Cómo seleccionar el sistema de iluminación LED

Iluminación LED
Cómo seleccionar el sistema de iluminación LED
adecuado para mejorar la seguridad en los ambientes
más demandantes y peligrosos
Las luminarias de diodos emisores de luz
(LED) proporcionan grandes beneficios, como
ahorros a largo plazo y mejoras en seguridad,
gracias a su larga durabilidad y vida útil,
costos de mantenimiento intrínsecamente
más bajos y un encendido instantáneo en
comparación con sistemas de iluminación
tradicionales.
Costos totales de operación más bajos y las
mejoras en seguridad comprobadas, han
sido la motivación principal en la industria
para la progresiva sustitución de sistemas de
iluminación tradicionales por luminarias con
tecnología LED.
Como sucede con cualquier nueva
tecnología, existen desafíos en el diseño y
mantenimiento de un sistema óptimo que
pueda soportar las condiciones ambientales
en una aplicación industrial.
Los desafíos y consideraciones comunes incluyen:
• La distribución de las luminarias
• La intensidad/dispersión/calidad de la luz
• La gestión térmica
• La selección de los materiales
• Los sistemas redundantes de operación y
seguridad.
La probabilidad de éxito en potenciar al máximo la
confiabilidad, seguridad y eficiencia de la tecnología LED
en ambientes severos y peligrosos aumenta con el uso de
principios y métodos de diseño comprobados.
Los métodos de selección y los principios de diseño se
explicarán con ejemplos reales del uso y con estudios de
caso, en donde examinaremos las mejores prácticas y las
falsas ideas de la selección y el uso de las luminarias LED al
ser instaladas en ambientes severos y peligrosos.
Palabras clave: diodo emisor de luz (LED), controlador (driver), sodio de alta presión, haluro metálico, índice
de reproducción cromática, curva de depreciación del lumen L70, descarga de alta intensidad (HID), Sociedad
de Ingenieros de Iluminación de Norteamérica, grado de protección contra ingreso (IP), factor de potencia,
distorsión armónica total.
Iluminación LED. Seguridad en entornos severos y peligrosos
I. INTRODUCCIÓN
Dentro de una instalación industrial hay zonas donde existe alta vibración, polvos, productos químicos y otras sustancias
potencialmente explosivas. Estos factores afectan seriamente la vida útil y el funcionamiento de las luminarias situadas
dentro de estos sitios. Por ejemplo, operaciones como el procesamiento y almacenamiento de granos dan como resultado
una acumulación significativa de polvo, mientras que otras operaciones, como el procesamiento de químicos son ambientes
altamente cáusticos. Para garantizar la seguridad de los trabajadores, es necesario realizar operaciones y servicios de
mantenimiento rápidos a las luminarias que han dejado de funcionar correctamente. Conforme evoluciona la tecnología
de la iluminación, ha habido mejoras en la vida útil, la eficiencia energética, el color y la seguridad. La iluminación LED para
uso en aplicaciones peligrosas (clasificadas) y en la industria pesada debe diseñarse, fabricarse e instalarse de manera que
garantice un funcionamiento confiable, seguro y efectivo en la vida útil de una luminaria.
II. DESEMPEÑO DEL LED
A. Eficacia del sistema
La eficacia de una luminaria LED es la efectividad total
del sistema incluyendo los LEDs, el disipador térmico, el
controlador (driver) y la óptica.
La eficacia de una luminaria LED es típicamente del 25%
al 30% menor en comparación al LED como componente
individual, debido a las pérdidas térmicas, eléctricas y ópticas.
Por ejemplo, la eficacia del LED como componente puede
estar dentro de un rango de 140 a 150 lúmenes por watt,
pero después de las pérdidas por eficiencia, la eficacia
total del sistema puede estar en el rango de 100 a 105
lúmenes/watt. La Oficina de Rendimiento Energético
y Energía Renovable del Departamento de Energía de
EE.UU. (DOE por sus siglas en Inglés) ha estimado que la
eficacia de la tecnología LED a nivel componente alcanzará
aproximadamente 220 lúmenes por watt para el año 2020
[1]. La eficacia del sistema LED se puede validar e interpretar
exactamente si se integran los resultados de los informes de
pruebas de esfera integradora y fotometría.
B. Lúmenes vs. Lux
Fuentes de iluminación tradicionales como HID,
incandescente, fluorescente u otras, proporcionan una luz
omnidireccional, mientras que la iluminación LED proporciona
una luz direccional enfocada directamente en el área objetivo.
El lumen es la cantidad de luz emitida en un ángulo
específico de una fuente de luz. El lux es la cantidad de luz
emitida por una fuente por un metro cuadrado de área.
