así en todos los LED’s, solo en los últimos modelos de alto brillo y en los primeros modelos de brillo estándar, ya que en los primeros LED de alto brillo es al revés. Por eso no es buena política a la hora de tener que identificar el cátodo, hacerlo observando cual es el de mayor superficie. Para eso existen dos formas más convenientes, la primera y más segura es ver cuál es el terminal más corto, ese es siempre el cátodo no importa que tecnología sea el LED. La otra es observar la marca plana que también indica el cátodo, dicha marca plana es una muesca o rebaje en un reborde que tiene los LED’s. Otra vez este no es un método que siempre funciona ya que algunos fabricantes no incluyen esta muesca y algunos modelos de LED’s pensados para aplicaciones de clúster donde se necesitan que los LED’s estén muy pegados, directamente no incluye este reborde. El terminal que sostiene el sustrato cumple otra misión muy importante, la de reflector, ya que posee una forma parabólica o su aproximación semicircular, este es un punto muy crítico en la fabricación y concepción del LED ya que un mal enfoque puede ocasionar una pérdida considerable de energía o una proyección despareja. Un LED bien enfocado debe proyectar un brillo parejo cuando se proyecta sobre una superficie plana. Un LED con enfoque defectuoso se puede identificar porque proyecta formas que son copia del sustrato y a veces se Oscar González Jorge Ibarra 61 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO puede observar un aro más brillante en el exterior de círculo, síntoma seguro de que la posición del sustrato se encuentra debajo del centro focal del espejo terminal. Dentro de las características ópticas del LED aparte de su luminosidad esta la del ángulo de visión. Se define generalmente el ángulo de visión como el desplazamiento angular desde la perpendicular donde la potencia de emisión disminuye a la mitad. Según la aplicación que se le dará al LED se necesitará distintos ángulos de visión así son típicos LED’s con 4, 6, 8, 16, 24, 30, 45, 60 y hasta 90 grados de visión. Generalmente el ángulo de visión está determinado por el radio de curvatura del reflector del LED y principalmente por el radio de curvatura del encapsulado. Por supuesto mientras más chico sea el ángulo y a igual sustrato semiconductor se tendrá una mayor potencia de emisión y viceversa. Otro componente del LED que no es muestra en la figura pero que es común encontrarlo en los LED de 5mm son los stand-off o separadores. Son topes que tienen los terminales y sirven para separar los LED’s de la plaqueta en aplicaciones que así lo requieren, generalmente si se va colocar varios LED’s en una plaqueta conveniente que no tenga stand - off ya que de esta forma el encapsulado del LED puede apoyarse sobre la plaqueta lo que le dará la posición correcta, esto es especialmente importante en LED’s con ángulo de visión reducido. Oscar González Jorge Ibarra 62 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Por último se tiene el encapsulado epoxi que es el encargado de proteger al semiconductor de las inclemencias ambientales y ayuda a formar el haz de emisión. 2.6.4 Tipos de encapsulado Transparente o clearwater (agua transparente): Es el utilizado en leds de alta potencia de emisión, ya que el propósito de estos leds es fundamentalmente iluminar, es importante que estos encapsulados no absorban de ninguna manera la luz emitida. Coloreados o tinted: Similar al anterior pero coloreado con el color de emisión de sustrato similar al vidrio de algunas botellas, se usa principalmente en leds de mediana potencia y/o donde sea necesario identificar el color del led aun apagado. Difuso o difused: Estos leds tiene un aspecto más opacos que el anterior y están coloreados con el color de emisión, poseen pequeñas partículas en suspensión de tamaño microscópicos que son las encargadas de desviar la luz, este tipo de encapsulado le quita mucho brillo al led pero le agrega mucho ángulo de visión ya que los múltiples rebotes de la luz dentro del encapsulo le otorgan un brillo muy parejo sobre casi todos los ángulos prácticos de visión. Lechosos o Milky: Este tipo de encapsulado es un tipo difuso pero sin colorear, estos encapsulados son muy utilizados en led’s