Ahorro de energía eléctrica mediante el control proporcional

XII JORNADAS DE INVESTIGACIÓN, Revista
Investigación Científica,
Vol. 4, No. 2, Nueva época, mayo–agosto 2008
ISSN 1870–8196
Ahorro de energía eléctrica mediante el control proporcional
integral de la iluminación
Uriel Céspedes López
Luis A. Belmontes Belmontes
Rafael Villela Varela
Claudia Reyes Rivas
Aurelio Beltrán Telles
Miguel Eduardo González Elías
Unidad Académica de Ingeniería Eléctrica
Universidad Autónoma de Zacatecas
Palabras clave: Ahorro de energía, control PID, control difuso, sensor de luz.
Introducción
Se propone un sistema para reducir el nivel de consumo de energía eléctrica
en espacios de trabajo como aulas u oficinas, sin disminuir la iluminación
necesaria para que las personas que ahí laboran o estudian realicen sus
actividades cotidianas. La relevancia de este proyecto consiste en que
representa una opción viable para el ahorro de energía eléctrica y en que
contribuye a disminuir la crisis energética actual.
Objetivos
Se comparará el nivel de consumo de energía eléctrica y la calidad de la luz
en tres sistemas de iluminación diferentes. El primero utiliza lámparas
fluorescentes que funcionan en forma permanente con su voltaje nominal, y
en los otros dos se usan lámparas incandescentes, en los que el voltaje
depende de la intensidad de luz que ingresa del exterior. Se pretende reducir
el consumo de energía eléctrica en recintos como bibliotecas, salones de
clase y oficinas, mediante el control Proporcional Integral (PI) y del control
Difuso de la luz, empleados en el segundo y tercer sistema, respectivamente.
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Antecedentes y Justificación
Generar la energía eléctrica requiere de la combustión de carbón, gas y
petróleo, pero esto produce gran cantidad de contaminantes que se emiten
a la atmósfera, provocando consecuencias perjudiciales como el llamado
“efecto invernadero”, que incrementa la temperatura atmosférica del planeta
y produce nocivos cambios climáticos como sequías en algunas regiones, e
inundaciones y huracanes en otras. Además de los problemas de
contaminación, el alto precio del petróleo aumenta el costo de la energía
eléctrica, por ello es urgente lograr su consumo eficiente en todos los
ámbitos.
Metodología
En un sistema usual de iluminación interior, las lámparas fluorescentes son
alimentadas con un voltaje constante, por lo regular, de 120 voltios de
corriente alterna (c.a.), y funcionan así durante toda la jornada de trabajo. En
esta investigación se propone colocar lámparas incandescentes (focos), cuyo
voltaje será regulado; conforme disminuya la luz natural, las lámparas se
encenderán de manera gradual.
Así los focos no se activarán al 100% de su capacidad y cuando se
enciendan usarán sólo la proporción de voltaje necesario, disminuyendo así
el consumo de energía. Es importante mencionar que el rango de
iluminación recomendado para escuelas y oficinas es de 300 a 700 luxes [1],
y en esta investigación se ocuparon 500 [2]. Para el sistema de control se
emplearon focos porque funcionan con diferentes niveles de voltaje, en
cambio las lámparas fluorescentes precisan de unos muy cercanos a su
nominal.
El sistema de control de iluminación consta de los siguientes
componentes:
•
Sensor de luz (Celda Fotovoltaica).
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•
Etapa de acondicionamiento de la señal, para amplificar la salida de
voltaje del sensor.
•
Controlador Lógico Programable (PLC).
•
Etapa de potencia para que la señal de voltaje de corriente directa
(c.d.) de salida del PLC sea transformada a voltaje de corriente alterna
(c.a.) y sea posible aplicarla a las lámparas.
•
Medidor de energía eléctrica (Watthorímetro).
•
Medidor de intensidad luminosa.
El PLC es un dispositivo usado en la industria para el control de cargas
eléctricas como motores, elevadores y electroválvulas, pero es poco
frecuente que se aproveche para controlar la iluminación, como se hace en
este proyecto. Con respecto al sistema de control PI, el sensor detecta y mide
el nivel de luz existente en el recinto, entregando luego una señal del orden
de los milivolts (mv). Esta señal es enviada a la etapa de acondicionamiento
[3] que la amplifica para que esté en el rango de 0–10 volts de c.d., y la
salida del amplificador es aplicada a una entrada analógica del PLC que la
digitaliza en el rango de 0–32000.
Después, un programa normaliza la señal para que permanezca en el
rango de 0–1 y sea utilizada en una rutina de control PI que ejecuta el PLC y
que determina la proporción del voltaje que recibirán las lámparas en el
rango 0–1, según la necesidad de iluminación. La señal se desnormaliza para
quedar en el rango 0–32000 y es enviada a una salida analógica del PLC
que la convierte en un voltaje en el rango 0–10 volts de c.d. y la aplica a la
etapa de potencia [4], transformándola en un voltaje en el rango de 0–120
volts de c.a. y que finalmente reciben los focos; una señal de salida
analógica de10 volts de c.d. corresponde al 100% de voltaje aplicado a los
focos.
El sistema de control Difuso [5] utiliza un circuito que entrega ocho niveles
de voltaje a los focos. El sensor de luz envía una lectura al PLC y su programa
establece el orden en que todos o algunos de ellos deben activarse o
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desactivarse, hasta lograr la intensidad de luz deseada; es decir, la cantidad
de luxes emitidos por las lámparas depende del nivel de voltaje aplicado.