La regulación 1926.56 (a) de la Administración de Seguridad
y Salud Ocupacional (OSHA) [2] establece que: Las áreas de
construcción, rampas, corredores, pasillos, oficinas, talleres y
almacenes estarán iluminados con niveles de entre 30 y 300
luxes (3-30 fc) mínimo en diferentes áreas. Además de estos
estándares, muchas compañías en la industria de procesos
tienen niveles significativamente mayores que los niveles
mínimos de la OSHA.
Una luminaria LED tendrá una emisión total de lúmenes más
baja que su equivalente HID, esto debido a la gran cantidad
de pérdidas de luz en el patrón luminoso omnidireccional
de una luminaria HID tradicional. Algunos fabricantes
de luminarias LED ofrecen los servicios de estudios de
iluminación por computadora, esto con la finalidad de
garantizar que se seleccione la luminaria LED apropiada
para mantener los niveles de lux adecuados en el área de
trabajo. Estos servicios proporcionan reportes e informes del
desempeño esperado de un sistema de iluminación LED para
una aplicación específica. Dicho análisis es especialmente
útil cuando se implementa un proyecto de actualización HID
a LED, en un área determinada, los estudios generalmente
arrojan una necesidad de menos luminarias LED en
comparación con la base instalada HID, pero garantizando
los mismos niveles de iluminación gracias a la característica
unidireccional de las luminarias LED.
Iluminación LED
Seguridad en entornos severos y peligrosos
III. SELECCIÓN DE LOS ATRIBUTOS LED
La vida útil es el periodo de funcionamiento antes de una
falla, está basada en la combinación de la vida del LED y del
controlador de la luminaria. La vida útil depende del más débil
de los dos componentes, que es el controlador. Según la
DOE, el 52% de las fallas en luminarias LED está relacionada
con el controlador [3].
La vida nominal se define como el periodo de funcionamiento
libre de mantenimiento de una luminaria LED bajo las peores
condiciones de operación a una temperatura y operación
(24/7) constante.
La vida útil del LED se mide usando las curvas de
depreciación del lumen. Cuando se fabrica un LED, este debe
pasar una serie de pruebas durante 3,000, 6,000 y 10,000
horas. Estas pruebas las realiza un tercero y se examina el
desempeño del LED bajo distintas temperaturas y amperajes.
Después de cada intervalo de prueba, el fabricante recibe
un reporte de prueba TM-21. Este reporte proporciona los
detalles específicos sobre el desempeño del LED. El reporte
TM-21 usa cálculos específicos para definir el reporte de
Mantenimiento Lumen (LM-80).
Después de seleccionar el LED para una luminaria, se mide
su desempeño para validar la luz emitida, la temperatura del
ensamble LED y del envolvente. Los datos del LM-80 son
utilizados junto con estos parámetros para definir la vida útil
L70 del LED. El L70 está definido como el número de horas
después de las cuales la emisión de luz del LED se deprecia
un 30%.
Para asegurar una larga vida útil, las luminarias LED se
deben fabricar con disipadores térmicos robustos y durables
que permitan una transferencia térmica óptima del LED
al medio ambiente. Por ejemplo, los disipadores térmicos
con aletas son un excelente medio para disipar el calor y
reducir la temperatura de los LED en las luminarias. Una
gestión térmica efectiva asegura una mayor vida útil,
menor depreciación lumínica y un cambio mínimo
de color durante la vida de la luminaria LED. También
garantiza temperaturas superficiales más bajas y códigos de
temperatura (T-Rating) para una operación segura y confiable
en procesos industriales donde vapores, gases, polvos, fibras
o partículas inflamables estén presentes. La figura 1 ilustra la
relación entre la vida nominal y la vida útil.
Duración nominal del sistema LED en comparación con su
vida útil:
Vida (Horas de Operación)
C. Vida nominal vs. vida útil
200,000
}
160,000
120,000
80,000
Vida Útil
Vida Nominal
40,000
0
0°C
25°C
30°C
35°C
40°C
45°C
55°C
Vida de la luminaria (Horas)
La vida útil puede variar de 60,000 a 170,000 horas, o de 7 a 20 años de
operación libre de mantenimiento.
Fig. 1: Vida útil vs. vida nominal.
D. Vida útil del LED vs. HID
La vida útil promedio de una lámpara de vapor de sodio de
alta presión (VSAP) es de 24,000 horas (33 meses). La vida
útil promedio de una lámpara de aditivos metálicos Pulse Start
(AMPS) es de 30,000 horas (42 meses). Una luminaria LED
equivalente tiene una vida útil promedio (L70) de 100,000
horas (138 meses). Además de duraderos, los LED no utilizan
filamentos ni gases para generar luz, esto permite que la
luminaria LED tenga una resistencia superior a la vibración y
una vida útil más larga en comparación con luminarias HID.