bicolores o multicolores. El led bicolor es en realidad un led doble con un cátodo común y dos ánodos (3 terminales) o dos led’s colocados Oscar González Jorge Ibarra 63 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO en contraposición (2 terminales). Generalmente el primer caso con led’s rojo y verde es el más común aunque existen otras combinaciones incluso con más colores. Tabla 2.4 Materiales y frecuencias de emisión típicas de un LED. Frecuencia Color Material 940 Infrarrojo GaAs 890 Infrarrojo GaAlAs 700 Rojo profundo GaP 660 Rojo profundo GaAlAs 640 Rojo AlInGaP 630 Rojo GaAsP/GaP 626 Rojo AlInGaP 615 Rojo – Naranja AlInGaP 610 Naranja GaAsP/GaP 590 Amarillo GaAsP/GaP 590 Amarillo AlInGaP 565 Verde GaP 555 Verde GaP 525 Verde InGaN 525 Verde GaN 505 Verde turquesa InGaN/Zafiro 498 Verde turquesa InGaN/Zafiro 480 Azul SiC 450 Azul InGaN/Zafiro Oscar González Jorge Ibarra 64 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Tabla 2.4 Continuación 430 Azul GaN 425 Azul InGaN/Zafiro 370 Ultravioleta GaN Fuente: [5] Para tener una idea aproximada de la relación entre la frecuencia expresada en nanómetros y su correspondencia con un color determinado es que a continuación se presenta un gráfico simplificado del triángulo de Maxwell o Diagrama de Cromaticidad CIE (Figura 2.13). Cada color se puede expresar por sus coordenadas X e Y. Lo colores puros o saturados se encuentran en el exterior del triángulo y a medida que nos acercamos a su centro el color tiende al blanco. El centro de la zona blanca es el blanco puro y suele expresarse por medio de la temperatura de color, en grados Kelvin, de un cuerpo negro. Simplificando podemos decir que un cuerpo negro al calentarse empieza a emitir ondas infrarrojas, al subir la temperatura empieza a tomar un color rojizo, esto es en los 770 nm, al seguir elevándose la temperatura, el color se torna anaranjado, amarillento y finalmente blanco, describiendo una parábola desde el extremo inferior derecho hacia el centro del triángulo. Por lo tanto cada color por donde pasa dicha parábola puede ser representado por una temperatura equivalente. El centro del triángulo (blanco puro) se corresponde con una temperatura de 6500 K. El tono de los led’s blanco viene expresado precisamente en grados kelvin. Una temperatura superior significa un color de emisión blanco – azulado. Oscar González Jorge Ibarra 65 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.14 Diagrama de cromaticidad. Fuente: [5] 2.6.5 Ventajas de los LED’S Ventajas Medioambientales: – Los LED’S deben cumplir la normativa CE y ROHS (“Restriction of Hazardous Substances”) Restricción de sustancias peligrosas según directiva 2002/95/CE. – No contienen mercurio ni otros metales pesados. – Al ser más eficientes producen menos emisiones de CO2 para conseguir la misma iluminación, ahorro, eficiencia energética y renovables. Oscar González Jorge Ibarra 66 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO – No generan tanto calor como las tradicionales con el consiguiente ahorro en climatización. – Alto Índice de Reproducción Cromática (IRC: es una medida de la capacidad que una fuente luminosa tiene para reproducir fielmente los colores de varios objetos en comparación con una fuente de luz natural o ideal, cuanto más elevado más reales son los colores) – Menor contaminación lumínica, ya que la luz que emite el LED siempre va direccionada, con lo que se evita en el caso de farolas villa, iluminar hacia el cielo. – Su larga duración implica una menor necesidad de materias primas para lámparas de sustitución. – Sin radiación Infrarroja ni Ultravioleta. Ventajas económicas Son las que surgen como consecuencia de las ventajas ambientales: – Menor consumo que las lámparas tradicionales (fluorescente, incandescentes, halógenas, bajo consumo). Con reducciones que van desde el 65% para los fluorescentes, hasta más del 80% para halógenas e incandescentes y el 50% en las de bajo consumo. – Amortizaciones bastante rápidas menos de 3 años de la inversión por el ahorro obtenido en la iluminación. Oscar González Jorge Ibarra 67 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO – Elevada durabilidad desde las 15.000 hasta las 50.000 horas, dependiendo de la calidad del