RENLUX: Sistemas fotovoltaicos para iluminación Évelin Alvarado #1, Diego A. Pilco P. #1, Jorge L. Jaramillo P. #2

#1 Profesional en formación, Universidad Técnica Particular de Loja

#2 Docente, Universidad Técnica Particular de Loja

Loja, Ecuador

1egalvarado@utpl.edu.ec, 1dapilco@utpl.edu.ec, 2jorgeluis@utpl.edu.ec

Resumen—El presente trabajo resume la línea base descriptiva de los componentes que conforman un sistema fotovoltaico destinado a iluminación de espacios, y, muestra los resultados del dimensionamiento preliminar de un sistema fotovoltaico para iluminación del edificio Virginia Riofrío, un bloque de aulas en el campus de la UTPL en la ciudad de Loja, Ecuador. Palabras claves— sistemas no convencionales de iluminación, paneles fotovoltaicos, sistemas fotovoltaicos para iluminación.

I. INTRODUCCIÓN

El creciente costo económico y ambiental de los combustibles fósiles ha promovido el desarrollo de fuentes renovables como alternativas energéticas. Entre las fuentes de energía renovable de mayor potencial figura la energía solar, disponible en todo el mundo y catalogada como un recurso universal que no tiene costo.

En respuesta al reto de mejorar la tecnología para el aprovechamiento de la energía solar y su aplicación en actividades concretas, la UTPL ha propuesto una línea de I+D+D, iniciándose con proyectos piloto como el diseño e implementación de sistemas fotovoltaicos para la iluminación de espacios, denominado RENLUX.

La arquitectura básica del sistema se definió al aplicar los paradigmas de isomorfismo y determinismo de la Teoría General de Sistemas [1], [2], [3], [4] en un sistema fotovoltaico para iluminación. Como resultado el sistema fue modelado a través de tres bloques funcionales: paneles solares, sistema eficiente de iluminación, y, storage de energía. Como una opción para elevar la fiabilidad del sistema, la arquitectura propuesta incluye un cuarto bloque funcional – la transferencia- cuyo objetivo principal es garantizar el abastecimiento de energía transformando la energía del sol o utilizando directamente la energía de la red eléctrica doméstica.

Para la primera fase del proyecto RENLUX se propuso cumplir con dos objetivos. Primero, levantar, como línea base, las características técnicas, operativas, económicas, y, funcionales de los principales elementos que conforman el sistema estudiado. Segundo, realizar un dimensionamiento preliminar de los componentes de iluminación eficiente y de generación fotovoltaica.

Para cumplir con el segundo objetivo, se decidió valorar inicialmente la demanda de energía para alimentar a los sistemas de iluminación en las aulas y pasillos, y, considerando la reserva del caso, dimensionar los paneles fotovoltaicos requeridos.

Este trabajo recoge los resultados obtenidos.

II. GENERALIDADES DE LOS SISTEMAS DE ILUMINACIÓN

A. Clasificación de los sistemas de iluminación

Los sistemas de iluminación se clasifican en dos grupos:

los convencionales y los no convencionales.

Sistemas convencionales de iluminación Estos sistemas emplean como luminarias a lámparas

incandescentes, lámparas de arco, lámparas de filamentos de carbono, lámparas fluorescentes, etc. Debido a la naturaleza de las luminarias, sólo una parte de la energía eléctrica consumida se transforma en energía luminosa, por lo que los sistemas convencionales se consideran ineficientes.

Sistemas no convencionales de iluminación

Los sistemas no convencionales de iluminación se

aplican en iluminación ambiental, decorativa, puntual, funcional, etc. Estos sistemas incorporan luminarias con un alto nivel de eficiencia, de baja potencia y de intensidad lumínica aceptable, alimentadas de voltajes de 12V, 24V, 30V, 64V, entre otros.

Las luminarias habituales en estos sistemas utilizan tecnología LED (ver Fig. 1). Un LED (Light-Emitting Diode) es un diodo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido (electroluminiscencia) cuando se polariza de forma directa y circula por él una corriente eléctrica. El color (longitud de onda), depende del material semiconductor empleado en la construcción del diodo [5]. A diferencia de una bombilla eléctrica que libera CO2, los LEDs no son dispositivos contaminantes.

Existen algunas tecnologías LED: mini LED, LED edge lite, LED wall washer line type, LED pole 25, LED pane luxury, POOL ligth 12, etc.

La tecnología Mini LED se conecta al voltaje de la red doméstica, lo que facilita su aplicación, montaje y mantenimiento. La luz emitida por este tipo de LED se basa en la combinación RGB y puede ser de varios millones de colores, y su potencia varía entre 1W y 32W, con una vida útil de 80 mil horas [6].

La tecnología LED edge lite es una solución innovadora en la iluminación de acrílico para letreros. Estos LEDs estan disponibles en rojo, amarillo, azul, verde, y, blanco. Con una potencia de consumo de 0.8W y una vida útil media de 60 mil horas [6].

La tecnología LED wall washer line type se utiliza en la fabricación de reflectores. LEDs de 1W de potencia proporcionan luz en la gama de los colores RGB. Su vida útil se estima en 80 mil horas.

Fig. 1. Lámparas de tecnología LED. C. J. Carrillo. Sistemas de iluminación, eficiencia y sostenibilidad energética en la empresa. Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética. La Coruña, 2009, [en línea] <http://www.energylab.es/fotos/091105104635_YTi6.pdf>, [Consulta 23 Abril 2010]

La tecnología LED pole 25 se emplea en decoración. Se

complementa con un avanzado circuito microelectrónico que permite cambio de colores duraderos y de bajo consumo de energía. La potencia estimada es de 25W, con una vida útil media de 100 mil horas.