Así, al convertir las luminarias HID a LED en instalaciones de
procesos industriales, se notarán visibles mejoras en la vida
útil y costos de mantenimiento de los sistemas de iluminación.
Esto brinda a una planta industrial o a una fábrica un
entorno operativo más seguro, con emisión de luz más
consistente, vida útil más larga y reducción del tiempo
de inactividad de la maquinaria por mantenimiento a los
sistemas de iluminación.
E. Desempeño eléctrico
F. Calidad de la luz
Para la alimentación de los LED se utilizan controladores o
drivers, estos dispositivos disminuyen el voltaje de entrada
y lo convierten de alimentación CA a CD. Los controladores
pueden ser de voltaje constante o de corriente constante de
salida. Las luminarias LED diseñadas para utilizar corriente
constante de salida, aíslan la luminaria de fluctuaciones en la
corriente y voltaje. Esto produce un funcionamiento confiable
a lo largo del tiempo. Muchos controladores cuentan con
protección contra sobretensión, que elimina la necesidad de
dispositivos adicionales de protección (fusibles, por ejemplo).
La redundancia de los controladores también puede garantizar
un funcionamiento confiable con el tiempo. Múltiples
controladores conectados a múltiples circuitos LED aseguran
que una luminaria LED cuente siempre con LEDs o ensambles
LED iluminados en el caso de que alguno de los controladores
falle.
Debido a la naturaleza direccional de los LED, se deberán
de incorporar al diseño de las luminarias LED ópticas
personalizadas para cada arreglo o LED discreto. La óptica
permite una distribución uniforme, mayor cobertura y más luz
en el plano de trabajo con pérdidas mínimas. A su vez, esto
resulta en un aprovechamiento máximo del espaciamiento y
una disminución en la cantidad de luminarias necesarias para
iluminar de manera efectiva el área de trabajo. Algunas de las
ópticas comunes que se utilizan en la industria son:
Los controladores LED cuentan con un alto factor de
potencia (FP) y una distorsión armónica total (THD) baja,
dentro de un rango amplio de voltaje de entrada de 120-480
VCA. Los controladores más eficientes funcionarán con un
FP por encima del 99% y una THD menor al 15%. Estas
características de desempeño muestran la manera eficiente
en que los controladores reducen la interferencia de equipos
eléctricos y disminuyen la carga en un sistema eléctrico.
F. Eficiencia energética
Globalmente, los fabricantes industriales tienen costos más
altos en electricidad, lo que ha inspirado al personal de
ingeniería y mantenimiento a identificar soluciones de ahorro
de energía. Con un gran número de instalaciones que cuentan
con dispositivos HID en todo el mundo, los dispositivos de
iluminación LED pueden proporcionar ahorros importantes de
energía.
Según el Departamento de Energía de Estados Unidos, “la
energía total utilizada en luminarias para altos montajes, High
Bay, fue aproximadamente de 1096 tBtu en 2012. Un cambio
completo de tecnología a LED reduciría el uso de energía casi
a la mitad, ahorrando aproximadamente 483 tBtu al año. Estos
ahorros potenciales resultarían en un ahorro anual en costos
de energía de $4.6 billones de dólares estadounidenses [4].”
Por ejemplo, una luminaria de 175W AM instalada en una
planta industrial requiere de una potencia de entrada de 208
watts. Con un espaciamiento de 3 metros por luminaria en un
área de 37 metros cuadrados, se requieren 40 luminarias para
iluminar dicho espacio. Considerando 208 watts por luminaria
se requeriría de 8.3 kilowatts (kW) por área.
Una luminaria LED que proporciona una iluminación
equivalente a los 175W AM, requiere únicamente de una
potencia de 98 watts. Al sustituir las 40 luminarias por
tecnología LED, se requerirán 3.9 kW por área. Las luminarias
LED dan como resultado un 53% de ahorro energético,
además de contar con una vida útil tres veces superior en
comparación con AM. Esto aumenta la seguridad a través
de menores requerimientos de carga de energía eléctrica. La
reducción total de potencia y amperaje debida a una mayor
eficiencia energética del sistema de iluminación LED puede
dar como resultado que en una planta industrial requiera
menos tableros, interruptores, transformadores y conductores.
A. Tipo I. Distribución de haz de luz larga y rectangular para
pasillos, corredores, rampas, puertos de carga, pasarelas,
túneles, bandas transportadoras, etc.