LED. – Mantenimiento del Flujo Luminoso sobre el 70% original durante su vida útil. – Reducción del coste de reposición y en consecuencia de mantenimiento, ahorro en la nueva lámpara y la mano de obra de sustituirla. – Encendido inmediato, desaparecen las pérdidas de tiempo esperando a que la lámpara alcance la temperatura adecuada, o se encienda correctamente. – Ajuste de la iluminación a nuestras necesidades, tanto en cantidad como en intensidad, existe la posibilidad de que sean dimables. – No requiere sustitución del portalámparas existente, es suficiente con realizar un sencillo recableado. – Tras su instalación no requiere de la cubierta protectora, ya que la mayoría de los LEDs están fabricados de Aluminio y plástico, de forma que en caso de rotura, no cae ningún fragmento sobre alimentos o personas. Ventajas en Diseño y arquitectura – Máxima flexibilidad en el diseño, existen LED’s de todos los tamaños y con casi cualquier diseño. – Amplia gama de tonos desde los 3000K hasta los 7500K, sin olvidar el gran juego que da el RGB. Oscar González Jorge Ibarra 68 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO – El arranque es inmediato obteniéndose el 100% del flujo luminoso tras el encendido. – Mejora la eficiencia del sistema al emplearse Luz directa. – A diferencia de las luces fluorescentes, los LED’s son más eficientes en ambientes con bajas temperaturas. Los LED’s no tienen problemas de encendido en ambientes fríos. – Son fuentes de luz fiables en el exterior. – Robustez y seguridad frente a vibraciones. – La dispersión de luz fuera de donde se desea es mínima, debido a la direccionalidad de los LED’s. – La regulación es total, sin cambio de color. – Posibilidad de cambios de colores en una misma lámpara. – Pueden usarse ópticas de plástico de alta eficiencia que permiten una mayor luminosidad. – Múltiples posibilidades para decoración. 2.6.6 Desventajas de los LED’S – Su mayor enemigo son las altas temperaturas, a partir de 65º la mayoría de los LED se estropean. No solo debemos vigilar el LED si no la electrónica que lleva asociada, que suele romperse antes que el LED. – Requieren una elevada disipación térmica, si bien generan menos calor que las convencionales, el que genera es muy importante disiparlo, para ello es vital que los disipadores sean de aluminio y con Oscar González Jorge Ibarra 69 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO mucha superficie de disipación. Nos garantizará mayor tiempo de vida de la lámpara. – El precio en comparación con las convencionales es bastante elevado. – En potencias grandes a partir de 100W, es muy poco competitivo siendo su coste muy elevado, existiendo otras alternativas como la Inducción Magnética. – La gran oferta de este tipo de productos hace difícil la elección de compra, se debe tener cuidado con los proveedores seleccionados, existe un gran intrusismo en el sector. 2.6.7 Características de las lámparas Las lámparas se diferencian entre sí no solamente por los diferentes Flujos Luminosos que ellas irradian, sino también por las diferentes potencias que consumen. Para poder comprarlas, es necesario que se sepa cuantos lúmenes son generados por watt absorbido. A esa magnitud se le da el nombre de Eficiencia Energética (Antiguamente Rendimiento Luminoso). En el aspecto visual, se admite que es bastante difícil la evaluación comparativa entre la sensación de tonalidad de colores de diversas lámparas. Para estipular un parámetro, fue definido el criterio temperatura del color (kelvin) para clasificar la luz. Así como un cuerpo metálico que, en su calentamiento, pasa desde rojo a blanco, (semejante a la luz diurna o el mediodía), mayor es la temperatura de color (aproximadamente 6500 K). La luz amarilla, como de una lámpara incandescente, está en torno de 2700 K. Oscar González Jorge Ibarra 70 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Es importante destacar que el color de la luz en nada interfiere la Eficiencia Energética de la lámpara, no siendo válida la impresión de que cuando más clara, más potente es la lámpara. Los objetos iluminados pueden parecer diferentes, mismo si las fuentes de luz tuvieren idéntica tonalidades. Las variaciones de colores de los objetos iluminados sobre fuentes