La tecnología LED pane luxury se utiliza en la iluminación de interiores con colores de la gama RGB. La potencia es de 32 W y la vida útil media de 100 mil horas.

La tecnología POOL ligth 12 se emplea en iluminación de albercas gracias a la gama de colores RGB y un índice de protección IP 68. La potencia de consumo es de alrededor de 25W y registra un vida útil promedio de 100 mil horas.

Los índices de eficiencia y calidad del espectro luminoso alcanzados por la luminarias compactas fluorescentes (CFL) las han convertido en serias sustitutas de las lámparas incandescentes y halógenas (las lámparas más

utilizadas en el sector doméstico). La tecnología LED, por su parte, ha alcanzado valores de eficiencia iguales a las CFL y se espera que alcancen los 150 lm/W en los próximos años. Los CFL y los LEDs pueden llegar a ser del orden de 50 a 90 % más eficientes que una lámpara incandescente típica. Las Fig. 2 y 3 muestran la evolución de los índices de eficiencia energética de los dispositivos lumínicos y una comparación de los niveles alcanzados en la actualidad.

Sistemas convencionales vs sistemas no convencionales

Fig. 2. Evolución de los niveles de eficiencia energética de los dispositivos lumínicos desde su invención. Tomado de :Sistemas de iluminación, eficiencia y sostenibilidad energética en la empresa. Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética. La Coruña, 2009, [en línea] <http://www.energylab.es/fotos/091105104635_YTi6.pdf>, [Consulta

23 Abril 2010]

Fig. 3. Comparación de los niveles de eficiencia energética de los dispositivos lumínicos. Tomado de: Sistemas de iluminación, eficiencia y sostenibilidad energética en la empresa. Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética. La Coruña, 2009, [en línea] <http://www.energylab.es/fotos/091105104635_YTi6.pdf>, [Consulta 23 Abril 2010]

El área efectiva de iluminación con lámparas LEDs de

alta intensidad puede ser de hasta 40m x 16m, si la lámpara está colocada en un poste a una altitud de 12m [6], mientras que la iluminación puede variar de 45 lux (si la

lámpara se ubica a 6m de altura) a 11 lux (a 12m), lo que todavía es equivalente a 2.5 veces más que la iluminación proporcionada por las lámparas de vapor de sodio a alta presión [6]. Un esquema del área de efectiva de iluminación y del nivel de iluminación se muestra en la Fig. 4.

[1] Fig. 4. Áreas efectivas de iluminación y niveles de

iluminación en función de la distancia a una lámpara LED. Tomado de : Alfredo Olivares Cardenas, Operating the City Green Lighting Building the Harmonious Society, DMX Tecnologias [en línea] <www.pantallasled.com.mx> [Consulta 23 Abril 2010]

Otro aspecto importante es el ahorro de energía, el

mismo que puede expresarse en forma de ahorro de recursos económicos y en reducción de emisión de gases tipo invernadero (Ver tabla 1) [5].

TABLA I Ahorros anuales generados por la utilización de sistemas eficientes

de iluminación Ahorro

(Anuales) CO2

(Millones de toneladas)

Ahorros Energéticos

(KWh)

Ahorros Económicos

(Millones de €)

Euro (KWh)

Iluminación doméstica

23 62.2 9.3 0.15

Iluminación en oficinas

8 21.6 2.2 0.10

Iluminación Industrial

8 21.6 2.2 0.10

Iluminación Pública

3.5 9.5 0.9 0.10

TOTAL 42.5 114.9 14.6

B. Sistemas fotovoltaicos para iluminación a 12V

La energía fotovoltaica (FV), generada en paneles, puede alimentar sistemas de iluminación de espacios, si en su arquitectura se incluyen iluminarias eficientes como las que utilizan tecnología LED.

Fig. 5. Esquema de alimentación de un sistema fotovoltaico tipo para iluminación en 12 V. Tomado de : Alfredo Olivares Cardenas, Operating the City Green Lighting Building the Harmonious Society, DMX Tecnologias [en línea] <www.pantallasled.com.mx> [Consulta 23 Abril 2010]

Esquema general del sistema Considerando la necesidad de incluir un bloque de

transferencia en el sistema, se propone un esquema general del sistema como el mostrado en la Fig. 5.

El sistema se alimentará en forma base de la energía generada en el panel FV. Durante períodos de mantenimiento del panel FV o ante ausencia de una generación fotovoltaica aceptable, el sistema se alimentará de red eléctrica doméstica.

El tablero de control gestionará el funcionamiento del sistema, vigilando la conexión y el estado de los equipos auxiliares, estado de carga, de potencia, niveles de corriente, voltaje, etc.

A. Células fotovoltaicas

Paradigma de control para gestión del sistema

Los sistemas de iluminación correctamente instalados y gestionados reducen el consumo energético cuando la iluminación es innecesaria, y, reducen la demanda de iluminación cuando y donde sea posible [5].

El paradigma típico de control de un sistema de iluminación incluye como criterios al control de presencia, al control horario, a la regulación del nivel de iluminación, al daylighting o aprovechamiento de la luz natural; a la limitación de la demanda, y, a la compensación adaptativa.

III. GENERALIDADES DE LA TECNOLOGÍA FOTOVOLTAICA

La célula fotovoltaica (FV) es el componente que se

encarga de captar la energía contenida en la radiación solar y transformarla en energía eléctrica. En general, una célula FV es un diodo elaborado con material semiconductor. Geométricamente, una célula FV tiene un tamaño aproximado de 10cm x 10cm y es de color azul obscuro. Las celdas FV se agrupan y conforman los paneles FV. La mayoría de los paneles FV constan de 36 células FV.