B. Tipo III. Patrón de distribución de luz semicircular en forma
de riñón para montaje en corredores angostos que minimiza
el desperdicio de luz sobre la pared.
C. Tipo V. Patrón de distribución de luz circular para montaje
colgante, a techo o a poste en altos o bajos montajes, en
interiores o exteriores de plantas industriales, áreas de gran
amplitud, almacenes, etc.
Reproducción del color. Según la Sociedad de Ingenieros de
Iluminación de Norteamérica (IESNA) [5] ”…medida del grado
en que cambia el color de los objetos cuando son iluminados
por la fuente de luz en comparación con el color de estos
mismos objetos iluminados por una fuente de referencia,
de temperatura de color comparable…” La reproducción
del color indica el grado en que la fuente de luz muestra los
colores verdaderos de los objetos que ilumina. Se expresa en
términos de Índice de Reproducción Cromática (IRC) en una
escala del 0 al 100. A mayor IRC, la gente y los objetos se
ven más verdaderos [6].
Las luminarias de VSAP normalmente tienen un rango de
reproducción de color muy bajo, en el orden de 22 IRC. Por
ejemplo, en un área de mantenimiento donde el trabajador
debe usar cables negros, blancos y verdes, un IRC bajo
evitará la capacidad de discernir entre los cables blancos y
verdes, lo que podría ocasionar una instalación incorrecta.
Los LED se fabrican y se prueban según el
estándar C78.377-2008 del Instituto Nacional
Estadounidense de Estándares (ANSI) [7], que
define específicamente la temperatura del color
y representación del color. Este proceso se llama
discretización (binning). De tal manera que si en
un área industrial de proceso se reemplazan las
luminarias por iluminación LED con un IRC de 70,
se proporcionará a los trabajadores un color tres
veces más preciso para las revisiones de calidad,
las lecturas de los calibradores y las tareas de
precisión. Una representación del color mejorada
brinda un ambiente laboral más seguro y mejora la
calidad de vida del trabajador [8].
Fig. 2: Luminaria LED instalada en mina de potasa.
Fig. 3: Luminaria LED en lavado de alta presión.
H. Durabilidad y confiabilidad
Un factor clave para la seguridad y la vida útil de las luminarias LED es el grado de protección contra ingreso (IP). Según el
estándar 60529 del ANSI/IEC [9], la IP es el grado de protección que tiene una envolvente contra el acceso de sustancias
peligrosas, agua y objetos sólidos extraños dentro de la envolvente.
Actualmente existen en el mercado luminarias LED con un grado de protección contra ingreso IP66 que significa una
protección total contra el ingreso de objetos extraños y chorros de agua. Una luminaria LED que cuenta con un rango de
protección contra ingreso menor a IP66 no posee las mismas características de desempeño. La fabricación de luminarias
robustas que eviten las fallas en áreas con presencia de polvos y donde exista un proceso de lavado de alta presión es
esencial para la seguridad y el desempeño. Las figuras 2 y 3 muestran ejemplos de aplicaciones industriales severas para las
luminarias LED.
IV. CASO DE ESTUDIO
A pesar de que hay muchas aplicaciones para la iluminación
LED en las instalaciones de proyectos nuevos en la industria,
las modernizaciones que reemplazan a viejas tecnologías
existentes, también están aumentando. Los autores han
seleccionado una aplicación de modernización (retrofit),
mejorando la iluminación de una dragalina móvil como
ejemplo de un entorno extremadamente severo.
La dragalina seleccionada en este caso de estudio está
ubicada en una mina de carbón superficial, ubicada en el
estado de Colorado, EE. UU. El sistema de energía en la mina
se apoya de Tri-State Generation y Transmission Association,
un proveedor mayorista de energía eléctrica propiedad de
las 44 cooperativas eléctricas a las que da servicio. Tri-State
genera y transmite electricidad a sus sistemas a través de
un territorio de servicio de 200,000 millas cuadradas a lo
largo de los estados de Colorado, Nebraska, Nuevo México y
Wyoming.
La dragalina existente funcionó durante muchos años con
luminarias de aditivos metálicos tradicionales. Debido a la
fuerte vibración y a otros problemas ambientales como la
humedad, una amplia variación de temperatura, polvo y
suciedad, la iluminación existente presentaba un problema
importante en cuanto a mantenimiento. Las operaciones
en el sitio no podían darse el lujo de perder producción o
permanecer inactivas debido al alto costo, ya que el equipo
funcionaba las 24 horas, los 7 días de la semana y los paros
no programados para reemplazar los componentes en falla no
eran una opción.