de luz diferentes pueden ser identificadas a través de otro concepto, la Reproducción de colores o índice de reproducción cualitativa de colores (RA o IRC). El mismo metal sólido, cuando es calentado hasta irradiar la luz, fue utilizado como referencia para establecer niveles de Reproducción de Color. Se define que el IRC en este caso sería un número ideal= 100. Su función es como dar una nota (de 1 a 100) para el desempeño de otras fuentes de luz en relación a este padrón. Por tanto, cuanto mayor es la diferencia en la apariencia de Color de un objeto iluminado en relación a los padrones (sobre la radiación del metal sólido) menor es IRC. Con esta explicación el hecho de lámparas de la misma temperatura de Color poseen índices de reproducción de colores diferentes. 2.6.8 Temperatura de color de los LED La temperatura de color podría definirse como la sensación que percibe el ojo humano ante una luz, siendo cálida si predomina el color ámbar o fría si predomina el azul. Esta medición solo se aplica a la luz blanca y técnicamente Oscar González Jorge Ibarra 71 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO se define como “la impresión de color a ciertas temperaturas de un radiador de cuerpo negro perfecto”. El concepto es más simple de lo que parece. En un hierro incandescente al que se le va aplicando cada vez más calor cuando su temperatura se sitúa a unos 1.000 K (grados kelvin) adquiere una tonalidad rojiza. Si la temperatura sube hasta situarse entre 2000 y 3000 K su color se vuelve amarillento. A 4.000 K su tono es blanco neutro y entre 5.000 y 7.000 K blanco frío. Sin embargo, cuando se habla de luz, la “temperatura” es sólo una medida relativa: no tiene que ver con el calor físico sino con la sensación que produce en el ojo humano. En este gráfico se puede observar que a menos grados kelvin el color que se percibe es cálido y a más grados la temperatura que se percibe es fría. Tabla 2.5 Ejemplos de temperatura de color Fuente de luz Temperatura (K) Fuego (cerilla, vela) 1.200 K – 1.800 K Luz del sol al amanecer o atardecer 2.000 K – 2.200 K Bombilla Incandescente (40w – 75w) 2.600 K – 2.800 K Luz de medio día (verano) 5.600 K Día Nublado 6.000 K – 10.000 K Luz del Alba 8.000 K – 10.000 K Fuente: [6] 2.6.9 Clasificación de las lámparas según su IRC Se admite que una lámpara tiene un reproducción cromática óptima a partir de 85, bueno entre 70 y 85 y discreto entre 50 y 70. Según la Guía técnica de Oscar González Jorge Ibarra 72 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Iluminación Eficiente de Fenercom [7], las lámparas se pueden clasificar en función de su Índice de Reproducción Cromática: Tabla 2.6 Clasificación según el IRC | IRC (Ra) 1A ≥ 90 1B 80 ÷ 89 2A 70 ÷ 79 2B 60 ÷ 69 3 40 ÷ 59 4 < 20 Fuente: [6] Un índice de Reproducción cromática entre 80 y 100 se considera muy eficiente. Es recomendable usar lámparas con este IRC en talleres de pintura, industria textil, tiendas, escaparates, hospitales, restaurantes, etc. Este tipo de lámparas se utilizan en aquellos lugares donde una pequeña variación en la tonalidad puede ser importante, ya bien sea por motivos laborales o decorativos. Con un Ra inferior a 70 los colores no se aprecian claramente. Se utilizan en lugares en los que no es necesaria una reproducción cromática fiel. No se recomienda usar lámparas con un IRC menor de 80 para interiores en los que las personas trabajen o permanezcan durante largos periodos. Oscar González Jorge Ibarra 73 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.7 Conceptos básicos de Luminotecnia [10] 2.7.1 Intensidad luminosa: Densidad de luz dentro de un ángulo sólido extremadamente pequeño, en una dirección determinada. Símbolo: I Unidad: Candela (cd). La intensidad luminosa de una fuente expresada en candelas es su “potencia en candelas” (cp). Definición: La candela es la cantidad física básica internacional en todas las medidas de luz; las demás unidades se derivan de ella. Su valor está determinado por la luz emitida por un patrón de laboratorio llamado cuerpo negro, trabajando a una temperatura especifica. Una vela corriente de cera tiene en dirección horizontal una intensidad luminosa de aproximadamente una candela. La intensidad luminosa es una una propiedad característica de una fuente de luz, y de la información relativa al flujo luminoso en su origen. 