En la Fig.6 se muestra la estructura típica de una célula FV. Si la luz solar incidente tiene el espectro y el nivel de energía requerido por el material semiconductor del que

Principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica

está hecha la célula FV, el bombardeo de los fotones crea pares de cargas libres. Algunos de estos pares se recombinan antes de migrar a la zona de juntura, pero un elevado porcentaje de electrones del lado p y de hoyos del lado n son impulsados a través de la juntura. La dirección del campo eléctrico en la juntura hace que estas cargas no puedan volver, alterándose el estado de equilibrio. Las cargas libres están listas para sostener una corriente cuando se conecten al lado n y p a una carga eléctrica externa. [7]

Fig. 6 . Estructura t ípica de una célula FV. Gasquet,

H. L. Manual de Sistemas Fotovoltaicos. Austin. 2008 .

Tipos de células fotovoltaicas

Un primer criterio de clasificación de células FV se refiere al material empleado en su construcción: células monocristalinas, células policristalinas, y, células amorfas. Las células monocristalinas (cSi) son formadas por un sólo tipo de cristal y consiguen rendimientos superiores al 30%. Las células policristralinas (pSi) son fabricadas a partir de un agregado de materiales, como silicio mezclado con arsenio y galio, y, consiguen rendimientos del 15%. Las células amorfas no poseen una estructura cristalina y alcanzan rendimientos del 6%.

Un segundo criterio de clasificación es la geometría de las células FV (Ver Fig. 7): redondas y cuadradas. Las células FV originales eran de geometría redonda. Las versiones actuales permiten obtener una geometría cuadrada, que permite mayor compactación de las células en el panel FV.

Fig. 7 . Geometría de las células FV. Gasquet, H. L. Manual de Sistemas Fotovoltaicos. Austin. 2008

La potencia eléctrica de una célula FV en un instante, se cuantifica como el producto de los valores instantáneos del voltaje y de la corriente de salida.

El voltaje de la célula FV es continuo y depende del material usado.

La corriente de la célula FV depende del valor de la carga, la irradiación solar, la superficie de la celda y el valor de su resistencia interna.

Eficiencia, potencia, voltaje y corriente en las células fotovoltaicas

La eficiencia porcentual en las células FV se define

como la relación entre el valor de la energía eléctrica a la salida y el valor de la energía luminosa en la entrada.

B. Paneles fotovoltaicos

Un panel FV es una placa rectangular, formada por un conjunto de células FV protegidas por un marco de vidrio y aluminio anodizados. La función principal de un panel FV es la de soportar mecánicamente a las células FV y de protegerlas de los efectos degradables de la intemperie.

La vida útil de un panel FV puede llegar a los 30 años, aunque los fabricantes otorgan garantías de 20 años. El mantenimiento típico consiste de una limpieza del vidrio para prevenir que las células FV no puedan capturar la radiación solar. [8]

Estructura de un panel fotovoltaico

La forma más común de construir un panel FV es

utilizando una estructura tipo “sándwich” [7], en la que ambos lados de las células FV quedan mecánicamente protegidos (ver Fig.8).

El marco del panel (1) es de aluminio anodizado para evitar la oxidación. La rigidez provee la presión necesaria para mantener juntas las partes que integran el panel.

La superficie colectora (2) tiene un vidrio templado o un plástico de alto impacto, con un alto valor de transmisividad para la luz incidente.

Un material esponjoso (3) protege los bordes del vidrio y provee un cierre hermético para el panel.

La juntura selladora (4), colocada a lo largo del perímetro, evita la presencia de agua dentro del panel evitando la oxidación de las conexiones dentro del panel.

Las células fotovoltaicas (5) son cubiertas con un material encapsulante (6) de alta transparencia como el acetato de etil-vinilo.

Fig. 8 . Estructura tipo sándwich en un panel FV. Gasquet, H. L. Manual de Sistemas Fotovoltaicos. Austin. 2008.

La rigidez del panel se incrementa con el uso de un sostén rígido (7), plástico o metálico.

La cara posterior del panel (8) tiene una superficie de sostén, puede ser metálica o de plástico. La versión metálica mejora la disipación de calor al exterior. Voltaje, potencia y número de células de los paneles fotovoltaicos

Los paneles FV proporcionan voltajes de salida de 12

V, 20 V, 24 V, y 30 V, dependiendo del número de células FV [8]. Se necesita conectar 24 células en serie para alcanzar un voltaje nominal de salida de 12V. La mayoría de paneles FV comerciales contienen alrededor de 36 células fotovoltaicas. [8]

La potencia de salida de un panel FV indica la capacidad de generar electricidad en condiciones óptimas de operación. La tendencia de la industria es ofrecer paneles con potencias de salida elevadas, pero se pueden encontrar en el mercado paneles fotovoltaicos de baja potencia (desde 5W), de potencia media (55W), y, de alta potencia (hasta 160 W). [9]

Clasificación de los paneles fotovoltaicos

Los paneles FV se clasifican de acuerdo a su forma:

con sistema de concentración, de formato teja o baldosa, y, bifaciales.

En los paneles con sistemas de concentración se usa una serie de superficies reflectantes que concentran la luz sobre los paneles FV [8].

Los paneles de formato teja o baldosa son de pequeño tamaño y están hechos para combinarse en gran número para cubrir las superficies de los tejados y paredes de las viviendas [8].

Los paneles bifaciales están basados en la capacidad de transformar en electricidad la radiación solar que se recibe por cualquiera de las dos caras del panel. Estos paneles se colocan sobre dos superficies blancas que reflejan la luz solar hacia el reverso del panel [8].

IV. DIMENSIONAMIENTO SISTEMA DE ILUMINACIÓN EFICIENTE

Principales fabricantes de paneles fotovoltaicos

La industria de células FV se concentra en Japón (48%), Europa (27%) y en Estados Unidos (11%), pero es en España en donde se encuentran los mayores fabricantes y proveedores.