Para facilitar la programación del PLC es conveniente indicar en forma tabular
lo que se debe hacer con los niveles de las lámparas, de acuerdo al grado
de luz leído. La tabla 1 muestra parte de la información requerida para esta
prueba.
Una vez armados los circuitos de las etapas de acondicionamiento y de
potencia, así como el sensor y las lámparas, se diseña matemáticamente el
sistema de encendido de las lámparas incandescentes y se determinan los
valores de las constantes proporcional e integral del control PI [6]. Después se
elaboran dos programas en lenguaje KOP o diagrama escalera para el PLC
[7], uno para el control PI y otro para el control Difuso.
El experimento consistió en tres pruebas. En la primera se prendieron
lámparas fluorescentes con un voltaje constante de 120 volts de c.a., de 9
a.m. a 7 p.m. durante cinco días consecutivos, pero no se usó al PLC, ya que
el encendido y apagado era manual. En la segunda prueba se usó al PLC
para realizar el control PI de iluminación sobre focos; el sistema estuvo en
funcionamiento en el mismo horario y por el mismo número de días que las
lámparas fluorescentes. En la tercera prueba se empleó la técnica de control
difuso sobre las lámparas incandescentes, para determinar si éste ofrece un
mayor ahorro de energía y una mejor calidad de iluminación que el PI.
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La parte experimental de la investigación se llevó a cabo en un recinto de 7
metros de largo por 3 metros de ancho y una altura de 2.20 metros. El local
cuenta con dos ventanas ubicadas a un costado, cada una mide 2 metros
de largo por 1 de ancho y proporcionan buena iluminación natural. La parte
superior de la puerta del local tiene vidrio, permitiendo la entrada de luz.
Para la primera prueba se colocaron en el techo dos conjuntos de tres
lámparas fluorescentes de 30 watts cada una, proporcionando en total 500
luxes, y para las otras dos pruebas se conectaron seis focos de 100 watts
cada uno, mismos que también aportaron 500 luxes; estuvieron colocadas a
una altura de 120 centímetros, equivalente a la ubicación del área de trabajo
sobre un escritorio. La conexión de los dos tipos de lámparas fue
independiente, para que sólo encendiera el sistema que el usuario
considerara conveniente. En el interior del recinto se conectó un watthorímetro
comercial para medir el consumo de energía eléctrica.
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Resultados
El uso las lámparas fluorescentes registró un consumo de 8.0 kilowatt–hora
(KWH), mientras que en las lámparas incandescentes con control PI, el
consumo fue de 5.3 KWH y con el control Difuso sobre los focos, fue de 5.1
KWH (tabla 2). En las tres pruebas el nivel de iluminación se mantuvo en el
rango de 400–600 luxes en el interior del recinto. Se observó una calidad
luminosa muy deficiente en la segunda prueba (control PI sobre focos), ya
que la luz de las lámparas oscilaba notoriamente al pasar de un nivel
luminoso a otro.
Conclusiones
• En las pruebas preliminares se ahorró energía eléctrica usando lámparas
incandescentes cuyo voltaje aplicado dependió del nivel de iluminación
detectado por el sensor. Con respecto al uso de lámparas fluorescentes
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funcionando con voltaje constante, el ahorro fue de 33.75% aplicando
control PI, y de 36.25% con control Difuso.
• El sistema de iluminación que permitió un mayor ahorro de energía
eléctrica fue el control Difuso sobre lámparas incandescentes.
• El control PI produjo una calidad deficiente de la iluminación, no
obstante, permitió ahorrar energía.
• El control PI y el control Difuso se diseñaron con un PLC pero también es
posible hacerlos usando un microcontrolador, un PIC o una tarjeta de
procesamiento digital de señales.
• Este proyecto es una alternativa para disminuir el nivel de energía
eléctrica usada con fines de producción de luz.
• El sistema de control de iluminación es relativamente barato.
Trabajo futuro
• Hacer pruebas durante periodos más largos para determinar si se
mantienen las conclusiones obtenidas durante las pruebas preliminares.
• Realizar pruebas en un recinto de mayores dimensiones y utilizar mayor
número de sensores y de lámparas.
• Determinar si existen lámparas comerciales tanto fluorescentes como
incandescentes que produzcan mayor nivel de iluminación que las usadas en
esta investigación, y realizar pruebas de consumo de energía con ellas.
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Bibliografía
[ 1 ] ARIAS Orozco Silvia, “La iluminación natural y el ahorro de energía”, en
http://www.imcyc.com.revista/2000/junio2000/iluminación4.htm (2000)
[ 2 ] GARCÍA Fernández Javier en
http://edison.upc.es/curs/llum/interior/iluint1.html
[ 3 ] “Datasheet Catalog”, en http://www.datasheetcatalog.net/
[ 4 ] “National Semiconductor Corporation”, http://www.national.com
[ 5 ] KUO Benjamín, Sistemas de control automático, Prentice Hall, México (2001).
[ 6 ] OGATA Katzuhiko, Ingeniería de Control Moderna, Prentice Hall,
México
(1998).
[ 7 ] “Manual del PLC S7–200 Programmable Controller de SIEMENS”, (2000).
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