2.7.2 Flujo luminoso: Luz emitida por unidad de tiempo. La luz es una forma de energía radiante en movimiento. Ordinariamente, sin embargo, el elemento tiempo puede despreciarse, y el flujo luminoso se considera comúnmente como una magnitud definida. Símbolo: Φ Unidad: Lumen (lm). Definición: Un lumen es el flujo de luz que incide sobre una superficie de 1 metro cuadrado, la totalidad de cuyos puntos diste 1 metro de una Oscar González Jorge Ibarra 74 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO fuente puntual teórica que tenga una intensidad luminosa de 1 candela en todas direcciones. Esta superficie es una sección de 1 metro cuadrado de una esfera de 1 metro de radio, en cuyo centro se encuentra una fuente puntual uniforme de una candela. El mismo concepto puede expresarse diciendo que un lumen es el flujo luminoso emitido en un ángulo solido unidad por una fuente puntual uniforme de una candela. La diferencia entre el lumen y la candela reside en que aquel es una medida del flujo luminoso, independientemente de la dirección. 2.7.3 Iluminación: densidad de flujo luminoso sobre una superficie. Símbolo: E. Unidad: Lux (lx). Definición: un lux es la iluminación en un punto (A) sobre una superficie que dista, en dirección perpendicular, un metro de una fuente puntual uniforme de una candela. Figura 2.15 Definición de un lux. Oscar González Jorge Ibarra 75 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO De la definición de lumen se deduce que un lumen uniformemente distribuido en un metro cuadrado de superficie produce una iluminación de un lux. 2.7.4 Luminancia Brillo fotométrico: (El término técnico es brillo fotométrico o luminancia, pero en el lenguaje ordinario se usa frecuentemente la palabra brillo). Intensidad luminosa de una superficie en una dirección dada por unidad de área proyectada de la misa. El ojo ve brillo, no iluminación. Todos los objetos visibles tienen brillo, que normalmente es independiente de la distancia de observación. Símbolo: B. Unidad: (Stlib) (Candela por centímetro cuadrado), o bien, Lambert (lumen por centímetro cuadrado). Definición: La luminancia se expresa de dos formas, en candelas por unidad de superficie o en lúmenes por unidad de superficie. Una superficie que emite o refleja luz en una dirección determinada a razón de una candela por cm2 de área proyectada tiene un brillo en dicha dirección de stlib (candela por cm2). Una superficie que tiene un brillo en una dirección dad igual al brillo uniforme en una superficie perfectamente difusora que emite o refleja un lumen por pie cuadrado, tiene en dicha dirección un brillo de un footlambert (Lambert-pie), (unidad utilizada en los países de habla inglesa). Un Lambert es la luminancia o brillo de una superficie que emite o refleja un lumen por centímetro cuadrado. Oscar González Jorge Ibarra 76 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.7.5 Medidas Medidas de iluminación: las medidas de iluminación se hacen comúnmente con uno de los distintos tipos de luxómetros, que llevan incorporadas células fotosensibles del tipo de capa-barrera. Este tipo de células consiste en esencia en una película de material sensible a la luz, dispuesta sobre una placa traslucida muy fina de metal pulverizado sobre su superficie exterior. Al incidir la luz contra la superficie de la célula, origina la emisión de electrones del material semiconductor sensible a la luz. Esto electrones son recogidos por un colecto de metal, en contacto con el electrodo frontal traslucido, estableciéndose así una diferencia de potencia entre el colector y la placa de base. Si se conecta un microamperimetro entre ellos, mide la corriente generada por la célula. Puesto que la corriente es proporcional a la intensidad de la luz incidente, se puede calibrar el aparato para leer directamente en lux. Hay luxómetros portátiles de diferentes tipos y con una amplia gama de sensibilidades para las diversas aplicaciones. En algunos instrumentos, el microamperimetro está incluido en la misma caja que la célula; en otros, en cambio, solo se conecta eléctricamente a ella. Oscar González Jorge Ibarra 77 