El costo de un panel FV depende del tipo de panel, del tipo y número de células, de la potencia, y, del voltaje de salida.

La tabla 2, recoge información clave sobre los productores y el tipo de paneles disponibles en el mercado [9], [10], [11], [12] y [13].

La metodología para el dimensionamiento del sistema de iluminación eficiente, parte de la elección de las lámparas LED requeridas, en función del nivel de iluminación requerida para aulas y pasillos.

Conocido el tipo de lámpara y sus características, se procede a definir el número y esquema de conexión.

Como último término se estima la demanda total de energía requerida en el sistema.

A. Dimensionamiento del sistema de iluminación de las

aulas del primer piso Datos generales

Para las aulas, los niveles de iluminación se estiman

entre 800 y 1000 Lux [14]. Para efectos del proyecto, y, considerando la iluminación natural del aula producto del diseño arquitectónica, se considerará una iluminación media de 400 lux [15].

El factor de mantenimiento para las luminarias se considera 0.58. El techo tiene un coeficiente de reflexión 0.88 y las paredes uno de 0.45. El coeficiente de reflexión del suelo es de 0.1. Por las características del local, de las luminarias y de las actividades que en él se desarrollan, la altura sobre el suelo de la instalación de alumbrado, debe ser de 2.7m.

De acuerdo a los requerimientos de iluminación se escogió la lámpara LED del tipo T8 -60-xxx de 6W de SINOSTAR LIGHTING GROUP LTD [16], [17], [18].

Constante del salón y puntos de medición

La constante del salón (a iluminar), permite definir el

número de puntos de medición necesarios para determinar la iluminancia promedio del espacio. Para mediciones de precisión, el área debe ser dividida en cuadrados con lados de aproximadamente un metro, y, la iluminancia medida en el centro de cada cuadrado y a la altura del plano de trabajo. La iluminancia promedio del área total se puede obtener al promediar todas las mediciones.

Dado el tipo de luminarias propuestas, nos encontramos con un caso de iluminación directa [14] en el que la constante del salón se determina por la expresión (4.1).

TABLA 2

Paneles FV disponibles en el mercado Fabricant

es MODELO TIPO DE CELULA CARACTERISTICAS COSTO

(Euros)

Paneles Solar Word

SW 170 MONOCRISTALINO Tensión Máxima 24 V Potencial máxima de salida 170 W Dimensiones 161*810*34 mm

667.00

Paneles Solar Word

SW 175 MONOCRISTALINO Tensión Máxima 24 V Potencial máxima de salida 175 W Dimensiones 161*810*34 mm

686.00

Paneles Solar Word

SW 200 Texturizado

POLICRISTALINO Tensión Máxima 20 V Potencial máxima de salida 200 W Dimensiones 1675*1001*34 mm

784.00

Paneles Solar Word

SW 205 Texturizado

POLICRISTALINO Tensión Máxima 20 V Potencial máxima de salida 205 W Dimensiones 1675*1001*34 mm

804.00

Paneles REC

REC 210AE POLICRISTALINO Tensión Máxima 20 V Potencial máxima de salida 210 W Dimensiones 1665*991*43 mm

606.00

KYOCERA KC85GX-2P POLICRISTALINO Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 85 W Dimensiones 1007*652*36 mm

424.00

KYOCERA KC50SC-1P POLICRISTALINO Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 50 W Dimensiones 544*656*45 mm

287.00

PHAESUN POLICRISTALINO Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 5 W

22.80

PHAESUN POLICRISTALINO Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 10 W

45.10

PHAESUN POLICRISTALINO Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 50 W

178.00

CIS WURTH SOLAR

P.WURTH SOLAR 5,5

Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 5,5 W Dimensiones 205*305mm

100.00

CIS WURTH SOLAR

P.WURTH SOLAR 12

Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 12 W Dimensiones 405*305mm

136.00

FLEXCELL FLX-MO100 AMORFOS Tensión Máxima 30 V Potencial máxima de salida 100 W

395.00

SOLARTECHNICS

AMORFOS Tensión Máxima 30 V Potencial máxima de salida 40 W

94.00

SCHOTT SCHOTT81W AMORFOS Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 81 W Dimensiones 1108*1308*50mm

184.00

SOLAR DELL EKO

SOLAR

AMORFOS Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 2 W Dimensiones 308*157*8mm

23.80

SOLAR DELL EKO

SOLAR

AMORFOS Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 6 W Dimensiones 312*465*25Mm

41.50

SOLAR DELL EKO

SOLAR

AMORFOS Tensión Máxima 12 V Potencial máxima de salida 14 W Dimensiones 312*923*25Mm

72.00

𝜅𝜅 =𝑎𝑎 ∙ 𝑏𝑏

ℎ ∙ (𝑎𝑎 + 𝑏𝑏) (4.1)

El aula promedio, para efectos de diseño, tiene un área

de 80m2, y, tiene sus dimensiones referenciales son 10 m de largo, 7.37 m de ancho, y, 2.7 m de alto. La altura del plano de trabajo es de 1 m sobre el nivel del suelo. Por lo tanto, la constante del salón es de:

𝜅𝜅 =10 ∙ 7,37

2,7(10 + 7,37) = 1.57

En la bibliografía [14] se puede encontrar que para el

valor obtenido de la constante del salón, el número de puntos de medición es de 9. Esto significa que la una cuadrícula para cálculo de las luminarias es de 3x3. Determinación del coeficiente de utilización

Los coeficientes de utilización se determinan de tablas existentes en la bibliografía [14], a partir de los factores de reflexión y de la constante del salón. Para efectos de este proyecto, el coeficiente de utilización se tomo de 𝜂𝜂 = 0.66

( )

