Sistema Fotovoltaico para Alumbrado Público: Estudio de Implementación

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
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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
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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
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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.
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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
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(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.
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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
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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)
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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
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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.
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
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.
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– 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).
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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
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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
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• 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.
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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]
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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).
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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
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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.
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– 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
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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
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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)
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•
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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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.
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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
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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
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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
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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.
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– 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
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– 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.
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– 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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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°
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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