La mina utilizaba reflectores HID de 1000 W y está interesada
Fig. 4. Fotografía de la mina con 16 reflectores LED.
en migrar a LED por cuestiones de mantenimiento y
seguridad. Uno de los puntos clave es el tiempo que se
tardaría el reemplazo y el costo que implicaría que el equipo
estuviera fuera de operación (varios miles de dólares por
hora) por estar en mantenimiento.
El departamento de operaciones decidió reemplazar 16
reflectores HID por 16 reflectores LED en la pluma de la
dragalina, como se muestra en la figura 4. Esta mejora dio
como resultado más de $27,000 USD en ahorro inicial para la
mina, incluidos $10,000 USD de ahorro en mantenimiento y
$17,000 USD en ahorro de energía.
Iluminación LED
Seguridad en entornos severos y peligrosos
V. CONCLUSIONES
VI. REFERENCIAS
Los LED de larga duración reducen los costos de
mantenimiento y mejoran la seguridad al disminuir la
necesidad de andamios y de otros equipos para cambiar
frecuentemente las lámparas o balastros. Una menor
necesidad de mantenimiento aumenta la seguridad y
reduce la probabilidad de accidentes.
Los LED de alta eficiencia energética proporcionan
ahorros importantes de energía en la instalación. Con
tantas instalaciones industriales que cuentan con grandes
infraestructuras eléctricas para soportar las cargas de
iluminación, la reducción del consumo de energía brinda
una oportunidad para disminuir la huella de energía eléctrica
y mejorar la seguridad gracias a una iluminación más
efectiva.
La reproducción de color del LED –en comparación con
HID– aumenta la calidad, la seguridad y el desempeño en
varias áreas de una instalación de proceso industrial.
Las luminarias LED también proporcionan luz direccional
enfocada en el área de trabajo, en comparación con la
luz omnidireccional de HID. Esto aumenta los niveles de
iluminación en el área de trabajo y reduce al mínimo la
pérdida de luz por encima de la luminaria sin la necesidad
del uso de reflectores adicionales. Estas características
promueven el bienestar de los trabajadores y aumentan la
seguridad del área de trabajo, gracias a una luz de mayor
calidad.
[1]United States Department of Energy office of Energy Efficiency
& Renewable Energy, April 2013, Solid-State Lighting Research
/ Develpment Multi-Year Program Plan
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/
ssl_mypp2013_web.pdf, Washington, DC
[2]Occupational Safety & Health Administration Regulation
Standard 1926.56 Illumination
https://www.osha.gov/pls/oshaweb/owadisp.show_docu
ment?p_table=STANDARDS&p_id=10630
[3]United States Department of Energy Office of Energy
Efficiency & Renewable Energy, April 2013 (Revised May
2013), Adoption of Light-Emitting Diodes in Common Lighting
Applications
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ ssl/ledadoption-report_2013.pdf, Washington, DC
[4]Lighting Research Center Rensselaer Polytechnic Institute
What is Color Rendering, February 2014
http://www.lrc.rpi.edu/programs/nlpip/lightinganswers/lig
htsources/whatisColorRenderingIndex.asp# , Troy, NY
[5]Illuminating Engineering Society of North America Light in
Design – An Application Guide IES CP-2-10
http://www.ies.org/PDF/Education/LightInDesign.pdf ,
New York, NY
[6]United States Department of Energy Office of Energy
Efficiency & Renewable Energy, April 2012, Solid State Lighting
Standards and Guidelines
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/
ssl_standards.pdf , Washington, DC
[7]A Literature Review of the National Renewable Energy
Laboratory, Effects of Natural Light on Building Occupants, July
2002
http://www.nrel.gov/docs/fy02osti/30769.pdf , Golden, CO
Devon Jenkins
Eaton Crouse-Hinds
Wolf y Seventh N. Streets
Syracuse, NY 13221 USA
[email protected]
Anshuman Bhargava
Eaton Crouse-Hinds
Wolf y Seventh N. Streets
Syracuse, NY 13221 USA
[email protected]
Raúl Ramos
Eaton Crouse-Hinds
Javier Rojo Gomez N. 1170
Mexico City, 09300
[email protected]
[8]United States Department of Energy Office of Energy
Efficiency & Renewable Energy, August 2013, Lifetime and
Reliability
http://apps1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ ssl/lifereliability_fact-sheet.pdf , Washington, DC
[9]National Electrical Manufacturers Association ANSI/IEC
Standard 60529-2004, November 2004,
http://www.nema.org/Standards/ComplimentaryDocuments/
ANSI-IEC-60529.pdf, Rosslyn, VA