Φ𝑇𝑇 =𝐸𝐸𝑚𝑚 ∙ 𝑆𝑆𝜂𝜂 ∙ 𝑓𝑓𝑚𝑚

Cálculo del flujo luminoso total

El cálculo del flujo luminoso total se realiza en base a la expresión (4.2)

(4.2)

En dónde:

es el flujo luminoso total Em es la iluminancia media deseada S es la superficie del plano de trabajo

es el factor de utilización fm es el factor de mantenimiento (incluido en

las especificaciones de la lámpara LED)

De esta forma, el flujo luminoso de la luminaria seleccionada es:

Φ𝑇𝑇 =400 ∙ 10 ∙ 7,37

0.66 ∙ 0,58= 77011 𝐿𝐿𝐿𝐿𝑚𝑚

𝑁𝑁 =Φ𝑇𝑇

𝑛𝑛 ∙ Φ𝐿𝐿

Número de luminarias

Por último, se calcula el número mínimo de luminarias necesarias con ayuda de la expresión (4.3):

(4.3)

En dónde:

N es el número de luminarias es el flujo luminoso total es el flujo luminoso de una lámpara

n es el número de lámparas por luminaria

Con los datos disponibles, el número de luminarias requeridas es de:

𝑁𝑁 =770113 ∙ 960

= 26,7 ≈ 27

Finalmente,

Emplazamiento de las luminarias

distribuiremos las luminarias sobre la planta del local y comprobar que la distancia de separación entre ellas es inferior a la máxima admisible. Puesto que cada lámpara ofrece un cono de distribución de la intensidad luminosa de 120o, a la altura de 1.7m sobre el nivel de trabajo cubrimos una superficie de 5.8m2. Según el cálculo, se requiere un total de 27 lámparas, por lo cual el número de luminarias es de 9, en un arreglo uniforme de 3x3.

La luminaria del centro estará ubicada en las coordenadas medias del aula (3.68m, 5m). Considerando las dimensiones del aula y la geometría de las lámparas, la distribución espacial de las luminarias se muestra en la fig. 9.

E =n ∙ ΦL ∙ η ∙ fm

S

Fig. 9. Distribución de las luminarias para las aulas de la planta baja

Con esta distribución, se verifica los niveles de luminosidad, de acuerdo a la expresión (4.4):

(4.4)

Con los datos disponibles, podemos concluir que

E =27 ∙ 960 ∙ 0,66 ∙ 0,58

10 ∙ 7,37= 135 Lux

Entonces, al nivel de suelo, la iluminancia total será de:

NI = 135 + 260 = 395 Lux

Pa = N*Pi

Potencia requerida

La potencia requerida por aula se calculará en base al número de luminarias y al requerimiento de potencia de cada una de ellas (4.5):

(4.5)

Es decir:

Pa = 27 ·6W = 162 W

La potencia requerida en toda la planta baja se define para el número total de aulas (5), considerando entre 25 y 30% de reserva. Con lo que la potencia total requerida en el piso está entre 1015 y 1100W.

B. Dimensionamiento del sistema de Iluminación para las

aulas de otros pisos

La metodología de cálculo es similar a la explicada en el apartado anterior, considerando las diferencias geométricas y constructivas de las aulas ubicadas en el primer y segundo piso del edificio.

El aula promedio tiene un área de 37m2, y sus dimensiones son 5 m de largo, 7.37 m de ancho, y, 2.6 m de alto. La altura del plano de trabajo es de 1 m sobre el nivel del suelo.

El factor de mantenimiento para las luminarias se considera del 0.58. El techo tiene un coeficiente de reflexión 0.88 y las paredes uno de 0.45. El coeficiente de reflexión del suelo es de 0.3.

Por las características del local, de las luminarias y de las actividades que en él se desarrollan, la altura sobre el suelo de la instalación de alumbrado, debe ser de 2.6m.

Se utilizarán lámparas LED del tipo T8 -60-xxx de 6W, para proporcionar un nivel de iluminación de 400 lux. La constante del salón fue calculada en 1.14, el coeficiente de utilización se calculó en 0.53, y, el flujo luminoso se estableció en 47951 lum. Con estos datos, se determinó que el número requerido de luminarias por aula es de 18 unidades.

Un esquema del emplazamiento de luminarias para el aula tipo se muestra en la fig.10.

La comprobación de la iluminancia al nivel del suelo, determinó que esta era de 404,14 lux.

La potencia eléctrica requerida en cada una de las aulas se estimó en 180W, mientras que la potencia total (incluyendo reserva) se estimó entre 2950 y 3200W.

C. Dimensionamiento del sistema de iluminación

para los corredores

El nivel de iluminación recomendado para los corredores es de 100 lux en el plano de trabajo.

La instalación de alumbrado para los corredores, considera una longitud de 60 m y 2m de ancho. Por las características del local, de las luminarias y de las actividades que en él se desarrollan, la altura sobre el suelo de la instalación de alumbrado, debe ser de 2.7m.

Fig. 10. Distribución de las luminarias para las aulas del primer y segundo piso.

El factor de mantenimiento para las luminarias se

considera 0.58%. Se seleccionaron bombillas LED del tipo MR16 3,1W

de la empresa de luminarias LED Juncoop. El ángulo de salida de las bombillas es de 50o, por lo que el área de cobertura para una altura de 2,6m es de 0.75m2. En función del área a iluminar, se requieren de 12 bombillas.

La potencia eléctrica requerida en el corredor de la planta baja es de 37.2W, mientras que la potencia total para el edificio es de 112W.

D. Dimensionamiento de potencia eléctrica total requerida en el edificio

La potencia eléctrica total requerida para el edificio,

incluyendo reserva es del orden de 4100W (para 25% de reserva) y 5500W (para 35% de reserva). Para efectos de este proyecto, se utilizará como potencia de diseño 6KW.