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.16 Esquema de un medidor de iluminación. Medidas de luminancia: para medir el brillo o luminancia pueden utilizarse distintos tipos de instrumentos portátiles. Uno de ellos tiene un tubo fotoeléctrico como elemento sensible a la luz, con un filtro para conformar la respuesta espectral a la curva de sensibilidad del ojo. El instrumento se dirige a la superficie a medir, y una lente enfoca la imagen de una pequeña área sobre el tubo, el cual produce una corriente proporcional a la luminancia. Esta corriente se lee en un microamperímetro calibrado en lamberts o candelas por centímetro cuadrado. Los aparatos que emplean célula de capa-barrera como las que se utilizan en los luxómetros pueden también construirse para hacer medidas de luminancia. En otros tipos de medidores de brillo, las medidas se hacen visualmente. Un medidor visual de luminancia tiene un sistema óptico que presenta ante el ojo del observador, uno junto al otro, la superficie a medir y un campo de comparación interior al aparato. La luminancia del campo que Oscar González Jorge Ibarra 78 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO sirve de comparación es ajustable, normalmente cambiando la distancia de la pequeña lámpara que lo ilumina, o bien por medio de un filtro neutro graduado. Dicho campo se iguala así con el campo que se mide y la luminancia en lamberts o en candelas por cm2 se lee en la escala del aparato. 2.8 Alumbrado Público [21] Es el servicio público consistente en la iluminación de las vías públicas, parques públicos con el objeto de proporcionar la visibilidad adecuada para el normal desarrollo de las actividades tanto vehiculares como peatonales. 2.8.1 Luminarias Las luminarias son dispositivos que permiten dividir el flujo luminoso que proporcionan las lámparas, con el fin de iluminar puntos u objetos, todas las luminarias deben cumplir con normas estandarizadas para su buen funcionamiento y aplicación, parámetros eléctricos, mecánicos y de luminotecnia. Los fabricantes han puesto su atención en la elaboración de los complementos de las luminarias como son los difusores, reflectores y refractores, que son los que permiten que el dispositivo opere de manera eficiente y óptima. Todo el equipo debe estar diseñado para operar en condiciones adversas del clima o los agentes atmosféricos dañinos como el agua o el polvo, esto quiere decir que tanto luminarias como lámparas (figura 2.16) y resto de Oscar González Jorge Ibarra 79 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO complementos (alimentadores, conectores, portalámparas etc.) deben ser elaboradas bajo normas internacionales de funcionamiento. Figura 2.17 Tipos de lámparas. 2.8.2 Elementos de las luminarias Las luminarias están compuestas por partes o elementos básicos, que permiten que cumpla con el funcionamiento correcto cumpliendo la función para la cual son implementadas dentro de un sistema de iluminación. Reflectores: son los encargados de la emisión correcta de la luz que provee la fuente luminosa, independientemente del tipo que sea esta. Están fabricadas de tal manera que los componentes brinden una mayor proyección de luz, su material de composición es aluminio reluciente y anodizado, con láminas esmaltadas o con vidrio con colores metalizados para reflejar. Refractores: son los encargados de la distribución de la luz, es decir de la dirección correcta y preestablecida por la luminaria, su material de Oscar González Jorge Ibarra 80 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO composición es de plástico o vidrio con acabados prismatizados con el fin dotar la dirección, su forma es vital para su función, se construyen en forma de media pera, copa o globo. Difusores: son los encargados de dotar a la luminaria de un correcto nivel de deslumbramiento, por medio de la disminución de la luminancia a través de filtros construidos de materiales pálidos, pueden ser de materiales plásticos o de vidrio, para garantizar así que no afecte al ojo humano. Figura 2.18 Esquema de una luminaria Oscar González Jorge Ibarra 81 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.8.3 Cualidades de las luminarias Todas las luminarias deben tener varias cualidades o características