V. DIMENSIONAMIENTO BÁSICO DEL SISTEMA FOTOVOLTAICO REQUERIDO

A. Cálculo del número requerido de paneles

fotovoltaicos

Para iluminar el edificio se requiere de una potencia de 6KW. Aproximaremos este valor a energía, considerando que en una hora pico, el edificio demanda la entrega de 6KWh. A partir de esto, se calcula el consumo de energía real, el mismo que considera las pérdidas existentes en la instalación (5.1), [20], [21], [22].

𝐸𝐸 =𝐸𝐸𝑇𝑇𝑅𝑅

(5.1)

En dónde, R es el parámetro de rendimiento global de la

instalación fotovoltaica, definido por (5.2):

𝑅𝑅 = (1 − 𝑘𝑘𝑏𝑏 − 𝑘𝑘𝑐𝑐 − 𝑘𝑘𝑣𝑣) . �1 −𝑘𝑘𝑎𝑎 .𝑁𝑁𝑝𝑝𝑑𝑑

� (5.2)

En dónde:

𝑘𝑘𝑏𝑏 Coeficiente de pérdidas debido al rendimiento del acumulador, con un valor de 0.05 en sistemas sin descargas internas, y, 0.1 para sistemas con descargas profundas

𝑘𝑘𝑐𝑐 Coeficiente de pérdidas en el inversor, con un valor de 0.005 para inversores de salida sinusoidal en condiciones óptimas, y, 0.1 para trabajo no óptimo

𝑘𝑘𝑣𝑣 Coeficiente de pérdidas varias (transmisión, efecto Joule, etc.), con un valor entre 0.05 y 0.15

𝑘𝑘𝑎𝑎 Coeficiente de autodescarga diaria de la batería, con un valor de 0.002 para baterías de baja autodescarga, 0.005 para baterías estacionarias de plomo ácido, y, 0.012 para baterías de alta autodescarga.

𝑁𝑁 Días de autonomía de la instalación. Con un valor de 4 a 10 para referencia

𝑃𝑃𝑑𝑑 Profundidad de descarga diaria de la batería, la que no deberá exceder el 80% de la capacidad nominal del acumulador

Dado el carácter experimental del diseño, se

establecieron valores referenciales para las variables descritas: 𝑘𝑘𝑏𝑏 = 0.1, 𝑘𝑘𝑐𝑐 = 0.05, 𝑘𝑘𝑣𝑣 = 0.1, 𝑘𝑘𝑎𝑎 = 0.005,𝑁𝑁 =4, 𝑝𝑝𝑑𝑑 = 0.7, con lo que el rendimiento está definido por:

𝑅𝑅 = (1 − 0.1 − 0.05 − 0.1) . �1 −0.005 .4

0.7�

𝑅𝑅 = 0,728

Consecuentemente, la energía real demandada está definida por:

𝐸𝐸 =𝐸𝐸𝑇𝑇𝑅𝑅

𝐸𝐸 =60000.728

𝐸𝐸 = 8241.75 𝑊𝑊ℎ

Para dimensionar los paneles fotovoltaicos requeridos, se necesita determinar (a partir de valores estadísticos históricos de la zona) el valor de irradiación solar diaria medida en superficie inclinada del lugar (H). Para determinar el valor de H, en el proyecto se utilizó la base de datos de irradiación solar mundial [19], empleando las coordenadas geográficas de Loja (latitud 03º59´35”S, longitud 79º12´15”W). Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 3.

TABLA 3 Irradiación solar diaria para Loja mes H

Enero 2.74 Febrero 3.57 Marzo 4.99 Abril 5.02 Mayo 5.53 Junio 5.9 Julio 6.12 Agosto 5.96 Septiembre 5.56 Octubre 4.32 Noviembre 2.98 Diciembre 2.25

media 4.578

El número de paneles fotovoltaicos necesarios se calcula por la expresión (5.3):

𝑁𝑁𝑃𝑃 =𝐸𝐸

0.9 .𝑊𝑊𝑝𝑝 .𝐻𝐻 (5.3)

En dónde, 𝑊𝑊𝑝𝑝 es la potencia pico de cada panel solar, la

misma que para efectos del proyecto se definió en 100W. Entonces,

𝑁𝑁𝑃𝑃 =8241.75

0.9 .100 . 4.58

𝑁𝑁𝑃𝑃 = 19.99

Para efectos del diseño, se considera que se requiere de

20 paneles fotovoltaicos.

B. Cálculo del factor de utilización de los paneles fotovoltaicos

A partir de la expresión (5.4), obtendremos una

expresión (5.5) para el cálculo del factor de utilización de los paneles fotovoltaicos para cada mes. Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 4.

𝐹𝐹𝑖𝑖 =𝑒𝑒𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒í𝑎𝑎 𝑑𝑑𝑖𝑖𝑑𝑑𝑝𝑝𝑑𝑑𝑛𝑛𝑖𝑖𝑏𝑏𝑑𝑑𝑒𝑒𝑒𝑒𝑛𝑛𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑖𝑖𝑎𝑎 𝑐𝑐𝑑𝑑𝑛𝑛𝑑𝑑𝐿𝐿𝑚𝑚𝑖𝑖𝑑𝑑𝑎𝑎

(5.4)

𝐹𝐹𝑖𝑖 =𝑁𝑁𝑃𝑃 .0,9 .𝑊𝑊𝑝𝑝 ..𝐻𝐻

𝐸𝐸 (5.5)

TABLA 4

Factor de utilización de los paneles fotovoltaicos por mes mes Fi

Enero 0.58 Febrero 0.78 Marzo 0.92 Abril 1.02 Mayo 1.2 Junio 0.9 Julio 1.03

Agosto 1.3 Septiembre 1.2

Octubre 1.01 Noviembre 0.65 Diciembre 0.49

media 0,92

Podemos concluir que el número de paneles calculado

cubre la demanda requerida, alcanzando un factor medio de utilización del 92% anual.

C. Elección de paneles fotovoltaicos

Los paneles fotovoltaicos producen energía eléctrica

sólo durante el día equivalente (las horas pico solar), razón por la cual es necesario operar con potencias intermedias.

De la bibliografía [9], [10], [11], [12], [13] se obtuvo información que permitió construir una tabla resumen de los principales proveedores de paneles fotovoltaicos en el mercado (Ver tabla 5).

De acuerdo a la información disponible, se eligieron los paneles fotovoltaicos ISOFOTÓN I-100/12, de 100W de potencia (pico), y de 12V nominales de tensión. Estos paneles están formados por celdas monocristalinas y ofrecen las mejores características disponibles.

D. Ubicación de los paneles fotovoltaicos

Aunque la recomendación dicta instalar los paneles

fotovoltaicos sobre pedestales o paredes, la disponibilidad

de espacio en el campus de la UTPL, nos obliga a pensar en un montaje en el tejado del edificio, previendo la circulación de aire entre los paneles y el techo.

El área disponible es de 60m2, suficiente para la ubicación de los 20 paneles fotovoltaicos necesarios. Las dimensiones geométricas de cada panel son 1.310 x 654 x 39,5 mm, y, su peso es de 11.5 Kg. Este último parámetro deberá ser la base de un cuidadoso análisis estructural a fin de evitar complicaciones en la integralidad del edificio.

TABLA 5 Paneles fotovoltaicos disponibles en el mercado

Fabricantes Modelo Tipo de Célula Características Costos

KYOCERA KC856X-2P Policristalina 12V 85W

424,00

KYOCERA KC50SC-1P Policristalina 12V 50W

287,00

FLEXCELL FLX-MO1000

Amorfa 12V 40W

395,00

UNITEC Policristalina 12V 100W

455,00

AgridrovertSolar

Isofotón I-100/12

Monocristalina 12V 100W

429,00

AgridrovertSolar

Isofotón I-100

Monocristalina 12V – 24 V 100W

767,25

AgridrovertSolar

Isofotón I-100MC

Monocristalina 12V 825,39

Enervolt Solar

Inxaxal SM400SP

Monocristalina 12V 100W

869,40

VI. CONCLUSIONES

• La diferencia fundamental entre los sistemas de

iluminación convencional y los de iluminación no convencional radica en la relación entre la energía eléctrica total consumida en las iluminarias y la energía luminosa producida en ellas.

• Como estrategia para cubrir la fluctuación en la disponibilidad de energía eléctrica de naturaleza fotovoltaica, los sistemas fotovoltaicos de iluminación incluyen o bien un componente de storage de energía o bien un componente de transferencia a una red eléctrica pública convencional (o los dos componentes a la vez).

• Los sistemas no convencionales de iluminación mejoran su perfomance al incluirse en su funcionamiento paradigmas de control

• La selección de iluminarias LED para los sistemas no convencionales de iluminación se basa en los niveles de iluminación y en el espectro requerido (color) de la luz.

• Considerando el diseño arquitectónico de las aulas de la planta baja del edificio Virginia Riofrío, y, la naturaleza de las actividades que en ellas se realizan, se definieron como datos de diseño: nivel de iluminación media de 400 lux, factor de mantenimiento para las luminarias de 0.58; coeficiente de reflexión del techo de 0.88, coeficiente de reflexión de las paredes de 0.45, coeficiente de reflexión del suelo de 0.1; altura sobre el suelo de la instalación de alumbrado de 2.7m.

• De acuerdo a los requerimientos de iluminación para las aulas de la planta baja del edificio, se escogió la lámpara LED del tipo T8 -60-xxx de 6W de SINOSTAR LIGHTING GROUP LTD, cuya instalación corresponderá a los esquemas de emplazamiento explicados en este trabajo.

• Para cumplir con los requerimientos de iluminación en las aulas de la planta baja, se requiere de 27 lámparas en arreglos de 3x3, con una potencia requerida de 162W, con una estimación de energía total para la planta baja de 1015-1100W.

• Considerando el diseño arquitectónico de las aulas del primer y segundo piso del edificio Virginia Riofrío, y, la naturaleza de las actividades que en ellas se realizan, se definieron como datos de diseño: nivel de iluminación media de 400 lux, factor de mantenimiento para las luminarias de 0.58; coeficiente de reflexión del techo de 0.88, coeficiente de reflexión de las paredes de 0.45, coeficiente de reflexión del suelo de 0.3; altura sobre el suelo de la instalación de alumbrado de 2.6m.

• De acuerdo a los requerimientos de iluminación para las aulas del primero y segundo piso del edificio, se escogió la lámpara LED del tipo T8 -60-xxx de 6W de SINOSTAR LIGHTING GROUP LTD, cuya instalación corresponderá a los esquemas de emplazamiento explicados en este trabajo.

• Para cumplir con los requerimientos de iluminación en las aulas de los dos pisos, se requiere de 18 lámpara, con una potencia requerida de 180W, con una estimación de energía total para los dos pisos de 2950-3200W.

• Considerando las dimensiones geométricas de los corredores del edificio Virginia Riofrío, y, la naturaleza de las actividades que en ellos se realizan, se definieron como datos de diseño: nivel de iluminación media de 100 lux, factor de mantenimiento para las luminarias de 0.58; altura sobre el suelo de la instalación de alumbrado de 2.7m.

• De acuerdo a los requerimientos de iluminación los corredores, se escogió las bombillas LED del tipo MR16 3,1W de la empresa de luminarias LED Juncoop, cuya instalación corresponderá a los esquemas de emplazamiento explicados en este trabajo.