que deben cumplir para que se puedan desempeñar de manera óptima dentro de una instalación de alumbrado. Las principales cualidades son las siguientes: Óptica: Está direccionada al buen funcionamiento de la luminaria, la distribución óptica debe estar en función a la aplicación a realizarse para contar con un sistema eficaz, su rendimiento luminoso es de vital importancia, pero se debe reducir en determinadas direcciones la luminancia para evitar deslumbramiento. Mecánica y Eléctrica: la luminaria debe ser sólida, el material del que están compuestos debe ser el adecuado de acuerdo al ambiente de funcionamiento, la estructura de la luminaria debe permitir el correcto funcionamiento de la temperatura de la lámpara colocada en ella, ser amigable con el mantenimiento, fácil de montar y desmontar para limpieza, de contar con un cómodo acceso hacia la lámpara y complementos eléctricos que disponga la misma. Estética: no debe causar molestia al ambiente donde está aplicado el sistema tanto en la mañana cuando no funcionan así como en la noche que permanece en funcionamiento. Las cualidades de una luminaria definen el funcionamiento de la misma, permitiendo así satisfacer la necesidad de alumbrado en una determinante zona o sector, las características que se detallaron hace que un dispositivo de iluminación sea eficiente y de buena calidad. Oscar González Jorge Ibarra 82 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.8.4 Postes Los postes son elementos complementarios para las luminarias, son partes del montaje de las mismas y son utilizados en distintas circunstancias dependiendo del sitio donde se los coloque, como pueden ser, avenidas, calles, plazas, jardines, edificios, parques, etc., y para lo cual deben cumplir con varios requerimientos en su composición mecánica. Los aspectos más importantes en este caso son los efectos adversos que provoca el clima, la carga que representa el viento, el sol y la nieve, los efectos de degradación de los agentes que están presentes en el entorno, son factores importantes al formar la composición del poste, se debe tomar en cuenta la facilidad de transporte, para la instalación o sustitución del mismo, deben ser resistentes para que no demanden un factor de mantenimiento tan alto y no provocar contaminación visual. Existen en el mercado una variedad de formas de acuerdo al uso para el que vaya a ser instalado y desde el punto de vista del material los más importantes son: – Metálicos: los postes metálicos son utilizados en ambientes que tienen un nivel alto de corrosión. Están debidamente protegidos con pintura anticorrosiva o galvanizados. Son muy utilizados para el alumbrado público debido a su bajo costo en comparación con los postes de hormigón armado. Oscar González Jorge Ibarra 83 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.19 Postes metálicos – De H°A°: son postes de larga duración y bajo nivel de mantenimiento, son usados en lugares con alto nivel corrosivo, es decir que son aptos para los inconvenientes que presenta el clima porque funcionan al aire libre. Figura 2.20 Poste de H°A° Oscar González Jorge Ibarra 84 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.8.5 Requisitos que debe cumplir una instalación de AP Para todo proyecto de iluminación se debe considerar ciertos requisitos que permiten que un sistema funcione de manera correcta y eficaz, los cuales permiten garantizar que todas las demandas sean cubiertas, estos requisitos son: – Evitar el fenómeno de deslumbramiento (ofuscación de la vista debido a una luz fuerte que puede causar molestia al ojo). – Ofrecer un grado aceptable de uniformidad en la iluminación. – Facilitar el mantenimiento. – Satisfacer las condiciones de estética. – Dar un grado satisfactorio de confiabilidad. 