• Para cumplir con los requerimientos de iluminación en los corredores, se estima una energía total de 112W.

• La potencia total requerida para iluminación, considerando la reserva del caso, se estima en 6KW.

• De acuerdo con los datos encontrados para la zona de interés, el nivel de radiación solar promedio mensual varía desde un mínimo de 2,25 kW/m2en el mes de Diciembre, hasta un máximo ende 6,12 kW/m2en el mes de Julio.

• El rendimiento global del diseño se estimo en 92%, por lo que los componentes se deben dimensionar para suministrar un consumo energético real de 6KWh/día.

• El desafío técnico consiste en estructurar un sistema de suministro de energía, que cumpla con requisitos básicos de un costo inicial no exagerado, un suministro confiable de energía, una durabilidad aceptable.

• La elección del tipo de panel fotovoltaico depende del tipo de instalación, de la potencia que se espera conseguir, de la superficie disponible, y, de la orientación.

• De acuerdo a la información disponible, se calculó que la provisión de la energía requerida se puede lograr a partir de la instalación de 20 paneles tipo ISOFOTÓN I-100/12, de 100W de potencia (pico), y de 12V nominales de tensión.

• Estos paneles deberán ser ubicados en la cubierta del edificio.

• El parámetro de paso total de la instalación deberá ser la base de un cuidadoso análisis estructural a fin de evitar complicaciones en la integralidad del edificio.

VII. TRABAJOS PENDIENTES

En una próxima fase, se pretende pasar a un diseño a

detalle del sistema, que incluya los módulos de storage de energía y de transferencia. En este último módulo deberá materializarse el paradigma de control definido en este trabajo.

VIII. REFERENCIAS

[1] A. Giddens, The constitution of society, outline of the theory of structuration. Paperback. Berkeley and Los Angeles: University of California Press, 1986.

[2] R. Espejo, The viable system model, a briefing about organizational structure. Aston Science Park, Birmingham: SYNCHO Limited, 2003.

[3] S. Beer, Diagnosing the system for organization Chichester : Wiley, 1985

[4] W. R. Ashby, An introduction to cybernetics. [en línea]. Chapman & Hall <http://pcp.vub.ac.be/books/IntroCyb.pdf> [Consulta: 4 abril 2010].

[5] C. J. Carrillo. Sistemas de iluminación, eficiencia y sostenibilidad energética en la empresa. Centro Tecnológico de Eficiencia y Sostenibilidad Energética. La Coruña, 2009, [en línea] <http://www.energylab.es/fotos/091105104635_YTi6.pdf>, [Consulta 23 Abril 2010]

[6] D. Alleguiry. Luminaria fotovoltaica con tecnología led. [en línea]<http://www.e2energias.com/images/EspecificacionTecnicaLuminaria.pdf> [Consulta 23 Abril 2010]

[7] Gasquet, H. L. Manual de Sistemas Fotovoltaicos. Austin. 2008 [8] Manual sobre energía renovable, Solar fotovoltaica. Primera

edición. Puerto Rico, 2002. [9] Editores, “KYOCERA” [en línea]. Google: fabricantes de paneles

fotovoltaicos. Marzo 2010, <www.kyocera.com/panelesfotovoltaicos.html> [Consultada: 20 de abril 2010]

[10] Editores, “Asociación de la Industria Fotovoltaica” [en línea]. Google: ASIF. Enero 2010, <www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicos.html> [Consultada: 21 de abril 2010]

[11] Editores, “SITOSOLAR” [en línea]. Google: paneles fotovoltaicos. Febrero 2010, <www.sitiosolar.com/paneles%20fotovoltaicos.html> [Consultada: 16 de abril 2010]

[12] Editores, “JH ROERDEN” [en línea]. Google: proveedores de paneles fotovoltaicos. Febrero 2010

[13] Editores, “JH ROERDEN” [en línea]. Google: proveedores de paneles fotovoltaicos. Febrero 2010, <www.asif.org/files/lista_precios_2010.pdf> [Consultada: 21 de abril 2010]

[14] Javier García Fernández, Cálculos de instalaciones de alumbrado [en línea]< http://edison.upc.edu/curs/llum/interior/iluint2.html> [Consulta: 20 de junio 2010].

[15] Alfredo Olivares Cardenas, Operating the City Green Lighting Building the Harmonious Society, DMX Tecnologias [en línea] <www.pantallasled.com.mx> [Consulta 23 Abril 2010]

[16] SINOSTAR, Proveedor de Tecnología LED. [en línea]. <http://www.duxlite.com/sinostar/LED_Lighting_Indoor/class/228.html> [Consulta: 14 de junio 2010].

[17] Nuevas Energías & Iluminación LED. <http://www.juncoop.com/htm/mainhelp.htm>. [Consulta: 14 de junio 2010].

[18] <www.asif.org/files/cataloge_2010.pdf> [Consultada: 21 de abril 2010]

[19] Irradiación solar mundial, Base de datos, [En línea], tomada de <http://sunbird.jrc.it/pvgis/solardframe.php>. Consultada el 15 de Julio del 2010.

[20] CIEMAT. Curso de Energía Solar Fotovoltaica, Dimensionamiento de sistemas fotovoltaicos autónomos. Escuela Politécnica Superior Universidad de Jaén.

[21] Prado Carlos, Proyecto Eléctrico., Diseño de un sistema eléctrico fotovoltaico para una comunidad aislada. Universidad de Costa Rica Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Eléctrica.

[22] Oñate Arresti Diego, Diseño de una Instalación Solar Fotovoltaica. [En línea], tomada de <www.torres-refrigeracion.com>, Consultada el 14 de Julio del 2010