2.9 Tipos de lámparas 2.9.1 Incandescentes Este tipo de lámpara está compuesto por un filamento de tungsteno, su luz es generada por el paso de corriente eléctrica a través de este, y la temperatura elevada que provoca este movimiento de electrones provoca una radiación visible en forma de luz. Este filamento se encuentra dentro de una ampolla de vidrio en vacío o rellenada con gas, con esto se evita que el componente haga combustión por la alta temperatura generada. Básicamente el rendimiento de este tipo de lámparas es bajo, ya que la mayor parte de la energía consumida se convierte en calor, su beneficio se ve reflejado en su bajo costo y en que garantiza la iluminación de los objetos en sus colores originales. Oscar González Jorge Ibarra 85 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO Figura 2.21 Lámpara incandescente 2.9.2 Compactos Fluorescentes Los fluorescentes compactos tienen las mismas características de los tubos fluorescentes, se podría decir que son una derivación de los mismos, su tamaño reducido los hace semejantes a las lámparas incandescentes, su principal característica es su bajo consumo de energía, y su reproducción de color, pueden estar dotados o no de un balastro dependiendo del tipo de rosca que presenten. Figura 2.22 Lámpara Fluorescente Compacta Oscar González Jorge Ibarra 86 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.9.3 Mercurio alta presión La lámpara de mercurio es una de las que funciona con alta presión, su periodo de encendido es relativamente largo, oscila entre los 4 y 5 minutos, tiene un color azul verdoso característico al encendido, su eficiencia es directamente proporcional a la potencia. Para su encendido ioniza el contenido del bombillo y por medio de un electrodo auxiliar que se encuentra próximo a uno de los dos electrodos principales de la lámpara, con esto se logra la descarga produciendo el encendido de la misma. Tiene además complementos necesarios para su funcionamiento como son un condensador para mejorar su factor de potencia y un balasto para regular la corriente de encendido. Figura 2.23 Lámpara de Mercurio Oscar González Jorge Ibarra 87 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO 2.9.4 Lux Mixta Como su nombre lo indica estas lámparas son una mezcla de lámpara de mercurio con una lámpara incandescente, al igual que las incandescentes utilizan un filamento y la vida útil está dada por el mismo, por usar filamento para su funcionamiento no necesitan balasto, ya que este es quien se encarga de regular la corriente con la que funciona. Figura 2.24 Lámpara de Luz Mixta 2.9.5 Vapor de Sodio a Alta Presión Este tipo de lámparas a diferencia con las de baja presión es la cantidad de sodio que almacenan, estas lámparas poseen mayor cantidad, y además de este componente poseen mercurio y xenón, que son los que permiten que sea viable el encendido de la lámpara y a su vez limitan la elevación de calor en las paredes del tubo por el arco de descarga que se produce. Este tipo de lámpara es aplicado en iluminación exterior, ya que su espectro visible es de alta calidad por los objetos iluminados. Al igual que otras lámparas posee elementos auxiliares para su funcionamiento, como son el arrancador que nos permite limitar el pico de Oscar González Jorge Ibarra 88 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO corriente que se produce en el encendido, y un condensador para mejorar el factor de potencia. Figura 2.25 Lámpara de Sodio a Alta Presión 2.9.6 LED Las lámparas LED están conformados por bancos reunidos de diodos emisores de luz, es decir que una lámpara de este tipo está compuesta por una cierta cantidad de LEDs, esta cantidad va de acuerdo a la fuente luminosa a la que se desea llegar comparándose con lámparas de uso común como las fluorescentes y las incandescentes. Esta lámpara se caracteriza además por ser de estado sólido. En la actualidad las lámparas LED tienen muchos usos, ya que su gama es amplia y abarca casi todos los campos lumínicos, este tipo de lámparas muestran ciertas ventajas como son el ahorro energético que representa su mayor aporte junto con su larga vida útil, su velocidad de arranque es Oscar González Jorge Ibarra 89 Universidad Nacional de Asunción Facultad de Ingeniería Trabajo Final de Grado Ingeniería Electromecánica ESTUDIO DE IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA FOTOVOLTAICO. CASO: ILUMINACIÓN DE ALUMBRADO PUBLICO DEL CAMPUS UNA-SLO inmediato, está diseñada para arranques y paros continuos, es decir que funciona bajo un esfuerzo considerable, su desventaja más notable es la de su elevado costo frente a otras lámparas que se encuentran en el mercado. Figura 2.26 Lámpara LED Oscar González Jorge Ibarra 90
